焊接機器人在工程中的應用

夏旭新

(中國航天科技集團公司 長征機械廠，四川 萬源 636371)

焊接機器人在工程中的應用

夏旭新

(中國航天科技集團公司 長征機械廠，四川 萬源 636371)

針對大型復雜曲面鋁合金結構焊接的機器人工作站，從項目規劃、工裝夾具設計、現場安裝調試、工藝試驗，到工程應用中存在的具體問題，進行了分析和改進。并通過生產應用和實例驗證，取得了預期的效果。

大型復雜曲面；鋁合金結構；焊接機器人；工裝夾具；重復定位精度

0 前言

焊接機器人是從事焊接加工的工業機器人，主要包括機器人和焊接設備兩部分。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，以弧焊為例，則由焊接電源(包括其控制系統)、送絲機(弧焊)、焊槍(鉗)等部分組成。對于智能機器人，還應有傳感系統，如激光或攝像傳感器及其控制裝置等[1-2]。

焊接機器人應用技術是機器人技術、焊接技術和系統工程技術的融合，焊接機器人能否在實際生產中得到應用，發揮其優越性，取決于人們對上述技術的融合程度[3]。焊接機器人的研究已經歷了三個階段：包括示教再現、離線編程和自主編程的智能機器人，當前的應用水平處于第二階段[3]。示教型焊接機器人具有焊縫軌跡重復性好，焊縫質量穩定性高，柔性好等優點，已廣泛應用于汽車、工程機械、通用機械和兵器工業等領域。但在大型焊接結構生產應用中仍存在著不少問題，需要進一步的改進和提高，尤其是對于大型復雜曲面鋁合金結構而言，推廣與使用焊接機器人技術有相當大的難度。如不從系統集成角度去設計和規劃，會使整個項目處于停頓，給企業造成經濟損失。

1 機器人工作站規劃設計

機器人工作站制造商必須對用戶要求用機器人焊接的工件有所了解和掌握，特別是用戶現有的工藝制造方法，根據工件焊接材料性質、產品結構、焊接質量要求，規劃設計出機器人工作站可實施的方案。

1.1 機器人選型

機器人工作站常用的為六軸機器人，根據焊接工件結構、焊縫位置、焊接方法(TIG、MIG、MAG、CO2)、機器人焊接過程、路徑，以TIG焊為例，為使焊縫熔池調整到近似水平、船形等最佳位置，應使焊槍近似垂直熔池，或需配置外部軸或機器人滑臺，以確定空間軌跡的協調方式。常用的工件變位機有一軸或兩軸，常用的機器人滑臺有一軸、兩軸、三軸。根據工件焊縫結構和空間位置，初步估算出所設計焊接工件的定位裝置、裝配模臺、焊接夾具大小和質量。初步計算出三者的總質量和轉動慣量，確定變位機結構型式、驅動方式，減速機的傳動比、轉矩等。減速機構常用的有RV減速機、諧波減速機等。根據傳動轉矩、傳動速度，確定外部軸的輸出功率。

機器人的工作空間位置有一定限度，從說明書提供的軌跡圖看，有些空間位置是焊接無法進行有效工作的。確定機器人的安裝方式(常用的有立式、側壁、倒掛)，依據變位機安裝上模臺、工件、焊接夾具后的結構，確定是否需要滑臺，最好使用專業協調軟件，模擬上述兩者(機器人與變位機)、三者(機器人與變位機、滑臺)之間的協調運動，根據模擬協調運動結果，初步確定機器人的安裝方式、操作臂長短、變位機結構、滑臺結構以及三者之間的相對安裝位置。

根據機器人焊接工件要求，配置相應的焊槍、送絲機及附加傳感器(AVC、激光)，各部件質量相加，初步確定機器人手腕承重。

依據確定的不同焊接方式所需配置的焊接電源接口、附加的傳感器(AVC、激光)接口、以太網接口、機器人與周邊設備接口，初步確定機器人的通信接口方式。

通過以上選擇初步確定機器人的規格和型號，配置的外部軸數量、功率大小以和減速機的數量、傳動比及輸出轉矩。

1.2 焊接工藝裝備確定

1.2.1 工裝夾具

一般來說，機器人適合于大批量生產應用，重復性好，但對焊接工件的一致性、裝夾、定位有著很高的精度和位置要求，工件裝配模臺、焊接夾具的設計至關重要，既要保證焊接工件在模臺上精確定位，又要保證貼合良好，還能給焊縫提供足夠的拘束力，對焊槍和機器人操作臂運動軌跡不產生干涉。大部分的焊接定位裝置、壓緊裝置，選用氣動結構較多，少部分選用液壓或手動。根據工件焊接要求，在裝配模臺上鑲有合適的焊漏墊板(如選用不銹鋼或紫銅等)。

1.2.2 變位機

變位機承載著定位裝置、裝配模臺、焊接工件和焊接夾具，既要有穩定的支撐性，又要有良好的傳動性和較小的傳動誤差，確保機器人的重復定位精度接近于±0.2 mm。變位機的協調位置精度對機器人焊接至關重要。初步設計中盡量減輕定位裝置、裝配模臺、焊接夾具的質量，以減少變位機的承重，并盡量降低重心，以減小轉動慣量。選用回差小、傳動精度高的減速機及齒輪、齒圈。使變位機整體轉動慣性小，加減速度響應快等[4]。

1.2.3 機器人工作滑臺

對于大型結構的焊接，在空間的某些位置，焊槍自身是無法達到的，只能靠外部軸來改變機器人底座位置，使焊槍達到這些位置并保證槍姿。機器人滑臺常用的有：一自由度的上下Z滑臺、兩自由度的X-Y滑臺、三自由度的X-Y-Z滑臺。對兩個以上工位的，可采用工位轉臺，剛性好。若選用變頻電機驅動轉臺，要有定位檢測鎖緊裝置。

1.2.4 焊接系統

根據工件焊接技術要求，配置相應的焊接設備系統，包括：焊接電源、焊槍、送絲機、冷卻循環水箱等，有條件的可額外配置AVC弧長調節器、焊縫起始點尋找傳感器、激光焊縫軌跡跟蹤器等。

根據焊接工件材料和厚度，確定焊接電流大致范圍與負載持續率，配置機器人專用電源，或大功率變極性電源。根據焊絲材料、直徑大小、送絲精度要求，選擇推式、拉式、推-拉式等機器人專用送絲機。

2 機器人工作站的安裝調試

機器人工作站的安裝調試，涉及機械、電氣、焊接操作及人員的安全。

2.1 抗干擾措施

焊接系統內部存在很大的干擾源，比如焊接電源的高頻高壓引弧，對機器人控制柜內的計算機運行及數據傳輸影響很大。雖然，機器人在程序設計、軟件編寫、控制柜內的板卡安裝和布線等方面，已經具備了諸多濾波和抗干擾措施，例如有的與周邊控制器采用光纖傳輸，但機器人安裝手冊上還是特別要求抑制高頻干擾。在廠房外埋設幾根專用地線，電阻一般不大于4.0 Ω，分別連接到機器人本體、機器人控制柜、焊接電源、焊接工裝等，黃／綠導線截面不小于8.0mm2。機器人供電電壓也有一定的要求，在電源電壓波動超過10%的場合，應配接三相穩壓電源。

2.2 工件裝配模臺、變位機、滑臺、機器人安裝

機械電氣設計應包括設計任務書、總裝配圖、部件裝配圖、零件圖、電氣原理圖、電氣布線圖、地基圖、安裝技術要求、主要購置件說明書等。

按地基圖要求，埋設好預置件。在安裝變位機、裝配模臺、工件定位裝置、龍門架、滑臺等過程中，應使用水平儀或經緯儀進行精度檢測，使機械安裝精度達到設計要求。按電氣布線圖完成機器人動力電纜、控制電纜安裝與連接，以及焊槍電纜、焊槍安裝；機器人與焊接電源通信接口電纜安裝；機器人與周邊控制柜(設備)通信接口電纜安裝。最終完成送絲機和導管安裝，冷卻水管、保護氣管、傳感器控制電纜等安裝，焊接電源、焊接地線電纜和冷卻循環水箱的安裝。

2.3 機器人外部軸標定

機器人本體六個軸在制造過程中已標定好，外部軸需在現場標定。外部軸標定依據花盤、工件裝配模臺或工件的幾何體形狀與機器人滑臺、機器人底座之間的相對位置，在空間建立直角坐標系X-YZ，在水平位置上，利用機器人第六軸上的工具中心點(TCP)對準接觸花盤、工件定位裝置、裝配模臺或工件上的某些特定幾何點，并記錄。待特定幾何點旋轉、翻轉、某一角度，工具中心點(TCP)在對準接觸這些特定幾何點，并記錄，重復校準上述過程若干次后，接著輸入外部軸的有關參數：如電機型號、總減速比、運動范圍、偏置(offset)等，最終完成標定。

2.4 焊接試驗

在花盤或裝配模臺上放置焊接工件試片并用夾具緊固。按試片材料板厚、大小，編制示教焊接程序，檢查機器人與變位機、滑臺協調運動的軌跡，并測量其偏差，看是否能滿足使用要求，若偏差過大，應對工具中心點(TCP)進行校準，直到滿足要求為止。起弧焊接時，檢查焊漏墊板、焊接夾具、AVC弧長調節器、激光傳感器、起始點尋跡傳感器能否滿足使用要求。

3 工程應用

上面主要描述了焊接機器人方案規劃、安裝調試等方面的內容，接下來將敘述焊接機器人在工程實際應用中存在的問題和解決方法。

與人工焊接相比，機器人焊接因一致性好，產品焊接質量穩定可靠，大批量生產中能顯著降低工人勞動強度，在汽車、工程機械等行業應用較多，并取得了顯著的經濟效益。但在單件、大型結構件、小批量生產中，機器人焊接應用較少，主要是因為機器人工作站設備投資相對較高。與人工焊接相比機器人焊接缺少靈活性，而且機器人焊接技術要比普通半自動焊接專機復雜得多，對操作者的專業素質和技能要求較高。有些企業即使購置了機器人工作站，很長時間都沒有投入使用或很少使用，問題可能主要是研制過程中經費不足，方案規劃、設計制造不合理等原因造成。

3.1 存在問題分析

(1)變位機設計不合理，導致機器人操作臂旋轉、翻轉中，重復定位誤差增加或過大，精度達不到使用要求，翻轉軸撓度大，剛性不足等。

變位機的作用在于工件焊接過程中，使焊縫熔池始終對準并近似垂直焊槍。常見問題表現為傳動精度低、剛性差。變位機動力驅動選用的是與機器人配套的伺服電機，伺服電機傳動精度高、加減速度快，與普通電機驅動相比，要求傳動系統齒隙間隙小、回差小，轉動軸剛性好，整體轉動慣量低。否則，會出現重復定位誤差增加或過大、傳動軸剛性不足、翻轉軸撓度大、整體晃動大等問題。

(2)機器人使用自由度不夠，某些焊縫位置焊槍沒法達到或位姿無法調整。

機器人使用自由度的作用是使焊槍到達焊縫位置，按示教軌跡實現直線、曲線移動，并保證位姿不變。常見問題表現為某些位置達不到或位姿無法調整，或在工作區域范圍內，直線或曲線軌跡不能連續，在示教盒上常出現報警信息。

機器人是按照插補的原理，實現點、直線、圓弧的軌跡運行；為使第六軸端點按軌跡勻速移動，六個軸的旋轉角度、旋轉速度，時刻都在變化，通過對軌跡位移、方向的計算，時刻調整六個軸的旋轉角度、旋轉速度。在第六軸端點處于某一位置、某一姿態時，六個軸中的某一、二個軸可能會出現速度急劇上升或下降趨勢，從而導致系統報警、伺服掉電，使端點(焊槍)停止移動，這是機器人軌跡運動中的奇點，這時只要任意改變一兩個軸的轉角，就可避開。

從六軸機器人工作原理來講，一、二、三軸用來使第六軸端點(TCP)到達指定位置；四、五、六軸用來調整端點(TCP)位姿。但在實際應用中，有時位置不但要靠四、五、六軸調整、還要借助一、二、三軸調整。調焊槍(如：TIG焊)位姿時，六軸聯動，機器人本體調整不過來時，需用機器人滑臺參與調整。

(3)用于機器人焊接的工件裝配模臺、焊接夾具，不能沿用手工焊接的裝夾技術或手工焊用的裝配模臺。

機器人焊接用工裝夾具設計不合理，設計思路還停留在手工焊接的工裝夾具上。工件裝配模臺、焊接夾具復雜笨重，為防止工件焊接變形，而增加模臺、夾具剛性，從而不得不增加筋梁框架的板厚和模臺表面壁厚，使得變位機承載增加，系統造價上升。

(4)為保證焊透，不得不開焊縫大坡口，減少鈍邊，坡口裝配留有間隙，從而導致焊縫呈形不均勻，咬邊嚴重，間隙大的地方易打洞或燒墊板，使焊接難以繼續下去。

焊縫坡口開大、鈍邊小、裝配間隙大，焊接過程中填充金屬相對較多，焊縫冷卻后，會增大焊縫收縮量，從而導致焊接變形應力增加，工件變形嚴重，錯縫、錯邊。同時，也增加了裝配模臺、焊接夾具的損耗。

機器人焊接屬自動焊接，不同于手工焊接，焊接線能量比手工焊接低，產生的焊接變形應力也比手工焊低，裝配要求、裝配精度要比手工焊高得多。在應變能力上，機器人的手臂不如人的手臂，電腦不如人腦，機器人是通過示教編程，而人的眼-腦-手組成了一個高級閉環系統。手工焊接速度相對較慢，焊接過程中能根據熔池液面狀況，隨時調整焊槍移動量、送絲量。在工件裝配中，焊縫坡口下料不直或不均勻，裝配間隙過大、過小，手工焊接都可以彌補，而機器人焊接不行。

上述問題反映出機器人焊接工藝技術特點以及與手工焊接方法或普通半自動焊接專機方法的不同之處。

3.2 改進實例

以下所舉的實例為大型結構件的機器人焊接生產提供論證與改進經驗。

某單位有一臺九軸機器人工作站，機器人型號：Almega EX-V6L，主要用于鋁合金橢球形封頭TIG焊接，工件外形像西瓜皮，有數條縱縫和兩條環縫。工作站的應用問題出現在變位機、工件裝配模臺、焊接夾具上，表現為機器人外部軸伺服傳動誤差很大，轉動慣量較大，起／停晃動量大，顯得剛性不足；再加上氣動焊接夾具，變位機承載顯得不夠。要想徹底解決難度很大。

3.3 改進方法

針對變位機重復定位誤差較大的問題，采取示教一條，焊接一條的方式，并在焊縫軌跡上增加示教點的數量，以減少誤差。為減少焊接運行過程中焊槍抖動和變位機翻轉晃動，采取焊槍伺服于工件，除平焊外，有一定量的上坡焊與下坡焊，使變位機的翻轉量減少，翻轉角度降低。對機器人操作臂采取平緩姿態，并留有足夠的活動余量，送絲導嘴相對焊槍可旋轉一個固定角度。另外，對每條焊縫上若干個示教點的坐標值，進行記錄繪制，找出一條優化曲線(平均曲線)，對偏差較大的點進行修補校準，使焊槍與變位機的協調運動趨近平穩。這樣一來，焊接試運行過程中焊槍沒有出現抖動，變位機也沒有出現晃動，示教軌跡能夠滿足橢球曲線的焊接要求。

采用變極性TIG焊接方法時，焊接電流較半自動焊接降低10%～15%，試片焊接后與半自動焊接試片相比，抗拉強度相近，而延伸率顯著提高，焊縫收縮量減小，變形減小。從試片焊接夾具的壓條上看，螺釘緊固用力有所降低。焊接過程中，焊接內應力相對手工焊接明顯降低，對焊接工件壓緊的拘束力也可降低。為減輕變位機的承載，沿用手工焊接夾具(夾具質量只有氣動夾具質量的30%)，對工件裝配提出高于手工焊接的要求。工件(瓜瓣)坡口，按照試片焊接的要求，減小焊縫坡口尺寸，焊縫對中不留間隙。曲面形狀的工件，沒有專用機加設備，人工下料銑削、修配，難度很大。裝配質量直接影響到焊接過程、焊縫成形和焊接質量。

圓環環縫的拼焊難度很大，完全是在手工焊模臺上完成的，因為沒有合適的焊漏墊板，很多地方貼合不好，或根本貼不上，按照手工焊接順序，將圓環焊縫分成若干段。采用非同步協調，焊接時工件不轉，還是示教一條、焊一條。機器人操作臂繞圓弧面焊接，亦采用爬坡焊—平焊—下坡焊，焊完這段圓弧焊縫后，機器人回到起始點，模臺再旋轉至下一段，再進行機器人焊接。由于是手工開的坡口，很難保證裝配一致，每一段的焊接必須依照焊縫狀態重新修整、校對示教程序，并根據坡口狀況，調整送絲速度、焊接速度。第二層蓋面焊接的起弧點必須與第一層打底層起弧點位置錯開。焊接過程中實時調整焊接電流大小，否則，會出現末焊透或焊穿缺陷。

3.4 焊接試驗結果和問題分析

整個工件焊完，與手工焊接相比，焊縫成形好，沒有出現錯縫，局部有咬邊現象，可用機器人進行焊接修補。卸臺后，沒有出現未焊透情況，整個形面較手工焊接變形小。

焊完工件經X光探傷，氣孔、夾渣明顯少于手工焊接工件，只是有幾處裂紋。裂紋出現在頂蓋圓環上，由于頂蓋與圓環貼合狀態不同，頂蓋貼合緊密一些，圓環貼合則相對松一些，焊接過程中，頂蓋側散熱較圓環散熱快，使得焊縫兩邊產生的內應力不同，冷卻結晶過程中頂蓋側焊縫收縮較快，容易產生裂紋。說明焊接熱輸入量不夠，提高焊接電流5%，效果會更好。

裂紋經手工挖除修補后，工件經過水壓試驗，達到并超過設計壓力，焊接質量合格，達到了預期的目的。

3.5 安全使用

焊接機器人技術集機械工程、電子技術、數控及計算機技術于一體，結構復雜、使用靈活、生產效率高。但也存在一定的安全風險，操作不當，容易碰撞焊槍，甚至碰撞機器人本體操作臂，并有可能危及操作者自身或站內其他作業人員的生命，操作安全極其重要。焊接機器人使用，對操作者的專業素質和技能要求較高，必須經過專業培訓。焊接機器人的安全生產必須時時處處注意。

4 結論

(1)焊接機器人本體重復精度很高，但當外部軸與變位機聯接組成后，協調運動的重復定位精度可能因變位機的設計制造問題而有所降低，甚至達不到工作站的設計要求，以致影響到整個項目的完成。

(2)特別是針對較大的工藝裝備時，采用非同步協調，焊槍伺服于變位機，同樣可以滿足焊接精度要求。可使變位機的設計制造難度降低，成本下降，方法是可行的。

(3)機器人焊接不同于手工焊接或半自動專機焊接，對工件的一致性，裝配精度要求很高。

(4)機器人工作站設備及專業人員培訓投資較大，成本較高，在企業推廣有一定的難度和風險。企業工藝技術能力、員工素質，也是企業推廣使用機器人工作站需要考慮到的。

(5)機器人工作站用于部分形面堆焊、咬邊缺陷補焊是可行的。

[1]王 政.焊接工裝夾具及變位機械—性能、設計、選用[M].北京：機械工業出版社，2001.

[2]林尚揚.焊接機器人及其應用[M].北京：機械工業出版社，2000(先進焊接制造技術叢書).

[3]譚一炯，周方明，王江超，等.焊接機器人技術現狀與發展趨勢[J].電焊機，2006，36(3)：6-10.

[4]符婭波，邊美華，許先果.弧焊機器人的應用與發展[J].機器人技術與應用，2006(3)15-19.

Application of welding robot in engineering

XIA Xu-xin
(Changzhen Machinery Works，China Aerospace Science and Technology Corporation-CASC，Wanyuan 636371，China)

As to the welding robot station of large complex curved surface of aluminum alloy structure，the author have done analysis and improvements from the project planning，design of frock clamp，site installation and commissioning，process testing to concrete problems in engineering applications,and obtained the desired results through the production application and instance verification.

large complex curved surface；aluminum；welding robots；frock clamp；repeated accuracy of positioning

TG409

B

1001-2303(2011)05-0017-05

2011-03-15

夏旭新(1960—)，男，江蘇高郵人，工程師，主要從事焊接設備、工裝的調試與維修工作。