喬計(jì)震

(中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司，天津 300459)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)和城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)建筑迎來了一個(gè)發(fā)展機(jī)遇，與傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)建筑具有重量輕、強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好以及綠色無污染等優(yōu)勢，因此在近年來得到國家政府的大力支持。為了迎合公眾的審美要求以及豐富建筑的使用性能，鋼結(jié)構(gòu)建筑逐漸向大型化、復(fù)雜化發(fā)展，這使得鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)也變得越來越復(fù)雜，使用人工進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)裝配，將耗費(fèi)大量的人力、物力，裝配時(shí)間長、裝配精度低、工程經(jīng)濟(jì)性差等問題日益突出，因此，有必要針對(duì)傳統(tǒng)人工裝配方式的不足，設(shè)計(jì)自動(dòng)化定位裝配機(jī)，以應(yīng)對(duì)大型鋼結(jié)構(gòu)建筑復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的裝配連接施工問題[1]。

張家口軍民合用機(jī)場改擴(kuò)建工程是服務(wù)于2022北京冬奧會(huì)的重點(diǎn)基礎(chǔ)配套設(shè)施工程，其中在既有航站樓西側(cè)新建1座航站樓，新建航站樓長171 m，寬48.7 m，建筑面積13860 m2。新建航站樓采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，地上兩層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，管桁架結(jié)構(gòu)屋頂，金屬復(fù)合板屋面，墻面裝修采用玻璃幕墻。管桁架屋頂南北軸方向?yàn)橹麒旒芎瓦呰旒?，分?3榀，東西方向?yàn)榇舞旒埽譃?榀梁。主管桁架與次桁架通過上下弦支撐連接后形成管桁架屋頂整體受力體系。桁架上弦架頂部設(shè)檁條，檁條為屋頂金屬屋面受力點(diǎn)。在KZ11結(jié)構(gòu)頂部設(shè)1000×600×30×30 mm鋼梁。桁架上下弦桿、腹桿均采用熱軋無縫鋼管，鋼管、鋼板材質(zhì)包括Q235C、Q345C、Q345GJC，鋼結(jié)構(gòu)表面采用拋丸噴砂除銹，除銹等級(jí)為Sa2 1/2-Sa2.5級(jí)，表面粗糙度Ra為40～70 μm。

本文以張家口軍民合用機(jī)場改擴(kuò)建工程為研究背景，設(shè)計(jì)了一套專門應(yīng)用于復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)定位裝配機(jī)，以期能為工程鋼結(jié)構(gòu)焊接施工提供幫助。

1 方案選型設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)要求

本工程航站樓鋼結(jié)構(gòu)建筑面積大、工期緊、復(fù)雜節(jié)點(diǎn)多，因而設(shè)計(jì)自動(dòng)定位裝配機(jī)的主要目的：一是要提高在單位時(shí)間內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)產(chǎn)量，提高工作效率，減少人為因素的影響；二是要提高航站樓鋼結(jié)構(gòu)整體的定位裝配精度，提升施工品質(zhì)。因此，自動(dòng)定位裝置必須兼顧以下幾個(gè)技術(shù)特點(diǎn)：1)高度自動(dòng)化；2)制造成本低；3)裝配用時(shí)少；4)機(jī)械構(gòu)型緊密[2-3]。

1.2 參數(shù)設(shè)計(jì)

借鑒類似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合本工程鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)特征[4-6]，確定自動(dòng)定位裝置的具體設(shè)計(jì)參數(shù)為：自由度6個(gè)、X軸工作行程-150～150 mm、Y軸工作行程-200～200 mm、Z軸工作行程-300～300 mm、OZ軸0～360°、OX和OY軸-20～20°、運(yùn)動(dòng)負(fù)載200 kg、重復(fù)定位精度-0.5～0.5 mm，X軸和Y軸的運(yùn)行速度均為50 mm/s、Z軸運(yùn)行速度為60 mm/s。

1.3 方案比選

常用的機(jī)械構(gòu)型包括直角、圓柱、球以及關(guān)節(jié)坐標(biāo)四種類型，其中直角坐標(biāo)型加工方便、操作簡單，因而本文采用直角坐標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。機(jī)械驅(qū)動(dòng)采用伺服電動(dòng)機(jī)，減速機(jī)選用渦輪蝸桿減速機(jī)和RV，X、Y、Z軸平行機(jī)構(gòu)采用絲杠傳動(dòng)，采用獨(dú)立線纜孔解決電機(jī)線纜穿線問題。基于以上設(shè)計(jì)原則，首先設(shè)計(jì)得到三種自動(dòng)定位裝置方案，每種設(shè)計(jì)方案具體情況為：

方案一：主要由兩個(gè)變位機(jī)(一是節(jié)點(diǎn)回轉(zhuǎn)變位機(jī)，二是節(jié)點(diǎn)門式變位機(jī))及其輔助結(jié)構(gòu)組成。節(jié)點(diǎn)回轉(zhuǎn)變位機(jī)主要由360°可回轉(zhuǎn)工作臺(tái)和90°可俯仰變位機(jī)構(gòu)兩部分組成，前者的主要作用在于固定節(jié)點(diǎn)，使其可以實(shí)現(xiàn)任意水平方向的旋轉(zhuǎn)，后者的主要作用在于確保定位裝置在俯仰角度0～90°范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)隨意旋轉(zhuǎn)變換。通過該結(jié)構(gòu)形式的回轉(zhuǎn)變位機(jī)可以保證最理想的裝配加工位置和焊接效率。節(jié)點(diǎn)門式變位機(jī)主要由軌道行走機(jī)構(gòu)(平移機(jī)構(gòu))、夾持機(jī)構(gòu)(固定機(jī)構(gòu))、以及升降和橫梁機(jī)構(gòu)(平移機(jī)構(gòu))等組成。軌道行走機(jī)構(gòu)主要作用是保證點(diǎn)定位機(jī)在Y方向運(yùn)動(dòng)，夾持機(jī)構(gòu)主要作用是對(duì)構(gòu)件固定夾持，同時(shí)保證在垂直面-60°～60°內(nèi)運(yùn)動(dòng)，升降和橫梁機(jī)構(gòu)的主要作用是確保自動(dòng)定位裝置在X方向和Z方向上做自由平移運(yùn)動(dòng)。

圖1 總體設(shè)計(jì)方案

方案二：主要包括節(jié)點(diǎn)回轉(zhuǎn)變位機(jī)(也分為平面和俯仰兩種變位機(jī)構(gòu))、節(jié)點(diǎn)門式變位機(jī)(行走、平移和夾持機(jī)構(gòu)等組成)、控制平臺(tái)及其輔助結(jié)構(gòu)。節(jié)點(diǎn)回轉(zhuǎn)變位機(jī)和節(jié)點(diǎn)門式變位機(jī)的作用與方案一相似，不再贅述?？刂破脚_(tái)可以對(duì)角度和方位進(jìn)行自由調(diào)整，可確保節(jié)點(diǎn)支腳豎直，進(jìn)而可以使下一鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)能夠順利焊接。

方案三：主要包括兩個(gè)變位機(jī)(節(jié)點(diǎn)回轉(zhuǎn)和節(jié)點(diǎn)臥式變位機(jī))以及輔助結(jié)構(gòu)。節(jié)點(diǎn)回轉(zhuǎn)變位機(jī)與方案一、二略有不同，主要由回轉(zhuǎn)工作平臺(tái)和夾持機(jī)構(gòu)兩部分組成，工作平臺(tái)的主要作用在于確保夾持機(jī)構(gòu)在水平方向上可以實(shí)現(xiàn)自由旋轉(zhuǎn)。節(jié)點(diǎn)臥式變位機(jī)主要由X軸、Y軸、Z軸三個(gè)方向上的平移運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及旋轉(zhuǎn)定位板等結(jié)構(gòu)組成。

方案三與其他兩種方案相比：不僅能夠減小偏心誤差對(duì)牛腿精度安裝的影響，而且能夠?qū)?jié)點(diǎn)偏差實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償，有效減少定位誤差，同時(shí)結(jié)合工程實(shí)際情況和考慮可實(shí)施操作性，決定采用方案三作為航站樓鋼結(jié)構(gòu)自動(dòng)定位裝置的選型設(shè)計(jì)。

2 結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)

Z軸升降移動(dòng)方向電機(jī)、X軸平動(dòng)電機(jī)和節(jié)點(diǎn)回轉(zhuǎn)變位機(jī)伺服電機(jī)均選用 ECMA-C20604RS型伺服電機(jī)，輸入電壓值為220 V，額定功率大小為400 W，額定轉(zhuǎn)速大小為3000 r/min，額定扭矩大小為1.27 N·m，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大小為68×104kg·m2。

X軸轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)選用EWCA-C10602ES，額定輸出功率200 W，額定扭矩0.32 N·m，瞬時(shí)最大扭矩0.96 N·m，額定轉(zhuǎn)速3000 r/min。

X軸和Y軸平動(dòng)線性模組型號(hào)均為KUHCI205L-460，Z軸升降模塊線性模組型號(hào)為KK86-740A1。

減速器為WP120型渦輪蝸桿減速器，額定轉(zhuǎn)矩大小為2.0 N·m，輸入轉(zhuǎn)速大小為3000 r/min，額定的減速比值為200。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 樣機(jī)組裝調(diào)試

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)主要包括節(jié)點(diǎn)回轉(zhuǎn)和節(jié)點(diǎn)臥式兩個(gè)變位機(jī)以及底座焊接支架等輔助結(jié)構(gòu)構(gòu)成。在安裝過程中，首先對(duì)底座進(jìn)行調(diào)平，其次將Z軸調(diào)豎直，然后利用框式水平儀將Y軸和轉(zhuǎn)盤調(diào)水平，接著將Y軸與轉(zhuǎn)盤調(diào)整至中心共線，將X軸調(diào)水平并與Y軸保持垂直，最后將定位板進(jìn)行固定安裝，并把X軸、Y軸、Z軸的位置全部調(diào)整至初始刻度處。自動(dòng)定位裝置的電氣控制系統(tǒng)主要包括PLC、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及文本顯示器等。安裝好實(shí)驗(yàn)樣機(jī)之后，還需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，聯(lián)調(diào)之前對(duì)各線路進(jìn)行檢查。聯(lián)調(diào)時(shí)，首先打開總電源，按下啟動(dòng)鍵，綠色指示燈亮，自動(dòng)定位裝置開始運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)某一運(yùn)動(dòng)部件超出限定行程范圍時(shí)，報(bào)警燈亮，操作人員可按急停鍵，停止運(yùn)行。組裝調(diào)試過后的樣機(jī)見圖2。

圖2 組裝調(diào)試樣機(jī)

3.2 實(shí)驗(yàn)過程

為驗(yàn)證該自動(dòng)定位裝置的工作性能和裝配精度，選用10 mm厚的亞克力板作為實(shí)驗(yàn)材料，設(shè)計(jì)了自動(dòng)定位裝置的節(jié)點(diǎn)裝配實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程可簡述為5個(gè)步驟：1)將定位孔依次打在節(jié)點(diǎn)六邊形底板的對(duì)應(yīng)位置處，然后將節(jié)點(diǎn)六邊形底板固定到自動(dòng)定位裝置的底盤上；2)將加工好的節(jié)點(diǎn)(共6個(gè))按焊接裝配順序依次擺放好；3)將自動(dòng)裝配系統(tǒng)初始調(diào)零，然后在系統(tǒng)文本中依次輸入對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)；4)利用全站儀對(duì)靠山板和板材的坐標(biāo)進(jìn)行測量，記錄好坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并以此判斷誤差大??；5)依次對(duì)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測量，每個(gè)節(jié)點(diǎn)測量5次，取平均值作為最終的測量數(shù)據(jù)，并與理論節(jié)點(diǎn)值做對(duì)比。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)得到的6個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)測量均值與理論值的誤差計(jì)算結(jié)果見圖3。從圖中可以看到：利用全站儀測得的坐標(biāo)均值與理論坐標(biāo)計(jì)算值相差不大，最大誤差位于節(jié)點(diǎn)3處，最大誤差值為3 mm，最小誤差位于節(jié)點(diǎn)2處，最小誤差值為1.6 mm，從節(jié)點(diǎn)裝配誤差來講，自動(dòng)裝配機(jī)可將其控制在毫米級(jí)范圍內(nèi)，而在實(shí)踐過程中采用人工裝配的誤差常常達(dá)到厘米級(jí)，在裝配精度上有較大幅度提升，表明本文設(shè)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)自動(dòng)定位裝置節(jié)點(diǎn)精度較高。

圖3 實(shí)驗(yàn)測量與理論數(shù)據(jù)對(duì)比

3.4 誤差原因分析

雖然本自動(dòng)定位裝置已具有較高的裝配精度，但仍存在一定的裝配誤差，根據(jù)分析，認(rèn)為產(chǎn)生裝配誤差的原因有三[7]：一是機(jī)械誤差，該類型誤差主要來源于節(jié)點(diǎn)制造加工誤差以及自動(dòng)裝配機(jī)本身自帶的機(jī)械、裝配誤差，針對(duì)這些誤差，建議在工程經(jīng)濟(jì)或者工程裝配條件允許的情況下，采用精度更高的伺服電機(jī)；二是測量誤差，主要包括節(jié)點(diǎn)初始位置測量誤差以及加工過程中的測量誤差(全站儀本身精度為1 mm，也會(huì)導(dǎo)致誤差產(chǎn)生)，針對(duì)這些誤差，建議在條件允許下選擇更精密的測量儀器進(jìn)行校驗(yàn)；三是操作誤差，主要包括可能存在的間隙誤差，操作誤差相對(duì)于機(jī)械和測量誤差，能夠比較合理的進(jìn)行減少，在實(shí)際操作過程中，在某些特殊部位(如點(diǎn)、線接觸部位)可以通過設(shè)置凹槽或者改變焊接方式來提高定位精度。

4 結(jié)論

以張家口軍民合用機(jī)場改擴(kuò)建工程航站樓鋼結(jié)構(gòu)工程為例，通過3種設(shè)計(jì)方案比選，最終確定了以節(jié)點(diǎn)回轉(zhuǎn)變位機(jī)和節(jié)點(diǎn)臥式變位機(jī)為主體的鋼結(jié)構(gòu)自動(dòng)定位裝配機(jī)設(shè)計(jì)方案，該方案不僅能夠減小偏心誤差對(duì)牛腿精度安裝的影響，而且能夠?qū)?jié)點(diǎn)偏差實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償，有效減少定位誤差。通過實(shí)驗(yàn)分析，該自動(dòng)定位裝置可將傳統(tǒng)手工裝配的厘米級(jí)誤差減小至自動(dòng)裝配的毫米級(jí)誤差，能夠大大提升鋼結(jié)構(gòu)的裝配精度和效率，可在類似大型鋼結(jié)構(gòu)工程中予以合理應(yīng)用。