焊接机器人焊接工装的设计与应用

随着焊接技术的发展，焊接也不仅仅限于使用电焊机的手工焊接，焊接机器人的出现开启了自动化焊接的新篇章。在此背景下，机械手制造业使用焊接机器人的数量也在与日俱增，与此同时焊接机器人工装夹具的应用也随着增多了。相比于电焊机等产品的工装夹具：焊接机器人的工装夹具对零件的定位精度要求更高，焊缝相对位置精度较高，应该小于1 mm。在焊接机器人工作的时候，焊件一般由多个简单的零件组焊成，所以对于这些零件的装配和定位焊接，在焊接工装夹具上应该是按照顺序进行的，因此，对于它们的定位和夹紧需要是一个个单独的进行，这些与普通的电焊机的夹紧是不同的。机器人焊接的时候工装夹具的设计应该是前后工序的定位一致。由于变位机的变位角度比较大，所以机器人焊接的工装夹具要尽量避免使用活动的手动插销。机器人焊接的时候工装夹具应该尽量采用汽缸压紧，并且需要配置带磁开关的汽缸，并能更加方便地将压紧信号传递给焊接机器人。焊接机器人上的工装夹具除可以进行正面的施焊之外，同时在反面也应该能够对工件进行焊接。以上六点是机器人焊接工装夹具与普通的焊接工艺夹具主要不同之处，在机器人工装夹具设计的时候，要把这些区别考虑在内，才能设计出满足焊接机器人工作所需要的工装夹具设计。总的来讲，焊接机器人用焊接工装（变位机）主要受两个部分的影响：

1.焊件变位机械与焊接机器人的运动配合及精度

焊接机器人虽然有 5～6 个自由度，其焊枪可到达作业范围内的任意点以所需的姿态对焊件施焊，但在实际操作中，对于一些结构复杂的焊件，如果不将其适时变换位置，就可能会和焊枪发生结构干涉，使焊枪无法沿设定的路径进行焊接。另外，为了保证焊接质量，提高生产效率，往往要把焊缝调整到水平、船形等最佳位置进行焊接，因此，也需要焊件适时地变换位置。基于上述两个原因，焊接机器人几乎都是配备了相应的焊件变位机械才实施焊接的，其中以翻转机、变位机和回转台为多。图6.18所示是弧焊机器人与焊接翻转机的配合示例。图6.19所示是弧焊机器人与焊接变位机的配合示例。

焊件变位机械与焊接机器人之间的运动配合，分非同步协调和同步协调两种。前者是机器人施焊时，焊件变位机械不运动，待机器人施焊终了时，焊件变位机械才根据指令动作，将焊件调整到某一最佳位置，再进行下一条焊缝的焊接。如此周而复始，直到将焊件上的全部焊缝焊完。后者不仅具有非同步协调的功能，而且在机器人施焊时，焊件变位机械可根据相应指令，带着焊件做协调运动，从而将待焊的空间曲线焊缝连续不断地置于水平或船形位置上，以利于焊接。由于在大多数焊接结构上都是空间直线焊缝和平面曲线焊缝，而且非同步协调运动的控制系统相对简单，所以焊件变位机械与机器人的运动配合，以非同步协调运动居多。

图6.18　弧焊机器人与焊接翻转机的配合

图6.19　弧焊机器人与焊接变位机的配合

这两种协调运动，对焊件变位机械的精度要求是不同的，非同步协调要求焊件变位机械的到位精度高；同步协调除要求到位精度高外，还要求高的轨迹精度和运动精度。这就是机器人用焊件变位机械与普通焊件变位机械的主要区别。

焊件变位机械的工作台，多是做回转和倾斜运动，焊件随工作台运动时，其焊缝上产生的弧线误差，不仅与回转运动和倾斜运动的转角误差有关，而且与焊缝微段的回转半径和倾斜半径成正比。焊缝距回转、倾斜中心越远，在同一转角误差情况下产生的弧线误差就越大。通常，焊接机器人的定位精度多在0.1～1 mm，与此相匹配，焊件变位机械的定位精度也应在此范围内。现以定位精度 1 mm 计，则对距离回转或倾斜中心 500 mm 的焊缝，变位机械工作台的转角误差须控制在0.36° 以内；而对相距1 000 mm 的焊缝，则须控制在 0.18° 以内。因此，焊件越大，其上的焊缝离回转或倾斜中心越远，要求焊件变位机械的转角精度就越高，这无疑增加了制造和控制大型焊件变位机械的难度。

2.焊件变位机械的结构及传动

焊接机器人用的焊件变位机械主要有回转台（见图6.20和图6.21）、翻转机（见图6.22）、变位机（见图 6.23）三种。为了提高焊接机器人的利用率，常将焊件变位机械做成两个工位（见图 6.24）的，对一些小型焊件使用的变位机还做成多工位的。另外，也可将多个焊件变位机械布置在焊接机器人的作业区以内，组成多个工位。

为了扩大焊接机器人的作业空间，可将机器人设计成倒置式的（见图 6.25），安装在门式和重型伸缩臂式焊接操作机上，用来焊接大型结构或进行多工位焊接。除此之外，还可将焊接机器人置于滑座上，沿导轨移动，这样也可扩大机器人的作业空间，并使焊件的装卸更为方便（见图6.26）。

通常用于非同步协调运动的焊件变位机械，因是点位控制，所以其传动系统和普通变位机械的相仿，恒速运动的采用交流电动机驱动，变速运动的采用直流电动机驱动或交流电动机变频驱动。但是为了精确到位，常采用带制动器的电动机，同时在传动链末端（工作台）设有气动锥销强制定位机构。定位点可视要求按每隔 30°、50° 或 90° 分布一个。如图 6.26所示是点位控制的置于滑座上的焊接机器人开始焊接工作时将工件固定在工作区域，并进行

图6.20　几种常用的焊接回转台

图6.21　中空式回转台

1—工件；2—回转台；3—支架。

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图6.22　焊接翻转机

图6.23　焊接变位机

图6.24　两工位焊接翻转机

图6.25　倒置式焊接机器人

图6.26　置于滑座上的焊接机器人

焊接部位对应焊枪行走的定位编码。用于同步协调运动的焊件变位机械，因为是轨迹控制，所以传动系统的运动精度和控制精度，是保证焊枪轨迹精度、速度精度和工作平稳性的关键。因此，多采用交流伺服电动机驱动，闭环、半闭环数控。在传动机构上，采用精密传动副，并将其布置在传动链的末端。有的在传动系统中还采用了双蜗杆预紧式传动机构（见图 6.27），以消除齿侧间隙对运动精度的影响。另外，为了提高控制精度，在控制系统中应采用每转高脉冲数的编码器，通过编码器位置传感元件和工作台上作为计数基准的零角度标定孔，使工作台的回转或倾斜与编码器发出的脉冲数联系在一起。为了提高焊枪运动的响应速度，要降低变位机的运动惯性，为此应尽量减小传动系统的飞轮矩。

图6.27　双蜗杆预紧式传动机构

采用伺服驱动后，若选用输出转矩较大的伺服电动机，则可使传动链大大缩短，传动机构可进一步简化，有利于传动精度的提高。若采用闭环控制，则对传动机构制造精度的要求相对半闭环控制低，并会获得较高的控制精度，但控制系统相对复杂，造价也高。

如图 6.28 所示是一弧焊机器人工作站的焊接变位机传动简图，由计算机通过工控机控制其运动，以保证与焊接机器人的协调动作，该机技术数据见表 6.4。

图6.28　0.5 t数控焊接变位器传动简图

1—工作台面；2—齿轮；3—轴承；4—电动机； 5—端盖；6—联轴器；7—支撑轴。

表6.4　数控焊接变位机技术数据