焊接变位机设计准则

珠海固得焊接自动化设备有限公司陈裕川江维何奕波摘要：在现代焊接机器人工作站中，变位机是实现高效、优质焊接生产的重要组成珠海固得焊接自动化设备有限公司陈裕川江维何奕波

摘要：在现代焊接机器人工作站中，变位机是实现高效、优质焊接生产的重要组成部件。本文概述了机器人焊接变位机的种类和结构形式，列举了焊接变位机在机器人工作站中典型的应用实例，详细地论述了机器人焊接变位机的技术要求、设计准则和计算方法，介绍了标准型机器人变位机的主要技术特性参数。

关键词：机器人工作站；变位机；设计准则

1 前言

在现代工业生产中，机器人的应用越来越普遍。为充分发挥机器人的功效，其通常与各种焊接变位机组合使用，从而实现高效、优质的焊接生产。目前，焊接变位机已成为焊接机器人工作站不可缺少的组成部分。一台较复杂的多轴焊接变位机的价格往往超过标准机器人本身的价格，可见焊接变位机的重要性。因此，必须重视焊接变位机的设计与制造。迄今，我国尚未制定焊接变位机设计规程，本文根据相关的技术文献，概括地讨论了机器人焊接变位机的设计准则。

2 焊接变位机的种类

目前，与机器人配套使用的焊接变位机有多种结构形式。现将最常用的焊接变位机分述如下：

2.1 固定式回转平台。这是一种最简单的单轴变位机，其结构形式见图1。工作平台可采用电机或风动马达驱动。通常工作平台的回转速度是固定不变的，其功能是配合机器人按预编程序将工件旋转一定的角度。

2.2 头架变位机。头架变位机也是一种单轴变位机，其结构形式如图2所示, 卡盘通常由电机驱动。与回转平台不同，其旋转轴是水平的，适用于装卡短小型工件，可配合机器人将工件接缝转到适于焊接的位置。

2.3 头尾架变位机。头尾架变位机由头架和尾架组成，其结构形式见图3，是机器人工作站最常用的变位机。在一般情况下，头架装有驱动机构，带动卡盘绕水平轴旋转。尾架则是被动的。如工件长度较大或刚度较小，亦可将尾架装上驱动机构，并与头架同步起动。严格地说，头尾架变位机仍属于单轴变位机。尾架在机座轨道上的水平移动在装卡工件时起作用，不与机器人协调动作。

2.5 L形变位机。L形变位机可以设计成二轴变位机，即悬臂回转和工作平台旋转轴，也可以设计成三轴变位机, 即在上述二轴的基础上增加悬臂上下移动轴。图5示出一种三轴L形变位机的结构形式。这种变位机的最大特点是回转空间较大，适用于外形尺寸较大，重量不超过5吨的框架构件焊接。

上述各种焊接变位机与机器人组合成工作站的应用实例分别示于图10 ~图16。图10为双机器人与回转平台组合成发电机定子部件焊接机器人工作站。图11示出另一种双工位回转平台机器人工作站，用于金属框架的焊接。图12为头架变位机与机器人组合的工作站外形，用于热水锅炉燃烧室部件的焊接。图13示出一台鼓风机叶轮焊接机器人工作站，采用座式变位机满足了曲线焊缝焊接的要求。图14是头尾架变位机与机器人组合焊接机架的应用实例。图15示出机车转向架部件机器人工作站，由于工件尺寸较大，使用L型变位机是最佳的解决方案。图1 6为两台L型变位机组合的多轴变位机与机器人配套的工作站全貌，用于印刷机械底座部件的焊接。

3 机器人焊接变位机的主要技术特性

焊接变位机的主要任务是将负载（焊接工夹具+焊件）按预编的程序进行回转和翻转，使工件接缝的位置始终处于最佳状态，即处于平焊、平角焊或船形焊位置。因为在这种焊接位置下，焊接机器人可以在保证焊缝优质的前提下，达到最高的焊接速度。为完成这一任务，焊接变位机必须具备以下主要技术特性：

3.1 回转和翻转驱动机构应输出足够大的转矩，带动所标定的负载（焊接工夹具+焊件），做平稳的运动。

3.2 应设置导电性能良好的焊接回路。保证焊接电源的输出低损耗地传送，使焊接电流持续稳定，并能达到最大额定值。

3.3 设有自动控制接口，包括气动焊接工夹具I/O接口，易于与机器人控制系统集成，可按指令与机器人联动。

3.4 具有精确的复零位功能。

3.5 设有安全联锁装置，保证操作人员和设备的绝对安全。

4 对机器人焊接变位机的工艺要求

现代焊接机器人工作站为达到高效、优质的目标，大都采用先进的焊接工艺方法，例如丝串列MIG/MAG焊、波形控制MIG/MAG 焊、STT法、CMT 法等。这些先进的焊接工艺方法都选配全数字控制的MIG/MAG设备[6]，其重要特点都是按焊接电弧的反馈信号控制焊接电源和送丝机的输出特性。而反馈信号的强弱直接影响到焊接过程的稳定性和焊缝的质量。因此对变位机的导电机构提出了更高的要求，推荐采用集流环+导电碳刷，同时应注意压紧每一个导线接头。

为进一步提高焊接效率，目前已出现多焊枪机器人系统。即在同一台焊接变位机上由多台焊接机器人同时进行焊接，如图17所示。在这种情况下，每台焊接机器人焊枪由单独的焊接电源供电。如不采取相应的措施，还会引起焊接电流回路的相互干扰，并使导电机构复杂化。一种合理的解决办法是为每台焊接电源设置独立的焊接电流回路，见图18。

为提高焊接机器人工作站的可靠性和焊接质量的一致性，焊接变位机准确的复零位功能是十分重要的。如机器人手臂不慎碰撞或经修理，这也有助于将程序修整工作量减至最少。迄今，标准型伺服控制焊接变位机复零精度控制在±0.1mm~±0.2mm之间。精密型伺服控制焊接变位机复零位精度可达0.05mm。完全满足了机器人工作站的技术要求。非伺服控制焊接变位机则通常采用定位销钉、定位装置等来实现，但误差较大，但亦应控制在±0.5mm之内。

5 机器人焊接变位机的安全性设计

机器人焊接变位机的安全性设计比常规焊接变位机显得更为重要。因为前者的空程速度比后者高得多，特别是对于大型和重型焊接变位机必须从结构设计、动力配置、驱动机构、电器控制和定位装置等多方面采取必要的特殊措施，确保操作人员和设备的绝对安全。变位机安全设施的控制必须集成于机器人工作站的控制系统。控制和操作盒上都必须设置醒目便捷的急停开关。