地铁格栅钢筋智能焊接技术

在地铁工程中，作为主要受力构件的钢筋格栅对结构稳定安全性起决定性作用。传统格栅钢筋焊接加工主要采取人工现场加工的形式，由于缺乏先进的技术手段，多年来未能完全实现机械化生产。焊接产生的光污染和烟尘污染损害劳动者的身体健康；随着我国劳动力老龄化程度加大，钢筋焊接行业的劳动力流失会愈发严重。因此，研发钢筋智能焊接技术已成为建筑业持续健康发展的迫切需求，也推动了焊接领域的自动化升级，使“一人一工位”逐渐转变为“一人一条线”的焊接生产。

1 地铁工程智能焊接技术现状

在现有地铁工程中，虽已有盾构管片的智能焊接技术，但盾构管片弧度较小且型号较单一，焊接难度不大。由于盾构管片自动焊接设备中的部件多为固定位置，不适用于地铁暗挖施工中格栅的多弧度不同直径且复杂的钢筋施工环节及流水运输环节。

现有地铁工程格栅挤压焊接均由人工完成，是由人工现将钢筋弯曲成一定弧度的外弧和内弧钢筋，再将之字筋焊接到内弧和外弧钢筋之间形成一片格栅钢筋网片，最后在两片格栅钢筋网片之间用U形筋焊接成一榀格栅。该过程繁杂且费时费力，其质量在很大程度上取决于焊接工人的熟练程度及手感，致使人工焊接格栅的方式效率低，劳动强度高且精度难以保证。

为解决上述问题，本文提出一种地铁格栅钢筋智能焊接技术，该技术能使地铁格栅主筋从运输到加工焊接至最终整榀格栅成型的整套流水线均应用机械装备全自动运行。

2 地铁格栅钢筋智能焊接技术

本文提出的地铁格栅智能焊接技术依托于一种创新的格栅智能焊接系统，包括格栅焊接工作平台、双头焊接机械臂、主筋对位限制装置、单片格栅夹紧装置、单片格栅翻转装置、抓取机械臂、Z字筋堆码台、U形筋堆码台、传送带及计算机控制中心。通过该系统，格栅钢筋可从上料开始到加工为成型格栅的整个流程实现全智能焊接，大幅减少人工成本并提高成品精度。

2.1 地铁格栅智能焊接系统的设备与基本布置

地铁格栅智能焊接系统整体成直角布置，其中格栅焊接工作平台沿长度方向对称设有2个半扇台面。工作平台能水平旋转，2个半扇台面能做相对运动。每个半扇台面上分别设有主筋对位限制装置、单片格栅夹紧装置和单片格栅翻转装置，双头焊接机械臂设在其中1个半扇台面外侧，传送带设在2个半扇台面中间的一侧；抓取机械臂、Z字筋堆码台和U形筋堆码台设在另1个半扇台面的前侧，与传送带同侧布置。

每个半扇格栅焊接工作台面上设有3个单片格栅夹紧装置，3个单片格栅夹紧装置沿弧形方向间隔布置在半扇台面的中部。双头焊接机械臂与格栅焊接工作平台成直线布置，且该机械臂的底座距其中1个半扇台面的沿格栅焊接工作平台长度方向一端的边沿30~40 cm。机械臂有2个焊枪，其中1个焊枪的端头能360°旋转，机械臂的焊接手能在格栅焊接工作平台上方移动并进行焊接操作。

抓取机械臂的底座设在机械臂工作台上，该工作台距与其邻近的另1个半扇台面的前侧边沿20~40 cm。Z字筋堆码台和U形筋堆码台设在抓取机械臂的外侧，分别用于放置Z字筋和U形筋，Z字筋堆码台与抓取机械臂工作台的距离与U形筋堆码台与抓取机械臂工作台的距离相等。

2个主筋对位限制装置分别固定设在2个半扇台面的前侧和后侧边缘，主筋对位限制装置的布置方向与格栅焊接工作平台长度方向垂直，主筋对位限制装置通过限位孔对格栅外弧主筋进行限位，2个单片格栅翻转装置对称地设在每个半扇台面靠近格栅焊接工作平台中心一侧的边缘位置。

计算机控制中心负责控制格栅焊接工作台的平移旋转、焊接机械臂的移动与焊接、主筋的自动对位装卡、单片格栅的反转与抓取等功能，分别与格栅焊接工作平台、双头焊接机械臂、主筋对位限制装置、单片格栅夹紧装置、单片格栅翻转装置和抓取机械臂的控制单元通信连接。

2.2 地铁格栅智能焊接技术

依托于上述地铁格栅智能焊接技术及其配套设备，形成了一种地铁格栅智能焊接技术，主要步骤为：主筋与Z字筋运输装卡到位→首片格栅夹紧→首片格栅焊接→另一半主筋与Z字筋运输装卡到位→单片格栅夹紧→次片格栅焊接→U形筋到位→格栅整体焊接→抓取运走。

具体操作过程如下。

（1）格栅外弧主筋通过钢筋输送装置送至其中1个半扇台面上，通过主筋对位限制装置的限位孔对格栅外弧主筋进行限位，以使格栅外弧主筋到达单片格栅翻转装置格栅模板的指定位置。

（2）抓取机械臂通过计算机控制中心运行Z字筋抓取程序抓取Z字筋，并将所需的Z字筋放到模板指定位置。

（3）格栅内弧主筋通过主筋对位限制装置的限位孔输送至模板相应位置。

（4）单片格栅夹紧装置分别夹紧格栅外弧主筋、格栅内弧主筋及Z字筋，并使Z字筋与格栅外弧主筋、格栅内弧主筋间的缝隙最小，得到拼装到位并夹紧的单片格栅。

（5）格栅焊接工作平台旋转180°，将拼装到位并夹紧的单片格栅旋转至双头焊接机械臂一侧。

（6）双头焊接机械臂启动Z字筋焊接程序并将格栅外弧主筋、格栅内弧主筋分别与Z字筋焊接。

（7）在对头焊接机械臂工作的同时，另1个半扇台面的模板工位重复步骤（1）~（5）。

（8）焊接第二片格栅的钢筋。

（9）单片格栅翻转装置将焊接完成的两片格栅向上相对翻起并对齐。

（10）2个半扇台面相对运动使两片格栅闭合。

（11）抓取机械臂通过计算机控制中心运行U形筋抓取程序，将U形筋放置到指定位置。

（12）双头焊接机械臂启动U形筋焊接程序，将两片格栅通过U形筋焊接在一起。

（13）整段格栅焊接完成，抓取机械臂启动整段格栅抓取程序，将焊接完成的整段格栅抓取至传送带上。

除此之外，地铁格栅智能焊接技术还包括传送带将格栅成品运至成品堆码区域；通过单片格栅夹紧装置夹紧格栅外弧主筋、格栅内弧主筋及Z字筋，使Z字筋与格栅外弧主筋、格栅内弧主筋之间的缝隙均小于5 mm。

格栅外弧主筋和格栅内弧主筋均采用直径为25 mm的带肋钢筋，格栅外弧主筋的长度大于内弧主筋112的长度。Z字筋与U形筋采用直径为14 mm的带肋钢筋，单片格栅的格栅外弧主筋中心线与格栅内弧主筋中心线的距离W₁为20  cm，两片格栅的格栅外弧主筋的中心线间的距离和两片格栅的格栅内弧主筋的中心线间的距离均为16 cm，整段格栅长度为2 m。

2.3 地铁格栅智能焊接技术与人工焊接技术的对比

基于以下基本条件对地铁格栅智能焊接技术进行初步测算：（1）格栅智能焊接设备每天工作18~22 h；（2）经测算格栅智能焊接设备每焊接1榀格栅用时约30 min；（3）一套地铁格栅智能加工设备运行需要1名工人辅助操作。

本文收集到北京某地铁工程的格栅实地加工的情况如下：（1）加工工作外包给钢筋加工厂，加工完成后运到现场使用；（2）采用传统人工焊接方式，5个工人为一班，流水焊制，其分工为上料工1人，固定电焊工1人，成型焊工2人，连接板焊制工1人；（3）普通5人班组每天工作10 h，可完成11~13榀格栅的焊接（视格栅难易程度与大小而定）。

分析对比人工焊接数据与初步测算的格栅智能焊接数据，得到地铁智能焊接技术与人工焊接的对比数据（表1）。

表1 地铁智能焊接技术与人工焊接的对比

从表1可看出，应用地铁智能焊接技术不仅可大幅降低人工成本，还可提升格栅的加工速度。同时由于机器工作时长为人工工作时长的2倍，日产量可达到人工加工的3.3倍。

3 结束语

本文针对地铁工程钢筋格栅传统人工焊接方式的弊端，研究一种地铁格栅智能焊接技术，该技术依托的地铁格栅智能焊接系统包括6种主要配套设备和1个计算机控制中心。

通过控制中心使多种设备协同工作，实现地铁格栅从主筋运输到成型的全过程智能焊接，可提高钢筋焊接的速度和准确性；引入数控设备可推动钢筋焊接加工，减少人工成本，提高工作效率，确保工程进度。

摘自《建筑技术》2021年8月，王 浩，张恺伦，刘香会