何幼根，斯圣斌，杜榮來，艾尚江，蔣國文

(中建材輕工業(yè)自動化研究所，杭州 310000)

進入21世紀，新一輪產業(yè)變革和科技革命正在逐漸興起，全球科技創(chuàng)新呈現出新的發(fā)展特征和態(tài)勢，能源短缺和勞動力成本上升成為中國制造業(yè)發(fā)展中面臨的主要問題。事實證明，傳統(tǒng)制造業(yè)依靠拼資源、拼勞動力的粗放型增長模式已難以為繼，電桿行業(yè)也不例外。由于焊接對象的標準化程度低，工人流動等原因使得產品品質及產量控制存在困難。如何科學有效地將現代化設備運用到鋼筋骨架焊接中，成為技術突破的重中之重。

1 鋼筋骨架編程原理及應用

機器人焊接工作站(圖1)可根據預設程序，在圖2的工藝流程中進行反復作業(yè)。機器人焊接工作站是由一臺焊接機器人和兩個變位器為主體組成的一套自動化焊接設備，主要應用于中間法蘭電桿鋼筋骨架的焊接。工作時變位器帶動法蘭盤及卡爪盤同步旋轉，使裝夾在卡爪盤上的鋼筋骨架與法蘭進行同步旋轉焊接。后端托架高度可調，保證鋼筋骨架與法蘭中心線重合。托架前后可調，以適應不同長度規(guī)格的鋼筋骨架。上料時，將法蘭安置在有定位銷定位的法蘭盤上，啟動裝夾按鈕，氣缸將法蘭夾緊。用行車將待加工鋼筋骨架吊裝至托架上，操作工將鋼筋骨架沿可移動托架推入卡爪盤，鋼筋末端與法蘭端面接觸，如發(fā)現鋼筋末端參差不齊，可旋轉變位器，用石筆標記超差鋼筋，將鋼筋骨架退出卡爪盤后對超差鋼筋進行氣割。確認無誤后，啟動裝夾按鈕，由氣缸驅動的卡爪將鋼筋夾緊，卡爪槽內呈V字型，以適應不同直徑的鋼筋，且卡爪有將鋼筋精確分度的功能?？ㄗΡP與法蘭盤采用柔性設計，卡爪盤可整體拆卸更換，法蘭盤上開有不同規(guī)格的槽口，以應對不同規(guī)格的產品。

焊接機器人的焊槍定位精度可達到±0.1 mm，溫度帶來的誤差大致在0.01～0.1 mm之間，充分保證焊接精度。工件裝夾完畢后，編程的通用性對這一過程中的焊接質量起到決定性作用。

由于中間法蘭電桿鋼筋骨架的尺寸精度要求(GBT—4623-1994)尚未達到機器人焊接所需的水平，中間法蘭電桿的鋼筋骨架滾焊前道工序鋼筋校直機的偏差在±1.5 mm，且鋼筋的扭曲程度不一，焊接機器人無法直接通過某一個鋼筋骨架作為編程樣板，設計適用于所有鋼筋骨架的焊接程序。

試驗證明，通過機器人單獨編程得來的鋼筋骨架成品明顯優(yōu)于人工手工焊接，但是使用此程序進行反復作業(yè)，后續(xù)產品質量反而低于人工焊接，具體體現在鋼筋焊傷高溫退火，位置偏差導致的虛焊可以由后道工序進行補焊，不影響鋼筋骨架的使用。但焊傷的鋼筋骨架會嚴重影響使用，甚至直接報廢。機器人焊接工作站試生產過程中發(fā)現的焊傷情況主要由兩種因素造成。一種是由于鋼筋骨架本身的不規(guī)則性扭曲導致的，焊槍在沿預設路徑焊接時，鋼筋扭曲到焊接路徑上，焊絲接觸鋼筋，且直接焊在鋼筋上。另一種是由于編程不合理造成的包括電流過大、冷卻時間不足等，可以根據實際操作中的情況進行及時調整。

針對鋼筋骨架個體進行逐個編程會消耗大量時間成本，還大大增加了操作人員的技能要求。自動化焊接相對于人工焊接的優(yōu)勢在于簡化了人工操作、降低工人勞動強度、提高產品質量，對鋼筋骨架進行逐個編程與這一主旨背道而馳，顯然不現實?？紤]到焊接過程中，焊絲與焊縫之間的尺寸容余量較大，按照鋼筋矯直后尺寸的中間值作為標準尺寸，以標準尺寸鋼棒代替鋼筋作為編程標準制作標準器可以規(guī)避因鋼筋尺寸偏差造成的焊接質量問題。

除去編程造成的焊接問題，法蘭加工質量也會極大程度上影響焊接效果，焊接自動化對于前道工序提出了更高的要求，需要法蘭焊接面有較好的圓度，且法蘭整體同心度要達到標準。上游法蘭供應商需要對法蘭焊接面進行車削或使用沖壓模具。

編程時與焊接機器人的銜接部分也非常重要。通用焊接機器人一般都由三個相互關聯的部分組成：機械手、控制系統(tǒng)和示教系統(tǒng)。機械手是機器人的執(zhí)行機構，控制系統(tǒng)是機器人的神經系統(tǒng)，示教器是機器人與人的交互接口，在示教過程中它將控制機器人的全部動作。示教也稱導引，由操作人員引導機器人按實際焊接路線操作，焊接機器人在這一過程中記錄每個節(jié)點的位置和運動參數等，記錄完成后焊接機器人將生成一個連續(xù)動作的程序，按照之前的操作路徑進行精確動作，這就是示教和編程的關系。示教是機器人進行簡單工件焊接時的一種常用編程方法。

2 焊接角度控制

由于鋼筋形狀及尺寸不規(guī)則，在使用預設程序進行焊接時即使分度均勻，也會由于鋼筋局部扭曲、翻轉，引起焊絲與焊縫間距過大導致虛焊，或焊絲直接接觸鋼筋導致焊傷的情況。以φ14的鋼筋為例，固定在焊接表面時實測橫向尺寸在φ13.4～φ15.2之間。采用6 mm焊絲焊接時仰角過大，鋼筋部分扭轉直接接觸焊絲，會存在焊傷，考慮到焊絲到焊縫的容余量為1～3 mm，可采用30°的焊接角度，減小仰角既可以使機器人在焊接過程中避讓夾持裝置，也可以通過調整角度避讓鋼筋防止焊傷且保證焊接質量(圖3)。電流控制在220～260 A最佳。其它直徑鋼筋焊接過程中可采用不同仰角，根據實際焊接情況決定。

焊接時如果發(fā)現在同一次變位跨度下的鋼筋存在統(tǒng)一方向上的偏差，說明鋼筋夾持裝置存在偏差，也可以通過修改變位器的角度參數進行調整，消除設備本身固有誤差。

目前市場上已有機器人專機焊縫跟蹤系統(tǒng)，可針對不規(guī)則邊界進行跟蹤焊接，檢測精度達到0.1 mm，控制周期30 ms，視場寬度30～40 mm，與新松、埃夫特、時代、廣數等國內品牌和以安川、庫卡、發(fā)那科、ABB、松下為代表的國外品牌主流機器人系統(tǒng)匹配?？蓱糜诖?、車橋、鋼管、鋼結構、集裝箱行業(yè)。但由于其價格成本較高，加裝一套跟蹤系統(tǒng)幾乎會讓機器人設備整體價格翻倍，需根據實際需要選擇。

3 結 語

自動化焊接工藝已經成為了一種綜合科技型的先進制造技術。焊接結構朝重型化、大量化、高參數和精密化的科技化方向發(fā)展。自動化焊接設備會對上道工序提出要求，使工件工藝水平得到提高，工件制造標準化，倒逼行業(yè)整體進步。同時，對下游客戶而言，自動化焊接設備生產帶來的高質量產品是其安心使用的重要保障。伴隨著制造業(yè)發(fā)展的趨勢，自動化焊接工藝的水平高低也正在成為電桿行業(yè)重要的砝碼，形成企業(yè)的核心競爭力。