焊接变位机优化方案

焊接变位机是在焊接作业中，将焊件回转并倾斜，使焊件上的焊缝置于有利于施焊位置的焊件变位机械。焊接变位机主要用于机架、机座、机壳、法兰、封头等非长形焊件的翻转变位。

1.结构形式

根据结构形式的不同，焊接变位机主要包括：座式焊接变位机、双座式焊接变位机、伸臂式焊接变位机等三种形式，生产中往往根据不同变位机械的特点进行选用。

（1）座式焊接变位机。

如图 5.2 所示，其工作台连同回转机构通过倾斜轴支承在机座上，工作台以焊速回转，倾斜轴通过扇形齿轮或液压缸，多在 110°～140° 恒速或变速倾斜。座式焊接变位机稳定性好，一般不用固定在地基上，搬移也方便，适用于 0.5～50 t 焊件的翻转变位，是目前产量最大、规格最全、应用最广的结构形式。由于回转工作台面的限制，主要用于非长焊件的变位，生产中常与伸缩臂式焊接操作机或弧焊机器人配合使用。

图5.2　座式焊接变位机

1—回转工作台；2—倾斜轴； 3—扇形齿轮；4—机座。

（2）双座式焊接变位机。

如图5.3所示，工作台安装在回转架上提供焊接速度回转功能，回转架设在两侧的机座上，多以恒速或所需的焊接速度绕水平轴线转动。该机不仅稳定性好，而且如果设计得当，焊件安放在工作台上后，随回转架倾斜的综合重心位于或接近倾斜机构的轴线，可使倾斜驱动力矩大大减小。因此，重型焊接变位机多采用这种结构。双座式焊接变位机适用于 50 t以上大尺寸焊件的翻转变位。在焊接作业中，常与大型门式焊接操作机或伸缩臂式焊接操作机配合使用。

图5.3　双座式焊接变位机

1—工作台；2—回转架；3—机座；4—回转机构；5—倾斜机构。

（3）伸臂式焊接变位机。

如图5.4所示，伸臂式焊接变位机回转工作台绕回转轴旋转并安装在伸臂的一端，伸臂一般相对于某一转轴成角度回转，而此转轴的位置多是固定的，但有的也可在小于 100° 的范围内上下倾斜。这两种运动都改变了工作台面回转轴的位置，从而使该机变化范围大，作业适应性好。但这种形式的变位机，整体稳定性较差。

该机多采用电动机驱动，承载能力在 0.5 t 以下，适用于小型焊件的翻转变位。也有液压驱动的，承载能力 10 t 左右，适用于结构尺寸不大，但自重较大的焊件。伸臂式焊接变位机在手工焊中应用较多。当生产中各工件距离较近，需要多个位置焊接时也可选用伸臂式焊接变位机。

图5.4　伸臂式焊接变位机

1—回转工作台；2—伸臂；3—倾斜轴； 4—转轴；5—机座。

焊接变位机的基本结构形式虽只有上述三种，但其派生形式很多，有些变位机的工作台还具有升降功能，如图5.5所示。由图中的结构形式可知，焊接变位机主要包括回转、倾斜、升降及伸缩等主要功能。其中，回转及倾斜功能几乎是所有焊接变位机都具有的。

图5.5　焊接变位机的派生形式

1—工作台；2—轴承；3—机座；4—推举液压缸；5—伸臂。

2.驱动系统

焊接变位机工作台的回转运动，多采用直流电动机驱动，无级变速。近年来出现的全液压变位机，其回转运动是用液压马达来驱动的。工作台的倾斜运动有两种驱动方式：一种是电动机经减速器减速后通过扇形齿轮带动工作台倾斜（见图5.2），或通过螺旋副使工作台倾斜（应用不多）；另一种是采用液压缸直接推动工作台倾斜（见图 5.6）。这两种驱动方式都有应用，在小型变位机上以电动机驱动为多。工作台的倾斜速度多是恒定的，但对应用于空间曲线焊接及空间曲面堆焊的变位机，则是无级调速的。工作台的伸缩运动，主要通过液压驱动或电动机驱动。

图5.6　工作台倾斜采用液压缸推动的焊接变位机

1—液压缸；2—电动机；3—减速器； 4—齿轮副；5—工作台。

3.传动系统

在电动机驱动的工作台回转、倾斜系统中，常设有一级蜗杆传动，使其具有自锁功能。有的为了精确定位，还设有制动装置。

在变位机回转系统中，当工作台在倾斜位置以及焊件重心偏离工作台回转中心时，工作台在转动过程中，重力形成的力矩在数值和性质上是周期变化的（见图5.7），为了避免因齿轮间隙的存在，力矩性质改变时产生冲击，导致焊接缺陷，在用于堆焊或重要焊缝施焊的大型变位机上配有抗齿隙机构或装置。另外，一些供弧焊机器人使用的变位机，为了减少倾斜和回转系统的传动误差，保证焊缝的位置精度，也配有抗齿隙机构或装置。

图5.7　工作台回转力矩的周期变化

Q—综合回转中心；α—转角；O—工作台回转中心；
n—转速；G—载重量。

在重型座式和双座式焊接变位机中，常采用双扇形齿轮的倾斜机构，扇形齿轮用一个单独的电动机驱动，或用各自的电动机分别驱动。在分别驱动时，电动机之间设有转速联控装置，以保证转速的同步。另外，驱动系统的控制回路，应有行程保护、过载保护、断电保护及工作台倾斜角度指示等功能。

工作台的回转运动应有较宽的调速范围，国产变位机的调速比一般为1∶30左右，国外产品一般为1∶40，有的甚至达1∶200。工作台回转时，速度应平稳均匀，在最大载荷下的速度波动不得超过 5%。另外，工作台倾斜时，特别是向上倾斜时，运动应自如，即使在最大载荷下，也不产生抖动。图5.8所示为1.5 t座式焊接变位机，该机的工作台回转机构采用了小齿行星齿轮减速，整体结构较紧凑。其主要技术指标：工作台回转速度为 0.034～1.03 r/min，工作台倾斜速度为0.25 r/min，工作台倾斜角度为135°，变位机质量为1 500 kg。

图5.8　1.5 t座式焊接变位机

1.5 t座式焊接变位机载质量如图5.9所示，可根据综合重心高h（工件重心至工作台面的距离）和综合重心偏心距e（工件重心至工作台轴线的偏心距）来确定变位机的载质量m。这种确定方式有利于合理地使用变位机，避免发生超载事故。

图5.9　1.5 t座式焊接变位机载质量

例如，h=300 mm，e=0 mm 时，m=1 500 kg ；h=750 mm ；e=0 mm时，m=840 kg；h=0 mm，e=170 mm 时，m=1 500 kg ；h=0 mm ，e=500 mm 时，m=500 kg。该机工作台回转总成布置合理。在工作台上未放工件时，回转总成的综合重心位于工作台倾斜轴线的一侧；放上工件后，综合重心将移近或移到倾斜轴线的另一侧，使工作台在有载或无载的情况下，综合重心所形成的倾斜阻力矩变化不大。由此，可减小倾斜机构的驱动功率，有利于充分发挥电动机的效能。

1.5 t 座式焊接变位机的传动简图如图5.10所示，其回转系统采用2.24 kW直流电动机，通过带传动、蜗杆传动行星齿轮传动减速后，带动工作台回转。倾斜机构采用一级带传动、二级蜗杆传动及一级齿轮传动。除了起减速作用外，带传动还有减振和过载保护的作用，蜗杆传动还有自锁作用，这有利于保证变位机运转速度的平稳和安全作业。此外，该变位机装有测速发电机和导电装置，在倾斜机构上装有两个行程开关，当工作台进行倾斜运动时，起限位作用。

图5.10　变位机的传动简图(www.xing528.com)

图5.11所示的是某国产20 t座式焊接变位机传动简图，其回转系统由3 kW直流电动机，通过带传动、蜗杆传动、两级行星齿轮传动、外齿轮传动、内齿轮传动减速后，带动工作台回转。回转系统的总传动比（i）为11 520，工作台许用回转力矩为224 kN·m。倾斜系统由5.5kW直流电动机，经圆柱齿轮减速器蜗杆减速器开式扇形齿轮传动减速后，带动工作台倾斜。倾斜系统总传动比为7 472，工作台许用倾斜力矩为3 20 kN·m，倾斜角为－45°。

图5.12所示是国产100 t双座式焊接变位机的传动简图。该机是目前国内生产的一款焊接变位机（目前世界上最大的焊接变位机为 2 000 t，用于装焊分段船体时的翻转变位）。其回转系统由 22 kW 直流电动机，通过带传动变速器、蜗杆减速器、外齿传动减速后，带动工作台回转。该系统总传动比在 5 112～30 148，无级可调。工作台的许用回转力矩为98 kN·m。倾斜系统由两台 22 kW 直流电动机，通过蜗杆减速器、三级外齿传动减速后，带动工作台倾斜。该系统总传动比为 13 903，工作台许用倾斜力矩为 196 kN·m，倾斜角度为－10～20°。在电动机的输出端还安装有电磁制动器，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，还设置了液压抗齿隙装置。

图5.11　20 t座式焊接变位机传动简图

图5.12　100 t双座式焊接变位机传动简图

4.导电装置

焊接变位机多用于电弧焊，此时转台和工件作为焊接电源二次回路的一个组成部分，必须设有导电装置。导电装置有电刷式、铜盘式、水银式等形式，特殊情况下可利用自身导电来实现，目前主要采用电刷式导电装置，它主要由电刷、电刷盒、刷架组成，如图 5.13 所示。

图5.13　焊接变位机的导电装置

1—刷架；2—电刷盘；3—电刷；4—弹簧；5—导电环。

导电装置的电阻不应超过 1 mΩ，容量应满足焊接额定电流的要求，其电刷的导电性能见表5.1。

表5.1　电刷导电性能

导电装置设计时，要保证工件或机头转动时电缆不发生缠绕，同时要避免传动部分的啮合件（轴承、齿轮）拉弧烧坏。尤其是埋弧焊和气体保护焊时，由于使用的焊接电流较大，导电装置应能保证焊接电流不经过轴承而直接通过转台主轴传给工件。下面以钢瓶埋弧焊转台上用的导电装置为例来说明导电装置的设计要点。

液化石油气钢瓶埋弧焊的转台传动装置如图 5.14 所示。该转台原来没有设置专门的导电装置，导电回路为：电焊机输出电流负极→机座→轴承座→轴承外套→滚动体→轴承内套→主轴→工件→埋弧焊导电嘴→电焊机输出电流正极。

主轴轴承的工作状况：轻载荷，钢瓶的质量为 16 kg，转台主轴及其附件的质量约为30 kg；低转速，实际焊接时主轴转速为 0.6 r/min；大电流，焊接电流为 290～320 A；工作时轴承发热严重，温度达200～250 °C时常被电弧烧伤，导致轴承失效。

为解决轴承烧损问题，试制了下列三种导电装置。

（1）炭刷-铜盘式导电装置：将与钢瓶接触的卡盘设计成铜盘，工作时焊接电流通过炭刷、铜盘传给工件，使用效果不佳，炭刷发红，导电装置易失效。

（2）铜电刷式导电装置：在主轴上安装一个固定的导电环，在其周围均匀布置8个紫铜电刷，电刷与导电环的接触程度用压紧弹簧来调节。工作时焊接电流通过紫铜电刷、导电环、主轴传给工件。使用效果明显好转，其缺点是导电环的运行时间仍较短，工作一段时间后其表面仍被电弧严重烧伤，结构复杂，维修不方便。

（3）轴瓦式导电装置：该导电装置是由上下轴瓦、导电板、压紧弹簧、螺栓、螺母等组成的。轴瓦式导电装置的示意如图5.15所示。

图5.14　钢瓶焊接转台传动装置

1—带轮；2—206轴承；3—主轴；4—轴承座；5—8206轴承；6—7206轴承； 7—卡盘；8—工件；9—导电嘴；10—轴承架；
11—从动轴；12—汽缸；13—机座。

图5.15　轴瓦式导电装置

1—主轴；2—上轴瓦；3—螺栓；4—弹簧；5—上导电板； 6—下导电板；7—下轴瓦；8—轴承座；9—工件。

在轴瓦式导电装置装配前，先在原转台左端轴承座的中间部位铣长51 mm的槽口，将转台主轴安装导电装置的部位磨加工至，其表面粗糙度Ra为0.8 μm，然后将上、下轴瓦及导电板安装到主轴上，再装上 M12 的螺栓、弹簧和螺母等。用弹簧来调节轴瓦与主轴的贴合程度，装配后应能使主轴转动灵活，采用润滑脂加石墨粉对装置进行润滑。

轴瓦式导电装置克服了其他导电装置易灼伤导电元件的缺点，使焊接转台轴承的寿命大大提高，具有良好的经济效益。该导电装置使焊接转台转动平稳，导电性能良好，减少了钢瓶的焊接烧穿率，提高了焊接质量，具有结构简单，制造、维修方便等优点。

5.焊接变位机现状

在先进的工业国家，焊接变位机已标准化、系列化，并由专门厂家生产，技术指标先进，品种规格齐全，不仅有各种结构形式的通用焊接变位机，也有配合焊接机器人使用的高精度变位机。

我国制造的焊接变位机，载质量在 0.5～100 t，大都是座式的。例如，某厂生产的升降式焊接变位机，升降方式可通过手动调整插销位置、液压升降或电动丝杠调高的方式调整工作台高度，以适应不同类型的工件。负载工作运行平稳、可靠，能在任意位置制动，配备抗干扰电控系统，手控盒远程控制技术。除此之外还生产HB系列变位机，该变位机适功能强大，适用于各种轴类、盘类、筒体等回转体工件的变位焊接、精加工工作台，配备优质变频器、均布若干定位线和 T 形槽、机械、电气部分多重保护，整机稳定性好，一般不用固定在地基上，安装、搬移方便。产品主要应用于轴类、盘类、圆筒形工件及球形、管板封头等工件的翻转、回转变位，以得到理想的加工位置和焊接速度，常与操作机、焊机等设备配套使用，组成自动焊接中心，也可用于复杂结构件的手工焊接、装配、修补等场合的工作变位。国产焊接变位机，特别是大吨位焊接变位机，能满足一般焊件的施焊要求。在配合焊接机器人使用的焊接变位机领域目前还不够领先，我国大多都是作为焊接柔性加工单元（FMC）和柔性加工系统（FMS）的组成部分一并引进的，主要用于汽车工程机械等有关结构的焊接。

从整体看，无论是品种规格还是性能质量，与先进工业国家相比，在大吨位焊接变位机于速度平稳性、变位精度、驱动功率指标与焊接操作机的联机动作等方面，存在着一定的差距。我国已经制定了焊接变位机的行业标准（JB/T 8833—2001），标准中规定了焊接变位机的主要技术参数，见表5.2，在设计焊接变位机时应遵照执行。型号中字母“HB”表示焊接变位机的名称，数字表示最大负荷值。焊接变位机行业标准中规定的主要技术要求如下。

（1）回转驱动应实现无级调速，并可逆转。在回转速度范围内，承受最大载荷时转速波动不超过5%。

（2）倾斜驱动应平稳，在最大负荷下不抖动，整机不得倾覆。最大负荷 Q（变位机所允许承载的工件最大质量）超过25 kg的，应具有自行驱动功能。倾斜机构要具有自锁功能，在最大负荷下不滑动，安全可靠。应设有限位装置，控制倾斜角度，并有角度指示标志。

（3）变位机应设有导电装置，以免焊接电流通过轴承、齿轮等传动部位。导电装置的电阻不超过1 mΩ，其容量应满足焊接额定电流的要求。

（4）最大负荷与偏心距及重心距之间的关系应在变位机使用说明书中说明。

表5.2　焊接变位机的主要技术参数

6.焊接变位机选用注意事项

（1）应根据工件的质量、重心距和偏心距来选择适当吨位的变位机。

（2）在变位机上焊接圆环形焊缝时，应根据工件直径与焊接速度计算出工作台的回转速度，该速度应在变位机的调节范围之内。另外，还要注意工作台的运转平稳性是否满足施焊的工艺要求。变位机仅用于工件的变位时，工作台的回转速度及倾斜速度应根据工件的几何尺寸及质量选择，对大型、重型工件速度应慢些。

（3）若焊件外廓尺寸很大，则要考虑工作台倾斜时，其倾斜角度是否满足焊件在最佳施焊位置的要求，是否会发生焊件触及地面的情况。如有可能发生，除改选工作台离地面的间距更大的变位机外，也可用增加基础高度或采用设置低坑的方式来解决。工作台的倾斜速度一般是不能调节的，如在倾斜时要进行焊接操作，应对变位机提出特殊要求。

（4）批量生产定型产品时，可选用具有程序控制功能的变位机。变位机只能使工件回转、倾斜，要使焊接过程自动化，还应考虑配用相应的焊接操作机。

（5）变位机上若需要安装气动、电磁夹具以及水冷设施时，应向相应的厂家提出接气、接电、接水装置的要求。

（6）变位机的许用焊接电流，应大于焊接施焊工艺所要求的最大焊接电流。