机器人焊接工作站中变位机的作用分析
变位机工作原理
变位机工作原理
变位机是一种通过改变齿轮的组合方式来改变输出轴的转速和扭矩的机械装置。
其工作原理基本上是利用齿轮的大小和位置关系来调整输出轴的运动参数。
变位机中通常包括一个驱动轴、一个输出轴和一系列可移动的齿轮。
当驱动轴旋转时，通过齿轮之间的齿数比例关系和互相的啮合，使得输出轴以不同的速度和扭矩旋转。
变位机的工作原理可以通过以下步骤来说明：
1. 驱动轴转动：输入轴（驱动轴）通过电机或其他动力源转动。
2. 齿轮啮合：驱动轴上的齿轮与其他齿轮进行啮合。
每个齿轮都有自己的齿数。
3. 齿轮比例：通过改变不同齿轮之间的齿数比例，可以实现不同的输出速度和扭矩。
4. 输出轴转动：传递给输出轴的旋转速度和扭矩通过齿轮系统传输，从而实现所需的输出。
通过改变齿轮的组合方式，可以实现输出轴的转速和扭矩的变化，从而满足不同设备或机器的需求。
变位机广泛应用于各种设备和行业中，例如汽车、机床、工具机等。
焊接变位机械设计研究
焊接变位机械设计研究焊接变位机械是一种可以帮助焊接过程中工件进行旋转和翻转的设备，它在焊接工艺中具有非常重要的作用。
在焊接自动化过程中，焊接变位机械能够提高焊接效率和质量，减少人力成本和操作风险。
对焊接变位机械的设计和研究具有重要的实际意义。
一、焊接变位机械的类型及其应用1. 类型焊接变位机械根据其结构和工作方式的不同，可以分为旋转式焊接变位机和翻转式焊接变位机两种类型。
旋转式焊接变位机是指通过电机驱动旋转轴，使工件进行旋转的装置。
在焊接过程中，采用旋转式焊接变位机可以使工件保持稳定的旋转速度和角度，从而实现对工件全方位的焊接。
2. 应用焊接变位机械主要用于大型工件焊接过程中的旋转和翻转操作。
在船舶、桥梁、石油化工、风电等领域，需要对大型金属构件进行焊接时，通常就需要使用焊接变位机械来实现对工件的旋转和翻转。
焊接变位机械也可以应用于钢结构、船舶、桥梁等工程机械的生产制造环节。
二、焊接变位机械设计研究现状分析目前，国内外关于焊接变位机械设计研究已经取得了一系列的成果，但与焊接自动化设备的整体发展相比，焊接变位机械的设计研究尚处于起步阶段，存在一些问题和不足。
1. 技术水平不高目前国内焊接变位机械的设计水平相对较低，主要体现在设备的控制精度、稳定性和可靠性方面。
大多数焊接变位机械还停留在传统机械传动和液压控制的阶段，缺乏现代化的电气控制技术和自动化控制系统。
2. 缺乏标准化设计国内焊接变位机械的设计缺乏统一的标准和规范，导致了产品质量参差不齐，生产效率低下，难以满足用户的实际需求。
由于缺乏标准化设计，焊接变位机械的产品结构和性能参数存在较大的差异。
3. 创新能力不足国内焊接变位机械制造企业创新能力不足，缺乏对焊接变位机械的核心技术和关键零部件的研发能力。
目前，市场上主要以进口设备为主，国内产品在技术含量和产品性能上存在明显的差距。
为了提高焊接变位机械的设计水平和产品质量，需要针对关键技术进行深入研究和探讨。
焊接变位机械讲义
焊 接 专 机
环缝焊接专机
环缝焊接系统主要用于 不同材质、不同尺寸和形状 工件的环缝焊接，以提供高 质量的焊缝、减少焊接变形。 焊接接头有不同的形状，包 括对接、角接、搭接、琐底 等接头形式。外部焊接方式 通常的焊接机头处在工件的 顶部，内部焊接需要加其他 装置。 单道和多道GTAW（钨 级氩弧焊）、PAW（等离子 焊）、GMAW（熔化极氩弧 焊）、FCAW（药芯式熔化 极弧焊）、SAW（埋弧焊）、 YAG激光焊接等焊接方法都 可以在焊接机床上实现。作 为选项，焊接机床上可以同 时安装两个以上的焊枪，并 同时进行焊接。
龙门式自动焊接机（中间控制）
按结构设计形式分为： 焊 工 变 位 机 焊 接 变 位 机 械 焊 件 变 位 机 焊 机 变 位 机
焊工升降台
单座
立式 （固定式、可调式、倾斜式） 卧式（固定式、升降式） 机架固定（固定式、升降式）
单回转式
双座
机架移动（固定式、升降式）
自调式、组合式、履带式
多座（滚轮架）
思考：焊件变位机械和焊机 变位机械怎样组合使用？
纵缝焊接专机
纵缝焊机设计采用琴键压紧式机构，提供 均匀稳定的工件夹持和冷却效果，大梁和 焊接小车提供精密的焊接动作，用于进行 高质量、低变形的直线性焊缝的焊接应用。 工件的形式、形状和材质可以不同，大多 数情况下，焊缝是对接接头设计。针对不 同的应用，纵缝焊接系统可以集成的焊接 方式有：GTAW（钨级氩弧焊）；PAW （等离子焊）；GMAW（熔化极氩弧焊）； FCAW（药芯式熔化极弧焊）；SAW（埋 弧焊）；YAG激光焊接等。 不同焊缝背面保护衬套和成行槽，焊缝 可以被100％焊透，并保证单面焊双面成 型。 焊接焊接专机分为： 外纵缝焊接系统 内缝、纵缝焊接系统 内外组合式纵缝焊接系统 平板拼接纵缝焊接系统 升降式纵缝焊接系统 精密纵缝焊接系统 桌面型焊接系统 自动纵缝焊接系统 立式纵缝焊接系统
5变位机械
一、焊接变位机械的定义、作用及分类 焊接变位机械 是改变焊件、焊机或焊工空间位臵来完成机
械化、自动化焊接的各种机械设备。
作用
缩短焊接辅助时间 提高劳动生产率 减轻工人劳动强度 保证和改善焊接质量
充分发挥各种焊接方法的效能。
二、焊接变位机械应具备的性能
较宽的调速范围，稳定的运行速度，良好的结构刚度。 对尺寸和形状各异的焊件有一定的适用性。 传动链中有一级反行程自锁传动。 与焊接机器人和精密焊接作业配合使用的焊件变位机械， 到位精度和运行轨迹精度应控制在0.1～2mm之间。
图示是国产 100t双座式焊接变位机的传动简图。其回转系统由 22kW直流 电动机，通过带传动—变速器—蜗轮减速器—外齿传动减速后；带动工作 台回转。该系统总传动比在 5112～30148之间，无级可调工作台的许用回 转力矩为98kN.m。倾斜系统由两台22kW直流电动机，遍过蜗杆减速器— 三级外齿传动减速后，带动工作台倾斜。该系统总传动比为 13903，工作 台许用倾斜力矩为196kN.m，倾斜角度为-10~+120。在电动机的输出端还 安装了电磁制动器，以保证工作台倾斜时准确到位。另外，该变位机为适 应空间曲线焊缝的焊接和空间曲面的堆焊，还设臵了液压抗齿隙装臵。
M T max G h12 e 2
以此计算倾斜轴的驱动功率和扇形齿上的圆周力。 作用在倾斜轴轴颈 C1和C2上的支反力，以回转轴在图 5-11b 倾斜位臵时最大。但在图 5-11a 位臵时，因工件重心偏离机 座中心线，因而两轴颈处的载荷不等，也可能出现最大值。
当扇形齿轮固定在回转机构的箱体上时，倾斜轴在其轴颈处仅受支反力和 弯曲力矩作用。其中轴颈工作部分的弯曲力矩
N e2 cos2 (h sin e cos sin )2
焊机变位机械
教学目标：1、理解焊接变位机械的概念、种类及其应用；2、掌握各种焊机变位机械的特点及使用；3、会要根焊件的特点合理选择焊机变位机械；教学重点：1、平台式焊接操作机；2、伸缩臂式焊接操作机；教学难点：焊接操作机的选用教学内容：焊机变位机(又称焊接操作机)是将焊接机头准确送达并保持在待焊位置，或是以选定的焊接速度沿规定的轨迹移动焊接机头，配合完成焊接操作的焊接变位机械。
与焊件变位机械配合使用，可以完成多种焊缝，如纵缝、环缝、对接焊缝、角焊缝及任意曲线焊缝的自动焊接工作，也可以进行焊件表面的自动堆焊和切割工艺。
1.焊接操作机(1)平台式操作机平台式操作机的基本结构形式如图5-23所示，将焊接机头1放置在平台2上，可在平台的专用轨道上作水平移动。
平台安装在立架3上且可沿立架升降。
立架坐落在台车4上，台车沿地轨运行，调整平台与焊件之间的位置。
平台式操作机有单轨式和双轨式两种类型，为防止倾覆，单轨式须在车间的墙上或柱上设置另一轨道(图5-23a)；双轨式在台车上或支架上放置配重5平衡(图5-23b)，以增加操作机工作的稳定性。
图5-23 平台式操作机平台操作机主要用于筒形容器的外纵缝和外环缝的焊接。
焊接外纵缝时，焊件横放置平台下固定，焊机在平台上沿专用轨道以焊接速度移动完成焊接。
当焊接外环缝时，焊机固定，焊件依靠滚轮架回转完成焊接。
一般平台上还设置起重电葫芦，目的是吊装焊丝、焊剂等重物，从而保证生产的连续性。
平台操作机的机动性、使用范围、用途均低于伸缩臂式的焊接操作机，在国内的应用已逐年减少。
(2)悬臂式焊接操作机如图5-24所示，悬臂式操作机主要用来焊接容器的内纵缝和内环缝。
悬臂3上面安装有专用轨道，焊机在轨道上移动完成内纵缝的焊接；当焊接内环缝时，焊机在悬臂上固定，容器依靠滚轮架回转而完成工作。
悬臂通过升降机构2与行走台车1相连，悬臂的升降是由手轮通过蜗杆蜗轮机构和螺纹传动机构来实现的。
为便于调整悬臂高低和减少升降机构所受的弯曲力矩，安装了平衡锤用以平衡悬臂。
变位机
焊接机器人焊接机器人系统的组成和分类机器人要完成焊接作业必须依赖控制系统与辅助设备的支持和配合。
完整的焊接机器人系统一般由以下几个部分组成：机器人操作机、变位机、控制器、焊接系统(专用焊接电源、焊枪或焊钳等)、焊接传感器、中央控制计算机和相应的安全设备等。
机器人操作机是焊接机器人系统的执行机构，其任务是精确地保证末端执行器(焊枪)所要求的位置、姿态并实现其运动。
一般情况下，工业机器人操作机至少应具有3个以上自由度。
具有6个旋转关节的铰接开链式机器人操作机能以最小的结构尺寸获取最大的工作空间，并且能以较高的位置精度和最优的路径到达指定位置，因而在焊接领域得到广泛的应用。
变位机是机器人焊接生产线及焊接柔性加工单元的重要组成部分，其作用是将被焊工件旋转(平移)到最佳的焊接位置。
在焊接作业前和焊接过程中，变位机通过夹具装卡和定位被焊工件。
通常，焊接机器人系统采用两台变位机，一台进行焊接作业，另一台则完成工件装卸。
机器人控制器是整个机器人系统的神经中枢。
控制器负责处理焊接机器人工作过程中的全部信息和控制其全部动作。
焊接系统是焊接机器人得以完成作业的必需装备，主要由焊钳或焊枪、焊接控制器以及水、电、气等辅助部分组成。
焊接控制器是焊接系统的控制装置，它根据预定的焊接监控程序，完成焊接参数输入、程序控制及系统故障自诊断，并实现与上位机的通信联系。
焊接电源及送丝设备必须由机器人控制系统直接控制，电源的功率和接通时间必须与自动过程相符。
在焊接过程中，由于存在被焊工件几何尺寸和位置误差以及焊接过程中的热变形，传感器仍是焊接过程中不可缺少的设备。
传感器的任务是实现工件坡口的定位、跟踪以及焊缝熔透信息的获取。
中央控制计算机（上位机）在工业机器人向系统化、PC化和网络化的发展过程中发挥着重要的作用。
通过相应接口与机器人控制器相连接，中央控制计算机主要用于形成通信网络，同时与传感系统相配合，实现焊接路径和参数的离线编程、焊接专家系统的应用及生产数据的管理。
机器人参考答案
简述工业机器人的定义，说明机器人的主要特征。
答：机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具、或专用装置，通过可编程动作来执行种种任务并具有编程能力的多功能机械手。
1.机器人的动作结构具有类似于人或其他生物体某些器官（肢体、感官等）的功能。
2.机器人具有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变。
3.机器人具有不同程度的智能性，如记忆、感知、推理、决策、学习等。
4.机器人具有独立性，完整的机器人系统在工作中可以不依赖于人的干预。
工业机器人与数控机床有什么区别？答：1.机器人的运动为开式运动链而数控机床为闭式运动链；2.工业机器人一般具有多关节，数控机床一般无关节且均为直角坐标系统；3.工业机器人是用于工业中各种作业的自动化机器而数控机床应用于冷加工。
4.机器人灵活性好，数控机床灵活性差。
简述下面几个术语的含义：自有度、重复定位精度、工作范围、工作速度、承载能力。
答：自由度是机器人所具有的独立坐标运动的数目，不包括手爪（末端执行器）的开合自由度。
重复定位精度是关于精度的统计数据，指机器人重复到达某一确定位置准确的概率，是重复同一位置的范围，可以用各次不同位置平均值的偏差来表示。
工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合，也叫工作区域。
工作速度一般指最大工作速度，可以是指自由度上最大的稳定速度，也可以定义为手臂末端最大的合成速度（通常在技术参数中加以说明）。
承载能力是指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。
什么叫冗余自由度机器人？答：从运动学的观点看，完成某一特定作业时具有多余自由度的机器人称为冗余自由度机器人。
何谓轨迹规划？简述轨迹规划的方法并说明其特点。
答：机器人的轨迹泛指工业机器人在运动过程中的运动轨迹，即运动点位移，速度和加速度。
轨迹的生成一般是先给定轨迹上的若干个点，将其经运动学反解映射到关节空间，对关节空间中的相应点建立运动方程，然后按这些运动方程对关节进行插值，从而实现作业空间的运动要求，这一过程通常称为轨迹规划。
焊接变位机
座式焊接变位机工作台有一个整体翻转的自由度。可以将工作翻转到理想的焊接位置进行焊接。另外工作台 还有一个旋转的自由度。该种变位机已经系列化生产，主要用于一些管，盘的焊接。工作台边同回转机构支承在 两边的倾斜轴上，工作台以焊速回转，倾斜边通过扇形齿轮或液压油缸，多在140°的范围内恒速倾斜。该机稳 定性好，一般不用固定在地地基上，搬移方便。其适用范围为1至50t工件的翻转变位，是应用最广泛的结构形式， 常与伸缩臂式焊接操作机配合使用。座式变位机座式变位机通过工作台的回转或倾斜，使焊缝处于水平或船形位 置的装置。工作台旋转采用变频无级调速，工作台通过扇形齿轮或液压油缸驱动倾斜。它可以实现与操作机或焊 机联控。控制系统可选装三种配置：按键数字控制式、开关数字控制式和开关继电器控制式。
对φ1.6的焊丝几种规范，以电流为代表的有：主焊缝电流I1=160A、180A、200A；封底焊电流I2=220A、 240A、260A、280A。对第一种规范由于主焊缝与封底焊熔深没有交叉，实际上就不能保证正常焊透程度。第二种 规范要产生焊穿现象。
由于3mm薄板自动焊采用的是小规范，其所要求的稳定性就必须很高，否则就会引起焊穿或未焊透现象，焊 缝成型也会恶化，可能出现气孔等缺陷。我们要求电流的波动范围控制在±10A以内，电压控制在±2V一内，这 样是能够得到满意的结果。
德国Severt
焊接变位机(5张)该公司主要生产8种类型的产品，其中7种是焊接变位机。每种型式的焊接变位机，按其功 能讲，均包括基本型、调速型、CNC程控型和机器人配套型等4种产品。
定义
主自由度
变位自由度
可以肯定的讲，如果一台变位机拖动焊件，仅做直线运动，哪怕是三维的，也不可能改变焊缝的姿态，满足 施焊要求。也就是说，变位运动是回转运动，称此回转运动为变位机的主自由度。还可以做这样一个假设：在X、 Y、Z直角坐标系下，设有一空间直线焊缝，绕Z轴可在360°范围内回转，且这个Z轴连同这一焊缝又可绕X（或Y） 轴在≥180°范围内回转，那么，经此变位的焊缝，便可变到船角焊位置进行施焊作业。换言之，一个焊口由两 个面的共线MN和夹角α组成，在上述两个回转范围内，经恰当的回转，便可使其共线 MN与水平面平行，且这两 个面与水平面的夹角相等，各为α/2，即变为船角焊位置。这个假设是说，任何复杂焊件，只要装在主自由度为 一个全回转和一个半回转的焊接变位机上，即可实现船焊要求。我们称这种双回转式焊接变位机为全功能变位机。
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机器人焊接工作站中变位机的作用分析
摘要：变位机作为现代机械化生产的典型设备，其已逐渐的广泛应用于工业生
产的各个领域，目前来说我国汽车制造企业多数都采用机器人焊接工作站的方式
进行工件生产，相比于以往的人工加工方式，工作效率和焊接质量都显著提升。
本文基于常见变位机类型及其作用进行分析，并对机器人焊接工作站中变位机技
术性能进行探究。
关键词：生产效率；经济效益；伺服驱动
引言：当前社会发展形势下，现代科学技术的应用使工业制造发生重大变革，以往的劳动密集型产业逐渐发生转变，越来越多的工业生产内容开始由机器人替
代人工，工作效率和制造精确性都显著提升。
根据相关调查统计数据显示，我国
汽车保有量位居世界前列，车型更新换代速度不断加剧，市场竞争逐渐呈现较为
激烈的形式。
为更好的提升生产效率和质量，实现经济效益的增长，世界上多数
汽车制造企业开始以焊接机器人替代人工，这种模式已成为未来汽车制造业发展
的必然趋势。
一常见变位机类型及作用分析
1.单轴翻转变位机
单轴翻转变位机结构形式如图1所示，该变位机的运转动力通过一般电机或
是伺服电机进行供电驱动，在实际工作过程中可以根据零部件焊接加工要求进行
速度调节，其应用作用是辅助焊接机器人对加工零部件进行角度旋转，以确保焊
接满足应用需求，提升焊接质量，单轴翻转变位机是现阶段机器人工作站中应用
较为广泛的辅助焊接设备。
图1：单轴翻转变位机结构形式
2.双轴标准变位机
双轴标准变位机结构形式如图2所欧式，该变位机的两侧旋转轴通过伺服电
机进行供电驱动，能够辅助机器人焊接和进行夹具翻转。
与其他种类的变位机不同，双轴标准变位机可以在正负180度之间进行水平旋转，能够有效的提升与焊
接机器人的协调能力使焊接机器人的焊接方式处于最佳状态，并且焊缝的质量也
得到显著的提升。
双轴标准变位机适用于小型焊接工作站，通常用于小型零部件
加工。
图2：双轴标准变位机结构形式
3.L型双轴变位机
L型双轴变位机结构形式如图3所示，该变位机的驱动方式与双轴标准变位
机的驱动方式相同，其作用也大致相同。
L型双轴变位机的优势是其结构得到有
效的优化，在发挥双轴标准变位机作用的同时其承载能力有效提升，相比于双轴
标准变位机来说，翻转角度也有所提升，通常在进行较大零件加工时会采用L型
双轴变位机。
图3：L型双轴变位机结构形式
4.三轴垂直翻转变位机
三轴垂直翻转变位机结构形式如图4所示，该变位机的一二三轴分别承担夹
具两侧换位和翻转的功能，与其他变位机相比，三轴垂直翻转变位机轴数较多，
在与焊接机器人进行协调的过程中可以有更好的面积接触，使其更好的处于协调
状态下。
三轴垂直翻转变位机的驱动动力也是伺服电机，左侧机器人在焊接的过
程中，右侧机器人可以通过相应的工人进行零件预装，对于工业生产制造来说，
工作效率得到了有效的提升。
通常来说，三轴垂直翻转变位机的工作站设计相对较大，相关的工人在进行
零件预装的过程中不会由于空间狭小导致身体受到伤害，其安全性较高，多数用
于较大工件的焊接制作。
对于跨度较小的夹具可以通过单机焊接的方式进行，如
果加剧跨度较大，单个焊接机器人无法满足焊接要求时，可以设置两台三轴垂直
翻转变位机进行同时工作，以便更好的满足工件焊缝需求。
在现代科学技术的支撑下，基于三轴垂直翻转变位机基础上，三轴水平回转
变位机也被研发出来，该变位机的工作机理和作用与三轴垂直翻转变位机基本相
同两者之间的差别在于三轴垂直翻转变位机工作站的安全房要高于三轴水平回转
变位机，并且三轴水平回转变位机的设备体积相对较大，实际工作过程中只能进
行单机焊接，灵活性稍显不足。
图4：三轴垂直翻转变位机结构形式
5.五轴变位机
五轴变位机结构形式如图5所示，该变位机具有两种工作位置，两侧采用相
同技术原理的工作轴，能够对夹具进行回旋和翻转。
第一轴可以通过自身的旋转
带动夹具的回转，第二轴能够使夹具实现自我翻转，第三轴可以进行两侧的工作
位置交换。
五轴变位机的协调性要优于上述变位机，因此其焊接效果也更好。
五
轴变位机的驱动方式与双轴变位机相同，可以使两种相同的夹具进行同时工作，
工件制作方式也与三轴垂直翻转变位机大致相同，以一侧机器人焊接另一侧人工
装件的方式进行，五轴变位机的应用能够提升机器人焊接工作站的整体工作效率。
二．变位机技术性能探究
变位机是专用焊接辅助设备，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焊接状态。
焊接变位
机能将焊枪准确送到待焊位置，并保持该位置或以选定焊速沿设定轨迹移动焊枪。
通过工作台的升降、翻转和回转，固定在工作台上的工件可以达到所需的焊接装
配角度。
工作台回转为变频无级调速，可达到满意的焊接速度。
为达到这一目的，焊
接变位机必须具备以下主要技术性能：应输出足够大的转矩，带动所标定的负载，做平稳的运动。
负载转动惯量要小于电机减速机额定输出转动惯量，以保证平稳
启动。
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，并能达到最额定值。
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。
具有精确的
复零位功能。
设有安全联锁装置，保证操作人员和设备的绝对安全。
结语：对于工业制造来说，机械代替人工的生产方式是未来社会发展的必然
需求，当前社会形势下，使用者对于汽车等工业产品的要求不断提升，传统人工
生产的方式效率和质量都难以得到保障，基于这种情况下，全球汽车产业都在积
极转变发展关键，不断的加大技术和资金投入，目的在于研发现代化生产线。
机
器人焊接技术的应用有效的提升了工件焊接质量和效率，对于工业生产企业来说
其经济效益和社会效益得到了有效的提升。
我国各类工业生产企业在发展过程中
应当加强对该项内容的探究，逐渐的实现全线机械化生产模式，更好的促进我国
工业发展进程。
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