山西潇河建筑产业有限公司

一、基本情况

（一）案例简介

　　山西潇河建筑产业有限公司基于重型H型钢和箱型梁柱生产研发了智能生产线，所有工位通过生产管理系统实现有效联通、精确加工和实时跟踪。其中重型H型钢生产线实现了翼缘腹板的自动分拣、翼板输送打磨/腹板输送双面高速铣平、卧式自动点焊组对、机器人自动埋弧焊接、翼缘矫正系统等过程的流水作业，效率是原有设备的4~6倍;箱型梁柱智能生产线包括可独立工作的隔板组立、箱型梁柱U型组立、箱型梁柱盖板组立、箱型梁柱CO2机器人自动打底焊、激光跟踪自动埋弧焊焊接、电渣焊焊接、端面铣等工位，通过配备液压伺服电机输送系统完成构件自动运转，实现箱型梁的批量化流水线生产。

（二）申报单位简介

　　山西潇河建筑产业有限公司成立于2017年，注册资本3.8亿元，是国家级装配式建筑产业基地，是山西建投集团专业从事装配式钢结构建筑的核心子公司，形成了集装配式钢结构建筑研发、设计、制造、施工、检测、运维全产业链为一体的信息化管理能力。

二、案例应用场景和技术产品特

（一）技术方案要点

　　1.重型H型钢智能生产线

　　重型H型钢智能生产线可通过输入工件编号调取工件信息和工艺参数，执行预定的工作过程，具有以下优点：

　　(1)H型钢采用卧式组立形式，四把焊枪和传输机构的相互配合实现了定点焊接，可按照规范要求一次性完成H型钢组立;

　　(2)H型钢的主焊缝采用激光跟踪实现自动焊接，焊接时根据不同板厚选择不同的埋弧焊接形式;

　　(3)H型钢矫正采用测距传感，可精确获取变形量，为自动卧式矫正提供数据，实现一次性精确矫正，矫正过程无需人工检测、调整和翻转;

　　(4)H型钢自动生产时，工位之间配备了输送辊道和翻转机构进行辅助，保证工位之间以及工位内部有序的流转，避免了起重行车的吊运，提高了运转效率;

　　(5)H型钢自动生产时，每一个工位进行信息统计集成，实时掌握工作动态，同时可进行工位数据统计，最后为整个生产系统的信息集成提供基础，实现整个生产信息联通。

　　2.箱型梁柱智能生产线

　　箱型梁柱智能生产线实现了箱型构件整条主焊缝全熔透焊接技术，具有以下优点：

　　(1)台车行走机构采用伺服变频控制技术，自动感知构件重量，提高了工件运转效率;

　　(2)采用激光跟踪形式的机器人打底焊、埋弧焊接系统，实现了焊缝的自动寻位、实时跟踪，并进行优质焊接;

　　(3)采用参数化平台控制生产线，减少了示教编程的时间，提高了生产效率。以焊接壁厚为40mm的箱型柱为例，人工每焊接1m，需要160min，而箱型生产线上的设备仅需要23min，效率是人工的7倍。

（二）关键技术和创新点

　　1.重型H型钢智能生产线

　　(1)重型H型钢智能生产线的自动组立采用了输送辊道和卧式组立装置相结合的方式，H型钢翼缘板自动翻转成竖直状态，组立完毕后4把焊枪同时对H型钢4个面进行点焊，实现间断焊接，见图1;

　　图1 卧式自动组立

　　(2)重型H型钢智能生产线的自动焊采用激光跟踪系统实现了H型钢的自动焊接，见图2。根据不同板厚可实现平角焊工艺和船形焊工艺，平角焊工艺根据试验可实现两条焊缝同时进行，可实现腹板12mm的全熔透焊接，船形焊工艺采用双弧双丝埋弧焊工艺，既提高了生产效率，又能实现腹板20mm的全熔透焊接。焊接过程中实现了自动添加和回收焊剂。此外，焊接时采用可翻转胎架，为各焊接工艺需要倾斜的角度提供了机械基础，保证焊接质量;

　　图2 激光自动埋弧

　　(3)组焊H型钢的自动矫正工位实现了卧式矫正的状态，采用了激光测距装置实现了翼缘板变形的测量，测量完毕后根据变形量自动调整压力，实现了一次性矫正。

　　2.箱型梁柱智能生产线

　　(1)机器人参数化编程，仅需输入焊缝长度和坡口角度，即可自动焊接，见图3、图4;

　　(2)在钢结构箱型梁制作的焊接过程中由于存在箱型梁截面的变化和四条主焊缝中电渣孔位置变化的现象，机器人自动化焊接存在一定难度，因此需要有既能满足机器人自动化焊接，又能减少机器人示教焊前准备时间的柔性化的机器人焊接系统;

　　图3 CO2机器人打底焊参数化编程系统

　　图4 CO2机器人打底焊工位

　　(3)埋弧焊自动焊接从上一道工位运转到悬臂式双丝埋弧焊接工位，人工通过按按钮将埋弧焊的焊枪移动到引弧板位置处，通过激光跟踪形式完成两条焊缝的焊接;整个过程人工只参与将焊枪位置调整到引弧板位置处和回收焊渣以及翻转输送，其余过程无需人工参与。

　　3.重型H型钢智能生产线和箱型梁柱智能生产线输送机构采用伺服变频控制技术，自动感知构件重量，可实现高低速切换，根据构件重量大小切换运行速度，重量大构件低速输送，重量小构件高速输送，达到快速输送慢速停止的效果，提高工件输送的安全性和提高工件运转效率。

　　4.重型H型钢智能生产线的工艺布局(见图5)实现了H型钢组立、焊接、矫正工位的有效联动，保证每个工位生产最大化，在整个生产过程中除了组立前采用起重行车进行吊运翼缘板和腹板，其他整个过程通过输送辊道和移动装置完成整个运输;箱型梁柱智能生产线的工艺布局(见图6)实现了箱型梁柱的组立、机器人打底、自动埋弧、端面铣各工位的有效联动，整个过程无需行车辅助，提高了运转效率。

　　图5 重型H型钢智能生产线工艺布局

　　图6 箱型梁柱智能生产线工艺布局

　　5.生产线配备了电控系统与MES(Manufacturing Execution System，制造执行系统)系统，通过数字化的通讯功能将整条生产线的设备相关信息都上传给公司的MES系统，实现对生产流程的全程监控与管理，满足各工位之间的信息互通，见图7、图8;实现每一个工位成本分析和产量统计，有利于对组焊H型钢进行成本量化，为公司运营提供有力的支撑;实时了解设备的运行状态，为设备保养和维护进行提醒，进而间接提高设备的使用寿命。

　　图7 重型H型钢智能生产线管理系统

　　图8 箱型梁柱智能生产线管理系统

（三）市场应用总体情况

　　重型H型钢智能生产线和箱型梁柱智能生产线已用于公司承揽各项目H型钢、箱型梁柱的生产，特别适用于H型钢和箱型梁柱构件主焊缝要求100%全熔透焊接的项目，如晋建迎曦园1#楼、潇河国际会展中心、潇河国际会议中心、山西建投商务中心等项目。

三、案例实施情况

（一）生产线工艺流程、智能化功能

　　1.重型H型钢智能生产线生产工艺流程见图9。

　　图9 重型H型钢生产工艺流程图

　　2.箱型梁柱智能生产线生产工艺流程见图10：

　　图10 箱型梁柱生产工艺流程图

　　3.两条生产线均可对设备实时数据作出精确的统计和数据传输，并可上传给信息化管理系统，便于对设备状态进行实时监控和管理，见图11。数据采集的内容包括：(1)当日累计数据(设备运行数据(运行时间、待机时间、故障时间)、电量消耗、保护气体消耗、焊丝消耗、导电嘴消耗、产量统计(件数、重量等));(2)实时数据(设备状态、电能源信息);(3)设备开关机时间和故障报警记录(作为历史数据存储)，见图12。

　　图11 智能生产线生产报表

　　图12 智能生产线设备故障报表

（二）重型H型钢智能生产线工位组成

　　1.卧式组立工位。将准备组立的两块翼缘板和一块腹板，依次吊放到输入辊道上，设备将按照自动程序，将腹板升起、两块翼缘板翻起并夹住腹板，初步形成一个H形状，并一起输送至主机内，然后由主机上的端部平齐装置、腹板压紧装置、型钢夹紧装置、自动控制系统、4组焊枪装置等部件共同协调快速地完成H型钢的组立，见图13。

　　图13 卧式组立机

　　2.埋弧焊工位(见图14)。装有埋弧焊枪头的焊臂可在横梁上作水平、上下运动，通过焊臂的定位与焊枪的精细调节，使焊枪对准工件焊缝，启动焊剂回收装置、送丝装置，并由机器在导轨上作直线行走进行自动焊接，并由焊臂下端的激光焊缝跟踪装置实现焊缝的跟踪。

　　图14 埋弧焊工位

　　3.矫正工位(见图15)。矫正设备可根据H型钢规格，自动对H型钢进行夹紧定位，并输送至设备主机内，然后通过主机上的两套矫正和驱动装置、翼缘板下压装置、翼缘板矫平度检测装置和输出辊道的共同作用下，完成H型钢两翼缘板的同步矫正，大大提高了矫正效率。本机为对称结构，输入输出方向可互换，安装使用灵活;压轮轴承后置，外径更小，加工的型钢范围增加;腹板夹紧装置可调节高低，矫正高大工件时更稳定。

　　图15 矫正工位

　　4.输送辊道(见图16)。输送辊道输送构件流程为加速-匀速-减速，可实现高低速切换。

　　图16 输送辊道

　　5.液压翻转架(见图17)。移动式180°液压翻转架每组2台，主要用于单面焊接完的工件进行翻转。工作时将工件抬离辊道或工件架，减速机驱动2台翻转架同步移动，使工件移动到辊道或工件架旁边，再由2个液压油缸带动2个L型臂同步转动，将工件翻转后移动至辊道或工件架中间，再将工件输送至下道工序或进行焊接。

　　图17 液压翻转架

　　(三)箱型梁柱智能生产线工位组成

　　1.隔板组立工位(见图18)。隔板组立机具有以下特点：

　　(1)底座和前后支承架采用方管拼接，强度好，外形美观;

　　(2)底座与前后支撑架采用整体焊接、加工，具有极高的强度与精度;

　　(3)主机上的压紧装置采用气动方式，操作、调整方便;

　　(4)该工位满足柔性化的组立功能，即可根据工件的大小进行灵活调节。

　　图18 隔板组立工位

　　隔板组立形式见图19。

　　图19 隔板组立形式

　　2.组立工位(见图20)。设备性能如下：

　　(1)底板吊入辊道上，由多组对中装置进行自动对中，同时适用于等截面和变截面箱型梁组立;

　　(2)立板吊放在底板上，由多组对中装置上的自动扶持装置进行自动扶持，操作方便;

　　(3)主机采用框架式结构，内设侧压、下压、上顶机构，全采用液压驱动，从各个方位消除拼缝，所产生的顶力由自身结构消耗;

　　(4)在箱型梁柱组立工位中预留出筋板定位焊接的2个区域，可通过移钢机运到U型组立机区域。

　　图20 组立工位

　　3.盖板安装工位(见图21)。设备性能如下：

　　(1)纵向行走采用变频器调速，速度无极可调，具有低速行走定位准确，高速行走节约空程时间的特性;

　　(2)两导轨之间用拉杆连接，进一步提高设备机架的强度;

　　(3)对工件的夹紧采用液压驱动，夹紧力大，夹紧速度可调;

　　(4)箱型梁盖板组立机设备有自动确定隔板位置的功能，便于压紧装置精确压紧到隔板位置。

　　图21 盖板安装工位

　　4.CO2机器人打底焊接工位(见图22)。关键功能如下：

　　(1)自动清枪装置：系统会根据焊枪所焊时间，自动对焊枪进行焊渣清理，且自动喷射防飞溅剂。及时清理焊渣，不影响后续焊接;

　　(2)焊枪装置：采用机器人专用焊枪，循环水冷却方式，配备防碰撞装置，有效保护焊枪，避免意外情况出现撞坏焊枪;

　　(3)焊接工艺数据库模块;

　　(4)工件位置检测功能;

　　(5)激光焊缝跟踪装置：焊接启动后则打开焊缝跟踪功能，实现焊缝的准确施焊;

　　(6)起弧点、收弧点及电渣焊孔躲避;

　　(7)配备除尘系统;

　　(8)智能化功能：数据采集。

　　图22 CO2机器人打底焊接工位

　　5.熔丝电渣焊工位(见图23)。设备性能如下：

　　(1)配备2套电渣焊系统，可对同一块隔板的两道焊缝进行同步焊接;

　　(2)机器行走速度分高低速两种，利于电渣焊孔的快速和精准定位;

　　(3)采用悬臂梁整体升降，与立柱接触处有垂直导向机构，灵活平稳;

　　(4)十字滑块机构可在电渣焊接的过程中，微调焊枪位置，防止焊偏。

　　图23 熔丝电渣焊工位

　　6.悬臂式双丝埋弧焊工位(见图24)。设备性能如下：

　　(1)机器采用变频控制，速度调节范围大，以适应不同焊接速度的需要;

　　(2)采用激光焊缝跟踪装置，使焊缝更加均匀、平滑;

　　(3)自动化程度高、工作可靠、结构简单、操作维修方便;

　　(4)悬臂式双丝埋弧焊接机具备可拓展的焊接工艺数据库模块;

　　(5)配备自动剪丝系统，确保埋弧开始焊接时可以顺利起弧。

　　图24 悬臂式双丝埋弧焊工位

　　7.数控端面铣床(见图25)。设备性能如下：

　　(1)采用大功率动力铣头，加工速度快、效率高;

　　(2)床身导轨采用金属伸缩式防护罩，强度好、性能高;

　　(3)采用智能能源管理，对液压泵站电机采取需用才开启，不用即关闭的方式，减少空转时间，有效降低能耗、延长设备使用寿命。

　　图25 数控端面铣床

四、应用成效

　　传统的组焊H型钢生产工序中，需要2人负责直边切割、2人负责坡口切割、起重工2人、修磨工2人、装配工3~4人、焊工4人、矫直工2人(负责翼缘矫直机工序)、矫正工1人(负责火焰二次矫正)，合计18~19人;本项目研发的H型钢自动化生产线仅需要6人。

　　通过箱型梁柱智能生产线的运用和信息化的管理，能够降低钢构件制造成本、提高加工效率、保证加工质量。据统计，一线作业人员数量可降低50%，生产效率可提高2倍以上，加工运营成本可降低20%，产品生产周期可缩短30%。

　　执笔人:

　　山西潇河建筑产业有限公司(郑礼刚、郭毅敏、晋浩、杨乐、武国健)

　　审核专家:

　　骆汉宾(华中科技大学，教授)

　　张声军 (中国建筑科学研究院，研究员)