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钢结构焊接机器人在工程中的演变与应用

钢结构焊接机器人在工程中的演变与应用

  • 分类:行业新闻
  • 作者:固建机器人
  • 来源:www.gj-robotics.com
  • 发布时间:2022-04-15 15:33
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钢结构焊接机器人在工程中的演变与应用

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随着我国智能建造技术的不断发展,住宅钢结构、电力钢结构、海洋钢结构、桥梁钢结构、厂房钢结构、船舶钢结构等细分市场正在加快智能化的步伐。

焊接机器人作为智能施工中不可缺少的关键设备,在钢结构制造中其实早就实现了机器人的有效应用,并取得了许多实际应用成果。

例如,北京大兴机场和上海超高层建筑构件都有机器人自动焊接的身影。今天就让我们来聊聊钢结构行业机器人的应用。

一、钢结构焊接机器人

“首先让我们回顾一下钢结构焊接机器人的演进过程和现状”

技术演变

1986年自动水平焊接设备首次应用于国内建设单位的总承包管理,是国内焊接自动化设备在建筑钢结构施工现场的首次应用。

2005年,在鸟巢工程施工期间,弧焊机器人已应用于钢结构现场施工。该机器人基本满足了鸟巢钢结构焊接现场施工的要求。随后,伴随着机器人焊接设备升级,弧焊机器人已经具有焊接轨迹教学、焊接参数存储记忆、焊接电源协同控制等功能,实现了焊接弧压跟踪控制等技术。

此外,梁贯通节点弧焊机器人,也开发应用成功。

近年来,弧焊机器人已成功应用于港珠澳大桥钢箱梁u型肋焊接。相关公司开发了自动组装和机器人定位焊接系统、u型肋和板肋机器人焊接系统、横隔板机器人焊接系统、腹板轨道机器人焊接系统,建立了正交异板机器人焊接生产线。同时,开发了小型弧焊机器人,用于斜底板对接焊和索塔钢锚箱焊接。在桥梁领域焊接机器人已经获得了成功的应用。

相关公司在弧焊机器人用于建筑钢结构制造方面,也开发了适用于非标机器人焊接的快速智能软件编制技术,初步建立了非标准弧焊机器人工艺参数数据库,试图解决建筑构件复杂,然而制造及安装精度低所产生的一系列问题。

相关院校和企业共同开发了一种直弧组合轨道弧焊机器人系统,并提出了综合轨道规划方法,使机器人在箱钢结构环焊接任何空间位置调整功能中自由度最小,焊接轨道规划更加简单高效。

从对上述机器人焊接技术在钢结构工程中的应用的综合分析可以看出,弧焊机器人在桥梁钢结构领域的应用已经相对成熟,得到了行业的广泛认可。然而在建筑钢结构领域,仍处于应用的初始阶段,由于机器人焊接小批量、复杂结构或制造安装精度低等问题,导致实际焊接过程中工件定位难度高,操作效率低,尚不成熟。

但随着建筑钢结构构件标准化设计的提高,机器人智能化程度的提高,焊接数据库的丰富,机器人焊接技术将在建筑钢结构行业发挥重要作用。而提高建筑钢结构构件的模块化、系列化和标准化设计是钢结构行业机器人焊接技术应用的基础。

建立完善的焊接数据库,开发智能编程软件,提高弧焊机器人的智能化程度,逐步解决建筑钢结构机器人焊接技术应用的问题,这就是建筑钢结构焊接机器人技术的工作方向。

需要指出的是,目前在建筑钢结构行业,弧焊机器人还没有成为钢结构生产厂家的主要生产设备,除了北京大兴机场等国家级大型项目的钢结构焊接工程成功应用了弧焊机器人,在绝大多数钢结构施工现场很少使用。建筑钢结构生产厂家的机器人应用才刚刚开始,方兴未艾。虽然随着钢结构用钢量的不断增加和劳动力成本的不断上升,机器人智能焊接技术在钢结构领域的研发和应用已成为共识;许多钢结构制造企业与科研机构、高校或设备制造商共同努力,取得了一些成果;但与汽车、工程机械、锅炉压力容器等弧焊机器人利用率高的行业相比,钢结构行业机器人焊接技术的应用发展缓慢。

现状

机器人产业是高端技术产业,是当代科技进步的重要标志,是中国战略性新兴产业的重要组成部分。

机器人产业的快速发展有其深刻的客观原因。从长远来看,随着我国社会老龄化、劳动力资源短缺和劳动力成本的加深,构件工厂迫切需要自动化设备来取代从事重复工作的劳动者;从国内外钢结构制造行业发展的环境变化来看,随着社会分工的细化和行业集中度的增加,钢结构工厂的门槛在不断提高,数字化和自动化生产已成为主流。从EPC总承包模式下业主对于生产成本,质量和进度控制都提出了更高的要求,采用钢结构焊接机器人已经成为业内企业提高自身竞争力,实现现代化智能工厂的重要装备。

由于机器人能够最忠实地执行生产工艺,对操作人员的焊接技术水平要求较低,焊接过程受人为因素影响较小,焊接成型美观,焊接过程稳定,焊接效率高。因此,机器人自动焊接在厚板、长焊缝、多位置焊接的建筑钢结构工程建设中有很大的应用空间。

市场上现有的焊接机器人都是三个或三个以上自由编程轴的机器,可根据要求将焊接装置送到预定空间,并按要求的轨迹和速度移动焊接工具(焊枪);而相对完整的机器人自动焊接应具有精密焊接质量闭环控制系统、机器人控制电源、焊接过程动态建模控制、独立跟踪等系统,焊接数据库,这样的系统就属于焊接专家系统。

我们把整套焊接系统分为机器人路径规划和焊接工艺两部分。

目前,由于高校专业设置的问题,在建筑工程领域我国了解机器人技术和焊接技术的工程技术人员太少,还远远不能满足企业的需求。

二、机器人路径规划

焊接机器人与其他自动化设备的根本区别在于自动编程和自动焊接。

目前,编程技术分为以下四种。

1.示教编程

根据焊接技术人员的经验,操作机器人进行有效焊接。每次进行一次,存储到数据库。每个结构(板厚和坡口)都需要进行成功的示教。

在今后的项目中,可以直接使用相同类型的结构。虽然示教程序工作量大,成本高,但实践证明,在大批量生产中,示教编程是最可靠的技术之一。

2.离线编程方式

试图通过离线编程来解决建筑钢结构构件的焊接问题。

机器人工程师通过特殊的三维软件描述组件上的每个焊缝,生成机器人可执行的焊接指令。

但目前,零部件的加工过程基本上依靠半自动焊接位置偏差大,重复件少,缺点明显,主要表现为:

① 每个工件都需要大量的重复工作,如离线编程或手动教学,效率低下。

② 编程根据工程师的能力分为质量水平,后期无法持续改进。

③ 该技术理论不错,但其可靠性需要实践检验,仅适用于单焊工程。

综上所述,离线编程技术属于完善中的重要技术,各高校和研究单位还在对其应用做深入开发。

3.视觉编程

视觉编程是一种高端的编程技术,要求机器人通过视觉等多传感器引导,机器人数据库必须准确而庞大。

机器人接受指令后可以根据焊接环境自行编程,自主规划焊接路径。采用该种方式机器人和传感器的成本和建立机器人数据库的成本都非常高,但这是行业发展的方向之一。

4.可视化建模编程

可视建模编程是指把焊接环境信息和焊件的CAD模型相结合,利用计算机图形学技术,实现焊接任务的离线规划和三维动态仿真,最后再通过三维视觉纠偏实现整个焊接过程。

目前,这是成本最低、最先进的技术,其基于角焊缝的相关焊接技术应用已相对成熟,进入实用阶段。

大家可以通过下面的视频对可视化建模编程做个初步了解。
【https://www.toutiao.com/article/7086351920453173799/】

 

三、焊接工艺

这部分经常被忽视,因为目前焊接电源的质量和可靠性有所提高,在与机器人的匹配中更加随意,忽略了自动焊接对电弧的要求。

与机器人相匹配的焊接电源大多为MIG/MAG气体保护焊机,电弧为普通电弧,对脉冲特殊电弧的开发研究不够,埋弧焊机应用较少。

焊接工艺相关研究是必不可少的,焊材和焊接机器人的自动焊接离不开大量的工艺测试和试验。


四、钢结构焊接机器人最新应用案例
 

带三维扫描功能的角焊缝焊接机器人


三维扫描、实时跟踪反馈、实现不同焊缝形式的自动焊接


利用了当前更先 进的3D 视觉和信息技术,开发了可以应用于钢结构构件的智能机器人焊接系统, 该系统通过建筑设计软件—TEKLA的模型引导可以实现无人工示教编程,极大地降低了焊接机器人的使用难度。

  • 建立了GJ-welding焊接参数数据库

  • 开发了基于视觉的快速焊缝定位系统,可在2-3秒内定位焊缝位置,实现非标件的全自动焊接

  • 研发了焊接程序自动生成系统,利用前端和机器人相匹配的数据接口,自动调用,修改和存储相关焊接工艺数据,自动生产焊接路径,实现角焊缝的自动焊接。


基于点云的焊缝识别


埋弧焊与机器人匹配的贴角焊(激光引导)

H型钢构件采用机器人智能埋弧焊接,已经成为一项非常实用的技术。在工作实践中,应用激光跟踪系统配套两台机器人和行走机构应用于H型钢的自动埋弧焊。激光系统引导机器人自动寻找焊缝起始点,并且实时修正焊接轨迹。

埋弧焊工艺同机器人匹配,采用激光引导,解决了纠偏问题,也解决了焊接过程当中焊接变形的问题。不仅提高了生产效率和焊接质量,而且使贴角焊缝达到教科书式的成形质量。
 

下图是一次成型的产品金相图,该技术可以实现25MM板厚全熔透。焊接金象试验表明焊接头的力学性能和微观金相全部达到技术标准要求。

让我们期待未来的焊接机器人在结合三维视觉,力传感器等外围传感设备及信息技术,从而实现傻瓜式操作,高质量生产的理想状态,真正把焊工从恶劣的焊接现场解放出来。

 

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