焊接机器人在钢结构智能建造中的应用

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较高，难以满足焊接要求。

免示教焊接机器人主要采用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。

相比传统焊接机器人示教编程，离线编程具有以下优点：

??可根据虚拟场景中的钢构件形状， 自动生成复杂焊接轨迹

??不需示教，不占用机器人工作时间， 编程中生产线无须停止

??可进行轨迹仿真、碰撞检测、路径优化、后置代码生成

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，从而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进行处理，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，按照规定顺序进行焊接， 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应用于复杂焊接工况中，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。

表1 免示教焊接机器人与传统焊接机器人对比

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1~40m，钢桁架拱桥长47m，左幅桥宽14.5m，上跨结构为简支下承式钢桁架拱桥，跨径40m，拱肋轴线为抛物线，矢高5m，矢跨比1/8，如图1所示。

图1 桥梁效果

该工程体量较大， 桥梁结构复杂， 拱肋截面为1000mm×800mm， 板厚均为20mm， 弦杆为矩形断面，顶部断面尺寸为300mm×1000mm，底部断面尺寸为500mm×1000mm，厚度均为20ｍｍ。系杆截面尺寸为1300mm×1350mm，板厚20mm。腹杆与拱肋、系梁构成三角桁架，节点水平间距４ｍ，如图2所示。在两系梁间每2m设置1道横梁，端横梁采用箱形截面，中横梁采用工字形截面。在系梁间纵向设置2道工字形截面小纵梁。钢桁架拱顶板为正交异形钢桥面板，桥面板下设U形加劲肋，厚8mm，间距600mm，均匀布置。

图2 桥梁结构

根据施工计划，焊材板材厚20ｍｍ，焊缝形式包括对接焊缝和角焊缝，对接焊缝需人工打底焊接２遍才可焊接成型，传统焊接机器人示教编程工作量极大，难以保证焊接质量。

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%CO ₂ 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。

图3 焊接机器人

１） 焊接工况模型搭建

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。

图4 1∶1真实机器人模型及焊接工况模型

２） 定义焊接机器人坐标系

为使焊接机器人进行直线插补、圆弧插补等动作，需正确输入工具尺寸信息，定义控制点位置。采用6点法建立机器人工具坐标系，即通过设置6组机器人末端数据，将焊枪以固定点为基准， 依次向3个不同方向倾斜同样角度（角度≥30°），记录3个点位，然后以同样固定点为基准， 焊枪在同一平面的3个方向上依次确定3个点，再次记录3个点位，机器人工艺包根据6个点位自动算出工具控制点位置，完成坐标系设定（ 见图５）。

图5 ６点法示意

３） 离线编程与焊接作业参数设置

将1∶1真实机器人模型及焊接工况模型导入机器人离线编程软件，开启碰撞检测功能，模拟检测机器人运动时和焊接时的碰撞情况，并通过高亮线和输出碰撞信息加以提示，识别轨迹中的奇异点、轴限位、不可达、碰撞等信息，从不同轨迹方案中优选获得理想轨迹。同时，通过外部轴联动插值功能，优化外部轴位置，以实现沿整个焊接路径的平滑运动，并减少手动修改目标位置控制点的次数。以本工程H型钢对接焊缝为例，在机器人离线编程软件中，自动优化焊接路径为A→B，C→D，E→F，如图6所示。系统可自动识别碰撞点为C，D点，并得到无错路径，离线编程软件按照预设优化方式优化焊枪姿态、 焊接角度、 机器人位姿及桁架外部轴。

图6 对接焊缝示意

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。

图７  焊接工艺流程

１） 焊接作业硬件准备

启动三级配电箱接通电路，启动机器人电源机箱及焊机，架设接地线，并压在钢构件下方，启动控制总机；调试焊丝及保护气，确认焊枪为关闭状态，焊丝出丝20ｍｍ 左右，以确保保护气正常排放。

２） 实际焊接生产

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。

３） 焊接注意事项

调试过程中，机器人运行速度一般≤25mm/s，防止撞枪，机器人运行或转动不得超过限位， 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， 容易导致板材融透。

该工程自2022年5月1日正式施工，2022年7月30日完成钢结构部分加工及安装工作，其中机器人焊接历时30d，相比采用示教编程的焊接机器人工效提升40%。

对焊接成品进行焊缝探伤检验， 检验结果表明，焊接成品满足GB/T 11345—2013《焊缝无损检测超声检测技术、检测等级和评定》一级焊缝要求，按照《公路桥涵施工技术规范》及GB 50661—2011《钢结构焊接规范》，焊接工艺评定结果为合格。