钢框架焊接机器人系统及其在施工现场的应用外文翻译资料

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钢框架焊接机器人系统及其在施工现场的应用

摘要: 为了使钢框架结构合理化，开发了两种焊接机器人系统。这两种系统基本上都是由两个便携式的笛卡尔坐标焊接机器人和它们的辅助装置一起安装在一个车厢上。在机器人通过操作器安装在横梁或柱子上后，测量接头的槽形，判断最优焊接条件，并从第一层到最后一层进行焊接，无需操作员参与。圆柱形焊接系统的一个重要特点是弯曲的触头，机器人可以通过扇形继续焊接横梁的底部法兰。由于车厢的缩放仪可以延伸三层，可以从一个车厢位置焊接到12个接头。在焊接柱状接头中，两个机器人在一个矩形空心截面的接缝处安装了环形轨道，并结合在一起。机器人即使是在有错位的凹槽的连接处也可以连续焊接一个没有焊接缺陷的接缝。各系统已应用于实际施工中，已被证明在提高焊接生产率方面有效地稳定了焊条的质量。

1介绍

随着建筑物和结构物的大小和高度的增加，焊接在钢架连接中的作用是越来越重要。在日本，技术工人的供给一直在下降，这是一个长期的趋势，因此，在特定的经济形势下，对节省劳动力的现场焊接方法的需求非常强烈。各种自动现场焊接方法已被提出并试用，但尚未在施工领域得到广泛应用。焊接自动化能带的诸多好处，如缩短了焊接时间，减少了对工人技术的依赖，以及更稳定的焊接接头质量，都不足以弥补焊接自动化带来的成本增加，例如自动焊机的采购和维护费用，操作员培训，在现场对其它作业的干扰，和自动化焊接机器进入现场的必要的准备及搬运其所需的人力。想要实用的自动焊接方法在施工现场生根，不仅要开发自动焊接机，而且要建立紧凑、易于使用、坚固耐用的自动焊接机系统以满足现场条件。我们已经开发了现场焊接机器人系统，包括移动和保护焊接机器人的设备，以使钢框架结构合理化。本文介绍了该系统的基本结构，提出了两种现场应用实例，并讨论了基于该系统的新现场焊接方法的可行性。

2现场焊接机器人系统的配置

2.1焊接接头

钢框架内的现场焊接接头大多为t型接头，包括柱与梁法兰、梁间的对接接头和柱间的对接接头。将这三种类型的节点作为自动焊接的对象，将柱与网之间的节点和柱间和支撑构件之间的连接排除在自动焊接的范围内。由于在梁法兰之间的t形接头和对接接头几乎可以被同等对待，所以它们被称为“柱-梁节点”，柱之间的对接接头被称为“柱-柱节点”。柱-梁节点和柱-柱节点的特性比较见表1。

表1 柱-梁节点和柱-柱节点的特性比较

2.2系统的配置

气-金属弧焊法(GMAW)被广泛应用于建筑施工中，被选作为本系统的焊接方法。该系统的设计是将一层或两层的平缝焊接在每个层上，并在多个通道上进行水平连接。为了增加每个操作器的焊接量，系统设计了一个操作员操作两个机器人。

系统的功能可以被分成已下两个：

1. 机器人焊接接头和自动焊接的接入；
2. 焊接机器人在焊接接头附近的整个焊接设备和安装的运输。

为功能a研制了一种小型便携式焊接机器人，它可以测量焊接接头的几何形状，并在

控制焊接条件时进行焊接。为功能b开发了一种焊接机器人小车。两个焊接机器人安装在一节车厢内，组成了自动焊接机器人系统。

由于焊接接头位置和焊接位置的不同，除了机器人控制器，柱梁焊接机器人系统和柱柱焊接机器人系统是不同的，但基本规格相似。系统配置的项目和功能在本节被提到，不同的原理如焊接头和箱体将在后面的小节中讨论。

2.2.1焊接机器人配置

在现场焊接时，焊接接头的位置是固定的，焊接机器人必须横向和纵向地从一个焊缝移动到另一个焊缝。焊接机器人在它的车厢上移动过远的距离，并手动定位到焊枪到达接头的地方。焊接机器人自动行走，重量不到20公斤，可以由一个操作人员轻松处理。

该焊接机器人装备了一种火炬，它从一根电线馈线上接收一根从电线馈线上得到的自耗电的焊条，并将其提供给焊接接头。在焊枪顶端的铜接触式管中，通过铜接触式管发出电流，并在导线和接头之间建立焊接电弧。焊接机器人沿焊缝方向运动，控制焊丝尖端位置和速度。

操作的基本轴是三个笛卡尔坐标，x, y, z和旋转轴，在平面内，穿过焊缝。焊接机器人由直流电(DC)伺服电机驱动，其轴位和速度由安装在轴上的旋转式电码控制。焊接机器人控制器有内置微型计算机。计算机控制和实现所有机器人动作的32或16位微处理器，包括焊接条件的计算和测量，焊接性能，以及与操作者的信息交换。

2.2.2自动焊接

焊接机器人从操作人员通过控制吊坠和确定最佳的焊接条件和在槽截面上的线头位置(这些被统称为焊接条件)接收每个工作的号码，这是设计信息的组合，比如关节形状，凹槽尺寸，焊接材料类型，和标签类型。 焊接机器人执行加工输入信息所分配的焊接操作，在设计槽的尺寸上沿焊缝线的位置与关节的位置关系以及实际的坡口尺寸偏差。机器人的运动可以描述为：(1)沟槽的截面尺寸和机器人与关节的位置关系沿焊缝进行测量； (2)设计的关节的标准焊接条件，以符合焊接线的实际沟槽尺寸；(3)在既定的控制下进行焊接，控制机器人轴、焊接电源和送丝装置的运动。

设计了一种新型的焊接工艺条件，并将其存储在计算机存储器中。在焊接条件下，在坡口的横截面内，焊接速度(或电平行程速度)、焊接电压、送丝速率、丝伸、织造方式、织造宽度等。如果预期有市场偏差，则可选择其他焊接条件，以配合槽宽与角的组合。焊接机器人自动选择焊接条件，这是连接几何图形最接近测量槽的几何形状，并通过修正它们来确定最佳的焊接条件，使凹槽可以完全与适当的通过的数字焊接。

图1 槽错位

现场焊接接头通常会偏离设计关节的几何形状，这取决于钢架结构和装配精度。这是用一个水平的单坡口对接接头作为一个例子来说明的(图1槽错位)。设计位置与较低的板的实际位置之间的偏差是水平、垂直、雄姿的结合。根据机器人导轨的安装，在机器人的三个笛卡儿坐标和槽面时，也会出现水平和旋转的偏差。在实践中出现的特殊问题的沟槽失调是由图中所示的条件组合而成的。1a-f，机器人与关节之间的位置偏差必须通过测量机器人位置相对于沟槽的位置得到补偿。当柱为冷成型箱形截面时，如日本常用的，控制钢丝绳的尖端目标位置的焊接在柱子的角落需要特别注意。这将在第4节中描述。

2.2.3焊接机器人的运输

焊接机器人有许多辅助设备，如控制卡、电源线、气体软管、控制器、焊接电源等，以及连接控制器与焊接电源的电缆。当焊接机器人从一个节点移动到另一个节点时，一些或所有这些辅助设备必须在同一时间移动。焊接机器人在提高焊接机器人现场焊接效率方面的工作效率是非常重要的。在运输过程中，在施工阶段之间，是焊接机器人与它的辅助设备一起移动是合适的。为此目的，研制了专用的焊接机器人小车。该车厢有以下基本功能:将两个焊接机器人与控制器一起安装，在地板下进行施工，并将机器人提升至高空接缝(仅适用于矩形波束焊接系统)，并伸展手臂，帮助操作者在焊接位置安装每个机器人。

3柱梁焊接机器人系统

3.1系统的配置

3.1.1 2-1(2-1)系统

许多柱梁节点的法兰宽度为300mm或以下。在带有大约20或30毫米的玻璃钢的情况下，焊接电弧时间近似于焊接机器人安装时间。一般来说，柱梁节点由焊接2到4梁组成一列。如果在焊接一个接头时，为另一个焊接接头做必要的准备，则可以增加准备时间的弧长比。图2显示了柱状焊接机器人系统的整体硬件配置。一个焊接电源，一个电磁铁开关盒，两个机器人，两个送丝器，和两个控制吊坠连接到一个控制器。焊接机器人如图3所示。一个焊接机器人的重量，包括它的钢轨，是20公斤，而且机器人小到可以由一个操作员在普通脚手架上操作。由一个控制器对两个焊接机器人的交替控制提供了以下好处： 降低机器人成本，提高操作效率，减少设备运输，减少设备存储空间。

3.1.2弯曲的喷头

焊枪的尖端与焊缝平行，长度约为300毫米，在凹槽深度方向上弯曲约80度，是水冷式(图4)。通过一个扇贝(图5)，可以连续地焊接到柱梁节点的底部法兰。一种直径为1.2毫米的实心金属线被用作可耗用的电极，而二氧化碳则用作保护气体。

3.1.3焊接机器人运输

焊接机器人车厢(图6)是电池驱动的，并固定在一个可以延伸三层的缩放仪的顶部。在台上安装了两臂、焊接机器人控制器和焊接电源等辅助设备。操作者可以站在台上，在横梁上安装每个机器人，并操作机器人。每只手臂都装有绞车，焊接机器人可以悬挂在连接绞车的钢丝绳末端。手臂有两个关节。焊接时，将接缝延伸到合适的位置，延伸手臂，并保持控制电缆等，这样它们就不会干扰到甲板和安全栏杆。为了移动，钢丝绳被重新缠绕，手臂被折叠以固定机器人，这样机器人就不会与另一个机器人发生碰撞。

3.2焊接机器人操作

操作员首先通过数字开关来教焊接机器人工作编号、板厚和焊接长度。然后，他或她操作焊接机器人，使焊丝尖端到达焊接线的终点，并指示焊接机器人通过控制吊环来测量沟槽尺寸。焊接机器人可以自动测量凹槽尺寸。采用线形接触法，利用电焊丝与接缝间的电气接触，建立了压力点。一般情况下，在柱梁节点处，焊缝处的不合度和缺口张开程度呈线性变化。如果在焊接线的开始和结束点测量槽尺寸，并且在开始和结束点之间进行线性插值，就不会出现焊接接头质量问题。

由操作员指示开始焊接接头时，焊接机器人根据测量结果，计算焊接点的每隔10毫米左右的焊接条件，将计算的焊接条件储存在计算机的控制器存储器里。并根据所储存的焊接条件焊接接头。焊接机器人重复对每一次的焊接和焊接过程，并持续到最终通过。允许有50毫米或以下的法兰厚度的接头的允许槽偏差范围足够大。

图2 柱梁焊接机器人系统的硬件配置

图3 柱形焊接机器人的控制配置

图4 弯曲的焊枪

图5底凸缘由柱形焊接机器人焊接而成 图6焊接机器人车厢(只适用于柱状焊接机器人)。

表2 应用柱梁焊接机器人系统的建筑轮廓

3.3柱梁焊接机器人系统的现场应用

表2给出了利用柱- 梁焊接机器人系统构造的建筑物的轮廓。为了降低结构成本，几乎没有钢框架焊接，而所有的柱梁节点都焊接在了这一块。在1800个柱- 梁接头中有1354个被机器人焊接，其余的焊接为半自动焊接，因为焊接机器人的能力不能接近这些关节。

建设项目分四个阶段执行。在阶段1和3里，焊接机器人车厢放置在第一层，用于在第二和第三层焊接接头。在第2和第4阶段，焊接机器人车厢位于第三层，混凝土被放置在第三层，并在第四层、第五层和屋顶上使用。梁翼缘厚度从20毫米到28毫米不等。

对于四根焊接到柱子上的梁，焊接机器人按照图7中实线的指示排列。当机器人B正在

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