焊接机器人在工程中的应用

夏旭新

(中国航天科技集团公司 长征机械厂，四川 万源 636371)

焊接机器人在工程中的应用

夏旭新

(中国航天科技集团公司 长征机械厂，四川 万源 636371)

针对大型复杂曲面铝合金结构焊接的机器人工作站，从项目规划、工装夹具设计、现场安装调试、工艺试验，到工程应用中存在的具体问题，进行了分析和改进。并通过生产应用和实例验证，取得了预期的效果。

大型复杂曲面；铝合金结构；焊接机器人；工装夹具；重复定位精度

0 前言

焊接机器人是从事焊接加工的工业机器人，主要包括机器人和焊接设备两部分。机器人由机器人本体和控制柜(硬件及软件)组成。而焊接装备，以弧焊为例，则由焊接电源(包括其控制系统)、送丝机(弧焊)、焊枪(钳)等部分组成。对于智能机器人，还应有传感系统，如激光或摄像传感器及其控制装置等[1-2]。

焊接机器人应用技术是机器人技术、焊接技术和系统工程技术的融合，焊接机器人能否在实际生产中得到应用，发挥其优越性，取决于人们对上述技术的融合程度[3]。焊接机器人的研究已经历了三个阶段：包括示教再现、离线编程和自主编程的智能机器人，当前的应用水平处于第二阶段[3]。示教型焊接机器人具有焊缝轨迹重复性好，焊缝质量稳定性高，柔性好等优点，已广泛应用于汽车、工程机械、通用机械和兵器工业等领域。但在大型焊接结构生产应用中仍存在着不少问题，需要进一步的改进和提高，尤其是对于大型复杂曲面铝合金结构而言，推广与使用焊接机器人技术有相当大的难度。如不从系统集成角度去设计和规划，会使整个项目处于停顿，给企业造成经济损失。

1 机器人工作站规划设计

机器人工作站制造商必须对用户要求用机器人焊接的工件有所了解和掌握，特别是用户现有的工艺制造方法，根据工件焊接材料性质、产品结构、焊接质量要求，规划设计出机器人工作站可实施的方案。

1.1 机器人选型

机器人工作站常用的为六轴机器人，根据焊接工件结构、焊缝位置、焊接方法(TIG、MIG、MAG、CO2)、机器人焊接过程、路径，以TIG焊为例，为使焊缝熔池调整到近似水平、船形等最佳位置，应使焊枪近似垂直熔池，或需配置外部轴或机器人滑台，以确定空间轨迹的协调方式。常用的工件变位机有一轴或两轴，常用的机器人滑台有一轴、两轴、三轴。根据工件焊缝结构和空间位置，初步估算出所设计焊接工件的定位装置、装配模台、焊接夹具大小和质量。初步计算出三者的总质量和转动惯量，确定变位机结构型式、驱动方式，减速机的传动比、转矩等。减速机构常用的有RV减速机、谐波减速机等。根据传动转矩、传动速度，确定外部轴的输出功率。

机器人的工作空间位置有一定限度，从说明书提供的轨迹图看，有些空间位置是焊接无法进行有效工作的。确定机器人的安装方式(常用的有立式、侧壁、倒挂)，依据变位机安装上模台、工件、焊接夹具后的结构，确定是否需要滑台，最好使用专业协调软件，模拟上述两者(机器人与变位机)、三者(机器人与变位机、滑台)之间的协调运动，根据模拟协调运动结果，初步确定机器人的安装方式、操作臂长短、变位机结构、滑台结构以及三者之间的相对安装位置。

根据机器人焊接工件要求，配置相应的焊枪、送丝机及附加传感器(AVC、激光)，各部件质量相加，初步确定机器人手腕承重。

依据确定的不同焊接方式所需配置的焊接电源接口、附加的传感器(AVC、激光)接口、以太网接口、机器人与周边设备接口，初步确定机器人的通信接口方式。

通过以上选择初步确定机器人的规格和型号，配置的外部轴数量、功率大小以和减速机的数量、传动比及输出转矩。

1.2 焊接工艺装备确定

1.2.1 工装夹具

一般来说，机器人适合于大批量生产应用，重复性好，但对焊接工件的一致性、装夹、定位有着很高的精度和位置要求，工件装配模台、焊接夹具的设计至关重要，既要保证焊接工件在模台上精确定位，又要保证贴合良好，还能给焊缝提供足够的拘束力，对焊枪和机器人操作臂运动轨迹不产生干涉。大部分的焊接定位装置、压紧装置，选用气动结构较多，少部分选用液压或手动。根据工件焊接要求，在装配模台上镶有合适的焊漏垫板(如选用不锈钢或紫铜等)。

1.2.2 变位机

变位机承载着定位装置、装配模台、焊接工件和焊接夹具，既要有稳定的支撑性，又要有良好的传动性和较小的传动误差，确保机器人的重复定位精度接近于±0.2 mm。变位机的协调位置精度对机器人焊接至关重要。初步设计中尽量减轻定位装置、装配模台、焊接夹具的质量，以减少变位机的承重，并尽量降低重心，以减小转动惯量。选用回差小、传动精度高的减速机及齿轮、齿圈。使变位机整体转动惯性小，加减速度响应快等[4]。

1.2.3 机器人工作滑台

对于大型结构的焊接，在空间的某些位置，焊枪自身是无法达到的，只能靠外部轴来改变机器人底座位置，使焊枪达到这些位置并保证枪姿。机器人滑台常用的有：一自由度的上下Z滑台、两自由度的X-Y滑台、三自由度的X-Y-Z滑台。对两个以上工位的，可采用工位转台，刚性好。若选用变频电机驱动转台，要有定位检测锁紧装置。

1.2.4 焊接系统

根据工件焊接技术要求，配置相应的焊接设备系统，包括：焊接电源、焊枪、送丝机、冷却循环水箱等，有条件的可额外配置AVC弧长调节器、焊缝起始点寻找传感器、激光焊缝轨迹跟踪器等。

根据焊接工件材料和厚度，确定焊接电流大致范围与负载持续率，配置机器人专用电源，或大功率变极性电源。根据焊丝材料、直径大小、送丝精度要求，选择推式、拉式、推-拉式等机器人专用送丝机。

2 机器人工作站的安装调试

机器人工作站的安装调试，涉及机械、电气、焊接操作及人员的安全。

2.1 抗干扰措施

焊接系统内部存在很大的干扰源，比如焊接电源的高频高压引弧，对机器人控制柜内的计算机运行及数据传输影响很大。虽然，机器人在程序设计、软件编写、控制柜内的板卡安装和布线等方面，已经具备了诸多滤波和抗干扰措施，例如有的与周边控制器采用光纤传输，但机器人安装手册上还是特别要求抑制高频干扰。在厂房外埋设几根专用地线，电阻一般不大于4.0 Ω，分别连接到机器人本体、机器人控制柜、焊接电源、焊接工装等，黄／绿导线截面不小于8.0mm2。机器人供电电压也有一定的要求，在电源电压波动超过10%的场合，应配接三相稳压电源。

2.2 工件装配模台、变位机、滑台、机器人安装

机械电气设计应包括设计任务书、总装配图、部件装配图、零件图、电气原理图、电气布线图、地基图、安装技术要求、主要购置件说明书等。

按地基图要求，埋设好预置件。在安装变位机、装配模台、工件定位装置、龙门架、滑台等过程中，应使用水平仪或经纬仪进行精度检测，使机械安装精度达到设计要求。按电气布线图完成机器人动力电缆、控制电缆安装与连接，以及焊枪电缆、焊枪安装；机器人与焊接电源通信接口电缆安装；机器人与周边控制柜(设备)通信接口电缆安装。最终完成送丝机和导管安装，冷却水管、保护气管、传感器控制电缆等安装，焊接电源、焊接地线电缆和冷却循环水箱的安装。

2.3 机器人外部轴标定

机器人本体六个轴在制造过程中已标定好，外部轴需在现场标定。外部轴标定依据花盘、工件装配模台或工件的几何体形状与机器人滑台、机器人底座之间的相对位置，在空间建立直角坐标系X-YZ，在水平位置上，利用机器人第六轴上的工具中心点(TCP)对准接触花盘、工件定位装置、装配模台或工件上的某些特定几何点，并记录。待特定几何点旋转、翻转、某一角度，工具中心点(TCP)在对准接触这些特定几何点，并记录，重复校准上述过程若干次后，接着输入外部轴的有关参数：如电机型号、总减速比、运动范围、偏置(offset)等，最终完成标定。

2.4 焊接试验

在花盘或装配模台上放置焊接工件试片并用夹具紧固。按试片材料板厚、大小，编制示教焊接程序，检查机器人与变位机、滑台协调运动的轨迹，并测量其偏差，看是否能满足使用要求，若偏差过大，应对工具中心点(TCP)进行校准，直到满足要求为止。起弧焊接时，检查焊漏垫板、焊接夹具、AVC弧长调节器、激光传感器、起始点寻迹传感器能否满足使用要求。

3 工程应用

上面主要描述了焊接机器人方案规划、安装调试等方面的内容，接下来将叙述焊接机器人在工程实际应用中存在的问题和解决方法。

与人工焊接相比，机器人焊接因一致性好，产品焊接质量稳定可靠，大批量生产中能显著降低工人劳动强度，在汽车、工程机械等行业应用较多，并取得了显著的经济效益。但在单件、大型结构件、小批量生产中，机器人焊接应用较少，主要是因为机器人工作站设备投资相对较高。与人工焊接相比机器人焊接缺少灵活性，而且机器人焊接技术要比普通半自动焊接专机复杂得多，对操作者的专业素质和技能要求较高。有些企业即使购置了机器人工作站，很长时间都没有投入使用或很少使用，问题可能主要是研制过程中经费不足，方案规划、设计制造不合理等原因造成。

3.1 存在问题分析

(1)变位机设计不合理，导致机器人操作臂旋转、翻转中，重复定位误差增加或过大，精度达不到使用要求，翻转轴挠度大，刚性不足等。

变位机的作用在于工件焊接过程中，使焊缝熔池始终对准并近似垂直焊枪。常见问题表现为传动精度低、刚性差。变位机动力驱动选用的是与机器人配套的伺服电机，伺服电机传动精度高、加减速度快，与普通电机驱动相比，要求传动系统齿隙间隙小、回差小，转动轴刚性好，整体转动惯量低。否则，会出现重复定位误差增加或过大、传动轴刚性不足、翻转轴挠度大、整体晃动大等问题。

(2)机器人使用自由度不够，某些焊缝位置焊枪没法达到或位姿无法调整。

机器人使用自由度的作用是使焊枪到达焊缝位置，按示教轨迹实现直线、曲线移动，并保证位姿不变。常见问题表现为某些位置达不到或位姿无法调整，或在工作区域范围内，直线或曲线轨迹不能连续，在示教盒上常出现报警信息。

机器人是按照插补的原理，实现点、直线、圆弧的轨迹运行；为使第六轴端点按轨迹匀速移动，六个轴的旋转角度、旋转速度，时刻都在变化，通过对轨迹位移、方向的计算，时刻调整六个轴的旋转角度、旋转速度。在第六轴端点处于某一位置、某一姿态时，六个轴中的某一、二个轴可能会出现速度急剧上升或下降趋势，从而导致系统报警、伺服掉电，使端点(焊枪)停止移动，这是机器人轨迹运动中的奇点，这时只要任意改变一两个轴的转角，就可避开。

从六轴机器人工作原理来讲，一、二、三轴用来使第六轴端点(TCP)到达指定位置；四、五、六轴用来调整端点(TCP)位姿。但在实际应用中，有时位置不但要靠四、五、六轴调整、还要借助一、二、三轴调整。调焊枪(如：TIG焊)位姿时，六轴联动，机器人本体调整不过来时，需用机器人滑台参与调整。

(3)用于机器人焊接的工件装配模台、焊接夹具，不能沿用手工焊接的装夹技术或手工焊用的装配模台。

机器人焊接用工装夹具设计不合理，设计思路还停留在手工焊接的工装夹具上。工件装配模台、焊接夹具复杂笨重，为防止工件焊接变形，而增加模台、夹具刚性，从而不得不增加筋梁框架的板厚和模台表面壁厚，使得变位机承载增加，系统造价上升。

(4)为保证焊透，不得不开焊缝大坡口，减少钝边，坡口装配留有间隙，从而导致焊缝呈形不均匀，咬边严重，间隙大的地方易打洞或烧垫板，使焊接难以继续下去。

焊缝坡口开大、钝边小、装配间隙大，焊接过程中填充金属相对较多，焊缝冷却后，会增大焊缝收缩量，从而导致焊接变形应力增加，工件变形严重，错缝、错边。同时，也增加了装配模台、焊接夹具的损耗。

机器人焊接属自动焊接，不同于手工焊接，焊接线能量比手工焊接低，产生的焊接变形应力也比手工焊低，装配要求、装配精度要比手工焊高得多。在应变能力上，机器人的手臂不如人的手臂，电脑不如人脑，机器人是通过示教编程，而人的眼-脑-手组成了一个高级闭环系统。手工焊接速度相对较慢，焊接过程中能根据熔池液面状况，随时调整焊枪移动量、送丝量。在工件装配中，焊缝坡口下料不直或不均匀，装配间隙过大、过小，手工焊接都可以弥补，而机器人焊接不行。

上述问题反映出机器人焊接工艺技术特点以及与手工焊接方法或普通半自动焊接专机方法的不同之处。

3.2 改进实例

以下所举的实例为大型结构件的机器人焊接生产提供论证与改进经验。

某单位有一台九轴机器人工作站，机器人型号：Almega EX-V6L，主要用于铝合金椭球形封头TIG焊接，工件外形像西瓜皮，有数条纵缝和两条环缝。工作站的应用问题出现在变位机、工件装配模台、焊接夹具上，表现为机器人外部轴伺服传动误差很大，转动惯量较大，起／停晃动量大，显得刚性不足；再加上气动焊接夹具，变位机承载显得不够。要想彻底解决难度很大。

3.3 改进方法

针对变位机重复定位误差较大的问题，采取示教一条，焊接一条的方式，并在焊缝轨迹上增加示教点的数量，以减少误差。为减少焊接运行过程中焊枪抖动和变位机翻转晃动，采取焊枪伺服于工件，除平焊外，有一定量的上坡焊与下坡焊，使变位机的翻转量减少，翻转角度降低。对机器人操作臂采取平缓姿态，并留有足够的活动余量，送丝导嘴相对焊枪可旋转一个固定角度。另外，对每条焊缝上若干个示教点的坐标值，进行记录绘制，找出一条优化曲线(平均曲线)，对偏差较大的点进行修补校准，使焊枪与变位机的协调运动趋近平稳。这样一来，焊接试运行过程中焊枪没有出现抖动，变位机也没有出现晃动，示教轨迹能够满足椭球曲线的焊接要求。

采用变极性TIG焊接方法时，焊接电流较半自动焊接降低10%～15%，试片焊接后与半自动焊接试片相比，抗拉强度相近，而延伸率显著提高，焊缝收缩量减小，变形减小。从试片焊接夹具的压条上看，螺钉紧固用力有所降低。焊接过程中，焊接内应力相对手工焊接明显降低，对焊接工件压紧的拘束力也可降低。为减轻变位机的承载，沿用手工焊接夹具(夹具质量只有气动夹具质量的30%)，对工件装配提出高于手工焊接的要求。工件(瓜瓣)坡口，按照试片焊接的要求，减小焊缝坡口尺寸，焊缝对中不留间隙。曲面形状的工件，没有专用机加设备，人工下料铣削、修配，难度很大。装配质量直接影响到焊接过程、焊缝成形和焊接质量。

圆环环缝的拼焊难度很大，完全是在手工焊模台上完成的，因为没有合适的焊漏垫板，很多地方贴合不好，或根本贴不上，按照手工焊接顺序，将圆环焊缝分成若干段。采用非同步协调，焊接时工件不转，还是示教一条、焊一条。机器人操作臂绕圆弧面焊接，亦采用爬坡焊—平焊—下坡焊，焊完这段圆弧焊缝后，机器人回到起始点，模台再旋转至下一段，再进行机器人焊接。由于是手工开的坡口，很难保证装配一致，每一段的焊接必须依照焊缝状态重新修整、校对示教程序，并根据坡口状况，调整送丝速度、焊接速度。第二层盖面焊接的起弧点必须与第一层打底层起弧点位置错开。焊接过程中实时调整焊接电流大小，否则，会出现末焊透或焊穿缺陷。

3.4 焊接试验结果和问题分析

整个工件焊完，与手工焊接相比，焊缝成形好，没有出现错缝，局部有咬边现象，可用机器人进行焊接修补。卸台后，没有出现未焊透情况，整个形面较手工焊接变形小。

焊完工件经X光探伤，气孔、夹渣明显少于手工焊接工件，只是有几处裂纹。裂纹出现在顶盖圆环上，由于顶盖与圆环贴合状态不同，顶盖贴合紧密一些，圆环贴合则相对松一些，焊接过程中，顶盖侧散热较圆环散热快，使得焊缝两边产生的内应力不同，冷却结晶过程中顶盖侧焊缝收缩较快，容易产生裂纹。说明焊接热输入量不够，提高焊接电流5%，效果会更好。

裂纹经手工挖除修补后，工件经过水压试验，达到并超过设计压力，焊接质量合格，达到了预期的目的。

3.5 安全使用

焊接机器人技术集机械工程、电子技术、数控及计算机技术于一体，结构复杂、使用灵活、生产效率高。但也存在一定的安全风险，操作不当，容易碰撞焊枪，甚至碰撞机器人本体操作臂，并有可能危及操作者自身或站内其他作业人员的生命，操作安全极其重要。焊接机器人使用，对操作者的专业素质和技能要求较高，必须经过专业培训。焊接机器人的安全生产必须时时处处注意。

4 结论

(1)焊接机器人本体重复精度很高，但当外部轴与变位机联接组成后，协调运动的重复定位精度可能因变位机的设计制造问题而有所降低，甚至达不到工作站的设计要求，以致影响到整个项目的完成。

(2)特别是针对较大的工艺装备时，采用非同步协调，焊枪伺服于变位机，同样可以满足焊接精度要求。可使变位机的设计制造难度降低，成本下降，方法是可行的。

(3)机器人焊接不同于手工焊接或半自动专机焊接，对工件的一致性，装配精度要求很高。

(4)机器人工作站设备及专业人员培训投资较大，成本较高，在企业推广有一定的难度和风险。企业工艺技术能力、员工素质，也是企业推广使用机器人工作站需要考虑到的。

(5)机器人工作站用于部分形面堆焊、咬边缺陷补焊是可行的。

[1]王 政.焊接工装夹具及变位机械—性能、设计、选用[M].北京：机械工业出版社，2001.

[2]林尚扬.焊接机器人及其应用[M].北京：机械工业出版社，2000(先进焊接制造技术丛书).

[3]谭一炯，周方明，王江超，等.焊接机器人技术现状与发展趋势[J].电焊机，2006，36(3)：6-10.

[4]符娅波，边美华，许先果.弧焊机器人的应用与发展[J].机器人技术与应用，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，江苏高邮人，工程师，主要从事焊接设备、工装的调试与维修工作。