【创新进行时】系列焊接机器人在钢结构桥梁智能制造中的应用

“桥隧发展科技创新大会”是由《桥梁》杂志社主办的年度行业盛会，旨在为相关从业人员搭建一个传播理念、探讨技术、弘扬文化的交流平台。作为大会品牌活动，“桥隧技术及产品创新大赛”已成功举办九届，累计展示千余项创新成果，已成为行业内的标杆赛事。

为了更好的推广大赛成果，《桥梁》杂志推出“创新进行时”栏目，栏目将持续更新往届创新大赛参赛成果，旨在为创新企业提供一个展示的平台。希望“创新进行时”栏目能获得大家的关注，也欢迎各相关单位踊跃申报第十届桥隧技术及产品创新大赛。

今天为大家带来的是第九届桥隧技术及产品创新大赛“组委会特别推荐奖”的成果“系列焊接机器人在钢结构桥梁智能制造中的应用”。

系列焊接机器人在钢结构桥梁

智能制造中的应用

智能焊接现状

项目背景

政策背景：《“十四五”智能制造发展规划》推进智能制造，推动制造业实现数字化转型、网络化协同、智能化变革，二十大报告提出“推动制造业高端化、智能化、绿色化发展”；深入践行“三个转变”重要指示精神，推动企业高质量发展。

行业背景：智能制造在汽车制造、起重机等工程机械等领域已经应用的较为成熟，而桥梁钢结构因其结构复杂、小批量、种类多、重量大、钢板厚、焊缝质量要求高、标准化程度低等特点，自动化焊接率较低。

内部需求：企业内部桥梁、工程机械等钢结构产值比重大，制造成本高，工时长，人力紧缺，焊接作为钢结构制造重要环节，需要推动智能焊接机器人提高焊接质量、效率、降低成本，进一步加快企业的产业升级。

行业现状

目前钢桥梁焊接领域仍然大量依赖于人工，导致制造成本高、效率低，且质量难以保证。随着工业自动化的高速发展，目前已经出现了一定程度的自动化焊接，但现有设备仍然存在依赖专业人员且效率较低(焊前编程示教耗时占比50%以上)问题。

行业痛点

钢结构因其高强度、轻自重、优良的抗震性能、高度的工业装配化、优化的综合经济效益以及环保特性，在桥梁、海洋装备等行业得到了广泛应用。诸多行业的广泛应用对钢结构的质量和生产效率提出了更高的要求。焊接作为钢结构制造的核心工序和关键技术，受到相关产业人员和研究人员的重视。然而，传统的人工焊接已经无法满足现代制造企业的产能需求，其焊接质量、效率等均难以保证。在此景下，自动化的焊接成为了制造业的发展趋势。自动化的焊接可以减少人力，提高产品一致性，提高产品质量，更适合大规模生产，降低生产成本，提高生产效率。

解决方法

近年来，焊接自动化技术不断发展，焊接机器人应用替代人工操作已成为制造业的必然趋势。实际生产应用中，需结合钢结构生产行业生产流程中不同场景下的焊接需求，开发不同形态、不同功能的智能焊接机器人，实现钢结构生产领域全流自动化、智能化焊接，以助力钢结构行业智能化升级，提升钢结构质量和生产效率。

系列化焊接机器人产品

总体研发思路

经过第一代免示教智能焊接机器人的成功施用，以及现场经验的不断积累，已成功研发出第二代系列化焊接机器人产品，包括龙门式、地轨式、移动式、便携式焊接机器人，基本可全覆盖钢桥梁焊接场景。

本系列化智能焊接机器人采用眼-脑-手协同配合的创新性技术，基于(眼)机器视觉AI算法对工件识别定位，(脑)智能焊接操作系统规划调度生成焊接程序，(手)龙门臂轴结构进行焊接作业，实现机器人免示教全智能焊接功能的技术路线，大大提高生产质量及效率并降低劳动成本。自研机器人眼-脑-手三方面核心技术并构建焊接作业三部曲：视觉扫描建模、自动生成焊接程序、完成焊接，形成产品优势壁垒。打造真正易用，好用，管用的机器人智能制造设备。

智能焊接产品

龙门式焊接机器人

龙门式焊接机器人在经过焊接方法、视觉算法设计、结构设计的自主研发后，进行了结构电气设计及加工制造，并初步自研了免示教焊接系统；龙门式焊接机器人在澳凼大桥、牂牁江特大桥钢结构焊接任务中进行应用，经过现场不断的调试与改进，已经可以成功焊接横隔板的平、立焊缝，且焊缝成型通过质量检测要求。

龙门式焊接机器人应用照片

焊接流程

但是因选择的龙门双机结构难度较大，双机协同焊接目前仍是业界难题，产品在初期存在一定的技术问题：1）焊缝精定位精度不足；2）无包角、满焊功能；3）无法焊接圆弧焊缝；4）焊前准备时间较长设备效率较低；5）设备整体稳定性有待提高等。

在总结了第一台龙门式焊接机器人的技术局限性基础上，技术团队不断攻关技术难题，同时时刻关注业界发展态势，向国内的主流免示教焊接厂商及高等院校交流，总结龙门式焊接机器人现存可提升点，在第二台龙门焊接机器人基础上上并进行优化升级。

功能升级后，将机器人末端点激光更换为“动静结合”二合一相机，极大的提高了焊缝定位的精度与稳定性，完成腰圆、包角、变姿态满焊等新增功能，焊前准备效率提高100%，可基本10min内完成焊前操作流程，同时也极大的提高了自研视觉算法、上位机软件稳定性，基本达到了市面同等先进产品水平。功能升级后，完成满焊、包角、腰圆等新功能部署，同时提高设备整体效率、可靠性及稳定性。

腰圆焊接

包角焊接

变姿态满焊

应用的功能特点：

（1）自动编程，一键操作

采取免示教编程技术，自动识别、提取焊缝信息，生成焊接任务。

（2）柔性化高，兼容性强

工作站可同时满足标准化和非标准化、大批量特征的工件，适应性强。

（3）双机协作，效率双倍

采取双机器人协同对称焊接，减小焊接变形，提高焊接效率，优化焊接质量。

（4）定制工艺，规范焊接

可根据客户工艺指导书及焊接需求，定制化焊接路径和焊接参数，规划形成自有焊接工艺专家库，利于规范存储工艺数据库。

地轨式焊接机器人

该项目主要采用七轴地轨+机器人+4 套变位机的结构，地轨双侧可开展焊接，采用离线编程与接触式寻位结合的方式，手动示教提取焊缝起始点、终点信息，并发送给智能焊接系统软件，实现焊接功能。可实现一次装夹，四面一次性焊接成型下线。

焊接过程中，应用接触式或示教进行寻位及电弧跟踪，确保焊缝的成型质量。该套设备适用于单品种大批量的工件焊接，可以更换装夹夹具，可实现一次装夹，一次性焊接成型下线。效率高效，产品质量一致性好。其装配体图如下：

装配体总体图

装配图效果图

地轨式焊接机器人主要加工护栏立柱等大批量异型构件，采用双机器人与第七轴地轨及可移动变位机的结构形式，地轨双侧可开展焊接，采用离线编程与接触式寻位结合的方式，示教提取焊缝起始点、终点信息，并发送给智能焊接系统软件，实现焊接功能。可实现一次装夹，四面一次性焊接成型下线。

目前，地轨式焊接机器人已经投入应用，正在进行批量化的立柱栏杆与细长杆件焊接作业。

地轨式焊接机器人建模图

地轨式焊接机器人应用

应用的功能特点：

（1）结构精巧，双侧焊接

工作站采用七轴地轨+机器人+4套变位机的结构，地轨双侧可开展焊接。

（2）编寻结合，一夹成型

工作站采用离线编程与接触式寻位结合的方式，手动示教提取焊缝起始点、终点信息，可实现一次装夹，四面一次性焊接成型下线。

（3）自动寻位，质量保证

焊接过程中，应用接触式或示教进行寻位及电弧跟踪，确保焊缝的成型质量。

（4）一夹多焊，质效双优

设备适用于多种工件焊接。对于多品种小批量的产品，可以更换装夹夹具，实现一次装夹，一次性焊接成型下线。效率高效，产品质量一致性好。

便携式焊接机器人

设备采用协作机器人，利用拖动示教免编程的方式，快速获取焊缝起始点、终点信息，并发送给智能焊接软件系统，实现焊接功能。

焊接过程中，应用电弧跟踪，确保焊缝的成型质量。该套设备适用于多品种、小批量等的工件焊接。可1人操作3-4台设备，效率较高，焊接质量一致性好；目前，已在实际工程中应用。

便携式焊接机器人的应用

便携式焊接机器人的应用较为简便，首先将工件放置完毕，操作人员将设备移动至工件附近，将机器人及送丝机移动至焊缝位置处，将焊接电源负极连接至工件，通过拖动示教对焊缝进行定位，随后即可开始焊接作业，整个过程操作人员只需要移动机器人、拖动示教、确认开始工作简单操作即可，工作流程如下图所示。

应用亮点：

（1）完成自研上位机软件，操作员可通过使用此软件来控制便携式焊接机器人，查看设备状态、管理焊接工艺和执行焊接作业等。

（2）正在自研视觉系统，选型动、静结合二合一相机，目前正在开发相机底层算法，在龙门式焊接机器人上初步进行调试，后续功能成熟后移植到便携式焊接机器人上。

（3）便携式焊接机器人样机工艺专家库，通过大量试验测试，总结了平焊、立焊、仰焊、多层多道、相贯线、侧吸焊等全面的参数库。

功能特点：

（1）柔性示教，提升效率

具备卓越的精度和准度、实现更柔顺、更高效的拖拽示教能力，一次示教重复使用，即可自动化、不间断进行焊接作业，大幅度提升工作效率。

（2）模块化编程，快速上手

通过将机器人手臂移动到选择的点并用法兰上的按钮锁定它们来选择和定义线型、圆形、Z字形路径，让焊接像使用手机一样简单。

（3）性能卓越，适应能力强

基于ETHERCAT超远距离部署，本体与电控箱连接线缆可延长至50M，可以与磁力底座、桁架等搭配组合，实现灵活搬动，适用于生产环境复杂的焊接车间。

（4）多重防护，生产有保障

机器人采用电磁式抱闸方式，遭遇突发断电、急停时可原地抱死不下坠；同时提供了高灵敏的碰撞检测功能，有效提升操作安全系数。

总结

系列焊接机器人通过自动化、精准化、智能化的特性，解决了传统人工焊接的效率瓶颈、质量波动和安全隐患问题，已成为现代制造业升级的核心装备。

以机器视觉、机器人、工业软件为底层的免编程、拖动示教等技术升级迭代，继续打造半龙门式、移动式焊接机器人，形成更加全面、智能、易用的系列化智能焊接机器人产品；将机器人核心技术应用于切割、打磨、喷涂、倒棱、搬运等上下游智能装备研发，进一步拓宽系列化机器人产品范围；通过打通全链条工序，将系列化智能机器人产品组合为智能制造产线，并提供产线解决方案。

作者 / 张重 王天昊

作者单位 / 中铁贵州公路建工有限公司

中铁高新工业股份有限公司

美编 / 赵雯

审校 / 李天颖 王硕 廖玲

联系人：李天颖

联系邮箱：xmt@bridgecn.org

联系电话：13552183635

稿件投递

联系人：王硕

联系邮箱：xmt@bridgecn.org

联系电话：13910070564

联系人：黎伯阳

联系邮箱：xmt@bridgecn.org

联系电话：010-64282959-503

联系人：穆玉

联系邮箱：xmt@bridgecn.org

联系电话：18910480043

《桥梁》云课堂

桥梁人24小时 移动资源库

联系人：曹　烁 17508419606

郭海龙 13051886728

联系邮箱：875543005@qq.com

《桥梁》云课堂课程

桥梁公开课微信公众号

喜欢请转发吧！

点个喜欢吧