焊接機(jī)器人為什么能夠在鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)得到應(yīng)用

進(jìn)入2000年以后，我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)顯著增長(zhǎng)，國(guó)力明顯增強(qiáng)，鋼產(chǎn)量大幅提高，在建筑中提出了“積極、合理地用鋼”，從此甩掉了“限制用鋼”的束縛，鋼結(jié)構(gòu)建筑在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)逐漸增多。目前，應(yīng)用比較成熟的傳感器主要是焊縫跟蹤傳感器，主要有電弧跟蹤和激光跟蹤兩大類，分別如圖所示。從2008年奧運(yùn)會(huì)鳥巢場(chǎng)館、中國(guó)尊到如今的港珠澳大橋，出現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)建筑熱潮，強(qiáng)勁的市場(chǎng)需求，推動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)建筑迅猛發(fā)展，建成了一大批鋼結(jié)構(gòu)場(chǎng)館、機(jī)場(chǎng)、車站和高層建筑。

在鋼結(jié)構(gòu)工程建設(shè)過(guò)程中，焊接是鋼結(jié)構(gòu)工程制作和安裝的關(guān)鍵技術(shù)和質(zhì)量控制手段，在建設(shè)工程中有著十分重要的作用。由于鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式的多樣性，加之其安裝過(guò)程多在戶外，自動(dòng)化焊接程度較低，多數(shù)采用手工進(jìn)行焊接。與手工焊接相比，機(jī)器人焊接在穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量，改善勞動(dòng)條件，提高生產(chǎn)效率等方面存在著巨大優(yōu)勢(shì)。機(jī)器人焊接在鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)過(guò)程中的應(yīng)用于前期在車間內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)部件的組裝連接，如圖1所示，例如H柱、梁、箱型柱、U形肋、板肋板單元和橫隔板單元的組裝連接等。

由于鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用場(chǎng)所的重要性，因此在鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)安裝過(guò)程中對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的焊接提出了更高要求。鋼結(jié)構(gòu)的焊接性包含以下兩個(gè)方面的含義：一是工藝焊接性，是指金屬或材料在一定的焊接工藝條件下，能否獲得致密、無(wú)缺陷并具有一定使用性能的焊接接頭的能力；這項(xiàng)功能在應(yīng)對(duì)工件出現(xiàn)加工偏差或者受熱變形等情況時(shí)非常有效，能夠及時(shí)糾正焊縫跑偏或?qū)捳灰磺闆r。二是使用焊接性，是指焊接接頭或整體焊接結(jié)構(gòu)滿足技術(shù)條件所規(guī)定的各種性能的程度，包括常規(guī)的力學(xué)性能（強(qiáng)度、塑性、韌性等）或特定工作條件下的使用性能，如低溫韌性、斷裂韌性、高溫蠕變強(qiáng)度、持久強(qiáng)度、疲勞性能以及耐蝕性、耐磨性等。

焊接傳感器

焊接機(jī)器人由示教再現(xiàn)型向智能型發(fā)展， 增強(qiáng)其柔性和適應(yīng)性， 傳感器是必不可少的。對(duì)于自主焊接來(lái)說(shuō)， 傳感器感知外部環(huán)境的變化通知機(jī)器人，機(jī)器人實(shí)時(shí)調(diào)整工作狀態(tài)， 以適應(yīng)環(huán)境的變化這一點(diǎn)對(duì)于焊接來(lái)說(shuō)尤為重要。在實(shí)際焊接過(guò)程中， 焊接條件是經(jīng)常變化的， 如加工和裝配上的誤差會(huì)造成焊縫位置和尺寸的變化， 焊接過(guò)程中工件受熱及散熱條件改變會(huì)造成焊道變形和熔透不均。為了克服機(jī)器人焊接過(guò)程中各種不確定性因素對(duì)焊接質(zhì)量的影響， 需提高機(jī)器人作業(yè)的智能化水平和工作的可靠性， 要求弧焊機(jī)器人系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)空間焊縫的自動(dòng)實(shí)時(shí)跟蹤， 而且還能實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)的在線檢測(cè)、 調(diào)整和焊縫質(zhì)量的實(shí)時(shí)控制。傳感結(jié)果通過(guò)數(shù)據(jù)接口傳輸給機(jī)器人控制，由控制器發(fā)出指令對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。目前， 應(yīng)用比較成熟的傳感器主要是焊縫跟蹤傳感器， 主要有電弧跟蹤和激光跟蹤兩大類， 分別如圖所示。

電弧跟蹤傳感優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單， 不用附加另外的傳感裝置， 但它只適用于熔化極焊接場(chǎng)合。目前很多商用機(jī)器人已具有電弧跟蹤傳感功能。激光跟蹤傳感由于其優(yōu)越的性能， 已成為有前途、 發(fā)展快的焊接傳感器。由激光二極管發(fā)射的激光束入射到工件表面， 經(jīng)金屬表面反射， 由 CCD 攝像機(jī)接收成像?？梢钥吹?， 當(dāng)工件位置不同時(shí)， 激光光斑成像在 CCD 上的位置是不同的。如果已知激光入射角度， 通過(guò)圖像上的光斑位置， 就可以計(jì)算出工件上點(diǎn)的三維信息。除了這種點(diǎn)式激光光源， 目前更多的焊縫激光傳感器采用激光條紋作為光源。加拿大Servorobot 和英國(guó) meta 公司已有商業(yè)化的產(chǎn)品出售。在汽車行業(yè)中，點(diǎn)焊機(jī)器人與弧焊機(jī)器人的比例為3：2，而其他行業(yè)大都是以弧焊機(jī)器人為主。這類專業(yè)的激光焊縫跟蹤傳感器的售價(jià)一般在20 萬(wàn)元以上， 比機(jī)器人本體還要昂貴。傳感結(jié)果通過(guò)數(shù)據(jù)接口傳輸給機(jī)器人控制， 由控制器發(fā)出指令對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。

由于所設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人是在準(zhǔn)平面、空間狹窄的環(huán)境下工作，為了保證機(jī)器人能根據(jù)電弧傳感器的偏差信息，跟蹤焊縫自動(dòng)焊接，要求所設(shè)計(jì)的機(jī)器人應(yīng)該結(jié)構(gòu)緊湊、移動(dòng)靈活且工作穩(wěn)定．文中針對(duì)狹窄空間特點(diǎn)，開發(fā)了一種小型移動(dòng)焊接機(jī)器人，根據(jù)機(jī)器人各結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)方法，把機(jī)器人機(jī)構(gòu)分為輪式移動(dòng)平臺(tái)、焊炬調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和電弧傳感器三部分。其中，輪式移動(dòng)平臺(tái)由于其慣性大，響應(yīng)慢，主要對(duì)焊縫進(jìn)行粗跟蹤，焊炬調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)焊縫跟蹤，電弧傳感器完成焊縫偏差實(shí)時(shí)識(shí)別．另外，機(jī)器人控制器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器集成安裝于機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)上，使其體積更小。同時(shí)，為了減少惡劣焊接環(huán)境下粉塵對(duì)運(yùn)動(dòng)部件影響，采用全封閉式結(jié)構(gòu)，提高其系統(tǒng)可靠性[1]。焊接機(jī)器人之所以能夠占據(jù)整個(gè)工業(yè)機(jī)器人總量的40%以上，與焊接這個(gè)特殊的行業(yè)有關(guān)，焊接作為工業(yè)“裁縫”，是工業(yè)生產(chǎn)中非常重要的加工手段，同時(shí)由于焊接、弧光、金屬飛濺的存在，焊接的工作環(huán)境又非常惡劣，焊接質(zhì)量的好壞對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量起決定性的影響。

自動(dòng)焊接機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)編輯1. 機(jī)械裝置

點(diǎn)焊機(jī)系統(tǒng)由機(jī)械裝置、供電裝置、控制裝置三大部分組成。為了適應(yīng)焊接工藝要求，加壓機(jī)構(gòu)（焊鉗）采用了雙行程快速氣壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)切換行程控制手柄改變焊鉗開口度，可分為大開和小開來(lái)滿足焊接操作要求。通常狀態(tài)為焊鉗短行程張開，當(dāng)把控制按鈕切換到“通電”位置,扣動(dòng)手柄開關(guān)則焊鉗夾緊加壓，同時(shí)電流在控制系統(tǒng)控制下完成一個(gè)焊接周期后恢復(fù)到短行程張開狀態(tài)。如果已知激光入射角度，通過(guò)圖像上的光斑位置，就可以計(jì)算出工件上點(diǎn)的三維信息。