焦 雷

（中鐵二十二局集團有限公司 北京 100043）

1 引言

鋼筋籠是樁基礎(chǔ)的重要組成部分，是樁基礎(chǔ)承受拉應(yīng)力的主要受力組合材料，因此鋼筋籠加工質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響樁基礎(chǔ)的質(zhì)量和成樁后地基的穩(wěn)定性，鋼筋籠加工效率的高低在很大程度上影響樁基礎(chǔ)施工的進(jìn)度［1］。但鋼筋籠加工作業(yè)往往存在以下問題：

（1）加工效率低，生產(chǎn)成本高。盡管市場上半自動鋼筋籠滾焊機和鋼筋繞筋機已經(jīng)普及，但兩種設(shè)備在鋼筋籠主筋、固定筋和箍筋的焊接方式上依然以人工焊接為主，需要2名焊工（含1名補焊）和1名調(diào)筋人員，焊接效率低且人工成本高［2］。

（2）焊接質(zhì)量差。人工焊接常出現(xiàn)焊縫長度不足、焊縫不飽滿，缺焊漏焊等情況［3］，導(dǎo)致鋼筋籠在下籠時豎向應(yīng)力不均，焊縫大面積開焊，嚴(yán)重破壞鋼筋籠結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)質(zhì)量問題。

因此，為了提高鋼筋籠焊接效率，提升鋼筋籠焊接質(zhì)量，降低項目鋼筋加工成本，在鋼筋籠加工作業(yè)中急需有針對性地改進(jìn)焊接技術(shù)，研發(fā)程序化、機械化、自動化、智能化的焊接設(shè)備代替人工焊接，從而實現(xiàn)鋼筋籠加工的智能一體化，為企業(yè)降本增效［4］。

2 鋼筋籠加工方式

目前，鋼筋籠機械化加工主要有兩種方式：第一種是采用鋼筋繞筋機，利用鋼筋繞筋機底座雙膠輪定速轉(zhuǎn)動帶動鋼筋籠（主筋和定位筋提前焊接）旋轉(zhuǎn)，配合鋼筋調(diào)直機完成箍筋繞筋工作，調(diào)整箍筋間距后進(jìn)行人工焊接；第二種是采用鋼筋籠滾焊機，鋼筋籠滾焊機利用配筋旋轉(zhuǎn)盤固定主筋，人工焊接定位筋后定速轉(zhuǎn)動帶動鋼筋籠旋轉(zhuǎn)，同樣需要鋼筋調(diào)直機配合完成箍筋繞筋工作，調(diào)整箍筋間距后再進(jìn)行人工焊接。鋼筋繞筋機和鋼筋籠滾焊機如圖1所示。

圖1 鋼筋繞筋機和鋼筋籠滾焊機

兩種鋼筋籠加工方式雖然都利用專用機械設(shè)備實現(xiàn)了箍筋的調(diào)直和自動繞筋，但繞筋與焊接工序往往不同步、不連續(xù)，箍筋繞筋后焊接不及時，且在主筋不均勻摩擦力影響下，不同位置箍筋徑向拉應(yīng)力不同，出現(xiàn)箍筋間距變化，需在焊接前進(jìn)行調(diào)整。此外，因國內(nèi)鋼筋籠滾焊機自帶焊機的焊接質(zhì)量不及人工焊接，目前鋼筋籠實際加工生產(chǎn)過程中，兩種加工方式均需人工焊接箍筋并進(jìn)行補焊作業(yè)。

因此，在鋼筋籠加工過程中，如何利用機械原理實現(xiàn)箍筋間距自動調(diào)整和焊槍精準(zhǔn)定位焊接是鋼筋籠自動焊接技術(shù)需要解決的關(guān)鍵問題。

3 基于PLC控制的鋼筋籠自動焊接機器人

針對上述鋼筋籠焊接出現(xiàn)的問題，結(jié)合鋼筋籠的加工方式，鋼筋籠的自動焊接應(yīng)從箍筋定位定向、焊槍精準(zhǔn)定位、精密焊接和系統(tǒng)操控等多方面進(jìn)行技術(shù)研究，確定機械結(jié)構(gòu)件和電氣元件的適配組合方案，利用PLC系統(tǒng)進(jìn)行焊接參數(shù)的設(shè)置、焊機運轉(zhuǎn)的控制及焊接過程的監(jiān)控，實現(xiàn)鋼筋籠焊接機器人自動、穩(wěn)定、連續(xù)施焊。自動焊接機器人側(cè)面示意見圖2。

圖2 自動焊接機器人側(cè)面示意

3.1 鋼筋籠箍筋定位定向系統(tǒng)

鋼筋籠自動焊接機器人在機頭設(shè)置上下兩個繞絲滾輪，垂直間距為480 mm。機頭由電機滑桿牽引，滾輪隨機頭實現(xiàn)長距離前后滑動并在焊槍施焊時壓在箍筋上。滾輪裝置本身設(shè)置調(diào)節(jié)螺桿，負(fù)責(zé)根據(jù)壓筋程度微調(diào)前后距離和角度。每個滾輪上設(shè)置一個繞絲卡，在滾輪壓住箍筋的同時，繞絲卡沿箍筋徑向卡住箍筋（繞絲卡左右位置可根據(jù)箍筋走向微調(diào)）。鋼筋籠隨滾焊機轉(zhuǎn)動時，上下兩個繞絲卡按箍筋理論滾動走行同時卡住箍筋，即可鎖定箍筋位置和轉(zhuǎn)動走向，控制箍筋間距，確保焊槍在上下滾輪間施焊時箍筋與主筋的穩(wěn)定性［5］。此外，上下滾輪均設(shè)置同步旋轉(zhuǎn)電機，配合鋼筋籠同步轉(zhuǎn)動，為焊槍焊接提供穩(wěn)定的工作平臺。鋼筋籠箍筋定位定向系統(tǒng)模型見圖3。

圖3 鋼筋籠箍筋定位定向系統(tǒng)模型

3.2 焊槍定位系統(tǒng)

焊槍與機頭的垂直滑動機構(gòu)連接。焊槍末端設(shè)置夾緊塊固定，鎖定水平位移；焊槍前端設(shè)置支撐塊，限定焊槍頭的垂直位置；焊槍頭設(shè)置斜交（斜交角度根據(jù)主筋與箍筋的交角設(shè)計）焊槍的主筋卡扣［6］，在推放焊槍焊接作業(yè)時搭卡在主筋上，鎖定焊機頭與焊縫的相對位置［7］。通過對焊槍進(jìn)行多結(jié)構(gòu)多維度的限位鎖定，提高焊槍前端的穩(wěn)定性，確保箍筋焊接位置的精準(zhǔn)性。焊槍定位系統(tǒng)模型見圖4。

圖4 焊槍定位系統(tǒng)模型

3.3 焊接系統(tǒng)

焊接系統(tǒng)主要由焊槍組件、偏心轉(zhuǎn)動機構(gòu)（機頭內(nèi)）和垂直滑動機構(gòu)組成。由于人工焊接無法準(zhǔn)確控制焊縫的寬度和飽滿度，焊接系統(tǒng)利用垂直氣缸推動焊槍向上移動，利用電動推桿控制焊槍向下移動，利用水平氣缸控制焊槍頭前后移動（如圖4所示），采用減速電機（可調(diào)速）帶動偏心軸旋轉(zhuǎn)控制焊槍左右擺動。同時，設(shè)置電機調(diào)速器控制減速電機的轉(zhuǎn)速以及電動推桿的下降速度，通過偏心電機和水平氣缸配合實現(xiàn)焊接時間的動態(tài)控制，以保證焊接均勻充分，焊縫連續(xù)飽滿。此外，焊槍自上而下進(jìn)行焊接，使部分熔化的液態(tài)金屬熔滴能順焊縫下淌，焊縫內(nèi)金屬熔滴充盈，進(jìn)一步提高焊縫質(zhì)量。另外，焊接系統(tǒng)采用左右雙焊槍設(shè)計，交替出槍焊接，極大提高了鋼筋籠的焊接效率。

4 焊接機器人PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

考慮焊接機器人作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、操作人員操作水平參差不齊等因素，機器人的PLC控制系統(tǒng)應(yīng)滿足運行平穩(wěn)、焊接動作可靠、操作安全實用、安裝調(diào)試方便、維修保養(yǎng)簡易等要求［8］，確保整機的穩(wěn)定性和可靠性。

4.1 PLC自動焊接流程建設(shè)

鋼筋籠自動焊接機器人是配合現(xiàn)有鋼筋籠滾焊機的小型焊接設(shè)備，在自動焊接流程上要考慮與滾焊機的流程銜接。焊接機器人通過焊槍上移→焊槍定位→出槍焊接→焊槍落位→焊槍上移（往復(fù)進(jìn)行）的簡易流程實現(xiàn)自動焊接［9］，同時流程設(shè)置上須保證焊槍定位定向準(zhǔn)確、焊接機構(gòu)穩(wěn)定、焊點精準(zhǔn)的性能。此外，還應(yīng)結(jié)合PLC控制系統(tǒng)及周邊設(shè)備的功能實現(xiàn)模式來設(shè)計焊接機器人自動焊接的流程［10］。自動焊接流程圖如圖5所示。

圖5 機器人自動焊接流程

4.2 輸入輸出（I/0）估算

由自動焊接流程分析，焊接機器人需要通過PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)焊接參數(shù)設(shè)置、焊接控制、狀態(tài)監(jiān)控和故障預(yù)警等操控功能。此外，隨著樁基施工的發(fā)展，鋼筋籠的樣式和種類不斷變化［11－12］，不同箍筋形狀在焊點定位上不能完全實現(xiàn)自動化［13］，需要結(jié)合主筋的分布和箍筋的徑距手動調(diào)節(jié)焊機頭的初始位置和焊接時間，因此I/0設(shè)計需要考慮增加手動調(diào)節(jié)焊機頭位置的功能。

將兩個焊槍分別定義為1號焊槍和2號焊槍，系統(tǒng)主控數(shù)字輸入信號有：機頭進(jìn)/退、手動/自動焊接切換、1號焊槍啟動/屏蔽、2號焊槍啟動/屏蔽、焊接方式選擇（梅花焊、滿焊）、單主筋/雙主筋選擇以及在手動焊接模式下機頭控制出/回和焊點位置保存；參數(shù)數(shù)據(jù)輸入有：焊機頭位置、鋼筋籠直徑、箍筋直徑、鋼筋主筋根數(shù)、焊接時間以及1號垂直氣缸緩沖時間、2號垂直氣缸緩沖時間、1號水平氣缸出開始時間、2號水平氣缸出開始時間、1號水平氣缸出/回時間、1號垂直氣缸回時間、2號水平氣缸出/回時間、2號垂直氣缸回時間等；數(shù)字輸出信號有：機頭前后移動、1號水平氣缸出/回、2號水平氣缸出/回、1號垂直氣缸出/回、2號垂直氣缸出/回、1號電動拉桿上/下、2號電動拉桿上/下等；反饋信息有：鋼筋籠轉(zhuǎn)速、故障報警等。其中I/0輸入、輸出變量分配情況如表1和表2所示。

表1 I/0輸入變量分配

表2 I/0輸出變量分配

4.3 PLC設(shè)備選型

目前市場上PLC設(shè)備品種頗多，進(jìn)口知名品牌有 SIEMENS（德國）、GE（美國）、LG（韓國）和三菱（日本），國產(chǎn)品牌有合力、研華等。歐美品牌主做大中型PLC控制機，日韓品牌的PLC控制機相對緊湊小巧，國產(chǎn)品牌穩(wěn)定性稍差。焊接機器人輸入觸點不超過30個，輸出觸點不多于20個，應(yīng)用指令不超過30條，需要單脈沖設(shè)置但內(nèi)存需求不高。綜合考慮設(shè)備性能和安裝條件，焊接機器人選用三菱FX3GA-60型PLC控制器。該控制器可以實現(xiàn)控制顯示、運行監(jiān)控、觸點計數(shù)、時間控制以及各類數(shù)據(jù)的通訊和鏈接功能，擁有定位和脈沖輸出功能，在設(shè)備性能不足時可以增加模擬模塊以及功能拓展板，同時兼顧結(jié)構(gòu)緊湊小巧、性價比高等優(yōu)點。

自動焊接機器人以三菱FX3GA-60型PLC控制器為控制核心，適配變頻器、解碼器、減速機、偏心電機、互感器、A/D轉(zhuǎn)換器以及觸摸屏，利用變頻器和減速機配合氣缸組成PID閉環(huán)控制反饋系統(tǒng)，完成精密的自動焊接動作。

5 人機交互效果展示

自動焊接機器人通過觸摸屏實現(xiàn)人機交互。觸摸屏是PLC功能模塊在操作端的集成，焊接操作人員通過觸摸屏進(jìn)行基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置。線路設(shè)計邏輯清晰、操作界面簡潔的觸摸端為設(shè)備操作和功能實現(xiàn)提供良好的操控性。因此，在設(shè)計人機交互觸摸操作界面時充分考慮了焊接機器人的焊接流程以及PLC控制器的功能實現(xiàn)方式。焊接機器人按焊接流程順序采用層進(jìn)式界面設(shè)計，做到界面簡潔易懂、觸控操作規(guī)范、重點信息突出、反饋預(yù)警及時。

5.1 主控界面

主控界面實現(xiàn)焊機頭手/自動切換、單/雙主筋選擇、焊接方式選擇、鋼筋籠尺寸參數(shù)信息輸入、焊機啟/停用設(shè)置以及焊接運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的展示。該界面可供操作人員完成初始焊接數(shù)據(jù)的設(shè)置，同時顯示鋼筋籠的轉(zhuǎn)速并根據(jù)轉(zhuǎn)速差設(shè)置距離補償來縮短焊槍提升時間，實現(xiàn)焊槍準(zhǔn)確勾住主筋。主控界面如圖6所示。

圖6 主控界面

5.2 設(shè)置界面

在主控界面右下方點擊設(shè)置頁面進(jìn)入焊接機頭設(shè)置界面，該界面供操作人員操作焊機頭手動或自動對位。同時可設(shè)置焊槍穩(wěn)定參數(shù)，如設(shè)置焊槍垂直氣缸緩沖及緩沖時間來調(diào)節(jié)垂直滑動機構(gòu)的穩(wěn)定性；設(shè)置焊槍水平氣缸開始時間來調(diào)節(jié)焊接速度、提高焊接效率等。設(shè)置界面如圖7所示。

圖7 設(shè)置界面

5.3 手動界面

在主控界面右下方點擊手動頁面進(jìn)入焊槍精細(xì)化焊接動作的設(shè)置界面，該界面供操作人員設(shè)置水平氣缸和垂直氣缸出/回時間參數(shù)并提供系統(tǒng)故障自檢功能。手動界面如圖8所示。

圖8 手動界面

6 應(yīng)用效果評價

該鋼筋籠自動焊接機器人已經(jīng)研發(fā)成功，經(jīng)多次調(diào)試后在國內(nèi)大型施工單位的鐵路和公路項目進(jìn)行推廣應(yīng)用。目前，普遍反映其焊接鋼筋籠的質(zhì)量良好且設(shè)備適配性強，具有以下優(yōu)點：

（1）用機械代替人工進(jìn)行鋼筋籠焊接并實現(xiàn)自動調(diào)整箍筋間距，將焊接操作人員由3人減少為1人，大大降低了人工成本。

（2）采用雙焊槍設(shè)計，交替出槍焊接，與人工焊接和單槍焊機相比，提高了鋼筋籠焊接速度，一般9～12 m鋼筋籠僅需要15～20 min即可焊接完成，大大提高了生產(chǎn)效率。

（3）在確保焊槍能夠根據(jù)焊接需求自如活動的同時對焊槍多維度限位，保證了焊縫的軸線方向，提高了焊接的穩(wěn)定性。

（4）通過可調(diào)速的減速電機帶動偏心軸旋轉(zhuǎn)控制焊槍頭左右擺動的速度，確保焊縫飽滿，使焊接質(zhì)量達(dá)到規(guī)范要求。

（5）裝置簡單、結(jié)構(gòu)緊湊，安裝與拆卸迅速。

7 結(jié)束語

鋼筋籠自動焊接技術(shù)的研究及自動焊接機器人的研發(fā)，為樁基鋼筋籠加工提供了可靠的技術(shù)和裝備保障。自動焊接機器人采用PLC控制，不但實現(xiàn)了自動跟隨、焊接鋼筋籠，焊接過程中無需人工參與；而且提高了焊接效率，每個焊點的焊接時間縮短至0.7 s；同時還可精確控制焊接時間和焊接位置，既確保了焊接質(zhì)量又節(jié)省了焊接材料。此外，機器人的參數(shù)控制系統(tǒng)采用觸摸屏設(shè)計，操控焊槍作業(yè)僅需5個實體按鍵完成，操作簡單便捷、易于上手、安全舒適。綜上，應(yīng)用鋼筋籠自動焊接技術(shù)研發(fā)的自動焊接機器人已經(jīng)達(dá)到鋼筋籠智能加工的要求，可以大面積推廣應(yīng)用。