國(guó)家科技支撐計(jì)劃—“面向工程機(jī)械大型結(jié)構(gòu)件的機(jī)器人焊接生產(chǎn)線關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用示范”的研究目標(biāo)為：面向大中型、超大型和特大型工程機(jī)械大型結(jié)構(gòu)件的焊接作業(yè)需求，突破機(jī)器人智能焊接工藝與控制、焊接質(zhì)量在線檢驗(yàn)與智能化故障診斷、焊接生產(chǎn)線信息化管理與智能調(diào)度等關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)以焊接機(jī)器人、控制系統(tǒng)、軟件為主配套的工程機(jī)械大型結(jié)構(gòu)件機(jī)器人焊接生產(chǎn)線智能控制、檢測(cè)與調(diào)度綜合應(yīng)用平臺(tái)，以起重機(jī)主梁的焊接為對(duì)象，實(shí)現(xiàn)集成 30 臺(tái)以上焊接機(jī)器人的起重機(jī)大型結(jié)構(gòu)件焊接生產(chǎn)線的工程示范應(yīng)用，建成世界上第一條起重機(jī)大型結(jié)構(gòu)件機(jī)器人自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線，主要技術(shù)性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

起重機(jī)大型結(jié)構(gòu)件機(jī)器人自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線的關(guān)鍵技術(shù)有：

1）采用機(jī)器人自主規(guī)劃、視覺(jué)伺服、圖像識(shí)別、柔性單元多機(jī)協(xié)調(diào)控制等技術(shù)，研究適應(yīng)于主梁的機(jī)器人智能焊接工藝與控制方法，解決主梁焊接區(qū)域焊縫長(zhǎng)、焊接形式多樣等問(wèn)題；

2）采用視覺(jué)傳感和智能控制等技術(shù)，研究適應(yīng)于工程機(jī)械大型結(jié)構(gòu)件的焊縫質(zhì)量在線檢測(cè)和焊接參數(shù)優(yōu)化調(diào)整方法，解決主梁焊接質(zhì)量難以控制等難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)焊縫質(zhì)量從結(jié)果檢測(cè)到過(guò)程控制的轉(zhuǎn)變；

3）提出基于智能計(jì)算方法的主梁焊接生產(chǎn)線高效調(diào)度優(yōu)化方法和多工位物料精準(zhǔn)配送控制方法，以提升主梁焊接生產(chǎn)效率；

4）以焊接工藝信息實(shí)時(shí)監(jiān)控為基礎(chǔ)，提出主梁機(jī)器人焊接生產(chǎn)線的焊接質(zhì)量全程追溯方法，開(kāi)發(fā)具有多傳感控制功能的機(jī)器人焊接生產(chǎn)線監(jiān)控軟件平臺(tái)，達(dá)到焊接生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、焊接質(zhì)量監(jiān)控可視化、生產(chǎn)信息管理智能化的目標(biāo)。

1 現(xiàn)有的生產(chǎn)方式

如圖 1 所示，主梁腹板上均有防止變形和增大剛性的縱向角鋼，筋板根據(jù)結(jié)構(gòu)需要有大筋板和小筋板兩種。其中，主梁腹板厚度為 6 ～ 8主梁蓋板厚度為 6 ～ 24主梁腹板高度≤ 1 600主梁跨度≤ 28 500（主梁外形長(zhǎng)度比主梁跨度長(zhǎng)；差值不超過(guò) 1 000）；主梁筋板寬度≥ 340（筋板寬度為340、390的主梁腹板無(wú)角鋼，筋板寬度 440及以上的主梁腹板有角鋼，角鋼尺寸為 75×50×5）。

1. 腹板 2. 上蓋板 3. 小筋板 4. 角鋼5. 大筋板 6. 下蓋板

圖 1 主梁截面示意圖

現(xiàn)有主梁制作主要依靠人工操作、手工焊接與半自動(dòng)焊接來(lái)完成。制作流程：蓋板的組對(duì)焊接、角鋼與腹板組對(duì)焊接、筋板與上蓋板組對(duì)焊接、腹板與蓋板及筋板組對(duì)、π 形梁內(nèi)縫焊接、π 形梁與下蓋板組對(duì)、抽頭制作、主梁四條外縫焊接、檢驗(yàn)，橋架組裝工序。

這種人工生產(chǎn)方式是最傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式。工人勞動(dòng)強(qiáng)度大（每天需要工作 14 h），生產(chǎn)效率偏低（生產(chǎn)周期為 45 d），無(wú)法充分保證焊接質(zhì)量（焊接不合格率達(dá)到 30%）；而且焊接車(chē)間的實(shí)時(shí)控制能力較弱，易受設(shè)備故障、物流不同步等因素的影響，導(dǎo)致在制品庫(kù)存積壓偏高（庫(kù)存積壓資金 4.2 億元）、資金周轉(zhuǎn)率偏低（僅為3）、管理成本過(guò)高（達(dá)到 400 萬(wàn) /a）、停工待料時(shí)間過(guò)長(zhǎng)（平均達(dá)到 3 h/d）、采購(gòu)提前期需要大幅提前（一般為 4 d）。

2 主梁生產(chǎn)線的要求

（1）主梁組成構(gòu)件的下料精度

主梁由蓋板、大小筋板、腹板、角鋼等構(gòu)件組成，各構(gòu)件的下料工藝要求有所不同。蓋板采用半自動(dòng)火焰切割下料，蓋板寬度偏差≤ 2 mm，每 10 000 mm 長(zhǎng)的蓋板下料產(chǎn)生的水平旁彎≤ 5 mm。大小筋板采用等離子數(shù)控整體下料，尺寸偏差≤ 1 mm，垂直偏差≤H /1000(H 為大筋板高度 )，平面度≤ 2 mm（平面度超差可采用矯平機(jī)進(jìn)行矯正），筋板形式如圖 2 所示。腹板利用卷板開(kāi)卷校平后采用等離子數(shù)控整體下料，無(wú)接長(zhǎng)焊縫，保證同一根主梁兩塊腹板拱度的一致性，腹板下料后帶有拱度，如圖 3 所示。角鋼（縱向筋）為外購(gòu)件成品，無(wú)需下料工藝要求。

圖 2 主梁縱向筋板外形圖

圖 3 腹板外形圖

主梁生產(chǎn)的主要工序及其順序?yàn)椋航畎迮c上蓋板組對(duì)焊接、腹板與蓋板及筋板組對(duì)、π 形梁內(nèi)縫焊接、π 形梁與下蓋板組對(duì)、主梁四條外縫焊接。主梁生產(chǎn)的輔助工序?yàn)椋荷w板的組對(duì)焊接、角鋼與腹板組對(duì)焊接；主梁生產(chǎn)的主要工序和輔助工序合計(jì) 7 個(gè)任務(wù)，分別有7 個(gè)工位來(lái)一一完成。

（3）生產(chǎn)線各工位技術(shù)要求

1）蓋板拼焊工位

蓋板采用輥道傳輸至該工位，采用水冷紫銅單面焊雙面成形工藝，機(jī)器人焊接。蓋板接頭正式焊接前需增加引弧板與收弧板（見(jiàn)圖 4）。引、收弧板采用機(jī)械壓緊的形式與蓋板進(jìn)行組對(duì)。蓋板拼接完成后轉(zhuǎn)運(yùn)至緩存區(qū)，超聲波探傷檢驗(yàn)合格后，另一臺(tái)機(jī)器人打磨腹板位置線處的焊縫余高。

蓋板接頭正式焊接前需增加引弧板與收弧板。引、收弧板可采用焊接或機(jī)械壓緊的形式與蓋板進(jìn)行組對(duì)。

圖 4 蓋板焊接引弧板

2）腹板與角鋼組焊工位

腹板采用輥道運(yùn)輸?shù)皆摴の唬唤卿摬捎弥悄芷鹬貦C(jī)搬運(yùn)到腹板上，腹板在下料時(shí)劃出角鋼的焊接位置曲線；角鋼在腹板上的起點(diǎn)焊縫由人工焊接完成，后續(xù)角鋼與腹板組對(duì)焊接由機(jī)械按照腹板拱度仿形自動(dòng)完成（見(jiàn)圖5）。角鋼與腹板的焊接采用先組對(duì)、后焊接的工藝順序。腹板與角鋼組焊完成后轉(zhuǎn)運(yùn)至緩存區(qū)臨時(shí)存放。

圖 5 角鋼拱度的形成

3）筋板與上蓋板組焊工位

上蓋板通過(guò)輥道、RGV 轉(zhuǎn)運(yùn)至工作臺(tái)上，智能起重機(jī)將筋板料筐吊運(yùn)至筋板焊接機(jī)器人料臺(tái)上。焊接機(jī)器人抓取、調(diào)正筋板后定位，焊接機(jī)器人焊接（見(jiàn)圖 6），上蓋板與筋板組焊完成后轉(zhuǎn)運(yùn)至下個(gè)工位。

4）腹板與上蓋板及筋板組對(duì)工位

由于主梁要求有一定拱度，故已焊好筋板的蓋板通過(guò)輥道運(yùn)到該工位后，輥道的升降機(jī)構(gòu)可調(diào)整各輥輪的高低位置以形成主梁的拱度。

圖 6 橫向筋板組對(duì)

已焊接好縱向角鋼的腹板通過(guò)輥道、RGV 運(yùn)輸?shù)皆摴の?，腹板分布在蓋板兩側(cè)。將蓋板兩側(cè)的翻轉(zhuǎn)裝置翻轉(zhuǎn)腹板 90°，使腹板與蓋板組合成圖 7 所示形式。

扶正機(jī)器人與龍門(mén)壓緊工裝、焊接機(jī)器協(xié)同工作完成大筋板與腹板的點(diǎn)焊工作，焊接機(jī)器人獨(dú)自完成小筋板與腹板的點(diǎn)焊工作。點(diǎn)焊好的 π 形梁（由上蓋板、筋板和腹板組成的開(kāi)口梁）對(duì)通過(guò)輥道轉(zhuǎn)運(yùn)至下個(gè)工位。

圖 7 腹板組對(duì)示意圖

5）π 形梁內(nèi)縫焊接工位

點(diǎn)焊好的 π 形梁通過(guò)輥道運(yùn)至該工位。翻轉(zhuǎn)工裝與焊接機(jī)器人協(xié)同工作焊接各筋板，π 形梁內(nèi)腔如圖 8所示。焊接完內(nèi)縫的 π 形梁通過(guò)本工位的翻轉(zhuǎn)裝置，將 π 形梁翻轉(zhuǎn)至開(kāi)口朝下位置。π 形梁內(nèi)縫焊接完成后轉(zhuǎn)運(yùn)至下個(gè)工位。

圖 8 π 形梁內(nèi)腔示意圖

6）π 形梁與下蓋板組對(duì)工位

通過(guò)輥道將 π 形梁、下蓋板運(yùn)至該工位。下蓋板通過(guò) RGV 與 π 形梁組對(duì)，機(jī)器人點(diǎn)焊大筋板與下蓋板的最近處。由于 π 形梁的腹板在大筋板之間因焊接產(chǎn)生收縮變形，腹板向內(nèi)凹陷，需進(jìn)行校正處理，如圖 9所示。可移動(dòng)的吸附裝置與焊接機(jī)器人協(xié)同工作點(diǎn)焊被吸附拉伸到正確位置的腹板。主梁抽頭采用液壓裝置與加熱裝置協(xié)同工作，將加熱后的下蓋板與腹板頭部貼合，焊接機(jī)器人點(diǎn)焊固定，然后通過(guò)輥道運(yùn)輸至下一工位。

圖 9 腹板波浪變形示意圖

7）主梁四條外縫焊接工位

翻轉(zhuǎn)工裝與焊接機(jī)器人協(xié)同工作，從主梁跨中向兩端焊接主梁的四條主焊縫。主梁四條外縫焊接完成后，智能起重機(jī)將主梁轉(zhuǎn)運(yùn)至緩存區(qū)域，待主梁冷卻后對(duì)主梁各項(xiàng)參數(shù)檢測(cè)，檢測(cè)合格后的主梁吊離生產(chǎn)線。

3 技術(shù)難點(diǎn)及需要解決的問(wèn)題

（1）技術(shù)難點(diǎn)

1）主梁尺寸大 室內(nèi)起重機(jī)主梁跨度小的在 10 m左右，跨度大的在 30 m 左右，制造難度較大。

2）單件、小批量定單式生產(chǎn) 由于是定單生產(chǎn)，生產(chǎn)周期較短，最大批量為 10 臺(tái)左右，亦即生產(chǎn)線上有多種不同規(guī)格的主梁在同時(shí)流動(dòng)，對(duì)生產(chǎn)線的智能化程度要求就高。

如前所述，一個(gè)是起重機(jī)主梁固有需要，不可改變；另一個(gè)則是行業(yè)特點(diǎn)，亦無(wú)法改變。然而，隨著認(rèn)識(shí)的不斷提高，尤其是產(chǎn)業(yè)集中度的不斷增加，起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化程度大幅提升后，用戶(hù)在采購(gòu)起重機(jī)只提功能需求時(shí)，才可解決批量小、定單生產(chǎn)的問(wèn)題。

（2）需要解決的問(wèn)題

1）無(wú)論是組成主梁的蓋板、腹板、縱向角鋼，還是半成品的 π 形梁，均為柔性體，這使主梁制造過(guò)程的每一個(gè)工序都困難重重，吊運(yùn)困難、定位困難、翻轉(zhuǎn)困難、裝配困難、焊接困難等。

2）主梁端部制作困難，下蓋板需經(jīng)過(guò) 2 次折彎與腹板貼合。當(dāng)下蓋板板厚小于 14 mm 時(shí)，在生產(chǎn)線上通過(guò)火焰（或電磁）加熱、液壓壓緊的方式可與腹板貼合。當(dāng)下蓋板的板厚大于 14 mm 時(shí)，無(wú)論采用哪種方式，因?yàn)楦拱灏搴駜H有 6 mm 穩(wěn)定性差，故很難貼合，還影響生產(chǎn)線的效率、節(jié)拍。

3）起重機(jī)有（0.9 ～ 1.4）S/1 000 的上拱度。按照中國(guó)的制造標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)論何種起重機(jī)，其主梁在出廠前必需有（0.9 ～ 1.4）S/1 000 的上拱度。為此，腹板在下料時(shí)就已經(jīng)預(yù)制了上拱，但在腹板與蓋板焊接時(shí)，要解決好蓋板與腹板緊密貼合的技術(shù)難題。

4）焊接后的變形。只要有焊接就會(huì)有變形，蓋板的拼接焊、縱向角鋼與腹板焊接等的變形可通過(guò)反變形措施來(lái)消除，但大隔板與蓋板的焊接變形無(wú)法消除。當(dāng)腹板與蓋板組對(duì)形成 π 形梁時(shí)，因隔板變形而使腹板上的縱向角鋼無(wú)法進(jìn)入到隔板的豁口內(nèi)，需要人工進(jìn)行干預(yù)。在 π形梁內(nèi)縫焊接完成后，腹板在 2 塊大隔板間均向內(nèi)收縮，當(dāng)下蓋板與腹板焊接時(shí)，必須以外力將腹板內(nèi)凹部分拉到下蓋板合適的位置，以控制腹板在長(zhǎng)度方向的波浪度。

5）尺寸精度低。組成主梁的各構(gòu)件的制造精度低，手工制作主梁時(shí)，大隔板采用 4 塊剪板機(jī)剪切下料的薄板拼焊而成，尺寸誤差為 ±8 mm，小隔板采用剪板機(jī)剪切下料，尺寸公差為 ±5 mm。為適應(yīng)生產(chǎn)線的要求，現(xiàn)將大小隔板改為整體等離子切割下料，其精度為±1 mm。蓋板每 10 000 mm 蓋板下料產(chǎn)生的水平旁彎≤ 5mm，精度不高，但由于采用火焰切割，熱變形難免，很難再提高其下料精度。

4 改進(jìn)方案

（1）改變?cè)O(shè)計(jì)

改變現(xiàn)有設(shè)計(jì)，將主梁的下蓋板由整塊板（組焊成整塊）改為 3塊板，主梁兩端改為 2塊彎板，見(jiàn)圖 11所示。

圖 11 改變后的下蓋板

將大隔板尺寸由原來(lái)距下蓋板 10 mm 改為距下蓋板50 mm；將主梁腹板上的縱向角鋼放在主梁的外側(cè)；下蓋板增加腹板導(dǎo)向工藝角鋼，如圖 12 所示。

圖 12 改變后的主梁截面

（2）改變工位任務(wù)

保留蓋板拼焊工位，在該工位增加下蓋板導(dǎo)向工藝角鋼焊接工序；保留 π 形梁與下蓋板組對(duì)工位；將筋板與上蓋板組焊工位、腹板與上蓋板及筋板組對(duì)工位、π形梁內(nèi)縫焊接工位 3 個(gè)工位，合并成一個(gè) π 形梁組焊工位；將腹板與角鋼組焊工位、主梁四條外縫焊接工位合并成一個(gè)工位，成為主梁外縫焊接工位，成為 4 個(gè)工位。

（3）改變工藝

1）蓋板拼焊工位 原要求采用焊接專(zhuān)機(jī)或焊接機(jī)器人焊接蓋板對(duì)接焊縫，現(xiàn)要求采用焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接，同時(shí)在該工位焊接主梁下蓋板導(dǎo)向用不等邊角鋼。

2）π 形梁組焊工位 將腹板吸附在變位機(jī)上，使腹板由柔性體變?yōu)閯傂泽w。變位機(jī)移動(dòng)到上蓋板的上方，調(diào)整變位機(jī)使腹板長(zhǎng)度中心線與蓋板中心線重合后，變位機(jī)下降、下壓使腹板與上蓋板成 90°貼合、成拱，同時(shí)保證腹板與蓋板邊緣的距離滿足設(shè)計(jì)要求，焊接機(jī)器人內(nèi)側(cè)點(diǎn)焊。搬運(yùn)機(jī)器人以腹板長(zhǎng)度中心為基準(zhǔn)向主梁兩端布置隔板。搬運(yùn)機(jī)器人抓取隔板、運(yùn)行到隔板焊接位置后，向下運(yùn)行后隔板與上蓋板接觸，再向腹板側(cè)運(yùn)行，隔板與腹板觸碰后停止，機(jī)器人點(diǎn)焊隔板與上蓋板、腹板接觸處。同樣，另一側(cè)的變位機(jī)將另一塊腹板裝配到位，焊接機(jī)器人內(nèi)側(cè)點(diǎn)焊。π 形梁組對(duì)后，焊接機(jī)器人焊接內(nèi)焊縫。

3）π 形梁與下蓋板組對(duì)工位 數(shù)控起重機(jī)吊起 π形梁，調(diào)整 π 形梁使 π 形梁長(zhǎng)度中心線與下蓋板長(zhǎng)度中心線重合下落，通過(guò)下蓋板上不等邊角鋼的導(dǎo)向，使腹板與下蓋板貼合，機(jī)器人點(diǎn)焊。以下蓋板兩端為基準(zhǔn)，仿形切割出主梁端部過(guò)渡部分，裝配端部彎板，機(jī)器人點(diǎn)焊。

4）主梁外縫焊接工位 用機(jī)器人點(diǎn)焊腹板一側(cè)縱向角鋼，角鋼不再制作拱度。以主梁長(zhǎng)度中心線向主梁兩側(cè)焊接主梁與腹板兩條縱向焊縫、角鋼與腹板縱向焊縫、彎板與腹板焊縫，采用機(jī)器人焊接。翻轉(zhuǎn)，焊接主梁另一側(cè)的上述焊縫。焊接完成后，上蓋板、彎板按主梁跨度需要切割定長(zhǎng)。檢測(cè)合格后的主梁吊離生產(chǎn)線。

5 結(jié)論

本文詳細(xì)闡述了起重機(jī)主梁智能化制造的工序、工藝方法，及各工位的定位基準(zhǔn)、組對(duì)方式（法）及精度、焊接方式（法）、物流方式及要求、翻轉(zhuǎn)方式等內(nèi)容，為進(jìn)一步研究大型結(jié)構(gòu)件的智能制造提供的重要的參考依據(jù)。尤其，提出的以改變?cè)O(shè)計(jì)、改變工位任務(wù)、改變工藝方法以適應(yīng)智能制造的理念與方法，不僅打破了在傳統(tǒng)制造工藝方法基礎(chǔ)上的智能制造的思維定式，而且，使大型結(jié)構(gòu)件采用智能制造的低成本化成為可能。