鋼結(jié)構(gòu)復雜節(jié)點自動裝配系統(tǒng)設(shè)計

廉 正 旭

(山西潞安工程有限公司，山西 長治 046204)

隨著施工技術(shù)的不斷進步，鋼結(jié)構(gòu)建筑的規(guī)模不斷增大，建筑物的功能日益豐富，施工難度也越來越高。在鋼結(jié)構(gòu)建筑物的建設(shè)過程中，節(jié)點加工是關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，想要保證建筑物的質(zhì)量和安全，就一定要確保節(jié)點的安全可靠，由于如今鋼結(jié)構(gòu)建筑物的實際結(jié)構(gòu)日益復雜，因此節(jié)點也越來越復雜，節(jié)點裝配難度也越來越高，在此背景下，有必要進一步探討鋼結(jié)構(gòu)復雜節(jié)點自動裝配系統(tǒng)的設(shè)計方法，以促進節(jié)點裝配效率，提高裝配精度。

1 工程實例

某鋼結(jié)構(gòu)建筑物，屋蓋的平面尺度較大，該建筑物屬于鋼管桁架結(jié)構(gòu)，在密排的菱形桁架體系之下，布有十分復雜的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，匯交桿件數(shù)量較多，同時匯交桿件的鋼管截面規(guī)格較大，整個建筑物中的節(jié)點構(gòu)造特別復雜。另外在本次工程中，節(jié)點設(shè)計原則主要為“節(jié)點與構(gòu)件等強”，其目的就是為了保證建筑物在使用過程中的質(zhì)量和性能，保證節(jié)點不會在構(gòu)件破壞之前發(fā)生破壞，考慮到該工程中節(jié)點構(gòu)造復雜，節(jié)點形式比較多樣，并且在設(shè)計方法方面，尚且沒有比較明確的規(guī)定，因此為了保證鋼結(jié)構(gòu)建筑物工程的質(zhì)量安全，設(shè)計人員在設(shè)計節(jié)點時，嚴格進行試驗和計算，以確保設(shè)計方案的合理性。另一方面，本次工程中獨立節(jié)點共計有200個左右，而且不同節(jié)點的支腿扭曲角度、支腿連接方向都存在一定的差異，在加工節(jié)點時不能夠使用相同的模具或者工裝，如果使用鑄鋼節(jié)點，各節(jié)點均需要獨立的模具，那么不僅成本較高，并且模具重復利用率低，浪費資源，如果采用焊接節(jié)點，各節(jié)點均需要獨立的工裝，而且需要手工定位，因此裝配效率過低，成本較高，定位精度偏差，為了節(jié)約資源，提升節(jié)點裝配精度，減少能耗，最終經(jīng)過反復研討，本次工程中還開發(fā)了鋼結(jié)構(gòu)復雜節(jié)點自動裝配系統(tǒng)，經(jīng)過實驗驗證，本次自動裝配系統(tǒng)的裝配比較良好，本文在此以該項目中某一型號的空間鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點為例，研究鋼結(jié)構(gòu)復雜節(jié)點自動裝配系統(tǒng)的設(shè)計策略。

2 自動裝配系統(tǒng)的設(shè)計

在鋼結(jié)構(gòu)建筑物中，節(jié)點就是空間桁架的連接樞紐，通過一系列的焊接，進而形成完整的建筑結(jié)構(gòu)，本次工程中，某型號節(jié)點的三維模型如圖1所示。

該節(jié)點單個重量為130 kg，上面和下面均為六邊形平板，共外延六個支腿，所有支腿的截面均是矩形方管口，但是六個支腿的位姿有所不同，上面的六邊形平板與下面的六邊形平板空間錯位。為了確保矩形方管口的形狀符合要求，因此六個支腿的上表面以及下表面都要作為過渡曲面，并且形狀各異，這樣就導致節(jié)點加工更加復雜。

按照節(jié)點的基本特點，首先應(yīng)構(gòu)建自動裝配系統(tǒng)的理論模型，本次工程中，某型號節(jié)點的自動裝配系統(tǒng)理論模型如圖2所示。

在圖2中，系統(tǒng)的左側(cè)部分主要是方位回轉(zhuǎn)機構(gòu)，能夠旋轉(zhuǎn)360°，此部分主要是作為自動裝配系統(tǒng)中的工作平臺，而系統(tǒng)的右側(cè)部分則主要是5自由度機構(gòu)，具有定位板和機械手，能夠為節(jié)點提供支腿標準位姿，此部分主要是作為節(jié)點支腿的焊接工裝，同時在自動裝配系統(tǒng)中，是以定位板作為末端執(zhí)行器。

自動裝配系統(tǒng)具有6個自由度，換言之，系統(tǒng)中具備6個運動關(guān)節(jié)，主要由轉(zhuǎn)盤機構(gòu)、平行機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)以及底座構(gòu)成。其中平行機構(gòu)的設(shè)計采取模塊化設(shè)計，主要由電機(200 W)、導向支撐座、渦輪減速器、絲杠、軸承座、滑臺等部分構(gòu)成，通過平行機構(gòu)可以實現(xiàn)預(yù)裝機的X,Y,Z軸向運動，移動速度在6 mm/s左右，行程在350 mm左右。旋轉(zhuǎn)機構(gòu)主要由渦輪減速器、連接板、電機、靠山板等部分構(gòu)成，轉(zhuǎn)動速度在2°/s左右，行程在-20°～20°的范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)盤機構(gòu)主要由轉(zhuǎn)盤、電機、定位夾具等部分構(gòu)成，旋轉(zhuǎn)速度2.5°/s左右，旋轉(zhuǎn)行程在0°～340°范圍內(nèi)。

3 實驗驗證

首先設(shè)定自動裝配系統(tǒng)的各項結(jié)構(gòu)參數(shù)，之后采集節(jié)點各支腿的空間姿態(tài)，通過正、逆解算法進行計算，進而得出節(jié)點支腿各個機械關(guān)節(jié)的位移理論值以及旋轉(zhuǎn)角度理論值，計算結(jié)果如表1所示。

表1 節(jié)點支腿各個機械關(guān)節(jié)的位移理論值以及旋轉(zhuǎn)角度理論值

采取點位控制法，充分利用伺服電機精度高、可控度高等優(yōu)勢，通過自動裝配系統(tǒng)來實現(xiàn)支腿空間位姿，經(jīng)過測量獲取各關(guān)節(jié)的實際運動數(shù)據(jù)，計算各關(guān)節(jié)位移量，具體計算結(jié)果如表2所示。

表2 各關(guān)節(jié)位移量計算結(jié)果

通過比較表1以及表2中的數(shù)據(jù)可知，各關(guān)節(jié)位移量與理論值十分接近，因此可以說明，本次自動裝配系統(tǒng)的裝配精度比較良好，具有實用性。

4 結(jié)語

當今人們對建筑物質(zhì)量、功能、美觀性、安全性的要求不斷提高，因此鋼結(jié)構(gòu)建筑物的實際結(jié)構(gòu)日益復雜，同時節(jié)點也越來越復雜，這給節(jié)點裝配工作帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)，本文在此結(jié)合工程實例，分析了鋼結(jié)構(gòu)復雜節(jié)點自動裝配系統(tǒng)的設(shè)計方法，經(jīng)過實驗驗證可知，本次自動裝配系統(tǒng)的裝配精度比較良好，具有實用性。希望本文內(nèi)容可以為相關(guān)工作開辟思路，未來如何進一步改善鋼結(jié)構(gòu)復雜節(jié)點自動裝配系統(tǒng)的裝配精度，還需要廣大同仁繼續(xù)探索。