“智”造有术——沉管隧道钢壳片体智能焊接生产线设计与应用

钢结构行业由于为离散型制造行业，加工零件批量小、非标化、重量大，对智能制造的智能化和柔性要求十分高。智能制造装备技术经过多年发展，目前相关装备及机器人智能制造技术已经初步具备钢结构行业的需求。

最近10年，国内部分先进企业已经初步建立了机器人板材切割生产线、板单元机器人焊接生产线。总体上看，钢结构制造业的自动化、智能化程度仍不够高，“信息孤岛”现象仍较为突出，综合集成、协同及创新水平还未达到应有高度。

深中通道以项目建设为依托，结合现有智能制造技术，在钢壳制造厂家构建大型沉管钢壳结构的智能制造生产线，实现了片体结构的智能化、流水线式生产。

沉管隧道采用钢壳混凝土组合结构，钢壳构造主要由内外面板、横纵隔板、横纵加劲肋及焊钉组成。内外面板和横纵隔板连接成为受力整体、形成混凝土浇筑独立隔舱，纵向加劲肋采用T型钢及角钢，纵向加劲肋与焊钉保证面板与混凝土的的有效连接，纵向加劲肋与横向扁肋共同作用增强面板刚度，隔舱上预留浇筑孔和排气孔，混凝土浇筑完成后进行等强水密封堵。

图1 深中通道钢壳沉管隧道钢壳结构示意图

片体由板块及加劲肋组成，是构成钢壳的基本部件。其板块形状及尺寸有多种规格，长度最长达到十几米，加劲肋主要是扁铁及角钢结构，其结构形式如图2所示。

图2 片体结构示意图

通过对沉管钢壳结构进行分析，存在大量的结构较为简单的片体结构，具备流水线生产的条件。在片体制造中，主要进行小组立件装配、机器人智能焊接作业以保证构件焊接质量和提高效率。

片体智能焊接生产线，主要针对沉管钢壳片体构件自动化焊接。布置于厂区车间,包含零件上料、装配、自动扫描识别焊缝、机器人自动焊接、自动背烧、卸料等工位组成。采用流水线形式生产线，通过流水线滚轮带动零件移动。

按照该车间小组立生产线要求，每月焊接米数要达到3.8万米，作业时间按照两班制，即8*2=16h，每月作业时间28天。小组立焊接工作参数需求如表1所示。

目前国内大部分应用的类似结构智能生产线，并未采用辊道式流水线。片体零件通过工人装配后，需通过行车将零件吊运到机器人焊接区域；机器人通过门架进行移动焊接，焊接完毕后再通过行车吊运零件到修复工位。实质这种方式零件并没有流动起来，没有达到生产线的效果，生产节拍慢效率不高。

现有的片体生产线主要通过传统的机器人手臂接触式传感器触碰识别工件位置，识别效率和精度较低，同时需要人工导入离线编程进行机器人工作路径的规划。机器人焊缝识别时间占比机器运作时间较大，也就是说机器人的有效工作时间被大幅缩短。

结合制造厂实际的生产流程分析，应该将各生产工序按照生产线模式进行集成设计，将零件流动起来，这样才能实现均衡连续的高效流水化作业。生产线的布置包括4个区域，依次为上料与装配工位、机器人扫描及焊接工位、检查修补背烧工位及卸料工位。生产线应设计为辊道流动形式，零件上料后，可通过控制系统控制辊道，使零件流动到下个工位。

根据厂区的实际生产场地条件，设计直线型生产作业流程，如下图所示。由于车间的跨距宽度较为宽裕，故将生产线宽度尽量做大，可有效利用车间面积，增加生产线产能。片体智能焊接生产线车间布置如图3所示。

图3 片体智能焊接生产线车间布置图

机器人焊接工位，根据3.8万米的产能及生产线宽度增加的需求，需采用两套机器人焊接系统。每套焊接系统包括一个龙门架，两个独立焊接机器人协同焊接。

装配区域采用人工作业，对零件进行装配及点焊，通过流水线辊道输送至机器人焊接工位。通过门架上的激光传感器3D在线扫描构件尺寸，在线编程进行机器人焊接。焊接完毕后，由辊道输送至修补工位，人工进行检查修补。最终焊接完成的小组立即进入卸料区域，运至下一道生产区域。

图4 片体智能焊接生产线布置图

（1）上料与装配工位

上料与装配工位占地：约20.0m（L）×12.5m（W），功能包括：工件托盘堆放、组对、点焊及输送等作业。

作业流程：

①操作工利用起吊设备将工件运送到装配平台上；

②操作工在装配平台上将基板、筋板和肘板进行组对和人工点焊；

③装配完成后启动上料与装配工位辊道，装配工位下方的输送轮顶起,将工件输送至机器人扫描焊接工位。

（2）焊接工位

焊接工位占地：约26.0m（L）×12.5m（W），功能包括：采用3D扫描系统，对工件进行读取，自动获取工件信息，并自动生成焊接程序，顺次对提前拼装点焊的小组立板材进行焊接作业，无需3D图纸导入、人工编程及示教。焊接工位如图5所示。

图5 焊接工位示意图

（3）检查修补工位

检查修补工位占地：约20.0m（L）×12.5m（W），功能包括：对焊接完成的工件进行焊缝检验、修补打磨以等作业。

作业流程：操作工对焊接完成的工件进行修补作业。

（4）卸料工位

卸料工位占地：约20.0m（L）×12.5m（W），将加工完成工件利用桥式起重机卸载到托盘上。

作业流程：操作工利用桥式起重机将工件从生产线卸下。

（1）控制系统设计原理

控制系统是基于工业计算机的多轴数控系统，采用现场总线控制方式，由下位机实现多轴的实时控制，实现多轴全数字交流伺服电机与步进电机联动控制任务。使用全范围识别进行粗定位，激光视觉传感器完成工件精定位和必要的参数测量，得到测量数据后，在上位机产生工件的测量结果，用以检验工件的实际位置偏差。同时生成焊接轨迹数据传给下位机的运动控制卡。实现多轴的联动，完成工件的焊接。

具有触摸功能的工业液晶屏，实现人机交互。控制系统原理图如图6所示。

图6 控制系统原理图

（2）工件视觉定位及激光视觉采集测量

采用激光扫描仪整体视觉定位，扫描仪安装在横梁下面位置，经过焊接平台上摆放的工件整体视觉定位后，进行图像处理和路径规划，再利用焊接机头上安装的激光视觉采集装置进行每条焊缝组件的精确定位、尺寸和高度信息采集，然后进行数据处理生成焊接运动程序，并自动调用焊接工艺数据进行焊接。

片体智能焊接生产线于2018年10月建成并开始在深中通道钢壳制造项目正式投入生产，完满完成深中通道项目的生产任务。同时在满足深中通道项目生产需求的基础上，已推广在造船产品类似结构的零件上进行焊接使用。

从目前应用情况看，片体智能焊接生产线效率高，质量稳定，能满足钢壳纵、横隔板片体焊接要求及生产计划要求。

小组建立智能焊接生产线实景如图7所示，焊接机器人焊接及包角焊缝质量如图8所示。实际产能达到设计指标3.8万米，焊缝最终合格率100%。

图7 片体智能焊接生产线

图8 焊接机器人焊接及包角焊缝质量

通过开展大型沉管隧道钢壳的片体构件智能制造研究，在国内钢结构行业首次应用了机器视觉定性分析、焊接路径自动规划和全自动高效焊接等先进技术，实现了片体生产线焊接机器人全自动作业。

创新性的提出了扫描分析、在线编程和自动焊接等为核心的智能小组立生产线解决方案，大大提高了生产效率和焊接质量。

实现了3D扫描100%全覆盖，100%全自动识别焊接，节拍均衡生产，在产能提升、降低人工成本、减少人工打磨工作量方面有较大的优势。