一般的焊接機器手是由示教盒、控制盤、機器人本體及自動送絲裝置、焊接電源等部分組成。可以在計算機的控制下實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制和點位控制。還可以利用直線插補和圓弧插補功能焊接由直線及圓弧所組成的空間焊縫。弧焊機器人主要有熔化極焊接作業(yè)和非熔化極焊接作業(yè)兩種類型，具有可長期進(jìn)行焊接作業(yè)、保證焊接作業(yè)的高生產(chǎn)率、高質(zhì)量和高穩(wěn)定性等特點。隨著技術(shù)的發(fā)展，弧焊機器人人正向著智能化的方向發(fā)展。

焊接機器手系統(tǒng)基本組成如下：機器人本體、控制系統(tǒng)、示教器、焊接電源、焊槍、焊接夾具、安全防護(hù)設(shè)施。

系統(tǒng)組成還可根據(jù)焊接方法的不同以及具體待焊工件焊接工藝要求的不同等情況，選擇性擴展以下裝置：送絲機、清槍剪絲裝置、冷卻水箱、焊劑輸送和回收裝置（SAW時）、移動裝置、焊接變位機、傳感裝置、除塵裝置等。

焊接機器手是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業(yè)機器人。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）工業(yè)機器人屬于標(biāo)準(zhǔn)焊接機器手的定義，工業(yè)機器人是一種多用途的、可重復(fù)編程的自動控制操作機（Manipulator），具有三個或更多可編程的軸，用于工業(yè)自動化領(lǐng)域。為了適應(yīng)不同的用途，機器人個軸的機械接口，通常是一個連接法蘭，可接裝不同工具或稱末端執(zhí)行器。焊接機器手就是在工業(yè)機器人的末軸法蘭裝接焊鉗或焊（割）槍的，使之能進(jìn)行焊接，切割或熱噴涂。

 

簡介

 

隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)、數(shù)控及機器人技術(shù)的發(fā)展，自動焊接機器手, 從60年代開始用于生產(chǎn)以來，其技術(shù)已日益成熟，主要有以下優(yōu)點：

1）穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量，能將焊接質(zhì)量以數(shù)值的形式反映出來；

2）提高勞動生產(chǎn)率；

3）改善工人勞動強度，可在有害環(huán)境下工作；

4）降低了對工人操作技術(shù)的要求；

5）縮短了產(chǎn)品改型換代的準(zhǔn)備周期，減少相應(yīng)的設(shè)備投資。

因此，在各行各業(yè)已得到了廣泛的應(yīng)用。

組成結(jié)構(gòu)

焊接機器手主要包括機器人和焊接設(shè)備兩部分。機器人由機器人本體和控制柜（硬件及軟件）組成。而焊接裝備，以弧焊及點焊為例，則由焊接電源，（包括其控制系統(tǒng)）、送絲機（弧焊）、焊槍（鉗）等部分組成。對于智能機器人還應(yīng)有傳感系統(tǒng)，如激光或攝像傳感器及其控制裝置等。圖1a、b表示弧焊機器人和點焊機器人的基本組成。

世界各國生產(chǎn)的焊接用機器人基本上都屬關(guān)節(jié)機器人，絕大部分有6個軸。其中，1、2、3軸可將末端工具送到不同的空間位置，而4、5、6軸解決工具姿態(tài)的不同要求。焊接機器手本體的機械結(jié)構(gòu)主要有兩種形式：一種為平行四邊形結(jié)構(gòu)，一種為側(cè)置式（擺式）結(jié)構(gòu)，如圖2a、b所示。側(cè)置式（擺式）結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點是上、下臂的活動范圍大，使機器人的工

 

作空間幾乎能達(dá)一個球體。因此，這種機器人可倒掛在機架上工作，以節(jié)省占地面積，方便地面物件的流動。但是這種側(cè)置式機器人，2、3軸為懸臂結(jié)構(gòu)，降低機器人的剛度，一般適用于負(fù)載較小的機器人，用于電弧焊、切割或噴涂。平行四邊形機器人其上臂是通過一根拉桿驅(qū)動的。拉桿與下臂組成一個平行四邊形的兩條邊。故而得名。早期開發(fā)的平行四邊形機器人工作空間比較小（局限于機器人的前部），難以倒掛工作。但80年代后期以來開發(fā)的新型平行四邊形機器人（平行機器人），已能把工作空間擴大到機器人的頂部、背部及底部，又沒有測置式機器人的剛度問題，從而得到普遍的重視。這種結(jié)構(gòu)不僅適合于輕型也適合于重型機器人。近年來點焊用機器人（負(fù)載100～150kg）大多選用平行四邊形結(jié)構(gòu)形式的機器人。

上述兩種機器人各個軸都是作回轉(zhuǎn)運動，故采用伺服電機通過擺線針輪（RV）減速器（1～3軸）及諧波減速器（1～6軸）驅(qū)動。在80年代中期以前，對于電驅(qū)動的機器人都是用直流伺服電機，而80年代后期以來，各國先后改用交流伺服電機。由于交流電機沒有碳刷，動特性好，使新型機器人不僅事故率低，而且免維修時間大為增長，加（減）速度也快。一些負(fù)載16kg以下的新的輕型機器人其工具中心點（TCP）的運動速度可達(dá)3m/s以上，定位準(zhǔn)確，振動小。同時，機器人的控制柜也改用32位的微機和新的算法，使之具有自行優(yōu)化路徑的功能，運行軌跡更加貼近示教的軌跡。

 

特點

 

點焊對焊接機器手的要求不是很高。因為點焊只需點位控制，至于焊鉗在點與點之間的移動軌跡沒有嚴(yán)格要求，這也是機器人只能用于點焊的原因。點焊用機器人不僅要有足夠的負(fù)載能力，而且在點與點之間移位時速度要快捷，動作要平穩(wěn)，定位要準(zhǔn)確，以減少移位的時間，提高工作效率。點焊機器人需要有多大的負(fù)載能力，取決于所用的焊鉗形式。對于用與變壓器分離的焊鉗，30～45kg負(fù)載的機器人就足夠了。但是，這種焊鉗一方面由于二次電纜線長，電能損耗大，也不利于機器人將焊鉗伸入工件內(nèi)部焊接；另一方面電纜線隨機器人運動而不停擺動，電纜的損壞較快。因此，目前逐漸增多采用一體式焊鉗。這種焊鉗連同變壓器質(zhì)量在70kg左右。考慮到機器人要有足夠的負(fù)載能力，能以較大的加速度將焊鉗送到空間位置進(jìn)行焊接，一般都選用100～150kg負(fù)載的重型機器人。為了適應(yīng)連續(xù)點焊時焊鉗短距離快速移位的要求。新的重型機器人增加了可在0.3s內(nèi)完成50mm位移的功能。這對電機的性能，微機的運算速度和算法都提出更高的要求。

 

結(jié)構(gòu)設(shè)計

 

由于所設(shè)計的焊接機器手是在準(zhǔn)平面、空間狹窄的環(huán)境下工作，為了保證機器人能根據(jù)電弧傳感器的偏差信息，跟蹤焊縫自動焊接，要求所設(shè)計的機器人應(yīng)該結(jié)構(gòu)緊湊、移動靈活且工作穩(wěn)定．文中針對狹窄空間特點，開發(fā)了一種小型移動焊接機器手，根據(jù)機器人各結(jié)構(gòu)的運動特點，運用模塊化設(shè)計方法，把機器人機構(gòu)分為輪式移動平臺、焊炬調(diào)節(jié)機構(gòu)和電弧傳感器三部分。其中，輪式移動平臺由于其慣性大，響應(yīng)慢，主要對焊縫進(jìn)行粗跟蹤，焊炬調(diào)節(jié)機構(gòu)負(fù)責(zé)焊縫精確跟蹤，電弧傳感器完成焊縫偏差實時識別．另外，機器人控制器和電機驅(qū)動器集成安裝于機器人移動平臺上，使其體積更小。同時，為了減少惡劣焊接環(huán)境下粉塵對運動部件影響，采用全封閉式結(jié)構(gòu)，提高其系統(tǒng)可靠性裝備

點焊機器人的焊接裝備，由于采用了一體化焊鉗，焊接變壓器裝在焊鉗后面，所以變壓器必須盡量小型化。對于容量較小的變壓器可以用50Hz工頻交流，而對于容量較大的變壓器，已經(jīng)開始采用逆變技術(shù)把50Hz工頻交流變?yōu)?00～700Hz交流，使變壓器的體積減少、減輕。變壓后可以直接用600～700Hz交流電焊接，也可以再進(jìn)行二次整流，用直流電焊接。焊接參數(shù)由定時器調(diào)節(jié)，參見圖1b。新型定時器已經(jīng)微機化，因此機器人控制柜可以直接控制定時器，無需另配接口。點焊機器人的焊鉗，通常用氣動的焊鉗，氣動焊鉗兩個電極之間的開口度一般只有兩級沖程。而且電極壓力一旦調(diào)定后是不能隨意變化的。近年來出現(xiàn)一種新的電伺服點焊鉗，如圖4所示。焊鉗的張開和閉合由伺服電機驅(qū)動，碼盤反饋，使這種焊鉗的張開度可以根據(jù)實際需要任意選定并預(yù)置。而且電極間的壓緊力也可以無級調(diào)節(jié)。這種新的電伺服點焊鉗具有如下優(yōu)點：

1）每個焊點的焊接周期可大幅度降低，因為焊鉗的張開程度是由機器人精確控制的，機器人在點與點之間的移動過程、焊鉗就可以開始閉合；而焊完一點后，焊鉗一邊張開，機器人就可以一邊位移，不必等機器人到位后焊鉗才閉合或焊鉗*張開后機器人再移動；

2）焊鉗張開度可以根據(jù)工件的情況任意調(diào)整，只要不發(fā)生碰撞或干涉盡可能減少張開度，以節(jié)省焊鉗開度，以節(jié)省焊鉗開合所占的時間。

3）焊鉗閉合加壓時，不僅壓力大小可以調(diào)節(jié)，而且在閉合時兩電極是輕輕閉合，減少撞擊變形和噪聲。

 

焊接應(yīng)用

 

如果工件在整個焊接過程中無需變位，就可以用夾具把工件定位在工作臺面上，這種系統(tǒng)既是不過的了。但在實際生產(chǎn)中，更多的工件在焊接時需要變位，使焊縫處在較好的位置（姿態(tài)）下焊接。對于這種情況，變位機與機器人可以是分別運動，即變位機變位后機器人再焊接；也可以是同時運動，即變位機一邊變位，機器人一邊焊接，也就是常說的變位機與機器人協(xié)調(diào)運動。這時變位機的運動及機器人的運動復(fù)合，使焊槍相對于工件的運動既能滿足焊縫軌跡又能滿足焊接速度及焊槍姿態(tài)的要求。實際上這時變位機的軸已成為機器人的組成部分，這種焊接機器手系統(tǒng)可以多達(dá)7-20個軸，或更多。的機器人控制柜可以是兩臺機器人的組合作12個軸協(xié)調(diào)運動。其中一臺是焊接機器手、另一臺是搬運機器人作變位機用。

 

對焊接機器手工作站進(jìn)一步細(xì)分，可得以下四種：

 

1.1 箱體焊接機器手工作站是專門針對箱柜行業(yè)中，生產(chǎn)量大，焊接質(zhì)量及尺寸要求高的箱體焊接開發(fā)的機器人工作站專用裝備。

箱體焊接機器手工作站由弧焊機器人、焊接電源、焊槍送絲機構(gòu)、回轉(zhuǎn)雙工位變位機、工裝夾具和控制系統(tǒng)組成。該工作站適用于各式箱體類工件的焊接，在同一工作站內(nèi)通過使用不停的夾具可實現(xiàn)多品種的箱體自動焊接，焊接的相對位置高。由于采用雙工位變位機，焊接的同時，其他工位可拆裝工件，極大的提高了焊接效率。由于采用了MIG脈沖過渡或CMT冷金屬過渡焊接工藝方式進(jìn)行焊接，使焊接過程中熱輸入量大大減少，保證產(chǎn)品焊接后不變形，通過調(diào)整焊接規(guī)范和機器人焊接姿態(tài)，保證產(chǎn)品焊縫質(zhì)量好，焊縫美觀，特別對于密封性要求高的不銹鋼氣室，焊接后保證氣室氣體不泄露。通過設(shè)置控制系統(tǒng)中的品種選擇參數(shù)并更換工作夾具，可實現(xiàn)多個品種箱體的自動焊接。

用不同工作范圍的弧焊機器人和相應(yīng)尺寸的變位機，工作站可以滿足焊縫長度在2000mm左右的各類箱體的焊接要求。焊接速度3－10mm/s，根據(jù)箱體基本材料，焊接工藝采用不同類型的氣體保護(hù)焊。該工作站還廣泛用于電力、電氣、機械、汽車等行業(yè)。

1.2 不銹鋼氣室機器人柔性激光焊接加工設(shè)備是針對不銹鋼焊接變形量比較大，密封性要求高的箱體類工件焊接開發(fā)的的柔性機器人激光焊接加工設(shè)備。　該加工設(shè)備是由機器人、激光發(fā)生器機組、水冷卻機組、激光掃描跟蹤系統(tǒng)、柔性變位機、工裝夾具、安全護(hù)欄、吸塵裝置和控制系統(tǒng)等組成，通過設(shè)置控制系統(tǒng)中的品種選擇參數(shù)并更換工裝夾具，可實現(xiàn)多個品種的不銹鋼氣室類工件的自動焊接。

1.3 軸類焊接機器手工作站是專門針對低壓電器行業(yè)中式斷路器中的轉(zhuǎn)軸焊接開發(fā)的專用設(shè)備，推出了一套專用的轉(zhuǎn)軸焊接機器手工作站。

軸類焊接機器手工作站由弧焊機器人、焊接電源、焊槍送絲機構(gòu)、回轉(zhuǎn)雙工位變位機、工裝夾具和控制系統(tǒng)組成。該工作站用于以轉(zhuǎn)軸為基體（上置若干懸臂）的各類工件的焊接，在同一工作站內(nèi)通過使用不同的夾具可實現(xiàn)多品種的轉(zhuǎn)軸自動焊接。焊接的現(xiàn)對位置精度很高。由于采用雙工位變位機，焊接的同時，其他工位可拆裝工件，極大的提高了效率。

技術(shù)指標(biāo)：轉(zhuǎn)軸直徑：Ф10－50mm，長度300－900mm，焊接速度3－5mm/s，焊接工藝采用MAG混合氣體保護(hù)焊，變位機回轉(zhuǎn)，變位精度達(dá)0.05mm。

廣泛應(yīng)用于高質(zhì)量、高精度的以轉(zhuǎn)軸的各類工件焊接，適用于電力、電氣、機械、汽車等行業(yè)。如果采用手工電弧焊進(jìn)行轉(zhuǎn)軸焊接，工人勞動強度極大，產(chǎn)品的一致性差，生產(chǎn)效率低，僅為2－3件/小時。采用自動焊接工作站后，產(chǎn)量可達(dá)到15－20件/小時，焊接質(zhì)量和產(chǎn)品的一致性也大幅度的提高。

軸類焊接機器手工作站 低壓電器轉(zhuǎn)軸

1.4 機器人焊接螺柱工作站

機器人焊接螺柱工作站針對復(fù)雜零件上具有不同規(guī)格螺柱采用機器人將螺柱焊接到工件上。該工作站主要由機器人、螺柱焊接電源、自動送釘機、機器人自動螺柱焊槍、變位機、工裝夾具、自動換槍裝置、自動檢測軟件、控制系統(tǒng)和安全護(hù)欄等組成，通過自動送釘機將螺柱送到機器人自動焊槍里面，通過編程將機器人在工件上示教的路徑，將不同規(guī)格的螺柱焊接到工件上。可以采用儲能焊接或拉弧焊接將螺柱牢牢的焊接到工件上，保證焊接精度和焊接強度。焊接效率大約3-10個/分鐘，螺柱規(guī)格：直徑3-8mm，長度：5-40mm。

 

生產(chǎn)線

 

焊接機器手生產(chǎn)線比較簡單的是把多臺工作站（單元）用工件輸送線連接起來組成一條生產(chǎn)線。這種生產(chǎn)線仍然保持單站的特點，即每個站只能用選定的工件夾具及焊接機器手的程序來焊接預(yù)定的工件，在更改夾具及程序之前的一段時間內(nèi)，這條線是不能焊其他工件的。

另一種是焊接柔性生產(chǎn)線（FMS-W）。柔性線也是由多個站組成，不同的是被焊工件都裝卡在統(tǒng)一形式的托盤上，而托盤可以與線上任何一個站的變位機相配合并被自動卡緊。焊接機器手系統(tǒng)首先對托盤的編號或工件進(jìn)行識別，自動調(diào)出焊接這種工件的程序進(jìn)行焊接。這樣每一個站無需作任何調(diào)整就可以焊接不同的工件。焊接柔性線一般有一個軌道子母車，子母車可以自動將點固好的工件從存放工位取出，再送到有空位的焊接機器手工作站的變位機上。也可以從工作站上把焊好的工件取下，送到成品件流出位置。整個柔性焊接生產(chǎn)線由一臺調(diào)度計算機控制。因此，只要白天裝配好足夠多的工件，并放到存放工位上，夜間就可以實現(xiàn)無人或少人生產(chǎn)了。

工廠選用哪種自動化焊接生產(chǎn)形式，必須根據(jù)工廠的實際情況及素要而定。焊接專機適合批量大，改型慢的產(chǎn)品，而且工件的焊縫數(shù)量較少、較長，形狀規(guī)矩（直線、圓形）的情況；焊接機器手系統(tǒng)一般適合中、小批量生產(chǎn)，被焊工件的焊縫可以短而多，形狀較復(fù)雜。柔性焊接線特別適合產(chǎn)品品種多，每批數(shù)量又很少的情況，目前國外企業(yè)正在大力推廣無（少）庫存，按訂單生產(chǎn)（JIT）的管理方式，在這種情況下采用柔性焊接線是比較合適的。

 

在汽車生產(chǎn)中應(yīng)用

 

焊接機器手目前已廣泛應(yīng)用在汽車制造業(yè)，汽車底盤、座椅骨架、導(dǎo)軌、消聲器以及液力變矩器等焊接，尤其在汽車底盤焊接生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。豐田公司已決定將點焊作為標(biāo)準(zhǔn)來裝備其日本國內(nèi)和海外的所有點焊機器人。用這種技術(shù)可以提高焊接質(zhì)量，因而甚至試圖用它來代替某些弧焊作業(yè)。在短距離內(nèi)的運動時間也大為縮短。該公司最近推出一種高度低的點焊機器人，用它來焊接車體下部零件。這種矮小的點焊機器人還可以與較高的機器人組裝在一起，共同對車體上部進(jìn)行加工，從而縮短了整個焊接生產(chǎn)線長度。國內(nèi)生產(chǎn)的桑塔納、帕薩特、別克、賽歐、波羅等后橋、副車架、搖臂、懸架、減振器等轎車底盤零件大都是以MIG焊接工藝為主的受力安全零件，主要構(gòu)件采用沖壓焊接，板厚平均為1.5～4mm，焊接主要以搭接、角接接頭形式為主，焊接質(zhì)量要求相當(dāng)高，其質(zhì)量的好壞直接影響到轎車的安全性能。應(yīng)用機器人焊接后，大大提高了焊接件的外觀和內(nèi)在質(zhì)量，并保證了質(zhì)量的穩(wěn)定性和降低勞動強度，改善了勞動環(huán)境。

 

在水下的應(yīng)用

 

作為海洋工程裝備技術(shù)的重要組成部分，海洋焊接如今已成為海洋資源開發(fā)和海洋工程建設(shè)*的基礎(chǔ)和支撐技術(shù)。經(jīng)過大量的工藝試驗和配方調(diào)整，研發(fā)的焊接材料以及水下焊接專用設(shè)備，已成功應(yīng)用于勝利油田海上采油平臺、港珠澳大橋等海洋工程。

 

基本功能

 

弧焊過程比點焊過程要復(fù)雜得多，工具中心點（TCP），也就是焊絲端頭的運動軌跡、焊槍姿態(tài)、焊接參數(shù)都要求精確控制。所以，弧焊用機器人除了前面所述的一般功能外，還必須具備一些適合弧焊要求的功能。

雖然從理論上講，有5個軸的機器人就可以用于電弧焊，但是對復(fù)雜形狀的焊縫，用5個軸的機器人會有困難。因此，除非焊縫比較簡單，否則應(yīng)盡量選用6軸機器人。

弧焊機器人除前面圖2提及的在作“之”字形拐角焊或小直徑圓焊縫焊接時，其軌跡應(yīng)能貼近示教的軌跡之外，還應(yīng)具備不同擺動樣式的軟件功能，供編程時選用，以便作擺動焊，而且擺動在每一周期中的停頓點處，機器人也應(yīng)自動停止向前運動，以滿足工藝要求。此外，還應(yīng)有接觸尋位、自動尋找焊縫起點位置、電弧跟蹤及自動再引弧功能等。

 

焊接設(shè)備

 

弧焊機器人多采用氣體保護(hù)焊方法（MAG、MIG、TIG），通常的晶閘管式、逆變式、波形控制式、脈沖或非脈沖式等的焊接電源都可以裝到機器人上作電弧焊。由于機器人控制柜采用數(shù)字控制，而焊接電源多為模擬控制，所以需要在焊接電源與控制柜之間加一個接口。近年來，國外機器人生產(chǎn)廠都有自己特定的配套焊接設(shè)備，這些焊接設(shè)備內(nèi)已經(jīng)播人相應(yīng)的接口板、所以在圖1a中的弧焊機器人系統(tǒng)中并沒有附加接口箱。應(yīng)該指出，在弧焊機器人工作周期中電弧時間所占的比例較大，因此在選擇焊接電源時，一般應(yīng)按持續(xù)率來確定電源的容量。

送絲機構(gòu)可以裝在機器人的上臂上，也可以放在機器人之外，前者焊槍到送絲機之間的軟管較短，有利于保持送絲的穩(wěn)定性，而后者軟管校長，當(dāng)機器人把焊槍送到某些位置，使軟管處于多彎曲狀態(tài)，會嚴(yán)重影響送絲的質(zhì)量。所以送絲機的安裝方式一定要考慮保證送絲穩(wěn)定性的問題。

 

維護(hù)保養(yǎng)

 

一.日檢查及維護(hù)

1.送絲機構(gòu)。包括送絲力距是否正常，送絲導(dǎo)管是否損壞，有無異常報警。2.氣體流量是否正常。3.焊槍安全保護(hù)系統(tǒng)是否正常。(禁止關(guān)閉焊槍安全保護(hù)工作)4.水循環(huán)系統(tǒng)工作是否正常。5.測試TCP(建議編制一個測試程序，每班交接后運行)

二.周檢查及維護(hù)

1.擦洗機器人各軸。2.檢查TCP的精度。3.檢查清渣油油位。4.檢查機器人各軸零位是否準(zhǔn)確。5.清理焊機水箱后面的過濾網(wǎng)。6.清理壓縮空氣進(jìn)氣口處的過濾網(wǎng)。7.清理焊槍噴嘴處雜質(zhì)，以免堵塞水循環(huán)。8.清理送絲機構(gòu)，包括送絲輪，壓絲輪，導(dǎo)絲管。9.檢查軟管束及導(dǎo)絲軟管有無破損及斷裂。(建議取下整個軟管束用壓縮空氣清理)10.檢查焊槍安全保護(hù)系統(tǒng)是否正常，以及外部急停按鈕是否正常。

三.月檢查及維護(hù)

1.潤滑機器人各軸。其中1—6軸加白色的潤滑油。油號86E006。2.RP變位機和RTS軌道上的紅色油嘴加黃油。油號：86K007 3.RP變位機上的藍(lán)色加油嘴加灰色的導(dǎo)電脂。油號：86K004 4.送絲輪滾針軸承加潤滑油。(少量黃油即可)5.清理清槍裝置，加注氣動馬達(dá)潤滑油。(普通機油即可)6.用壓縮空氣清理控制柜及焊機。7.檢查焊機水箱冷卻水水位，及時補充冷卻液(純凈水加少許工業(yè)酒精即可)8.完成1—8項的工作外，執(zhí)行周檢的所有項目。