焊接变位机设计准则.docx

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。
2.4   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。

       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。
        应当采用先进的电磁感应或远红外等传感技术，一旦人体接近或进入禁区，机器人焊接系统立即发出警报, 并自动急停，切断机器人工作站的一次输入电源。
        关于机器人工作站的其他安全要求应符合GB11291-1997《工业机器人 安全规范》和GB/T20867-2007《工业机器人安全实施规范》的规定。美国国家标准ANSI/RIA R15/06-1999《机器人和机器人系统安全要求》更详细地规定了保护操作人员和机器人的安全导则。
        应该强调指出，对于大型机器人焊接变位机，急停时间和急停后惯性运动位移量是重要的质量指标。所谓急停时间是指按下急停开关的瞬间到变位机转盘完全停止运动的时间间隔。转盘惯性位移量则取决于转盘的工作半径和负载（工夹具+焊件）的质量及偏心距。这两项质量指标在变位机出厂检验时，应在规定的负载质量和旋转速度下检测并记录这两项质量指标。

 6    负载的支承和运动
        焊接变位机通常以其支承的能力和负载运动的特性（转矩和转速）来标定。这里负载应包括焊接工夹具和焊件的质量。支承能力的表示方法视变位机的类型而定。对于回转平台，以回转支撑的轴向承载重量表示。对于头架变位机，头尾架变位机，座式变位机和其他多轴变位机，则以驱动机构和自由端支承机构的承载能力来表示。
6.1    承载能力的计算
        当头架单独使用时，以悬臂的方式支承载荷。在支承机构上将产生较高的力矩载荷，如图19所示。力矩M 等于负载W乘以支承中心距（D）。实际可能达到的力矩不应超过所配轴承的极限承载能力。一般的原则是以50％的轴承额定承载能力计算头架的支承机构，以保证在过载状态下具有足够的安全裕度。

   如将头架与尾架组合使用，则其承载能力大大增加，因其负载的方式不再是悬臂梁，而是将焊接工夹具以刚性固定的方式安装在头架与尾架之间，其承载能力可按刚性梁理论进行计算，如图20所示。从图列的简式可知，可承受的力矩与支承机构的间距成反比关系，即头架与尾架的间距应保持在尽可能小的范围内。刚性固定焊接工夹具的另一个缺点是要求头架和尾架的回转中心必须准确对中。这就大大提高了制造成本，延长了加工、组装周期。
        如改用简单的柔性支承梁固定焊接工夹具并采用柔性旋转限位机构，则可在一定程度上降低头架与尾架回转中心的对中要求。由此可降低头尾架机座和焊接夹具的加工精度，最终降低了变位机的制造成本。目前，Mo- toman机器人公司已生产出这类柔性头尾架，容许头尾架回转中心的最大偏差为20。
6.2    负载的运动
        焊接变位机应该具有足够的输出转矩，以回转或翻转负载并将其保持在焊接要求的位置。其额定输出转矩（Tr）可按电机的转矩（Tm）乘以齿轮箱的总减速比求得，如图21所示。
        大多数变位机制造厂是以自持转矩，或在离旋转轴规定距离r的条件下, 将负载W保持在水平方位所需的转矩来表征变位机的转矩特性。但目前尚未形成统一的标准。例如某些企业取50％的电机额定转矩标定变位机主轴的额定转矩，而另一些企业则取80％的电机额定转矩。

7    惯量的估算
        在计算变位机的电机减速器输出转矩时，也应考虑负载旋转的加速和减速，因此应估算负载的惯量。在这种情况下，转矩等于负载的旋转惯量矩（J）乘以角加速度。此转矩不应超过变位机的额定最大转矩。
        惯量是负载的一种特性，是负载的质量围绕旋转轴的分布特性。惯量可按负载的材质和几何形状作出粗略的估算（对于常用的各种几何形状，其惯量可从机械设计手册中查到）。

       系统的总惯量是决定伺服驱动头架控制稳定性的重要因素。通常以回弹惯量（Jr）和电机惯量（Jm）来表示。回弹惯量可按减速器惯量（Ji）+负载惯量除以惯量比R2计算（见图22），即：Jr=Ji+J1/R2，式中R＝Jr/Jm。
        大多数变位机的最大回弹惯量比（Jr/Jm）控制在5~10，它取决于头架驱动系统总的机械刚度。若回弹惯量比接近或超过上述范围，将降低控制稳定性，出现较大的振动、使电机过热。

8   负载周期转矩的计算
        对于大型焊接变位机，由于工作周期较长，要求计算负载周期转矩的均方根（RMS），即给定的负载周期内总转矩（夹持和运动）的平均值。此值如超过变位机的额定输出转矩，可能引起伺服电机过热，降低变位机的使用寿命。
        如负载的不平衡过大，RMS值过高，则应适当加配重补偿，但必须注意，不应由此导致负载的惯量超过容许范围。

9   标准型机器人焊接变位机的技术特性
        当前，国内外机器人焊接变位机的设计和制造技术经20年的发展已达到相当高的水平。不少著名的焊接变位机生产厂商已将机器人焊接变位机定型批量生产，并推出了标准型系列化产品，为各工业部门大力推广应用机器人工作站创造了有利的条件。标准型机器人焊接变位机不仅具有符合机器人工作站要求的技术特性，而且制造成本比专用机器人焊接变位机低，供货及时。大大简化了机器人系统的集成技术，缩短了构建机器人工作站的周期，因此受到业内人士的普遍重视。本节概括介绍几种常用的标准型机器人焊接变位机的主要技术特性。

 9.1    标准型头架变位机
        图23示出日本OTC公司生产的EX -1PB1000型头架变位机外形。属于同一系列的头架变位机有EX-1PB250型和EX-1PB500型。其驱动系统采用交流伺服电机和无游隙减速器，可以达到相当高的精度。与机器人集成后，可由示教盒控制。头架机体设有5个接合面，可便捷地构建各种系统。导电机构最大额定电流为500A。表1列出该系列头架变位机的主要参数。其外形尺寸分别示于图24（a）、（b）、（c）。

 9.2    标准型双支座2轴变位机
        图25示出日本OTC公司生产的EX -2PE150（300）型双支座2轴变位机的外形。卡盘可作旋转和翻转运动，驱动系统采用交流伺服电机和无游隙减速器，可以达到很高的位移精度。与机器人集成后由示教盒控制。卡盘可正反转，便于装卸工件。结构紧凑，占地面积小。适于小型工件。其主要参数列于表2，外形尺寸见图26。

 9.3    标准型座式变位机
       图27示出日本OTC公司生产的标准型2轴座式变位机外形，共有两个型号：EX-2PT500和EX-2PT1000。其工作平台在旋转时可同时翻转，并由交流伺服电机和无游隙减速器驱动，可达到较高的精度。变位机与机器人集成后，所有动作由示教盒控制。并按指令与机器人协调操作。这两种标准型座式变位机的主要技术特性列于表3。其外形尺寸分别示于图28（a）、（b）。

 9.4    标准型3轴组合式变位机
        图29示出珠海固得焊接自动化设备有限公司已投入定型批量生产的标准型3轴组合式变位机外形照片。其由两台框架式头尾架变位机和一台回转平台组合而成，其总体结构示意图见图30。头尾架变位机由伺服电机驱动。回转角度为0°和180°。主要技术特性参数列于表4。3轴组合式变位机和框架式头尾架变位机的外形尺寸分别示于图31和图32。

  图33示出珠海固得焊接自动化设备有限公司定型生产的标准型L形双轴变位机外形照片。结构示意图见图34。其悬臂回转和工作平台旋转均由伺服电机驱动，与机器人集成后由示教盒控制所有动作。悬臂可按指令保持在任一位置上，适用的最大工件直径为1100mm。最大工件高度500mm。重要技术特性参数列于表5。

 10    结束语
        现代机器人焊接变位机是机器人工作站实现高效、优质焊接生产不可缺少的组成部分，其重要性已得到广泛的认同。焊接变位机按焊接工件不同的形状和焊缝的布置，可有各种结构形式，但其技术特性都必须满足机器人工作站的技术要求，主要包括应具有足够的转矩，低损耗无干扰的焊接电流回路，精确的复零位功能，与机器人快速集成的控制功能和可靠的安全性。本文探讨了为达到上述要求所应遵循的设计准则。
        现代机器人焊接变位机正在向标准化、系列化方向发展。以降低机器人工作站的制造成本，实现焊接生产过程的低成本自动化。

参考文献
[1] Z.Michael, G.sutton, Designing Positioners for Robotics [J].Welding Journal, 2003 (t): 40~43
[2] Cloos. Romat-Robotersysteme-Applikations Beispiele [M] Haiger, 1996
[3] Cloos. Cloos-Romat ROBOTER Mit Modularaufgebauten Peripheriecomopomenten. Haiger 2000
[4]DAIHEN corporation. Positioner Slider for Arc welding Robot. Osaka, 2002
[5] 陈裕川.现代自动化专用焊接设备设计概论(一)~(十)[J], 现代焊接, 2006(12), 2007：(1~9)；
[6] 陈裕川. 现代全数字控制MIG/MAG焊机㈠㈡㈢㈣ [J], 现代焊接, 2006: (8~11)。
摘自《现代焊接》杂志2011