基于钢网架拆除的自动化切割机器人的研究

朱啸维1，王坚候1，毕兴盛2，谷源2，王伟靖2

摘要：当前在建筑行业中，高空切割作业依旧采用传统的人工作业的方式。对于悬挑端净高30米以上的钢结构网架结构而言，使用人工切割网架构架的作业方式存在较高的安全风险。针对工人高空作业存在较大安全隐患的问题，本课题旨在探索出可替代传统高空人工切割的无人化切割机器人，通过远程控制，对高空结构件进行精确切割作业。

关键字：钢结构网架，高空作业，切割机器人，无人化，远程控制

引言

钢结构网架结构是目前国内大型体育场馆、工业厂房、影剧院、候车厅等建筑常用的屋盖形式，这种新样式结构的方法是依赖钢体自身的受力，用螺栓球把一根根钢柱连接在一起相互交错支撑，网结成各种形态不一的屋盖空间，属于高次超静定的空间结构，拆除危险性较高，再加上目前钢网架结构主要应用于建筑高层，这更是增加了拆除难度。目前国内外高空网架切割作业仍普遍采用人工切割的方式，存在极大安全风险。因此通过智能化的设备代替人工作业实现高空无人化切割有其发展的必要性

1、研究目的

目前国内并无相应大型高空钢结构的机械臂搭载切割模块或高空轨道切割机器人等相关高空专业切割设备，因此此项技术可以为远距离切割高空网架提供一种较为实际的方法，可应用于钢结构屋盖场馆一类需进行高空危险切割作业的改造项目，实现无人高空切割。

2、研究内容

2.1项目概况

本次研究基于中建三局集团华南有限公司深圳体育中心项目，该项目需要拆除的钢网架为椭圆环形悬挑网架结构。网架用钢量为670t，檩条用钢量为140t，屋面铝板160t，总计用钢970t，马道、灯具等自重约150t，整体自重约1120t。网架整体高度在20m-30m的范围内。

由于该体育场历史较为久远，建设标准达不到如今钢结构标准，采取直接的人工拆除存在较大的安全隐患，再加上网架整体较重。因此需要尽可能避免人工直接接触拆除网架，采取高空远程切割的方案较为合适。

2.2切割方式

第一种方式为砂轮切割。该方式采用高速旋转的砂轮片对网架进行切割，切割效率较高。但砂轮片损耗较为严重。由于切割机器人切割网架时位于高空，这就使得人工更换砂轮片的过程较为繁琐，还需要额外添加自动换刀装置。此外砂轮切割还会带来较为严重的噪音，造成扰民等问题。

第二种方式为锯片切割。该方式采用高速旋转的圆形金属刀具，相比砂轮，大大提高了续航能力，但同时也增加了制作成本，并且并没有从根本上解决噪声问题。

第三种方式为火焰切割。该方式采用乙炔氧气切割，相比砂轮切割和锯片切割，解决了砂轮切割和锯片切割中的噪音问题，但也带来了新的问题。由于火焰切割需要乙炔和氧气的充分混合，因此需要考虑如何在高空安放乙炔屏和氧气瓶。此外火焰切割切割头需要与被切割件的距离需要保证在5mm左右，近则容易发生回火，远则切割不透，因此还需要较为精确的进给装置。

最后一种方式是等离子切割。等离子切割采用高温等离子电弧的热量熔化工件，其切割速度较快，速度可达火焰切割的5-6倍，且目前市面上等离子切割机许多型号均内置气泵，因此不需要考虑气泵的安放问题。

2.3技术路线

本次研究的技术路线分为三类：

一是以吊车大臂为载体的等离子切割设备，该设备在吊车工作装置末端加装一台六轴机器人，在机器人机械臂末端搭载等离子切割装置，工作时通过吊车的液压大臂先将机械臂运送至高空中的指定工作范围内，之后通过调节机械臂的六轴对末端切割装置进行细调，使其达到切割的有效距离以实现切割。

二是以吊车大臂为载体的砂轮切割设备，该设备在吊车大臂加装六轴机器人，机械臂末端搭载砂轮切割装置，工作时通过吊车的液压大臂先将机械臂运送至高空中的指定工作范围内。随后由机械臂的运动实现对砂轮切割装置位置的细调以实现切割。

三是以屋面行走机器人为载体的轻金属机械臂搭载等离子切割设备，该方案以四足机器人为载体，具有小型化、轻量化的特点，其自身携带等离子切割设备以及影像设备，地面人员可通过无线遥控实现其自身的位置移动以及对网架的切割。地面施工人员可通过控制多台机器人在网架不同位置进行切割，以此来保证整体的工作效率。

本次研究主要基于第一类，因为该技术路线能很好的利用施工现场的大型起重设备，环境适应性良好，能够快捷的利用施工现场的各自设备，完成设备的安装和调试。

2.4切割机器人控制模块

切割机器人控制模块主要包括三方面

一是汽车吊大臂伸长距离的控制。首先吊车司机将汽车吊驾驶至需要切割的网架下方，保持一定的水平安全距离，之后汽车吊配合机械臂上安装的监控球形旋转摄像头，无人机和望远镜观察，吊车司机操作吊车将机械臂送至切割网架的范围

二是机械臂的控制。机械臂操作人员根据机械臂以及切割装置上安装的监控摄像头、无人机中的影像，远程遥控机械臂，将切割头送至较为精确的切割位置。

三是环形切割装置的遥控。切割头采用电动机-电动推杆-喷嘴的PLC远程遥控模式，遥控切割头在被送至精确切割位置后，操作人员遥控电动推杆使其与被切割杆件保持在安全切割距离。最后遥控等离子切割及切割头，使喷嘴绕被切割杆件作圆周运动直到杆件成功切断。

3、研究成果及不足

本次研究在业内鲜有尝试，特别是采用机械臂与大型起重机械设备配合，即在吊车大臂上安装机械臂为业内首次，尽管如此，仍然取得一定研究成果。

一是解决了机械臂在吊车大臂上的定位安装问题，重量达1吨重的机械臂安装在吊车大臂上是一个挑战，本次研究专门为机械臂设计了大臂连接件，经过反复计算和尝试后完成了机械臂的装配。

二是解决了设备的连接走线问题。在地面远程遥控在高空中的机械臂，走线方式是一大难题，由于汽车起重机需要旋转并伸长大臂，进行多自由度操作，稍有不慎便容易扯断地面设备与高空机械臂设备的电源线和控制线。本次研究中，创新式采用开关式磁力座，使得线材能与吊车大臂同步移动，同时线长保留一定余量使得走线问题得到解决。

三是配合监控摄像头，无人机实现了对网架杆件的抓取。在研究中，切割装置对网架的抓取是一大难题。若无法实现精准抓取，会造成切割连续甚至导致切割头与切割杆件碰撞的问题。通过在互相接近互相垂直的角度安装可旋转式的球形监控摄像头，解决了地面操作人员远程遥控机械臂装置的视野缺失问题，最终得以让机械臂成功捕捉杆件进行切割。

当然本次研究存在一些不足之处：

一是机械臂装配需要众多起重设备配合，包含两台汽车吊，两台登高车，需要耗费较多人力和物力的同时，占用大量施工场地，同时还需要拆除安装汽车吊上的副吊模块才能进行安装，较为繁琐。与此同时针对不同型号的汽车吊需要重新设计连接件，兼容性不高。

二是尽管本次研究中解决了机械臂对网架杆件的抓取对位问题，但目前抓取速度较慢，无法做到一次对位成功。同时，对倾斜杆件的对位时间较长，相比人工切割时间并不占优。

因此本次设计还具备许多改进的空间。

4、创新性

   本次专门针对高空网架的研究，具有以下的创新性

1）高空切割作业无人化，降低安全风险，降低施工费用。

2）采用大型器械结合机械臂模块，可以实现从粗调到微调。

3）可以适应不同钢结构屋盖的复杂地形。对环境的适应性强，甚至可在夜间拆除，可实现超静定系统，但同时对于操作者的熟练度要求较高。

5、结论

   本次研究基于高空网架切割研发设计的切割装置，运用远程PLC控制技术，结合施工现场大型起重设备，完成了对高空网架的切割拆除，打成了无人化的目标，这能有效减少现场安全隐患，利于现场安全管理。

参考文献

[1] 建筑施工手册第五版编委会建筑施工手册（第五版）[M]：中国建筑工业出版社，2012.

[2] 工业机器人从入门到精通[M]：化学工业出版社，2020.

[3] 崔欢欢，刘红等分析我国机器人技术在制造业中的研究及应用[J] 中国设备工程，2022.