现代机器人焊接变位机的设计准则

现代机器人焊接变位机的设计准则

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：焊接变位机；变位机；机器人焊接变位机；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。

2.4 座式变位机。座式变位机是一种双轴变位机，可同时将工件旋转和翻转，其结构形式示于图4。与机器人配套使用座式变位机的旋转轴和翻转轴均由电机驱动，可按指令分别或同时进行旋转和翻转运动。适用焊缝三维布置结构较复杂的工件。

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。

2.6 双头架变位机。双头架变位机是将两台头架变位机相背同轴安装在回转平台上，形成一种三轴变位机，其结构形式如图6所示。使用

这种双头架变位机可成倍提高生产效率，当一台头架变位机配合机器人进行焊接时，在另一台头架变位机上进行工件的装卸和夹紧。这样可大大缩短机器人待机时间，提高其利用率。

2.7 双座式变位机。双座式变位机与双头架变位机相似，是将二台座式变位机相背同轴安装于大型回转平台上, 形成五轴变位机，其结构形式示于图7，这种变位机的功能与双头架变位机相似，由于增加了翻转轴，适宜于焊接结构较复杂的焊件。扩大了焊接机器人工作站的使用范围。

2.8 组合式多轴变位机。当要求机器人焊接形状复杂且焊缝三维布置的构件时，则需配备三轴以上的变位机，一种简易且经济实用的解决方案是将各种标准型变位机通过机械连接组合成多轴变位机。图8示出了一种典型的组合式多轴变位机结构形式。其由头架与框架式头尾变位机组合成5轴变位机。将两台组合式5轴变位机安装在回转平台上构成11轴变位机。图9示出另一种组合方式，将座式变位机与框架式头尾架变位机组合成6轴变位机。两台6轴变位机与回转平台组合成13轴变位机。

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16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。