★广州数控设备有限公司吴成涛，江文明

1　背景

现代建筑技术的高速发展，对房屋结构的强度、结构安全性、房屋施工效率提出较高要求。预制板是建筑行业框架式楼房结构中楼层之间的现浇楼板的基础板。为了提高建筑施工现场施工效率，预制板作为一种模块化结构出现，替代人工现场楼层搭接钢筋架来满足后面的现浇楼板生产。

预制板生产厂家按订单生产好指定规格尺寸的预制板，运往施工现场，在楼层之间进行拼装，然后现浇水泥做成楼板。

2022年8月肇庆某公司提出预制板自动焊接需求，2022年8月中旬广数团队对预制板制造工艺进行现场调研。自动焊接生产线要求实现自动上板、自动上钢筋架、自动焊接、自动码垛，兼容不同预制板生产。自动焊接生产线首先要解决以下问题：

（1）前序预制板镶铁皮工艺要保证铁皮位置的一致性，保证位置度误差在±5毫米，方便工作站有效焊接。

（2）前序钢筋架翅膀角度做成90°且一致性好，方便后续焊接。

（3）采用3D视觉引导机器人焊接，避开铁片板上随机孔，测试引导正确率。有3家视觉公司参与测试，花1个多月时间，只有一家引导正确率达到99%。

2　预制板焊接生产工艺

预制板由水泥纤维板、基础铁皮、钢筋架三部分组成，如图1所示。

图1预制板

2.1　预备板原有焊接生产工艺

人工根据排产单将水泥基板（基础铁皮和水泥纤维板）、钢筋架的规格尺寸、数量匹配好放到暂存区：

STEP1人工将水泥基板吊至焊接区域；

STEP2人工将钢筋架吊至水泥基本上，调整钢筋架分布在铁皮区域上；

STEP3人工点焊固定变形的钢筋架到水泥基板的铁皮上；

STEP4人工一只手借助撬杆将钢筋架脚压贴合在水泥基板铁皮上，一只手持焊枪点焊钢筋架脚到铁皮上。依次将所有的钢筋架脚进行点焊固定，完成整板的钢筋架与水泥基板的焊接；

STEP5人工将焊接成品吊至成品存放区，重复STEP1-4。

人工在焊接的同时需要用撬杆压贴钢筋架脚，比较辛苦，很多钢筋架脚压贴不好，导致很多虚焊点，产品合格率差，3000×1200毫米规格的预制板人工焊接5件/10个小时/人。

2.2　预制板自动焊接工艺

人工根据排产单将水泥基板（基础铁皮和水泥纤维板）、钢筋架的规格尺寸、数量匹配好，水泥基板垛放到机器人拆垛区定位好，钢筋架放置钢筋架上料区，人工将下料托盘放置下料输送线：

STEP1拆垛机器人将水泥基板抓取至输送线工位1，对中机构进行定位；同时人工将钢筋架上料到钢筋架输送线，钢筋架输送线将钢筋架送至线体末端定位；

STEP2输送线将水泥基板送至钢筋上料工位定位，搬运机器人分两次一次抓取2根钢筋架将4根钢筋架从钢筋架输送线搬运至工位2水泥基板上；

STEP3输送线将水泥基板和钢筋架组合体送至工位3进行定位，压紧机构将钢筋架压贴合至水泥基板的铁皮面上，视觉引导4台焊接机器人对钢筋架和水泥基板进行一次焊接；

STEP4输送线将水泥基板和钢筋架组合体送至工位4进行定位，压紧机构将钢筋架压贴合至水泥基板的铁皮面上，视觉引导4台焊接机器人对钢筋架和水泥基板进行二次焊接；

STEP5输送线将焊接成品送至工位5、工位6，人工每小时进行抽检；

STEP6输送线将成品送至工位7，下料输送线将空托盘送至下料位，下料机器人将成品从工位7搬运至下料托盘码垛，下料托盘码垛每隔一个成品需要翻面一次，机器人从工位7抓取工件到中转台，机器人再反向抓取工件进行码垛实现工件翻面码垛；

STEP7下料托盘码垛到预设高度后送出一个托盘位置，同时下一个空托盘进入码垛位；

STEP8循环STEP1-7，人工根据报警信息补充水泥基板、钢筋架、空托盘，将下料输送线储存位满垛托盘清空。

该产线13台机器人参与搬运与焊接，3000×1200毫米预制板每分钟出一块板，128个焊点合格率达到99.9%。

3　总体方案布局设计

3.1　原有工艺问题点及解决方案

（1）水泥基板上的基础铁皮位置一致性不好，会导致钢筋架脚自动与其配合时跑到铁皮区域外，此处钢筋架脚无法焊接。造成水泥基板上的基础铁皮位置一致性不好原因是前序基础铁皮和水泥纤维板压合工序定位不准，解决办法就是将压合工序中基础铁皮限位槽收窄，同时上方入口给大的导入角，保证压合前基础铁皮能够顺利进入和精准定位，很好的解决了水泥基板上基础铁皮位置一致性不好的问题。

（2）钢筋架脚上翘，即使将变形的钢筋架体校直压紧在水泥基板上，也无法让钢筋架脚贴合水泥基板上的基础铁皮，会导致虚焊。造成钢筋架脚上翘原因是前序钢筋架成形工序脚成形模具磨损、成形角度不对及模具窜位移动。解决办法是采购新设备，按预设角度设计模具，将脚成形模具做成镶件方便更换，并采用超硬钨合金材料提高使用寿命，很好地解决钢筋架脚上翘问题。

（3）自动焊接速度快，视觉引导出现问题会导致大批不合格品，前期测试阶段引导合格率一直在70-80%，后期通过定制特定相机将2D相机和3D相机结合，修改引导算法程序及机器人末端执行动作，经过1个多月攻关，将视觉引导焊接合格率提高到99%。

（4）该预制板焊接自动线需要满足2000-3000×1200毫米规格预制板焊接。将工位设计成最大尺寸工位，同时定位工装做成方便可调，将各种规格控制程序录入实现自由切换。

（5）水泥基板会变形，钢筋架会变形，导致钢筋架脚无法与水泥基板基础铁皮贴合，无法焊接。变形是无法避免的，在焊接前进行校正。解决方案是在焊接工位水泥基板底部设置液压顶升平台做支撑，在焊接工位上方布置压紧夹具，压紧点平均分散，每个点约150公斤压力，很好地解决变形问题。

3.2　主要技术要求

采用工业机器人配套相应设备装置，代替人工完成预制板焊接加工流程中的相关工作。现对相应的主要技术要求阐述如下：

（1）为保证焊道品质需控制工件的焊接目标位

置一致性在±5mm以内。为保证工件的焊接品质，工件需无明显油污锈斑，产品工件来料外形尺寸偏差在±5mm以内，生产单一产品时不可混料。

生产对象如下：

产品名称：预制板材质:Q235B工件长度尺寸范围：长2.0-3.0m宽1.2m；

各规格尺寸水泥纤维板和钢筋桁架组装后，夹具对水泥纤维板两直角边定位，水泥纤维板和钢筋架能保证和压紧夹具匹配。

（2）产品来料分为高密度水泥纤维板和钢筋架，机器人按预制板组件的规格要求摆放来料（本项目产品来料指的是一块高密度水泥纤维板和四排钢筋架组件），要求钢筋架组件来料高度保持一致，需确保工装的稳定性，机器人焊接位置如下图2红色标记所示。

图2 焊接点效果示意图

（3）按要求钢筋架组件焊接脚位置的高度保持一致，且焊接脚的角度要求向下，不允许向上；

（4）焊接的质量要求：在来料以及视觉稳定的情况下，每个焊接脚需有至少1个焊点；

（5）该产线需要在安全围栏装好的情况下才能运行，保证人工的安全。

3.3　方案布局

预制板自动焊接线布局包括1套GSK-RMD200机器人及手抓底座、1套GSK-RMD50机器人及手抓底座、8套GSK-RH06焊接机器人及焊接系统、4套清枪器、1套RB300机器人及手抓底座、1套视觉系统、1套7工位输送线及定装置、2套校正夹具、2套支撑工装、1套钢筋架输送线、1套料垛输送线、1套中转台、1套不合格暂存台、1套输送线及1套总控系统，组成一条高效、稳定、合格率高的预制板自动生产线。如布局三维简图（图3）、布局二维简图（图4）、布局二维简图（图5）。

图3 布局三维简图

图4 布局二维简图

图5 布局二维简图

本解决方案采用码垛机器人上料水泥板、机器人上料钢筋定位、机器人八工位焊接、六轴搬运机器人下料、链板线输送生产的方式，实现了安全、可靠、高效的人机协作生产模式；在一定程度上使生产实现数据化可控，在保证焊接品质的同时保证了稳定的生产效率。

4　控制系统

控制系统分机器人控制系统和产线控制系统。机器人控制系统是控制机器人空间运动，程序编辑和修改。产线控制系统是处理各设备的信号交互，控制各设备逻辑运动，控制输送线来料感应、机器人和检测开关等的协同工作。

控制部件装于电控柜内，触摸屏镶在电柜上。

自动化单元中设计有三色报警灯，正常工作的时候，三色灯显示绿色，若单元出现故障的时候，三色灯会及时显示红色报警。

机器人控制柜、示教盒上设有急停按钮，在系统发生紧急情况时可通过按下急停按钮来实现系统急停并同时发出报警信号。

通过示教器可以编制多种应用程序，可以满足产品更新换代及增加新产品的要求。

I/O与外围设备进行信号交接。

5　应用成效

（1）整线应用13台机器人，负责预制板搬运和焊接工作，大大减少对劳动力的依赖（保留1名工人钢筋架上料）。

（2）保证稳定的产能，产线稳定可以连续24小时生产。

（3）产品品质稳定：预制板焊点合格率99.9%。

（4）降低生产事故发生率，避免人员与设备接触导致的事故发生。

（5）生产效率大大提高，3000×1200毫米规格预制板128个焊点/件/分钟，是人工平均的8-10倍。

6　技术革新

该预制板焊接自动线是预制板制造行业国内第一条焊接自动线，引用先进技术创造出高的生产效率和高的生产品质。

（1）通过机器人搬运和焊接应用彻底把人工从辛苦工作中解放出来。

（2）通过视觉引导技术让机器人自动寻找焊点，解放人工示教编程。

（3）通过离散组件输送技术将水泥纤维基板和钢筋架在各工序间进行稳定运输。

（4）通过不规则件定位技术将不同规格的水泥纤维板、不同规格的钢筋架在同一产线兼容生产。

（5）通过变形组件在线校正技术将水泥纤维板和钢筋架很好地贴合以方便稳定焊接。

新技术的应用促进了预制板制造行业生产工艺规范化、标准化。促进了专机设备的标准化。实现完全自动化生产还有很多问题需要攻关解决。

摘自《自动化博览》2025年8月刊