焊接机器人在钢结构智能建造中的应用

  在雄安新区容西片区配套市政基础设施及给排水设施（一期） 项目、上跨南水北调天津干线ｍ 钢桁架拱桥建造工程中，对免示教焊接机器人在复杂焊接工况条件下的应用进行研究。根据结果得出，基于BIM的免示教焊接机器人可有效规避常规焊接机器人示教编程繁琐的不足，加快焊接施工进度，保证焊接成品质量。

  传统焊接机器人焊接生产前通常需采用示教编程，即通过示教器逐点记录焊接路径及焊接动作，焊接机器人根据已示教的焊接路径及焊接动作完成预先设定的焊接工作。常规焊接机器人可满足规则型钢构件普通焊接，但对于钢结构建筑工程而言，由于工程体量通常较大、焊接结构较复杂，且对焊接部件外形及尺寸精度要求比较高，难以满足焊接要求。

  免示教焊接机器人主要是采用BIM进行焊接路径规划，实现焊接离线编程，并通过激光定位焊缝跟踪系统实时跟踪焊接路径，补偿调整机器人的焊接轨迹，提升焊接质量，从而有很大成效避免传统焊接机器人在复杂焊接工况条件下焊接生产的局限性。

  免示教焊接机器人主要是采用BIM进行焊接路径规划，实现焊接离线编程，并通过激光定位焊缝跟踪系统实时跟踪焊接路径，补偿调整机器人的焊接轨迹，提升焊接质量。

  免示教焊接机器人离线编程技术通过BIM软件平台构建整个工作场景的三维虚拟环境，待焊接钢构件细度需考虑焊缝位置、数量、形式，根据 BIM软件平台中绘制的待焊接钢构件详图，确定焊缝位置，识别焊缝数量、形式，规划机器人焊接路径， 设置路径速度等参数，并在软件平台中进行模拟仿真，根据仿真结果将规划路径调整至最佳运动轨迹，生成机器人焊接程序传输给焊接机器人。

  激光定位焊缝跟踪系统主要由焊接跟踪传感器构成，包括1个CCD摄像机和1~2个半导体激光器。激光器作为结构光源，以特定角度将激光条纹投影到传感器下部工件表面。摄像机直接观察传感器下部条纹。摄像机前部采用光学滤光片，允许激光通过，但滤去所有其他的光，如焊接电弧，来保证激光定位及跟踪准确。

  激光照射到焊缝表面，形成激光条纹，经过传感器上的透镜后，在光敏探测器上产生焊缝截面的轮廓，即反映焊缝截面形状的激光条纹图像。将激光条纹图像在视觉控制中做处理，提取焊缝特征数据，如跟踪点坐标、焊缝间隙、截面积等。视觉系统根据焊缝位置信息计算焊枪路径，并将路径数据传输给焊接机器人， 焊接机器人实时控制运行轨迹，以保证焊枪始终对准焊缝。

  焊接生产时，机器人根据离线编程软件中生成的焊接程序，依规定顺序进行焊接， 执行焊接程序过程中，应用激光定位技术对焊缝进行精确定位，使激光定位焊缝跟踪系统实时跟踪焊缝路径并进行等量补偿，从而修正补偿机器人的焊接轨迹。

  免示教焊接机器人的焊接技术主要使用在于复杂焊接工况中，相比传统焊接机器人，具备免示教、工效高、安全性强等优势，如表1所示。

  容西片区配套市政基础设施及给排水设施（一期）工程地处雄安新区西北部， 跨南水北调天津干线m，上跨结构为简支下承式钢桁架拱桥，跨径40m，拱肋轴线 桥梁效果

  本项目焊接要求如下：焊丝直径为1.2ｍｍ；保护气体采用80%Ar＋20%CO2 混合气体，对接焊缝不低于母材标准值，屈服强度实测值与屈服强度标准值的比值不超过母材实际屈服强度的 25%，延伸率不低于母材标准值；在-20℃ 时，焊肉、熔合线、热影响区的冲击韧性≥120J。

  免示教焊接机器人设备包含SR10C免示教机器人 本体、 激 光 定 位 焊 缝 跟 踪 系 统、MDMF502L3V8M桁架系统、PM500FR焊机、水冷焊枪、示教器、焊接平台、6轴K15型控制柜、380Ｖ 转220Ｖ 控制变压器等， 其中焊枪枪径角度为45°， 变压器容量为12KVA（见图３）。示教器用于显示机器人工作状态、运行或试运行程序， 接收离线编程程序，并随时纠正机器人焊接动作。

  采用参数化建模技术搭建1∶1真实机器人模型及焊接工况模型，如图4所示。基于BIM软件平台参数化模拟机器人焊接活动姿态，优化焊接路径，避免机器人关节运动超限，避让焊接路径中的可能碰撞点。

  根据焊接工况选择焊接参数，设定避让距离为2cm，进入/退出距离为20cm。焊接机器人工艺包自动生成起弧和收弧点，为起弧点位置A添加起弧指令和摆幅指令，并设置摆幅参数；为收弧点F添加收弧指令。设置焊接速度为5ｍｍ/ｓ，收弧后焊枪冷却时间为0.5s，最后新建保护点位置， 以方便结束焊接作业。

  根据BIM模型完成每条焊缝的离线编程及焊接作业参数设置后， 进入机器人焊接生产环节， 主要工艺流程如图7所示。

  调整焊枪到预设位置， 手动赋电后进行试运行，并启动焊接指令， 机器人根据焊接系列指令自动完成焊接工作，焊接过程中通过激光定位焊缝跟踪系统补偿和修正模拟过程中的误差。焊接结束后关闭焊枪，对焊枪涂防护蜡，检查焊接效果。

  调试过程中，机器人工作速度一般≤25mm/s，防止撞枪，机器人运行或转动不允许超出限位， 运行距离不宜超过桁架x,y,z轴长度，转动角度不宜超过±120°。焊接过程中， 焊枪行进速度控制在 5~10ｍｍ/s，焊枪距焊缝及板材距离控制在1~1.5cm。焊机自动运行时， 整体速度默认为100， 无须再调整。如果数值降低，焊接速度将按比例下降， 轻易造成板材融透。

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