技术论文
机器人技术在建筑钢结构领域中的应用和展望
2011-11-11

机器人技术在建筑钢结构领域中的应用和展望

吴欣之(上海市机械施工有限公司)


1 机器人在建筑钢结构领域呼之欲出

1.1 国内建筑钢结构行业对机器人技术的需求

      建设部“十二五”规划中提到,建筑行业要提高工业化、信息化、标准化,提倡绿色钢结构。 “机器人”这一名词听似玄乎,但建筑行业目前发展阶段已对机器人技术的应用提出了要求。笔者从根据以下三个方面,认为机器人技术在建筑行业内的应用具有良好前景。

1) 建筑空间钢结构其三维形态和精细钢结构的高精度难以用传统工艺和装备建造

      三维建筑的奇特形状用两维图纸很难直观表达,造成构件难以使用传统的工艺进行加工、生产,也给工人进行“按图施工”造成困难。

2)建筑钢结构高强度和高风险的作业条件与“以人为本”的理念日益冲突;

      钢结构工程的施工劳动强度大,工期紧张往往需要工人在恶劣的施工条件下采用人海战术加班加点。如广州电视塔在施工期间,1个柱节点的焊接需要4个焊接工人连续工作10~12个小时。

3)建筑钢结构的劳动密集型建造过程效率较低,且在“民工荒”的冲击下难以为继。

      招收合格的劳工困难增大,且雇佣成本也在不断上升。而国外则不同,某英国钢结构公司年产钢约20万t,一个车间仅4个工人,其余加工设备实行全自动化。

      机器人技术的应用恰恰可以解决以上三方面的问题。

1.2 国外建筑机器人技术的发展应用情况

      国外的机器人研究不是很普遍,但是具有相当的深度。美国卡内基•梅隆大学、麻省理工学院等院校一直在研制管道挖掘和埋设机器人、内墙安装机器人,以及传感器和系统自动化施工方法等基础技术研究,并已取得了一批科研成果。

      日本的建筑机器人开发数量最多,到目前为止,已开发出20多种建筑机器人,如高层建筑抹灰机器人、地面磨光机器人、铺瓷砖机器人、安装大楼玻璃机器人、擦玻璃机器人、爬墙机器人、模板制作用机器人、混凝土浇灌用机器人、钢架调整用机器人、内外装修用机器人和搬运及清扫机器人等等。

      英国和原苏联共同开发的清扫、刷油漆或检查建筑物用的爬墙机器人,以及法国的爬墙机器人,能轻巧地攀越墙壁、跳过曲形物体。最近来自英国的报道,一种取名为罗布格三号的爬壁机器人在贝德福市作演示。它有8条腿,类似巨型蜘蛛,能负重100公斤,可越障,能将砖放入准确位置。

1.3 国内机器人技术的发展现状

      中科院沈阳自动化所、哈工大机器人所、机械部自动化所、上海交大机器人所、北京石油化工学院装备技术研究所等研发成功的主要产品和科研成果有:测量大罐容积的磁吸附爬壁机器人、喷吵喷漆履带式磁吸附爬壁机器人、喷浆(混凝土)机器人、机器人凿岩钻车、GDC-1型焊接机器人等。但真正推广应用的则为凤毛麟角,尚处于启动阶段。

 

图 1 新型多维度加工机器人

      综上所述,结合国内国外的实际情况,研究具有数字化、智能化的建筑钢结构施工机器人及相关装备已提上议事日程。


2 机器人在空间精细钢结构加工中初显身手

2.1上海世博会世博轴阳光谷钢结构加工

      上海市机械施工有限公司承担国家863计划《多杆汇交瓣式网壳节点加工机器人成套装备与示范工程》项目,联合天津大学、江阴纳尔捷机器人有限公司等单位共同开发了多瓣式空间网壳节点加工机器人,并成功地应用于上海世博会世博轴阳光谷工程建设。

图 2 世博轴阳光谷

      世博轴阳光谷为自由形态的壳体结构,由三角形网格组成,高40m,上部最大直径达90m,厚180mm,其厚度之于尺度,轻薄甚于蛋壳。不同于球形节点,德国设计师要求阳光谷的各构件经节点连接时,矩形截面互相贯通,以确保外观自然。而6个阳光谷分为4种类型,节点数量达10,348个,但构造各不相同共计5千多种,构件相交数目多的达到八杆汇交,且汇交角度各异。加工难度大,节点的制作精度要求高,各特征点间的误差以毫米控制,与杆件连接的各端面其加工精度以0.1mm计,用传统的方法难以施工。

图 3 阳光谷节点

       “多用途加工机器人”是中国天津大学的专利技术,采用不同的工具头配置,可进行复杂断面金属焊割、铣削加工等自动化工序作业。利用计算机自动建模建立了空间实体模型,进行一定的数学处理,模型里包括结构所有节点的加工信息。这些相关数据被输入到数控、智能化机器人中进行下一步操作。

图 4 阳光谷节点计算模型

      阳光谷的节点分为两类,90%左右为空心节点,运用钢板焊接加工,在切割相贯面的过程中充分体现了机器人可对任意截面从任意角度进行切割的优势;10%左右承载大的节点采用铸钢形式,用EPS泡沫塑料标准块作为模具,在此基础上切割,切割数量巨大、角度各异,也由机器人完成,大大节约了施工成本,提高了施工精度。节点焊接完成后,采用了专用数控机床一一处理节点的连接端面,达到了360°准确定位,用高精度三维坐标检测仪检测节点加工精度,达到了预期的0.1mm精度,完全符合设计方的要求。

 

图 5机器人火焰切割钢管相贯面示意

图 6机器人加工焊接节点组件的相贯面

图 7机器人电热切割铸钢节点EPS模块相贯面

2.2 沈阳“生命之环”钢结构加工

      沈阳“生命之环”是一个直径150m的钢结构圆环,三角形变截面管式桁架结构,有大量斜腹杆和相贯杆件,加工母线扭转。深化设计图明确了加工、运输和吊装分段,构件和零件尺寸、编号,加工工艺要求等。因钢结构主环为变截面空间结构,两维平面图纸难以全面表达,且加工数据在转录过程中易发生差错。故编制专用程序,由计算机快速建成具有全部加工信息的实体模型。

      加工采用TV系列6轴混联机器人实现任意空间复杂相贯线的切割,计算机实体模型与机器人之间实现无缝链接,避免数据链出错。并配备了360度回转机架,拓展了机器人的加工范围,可多工位连续作业。

      因本工程腹杆相贯线切割时,两端的加工基准发生扭转,为减少加工误差,采用两台机器人联动切割新工艺,保证构件长度和空间角度符合设计要求。

      三维虚拟预拼装与首件实体预拼装

      为了校核计算机快速建模的准确性,另行编制了满足本工程要求的三维虚拟预拼装专用程序。即将每一个构件依据实体模型的加工信息构成实体子模型,根据指定顺序在虚拟环境中组合,并检验每一个接口的吻合程度,杜绝差错。另外,对首次下料的杆件进行实体预拼装,再次对加工数据的准确性进行确认。

 

 

3 机器人在建筑钢结构领域前程似锦

      目前针对建筑钢结构施工过程的机器人有以下研发重点:

1)研制高精三维切割装备,建立不同截面构件相贯/截面曲线数模,攻克机构尺度综合、精度设计、综合性能保障等关键技术;

2)研制异型钢结构节点加工装备,研究节点拓扑划分、几何拆分、误差机理、实现高效精确切割、拼装及测量;

3)研制特种焊接机器人,研究焊缝路径规划、焊炬位姿控制、变形控制、小空间全位置焊接装备等。

4)研制特种喷砂喷涂机器人,研究复杂构件喷砂喷涂轨迹规划、构建3D在线检测、轨迹跟踪控制及质量控制。

5)研制由智能机器人为主的多功能加工成套装备,实现复杂结构件一站式多工序综合加工。

      建筑机器人大显身手,必将极大提高施工质量的稳定性和加工精度,极大地改善工人的作业条件和降低劳动强度,有力保障施工安全和提升施工效率,实现我国建筑钢结构施工行业的可持续发展。可以展望,在结合推广“建筑信息模型(BIM)”技术,加速实现工业自动化和智能机器人化的同时,建筑钢结构行业技术信息无缝链接、“无纸化”施工的诱人前景也将欣然到来!