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

進入2000年以后，我國國民經(jīng)濟顯著增長，國力明顯增強，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)濟發(fā)達地區(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年奧運會鳥巢場館、中國尊到如今的港珠澳大橋，出現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)建筑熱潮，強勁的市場需求，推動鋼結(jié)構(gòu)建筑迅猛發(fā)展，建成了一大批鋼結(jié)構(gòu)場館、機場、車站和高層建筑。

在鋼結(jié)構(gòu)工程建設(shè)過程中，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，加之其安裝過程多在戶外，自動化焊接程度較低，多數(shù)采用手工進行焊接。與手工焊接相比，機器人焊接在穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量，改善勞動條件，提高生產(chǎn)效率等方面存在著巨大優(yōu)勢。機器人焊接在鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)過程中的應(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)用場所的重要性，因此在鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)安裝過程中對鋼結(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、無缺陷并具有一定使用性能的焊接接頭的能力；這項功能在應(yīng)對工件出現(xiàn)加工偏差或者受熱變形等情況時非常有效，能夠及時糾正焊縫跑偏或?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、高溫蠕變強度、持久強度、疲勞性能以及耐蝕性、耐磨性等。

焊接傳感器

焊接機器人由示教再現(xiàn)型向智能型發(fā)展， 增強其柔性和適應(yīng)性， 傳感器是必不可少的。對于自主焊接來說， 傳感器感知外部環(huán)境的變化通知機器人，機器人實時調(diào)整工作狀態(tài)， 以適應(yīng)環(huán)境的變化這一點對于焊接來說尤為重要。在實際焊接過程中， 焊接條件是經(jīng)常變化的， 如加工和裝配上的誤差會造成焊縫位置和尺寸的變化， 焊接過程中工件受熱及散熱條件改變會造成焊道變形和熔透不均。為了克服機器人焊接過程中各種不確定性因素對焊接質(zhì)量的影響， 需提高機器人作業(yè)的智能化水平和工作的可靠性， 要求弧焊機器人系統(tǒng)不僅能實現(xiàn)空間焊縫的自動實時跟蹤， 而且還能實現(xiàn)焊接參數(shù)的在線檢測、 調(diào)整和焊縫質(zhì)量的實時控制。傳感結(jié)果通過數(shù)據(jù)接口傳輸給機器人控制，由控制器發(fā)出指令對機器人的運動進行調(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)點是簡單， 不用附加另外的傳感裝置， 但它只適用于熔化極焊接場合。目前很多商用機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 攝像機接收成像?？梢钥吹?， 當工件位置不同時， 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， 通過圖像上的光斑位置， 就可以計算出工件上點的三維信息。除了這種點式激光光源， 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 meta 公司已有商業(yè)化的產(chǎn)品出售。在汽車行業(yè)中，點焊機器人與弧焊機器人的比例為3：2，而其他行業(yè)大都是以弧焊機器人為主。這類專業(yè)的激光焊縫跟蹤傳感器的售價一般在20 萬元以上， 比機器人本體還要昂貴。傳感結(jié)果通過數(shù)據(jù)接口傳輸給機器人控制， 由控制器發(fā)出指令對機器人的運動進行調(diào)整。

由于所設(shè)計的焊接機器人是在準平面、空間狹窄的環(huán)境下工作，為了保證機器人能根據(jù)電弧傳感器的偏差信息，跟蹤焊縫自動焊接，要求所設(shè)計的機器人應(yīng)該結(jié)構(gòu)緊湊、移動靈活且工作穩(wěn)定．文中針對狹窄空間特點，開發(fā)了一種小型移動焊接機器人，根據(jù)機器人各結(jié)構(gòu)的運動特點，運用模塊化設(shè)計方法，把機器人機構(gòu)分為輪式移動平臺、焊炬調(diào)節(jié)機構(gòu)和電弧傳感器三部分。其中，輪式移動平臺由于其慣性大，響應(yīng)慢，主要對焊縫進行粗跟蹤，焊炬調(diào)節(jié)機構(gòu)負責(zé)焊縫跟蹤，電弧傳感器完成焊縫偏差實時識別．另外，機器人控制器和電機驅(qū)動器集成安裝于機器人移動平臺上，使其體積更小。同時，為了減少惡劣焊接環(huán)境下粉塵對運動部件影響，采用全封閉式結(jié)構(gòu)，提高其系統(tǒng)可靠性[1]。焊接機器人之所以能夠占據(jù)整個工業(yè)機器人總量的40%以上，與焊接這個特殊的行業(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)量的好壞對產(chǎn)品質(zhì)量起決定性的影響。

自動焊接機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點編輯1. 機械裝置

點焊機系統(tǒng)由機械裝置、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，加壓機構(gòu)（焊鉗）采用了雙行程快速氣壓傳動機構(gòu)，通過切換行程控制手柄改變焊鉗開口度，可分為大開和小開來滿足焊接操作要求。通常狀態(tài)為焊鉗短行程張開，當把控制按鈕切換到“通電”位置,扣動手柄開關(guān)則焊鉗夾緊加壓，同時電流在控制系統(tǒng)控制下完成一個焊接周期后恢復(fù)到短行程張開狀態(tài)。如果已知激光入射角度，通過圖像上的光斑位置，就可以計算出工件上點的三維信息。