基于PLC的钢筋笼自动焊接机器人研制

焦 雷

（中铁二十二局集团有限公司 北京 100043）

1 引言

钢筋笼是桩基础的重要组成部分，是桩基础承受拉应力的主要受力组合材料，因此钢筋笼加工质量的优劣直接影响桩基础的质量和成桩后地基的稳定性，钢筋笼加工效率的高低在很大程度上影响桩基础施工的进度［1］。但钢筋笼加工作业往往存在以下问题：

（1）加工效率低，生产成本高。尽管市场上半自动钢筋笼滚焊机和钢筋绕筋机已经普及，但两种设备在钢筋笼主筋、固定筋和箍筋的焊接方式上依然以人工焊接为主，需要2名焊工（含1名补焊）和1名调筋人员，焊接效率低且人工成本高［2］。

（2）焊接质量差。人工焊接常出现焊缝长度不足、焊缝不饱满，缺焊漏焊等情况［3］，导致钢筋笼在下笼时竖向应力不均，焊缝大面积开焊，严重破坏钢筋笼结构，出现质量问题。

因此，为了提高钢筋笼焊接效率，提升钢筋笼焊接质量，降低项目钢筋加工成本，在钢筋笼加工作业中急需有针对性地改进焊接技术，研发程序化、机械化、自动化、智能化的焊接设备代替人工焊接，从而实现钢筋笼加工的智能一体化，为企业降本增效［4］。

2 钢筋笼加工方式

目前，钢筋笼机械化加工主要有两种方式：第一种是采用钢筋绕筋机，利用钢筋绕筋机底座双胶轮定速转动带动钢筋笼（主筋和定位筋提前焊接）旋转，配合钢筋调直机完成箍筋绕筋工作，调整箍筋间距后进行人工焊接；第二种是采用钢筋笼滚焊机，钢筋笼滚焊机利用配筋旋转盘固定主筋，人工焊接定位筋后定速转动带动钢筋笼旋转，同样需要钢筋调直机配合完成箍筋绕筋工作，调整箍筋间距后再进行人工焊接。钢筋绕筋机和钢筋笼滚焊机如图1所示。

图1 钢筋绕筋机和钢筋笼滚焊机

两种钢筋笼加工方式虽然都利用专用机械设备实现了箍筋的调直和自动绕筋，但绕筋与焊接工序往往不同步、不连续，箍筋绕筋后焊接不及时，且在主筋不均匀摩擦力影响下，不同位置箍筋径向拉应力不同，出现箍筋间距变化，需在焊接前进行调整。此外，因国内钢筋笼滚焊机自带焊机的焊接质量不及人工焊接，目前钢筋笼实际加工生产过程中，两种加工方式均需人工焊接箍筋并进行补焊作业。

因此，在钢筋笼加工过程中，如何利用机械原理实现箍筋间距自动调整和焊枪精准定位焊接是钢筋笼自动焊接技术需要解决的关键问题。

3 基于PLC控制的钢筋笼自动焊接机器人

针对上述钢筋笼焊接出现的问题，结合钢筋笼的加工方式，钢筋笼的自动焊接应从箍筋定位定向、焊枪精准定位、精密焊接和系统操控等多方面进行技术研究，确定机械结构件和电气元件的适配组合方案，利用PLC系统进行焊接参数的设置、焊机运转的控制及焊接过程的监控，实现钢筋笼焊接机器人自动、稳定、连续施焊。自动焊接机器人侧面示意见图2。

图2 自动焊接机器人侧面示意

3.1 钢筋笼箍筋定位定向系统

钢筋笼自动焊接机器人在机头设置上下两个绕丝滚轮，垂直间距为480 mm。机头由电机滑杆牵引，滚轮随机头实现长距离前后滑动并在焊枪施焊时压在箍筋上。滚轮装置本身设置调节螺杆，负责根据压筋程度微调前后距离和角度。每个滚轮上设置一个绕丝卡，在滚轮压住箍筋的同时，绕丝卡沿箍筋径向卡住箍筋（绕丝卡左右位置可根据箍筋走向微调）。钢筋笼随滚焊机转动时，上下两个绕丝卡按箍筋理论滚动走行同时卡住箍筋，即可锁定箍筋位置和转动走向，控制箍筋间距，确保焊枪在上下滚轮间施焊时箍筋与主筋的稳定性［5］。此外，上下滚轮均设置同步旋转电机，配合钢筋笼同步转动，为焊枪焊接提供稳定的工作平台。钢筋笼箍筋定位定向系统模型见图3。

图3 钢筋笼箍筋定位定向系统模型

3.2 焊枪定位系统

焊枪与机头的垂直滑动机构连接。焊枪末端设置夹紧块固定，锁定水平位移；焊枪前端设置支撑块，限定焊枪头的垂直位置；焊枪头设置斜交（斜交角度根据主筋与箍筋的交角设计）焊枪的主筋卡扣［6］，在推放焊枪焊接作业时搭卡在主筋上，锁定焊机头与焊缝的相对位置［7］。通过对焊枪进行多结构多维度的限位锁定，提高焊枪前端的稳定性，确保箍筋焊接位置的精准性。焊枪定位系统模型见图4。

图4 焊枪定位系统模型

3.3 焊接系统

焊接系统主要由焊枪组件、偏心转动机构（机头内）和垂直滑动机构组成。由于人工焊接无法准确控制焊缝的宽度和饱满度，焊接系统利用垂直气缸推动焊枪向上移动，利用电动推杆控制焊枪向下移动，利用水平气缸控制焊枪头前后移动（如图4所示），采用减速电机（可调速）带动偏心轴旋转控制焊枪左右摆动。同时，设置电机调速器控制减速电机的转速以及电动推杆的下降速度，通过偏心电机和水平气缸配合实现焊接时间的动态控制，以保证焊接均匀充分，焊缝连续饱满。此外，焊枪自上而下进行焊接，使部分熔化的液态金属熔滴能顺焊缝下淌，焊缝内金属熔滴充盈，进一步提高焊缝质量。另外，焊接系统采用左右双焊枪设计，交替出枪焊接，极大提高了钢筋笼的焊接效率。

4 焊接机器人PLC控制系统设计

考虑焊接机器人作业环境复杂、操作人员操作水平参差不齐等因素，机器人的PLC控制系统应满足运行平稳、焊接动作可靠、操作安全实用、安装调试方便、维修保养简易等要求［8］，确保整机的稳定性和可靠性。

4.1 PLC自动焊接流程建设

钢筋笼自动焊接机器人是配合现有钢筋笼滚焊机的小型焊接设备，在自动焊接流程上要考虑与滚焊机的流程衔接。焊接机器人通过焊枪上移→焊枪定位→出枪焊接→焊枪落位→焊枪上移（往复进行）的简易流程实现自动焊接［9］，同时流程设置上须保证焊枪定位定向准确、焊接机构稳定、焊点精准的性能。此外，还应结合PLC控制系统及周边设备的功能实现模式来设计焊接机器人自动焊接的流程［10］。自动焊接流程图如图5所示。

图5 机器人自动焊接流程

4.2 输入输出（I/0）估算

由自动焊接流程分析，焊接机器人需要通过PLC控制系统实现焊接参数设置、焊接控制、状态监控和故障预警等操控功能。此外，随着桩基施工的发展，钢筋笼的样式和种类不断变化［11－12］，不同箍筋形状在焊点定位上不能完全实现自动化［13］，需要结合主筋的分布和箍筋的径距手动调节焊机头的初始位置和焊接时间，因此I/0设计需要考虑增加手动调节焊机头位置的功能。

将两个焊枪分别定义为1号焊枪和2号焊枪，系统主控数字输入信号有：机头进/退、手动/自动焊接切换、1号焊枪启动/屏蔽、2号焊枪启动/屏蔽、焊接方式选择（梅花焊、满焊）、单主筋/双主筋选择以及在手动焊接模式下机头控制出/回和焊点位置保存；参数数据输入有：焊机头位置、钢筋笼直径、箍筋直径、钢筋主筋根数、焊接时间以及1号垂直气缸缓冲时间、2号垂直气缸缓冲时间、1号水平气缸出开始时间、2号水平气缸出开始时间、1号水平气缸出/回时间、1号垂直气缸回时间、2号水平气缸出/回时间、2号垂直气缸回时间等；数字输出信号有：机头前后移动、1号水平气缸出/回、2号水平气缸出/回、1号垂直气缸出/回、2号垂直气缸出/回、1号电动拉杆上/下、2号电动拉杆上/下等；反馈信息有：钢筋笼转速、故障报警等。其中I/0输入、输出变量分配情况如表1和表2所示。

表1 I/0输入变量分配

表2 I/0输出变量分配

4.3 PLC设备选型

目前市场上PLC设备品种颇多，进口知名品牌有 SIEMENS（德国）、GE（美国）、LG（韩国）和三菱（日本），国产品牌有合力、研华等。欧美品牌主做大中型PLC控制机，日韩品牌的PLC控制机相对紧凑小巧，国产品牌稳定性稍差。焊接机器人输入触点不超过30个，输出触点不多于20个，应用指令不超过30条，需要单脉冲设置但内存需求不高。综合考虑设备性能和安装条件，焊接机器人选用三菱FX3GA-60型PLC控制器。该控制器可以实现控制显示、运行监控、触点计数、时间控制以及各类数据的通讯和链接功能，拥有定位和脉冲输出功能，在设备性能不足时可以增加模拟模块以及功能拓展板，同时兼顾结构紧凑小巧、性价比高等优点。

自动焊接机器人以三菱FX3GA-60型PLC控制器为控制核心，适配变频器、解码器、减速机、偏心电机、互感器、A/D转换器以及触摸屏，利用变频器和减速机配合气缸组成PID闭环控制反馈系统，完成精密的自动焊接动作。

5 人机交互效果展示

自动焊接机器人通过触摸屏实现人机交互。触摸屏是PLC功能模块在操作端的集成，焊接操作人员通过触摸屏进行基础参数设置。线路设计逻辑清晰、操作界面简洁的触摸端为设备操作和功能实现提供良好的操控性。因此，在设计人机交互触摸操作界面时充分考虑了焊接机器人的焊接流程以及PLC控制器的功能实现方式。焊接机器人按焊接流程顺序采用层进式界面设计，做到界面简洁易懂、触控操作规范、重点信息突出、反馈预警及时。

5.1 主控界面

主控界面实现焊机头手/自动切换、单/双主筋选择、焊接方式选择、钢筋笼尺寸参数信息输入、焊机启/停用设置以及焊接运转数据的展示。该界面可供操作人员完成初始焊接数据的设置，同时显示钢筋笼的转速并根据转速差设置距离补偿来缩短焊枪提升时间，实现焊枪准确勾住主筋。主控界面如图6所示。

图6 主控界面

5.2 设置界面

在主控界面右下方点击设置页面进入焊接机头设置界面，该界面供操作人员操作焊机头手动或自动对位。同时可设置焊枪稳定参数，如设置焊枪垂直气缸缓冲及缓冲时间来调节垂直滑动机构的稳定性；设置焊枪水平气缸开始时间来调节焊接速度、提高焊接效率等。设置界面如图7所示。

图7 设置界面

5.3 手动界面

在主控界面右下方点击手动页面进入焊枪精细化焊接动作的设置界面，该界面供操作人员设置水平气缸和垂直气缸出/回时间参数并提供系统故障自检功能。手动界面如图8所示。

图8 手动界面

6 应用效果评价

该钢筋笼自动焊接机器人已经研发成功，经多次调试后在国内大型施工单位的铁路和公路项目进行推广应用。目前，普遍反映其焊接钢筋笼的质量良好且设备适配性强，具有以下优点：

（1）用机械代替人工进行钢筋笼焊接并实现自动调整箍筋间距，将焊接操作人员由3人减少为1人，大大降低了人工成本。

（2）采用双焊枪设计，交替出枪焊接，与人工焊接和单枪焊机相比，提高了钢筋笼焊接速度，一般9～12 m钢筋笼仅需要15～20 min即可焊接完成，大大提高了生产效率。

（3）在确保焊枪能够根据焊接需求自如活动的同时对焊枪多维度限位，保证了焊缝的轴线方向，提高了焊接的稳定性。

（4）通过可调速的减速电机带动偏心轴旋转控制焊枪头左右摆动的速度，确保焊缝饱满，使焊接质量达到规范要求。

（5）装置简单、结构紧凑，安装与拆卸迅速。

7 结束语

钢筋笼自动焊接技术的研究及自动焊接机器人的研发，为桩基钢筋笼加工提供了可靠的技术和装备保障。自动焊接机器人采用PLC控制，不但实现了自动跟随、焊接钢筋笼，焊接过程中无需人工参与；而且提高了焊接效率，每个焊点的焊接时间缩短至0.7 s；同时还可精确控制焊接时间和焊接位置，既确保了焊接质量又节省了焊接材料。此外，机器人的参数控制系统采用触摸屏设计，操控焊枪作业仅需5个实体按键完成，操作简单便捷、易于上手、安全舒适。综上，应用钢筋笼自动焊接技术研发的自动焊接机器人已经达到钢筋笼智能加工的要求，可以大面积推广应用。