1.1　焊接機(jī)器人系統(tǒng)的一般組成

焊接也稱為熔接、镕接，是一種以加熱、高溫或者高壓的方式接合金屬，或其他熱塑性材料的制造工藝及技術(shù)，主要可以通過下列3種途徑達(dá)成材料接合的目的。

①壓焊：在焊接過程中必須對(duì)焊件施加壓力，適用于各種金屬材料和部分非金屬材料的加工。

②釬焊：采用比工件母材熔點(diǎn)低的金屬材料作為釬料，利用液態(tài)釬料潤(rùn)濕母材，填充接頭間隙，并與母材互相擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)工件的接合。適合于各種材料的焊接加工，也適合于不同金屬或異類材料的焊接加工。

③熔化焊：通過熔化母材和填充料，冷卻后實(shí)現(xiàn)材料間連接的方法。熔化焊接的能量來源種類繁多，有氣體火焰、電弧、激光、電子束、摩擦和超聲波等。本章以金屬材料的主要焊接工藝形式——機(jī)器人弧焊和點(diǎn)焊作為焊接機(jī)器人系統(tǒng)的教學(xué)對(duì)象，闡述焊接機(jī)器人系統(tǒng)中的工業(yè)機(jī)器人、焊接電源和焊接外圍設(shè)備的功能和維護(hù)保養(yǎng)方法。焊接機(jī)器人外形示意如圖1-1所示。

1.1.1　焊接機(jī)器人系統(tǒng)的分類

焊接機(jī)器人系統(tǒng)是指從事焊接（含切割與噴涂）工作，由工業(yè)機(jī)器人、焊接電源、焊槍或焊鉗、送絲機(jī)，以及變位機(jī)、氣源、除塵器和安全護(hù)欄等組成，可完成規(guī)定焊接動(dòng)作、獲得合格焊接構(gòu)件的系統(tǒng)。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）將焊接機(jī)器人定義為一種多用途的、可重復(fù)編程的自動(dòng)控制操作機(jī)，具有三個(gè)或更多可編程的軸，在機(jī)器人的最后一個(gè)軸的機(jī)械接口安裝有焊鉗或焊（割）槍，能夠進(jìn)行焊接、切割或熱噴涂的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)。焊接工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)主要有以下兩種組成形式。

1.焊接工作站（單元）

焊接機(jī)器人與焊接電源和外圍設(shè)備組成可以獨(dú)立工作的單元，稱之為焊接工作站或焊接機(jī)器人單元，如圖1-2所示。

如果工件在整個(gè)焊接過程中無需改變位置（變位），一般采用夾具將工件直接定位在工作臺(tái)面上，這是最簡(jiǎn)單的焊接單元。在實(shí)際生產(chǎn)中，大多數(shù)工件在焊接過程需要通過變位，使焊縫處在較好的位置（姿態(tài)）下進(jìn)行焊接。需要配置用于改變工件位置的設(shè)備（變位機(jī)）與工業(yè)機(jī)器人協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)，這是焊接工作站的常規(guī)組成。

為保證焊縫在較好的姿態(tài)下進(jìn)行焊接，可以采用在變位機(jī)完成工件變位后，由工業(yè)機(jī)器人帶動(dòng)焊槍移動(dòng)進(jìn)行焊接；也可以在變位機(jī)進(jìn)行變位的同時(shí)，工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行軌跡移動(dòng)完成焊接。通過變位機(jī)的運(yùn)動(dòng)及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的復(fù)合，使焊槍相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)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。

2.焊接生產(chǎn)線

焊接機(jī)器人生產(chǎn)線比較簡(jiǎn)單的集成方法，是把多臺(tái)工作站（單元）用工件輸送線連接起來組成一條生產(chǎn)線，如圖1-3所示。這種生產(chǎn)線仍然保持了單個(gè)工作站的特點(diǎn)，每個(gè)站只能用選定的工件夾具及焊接機(jī)器人的程序來焊接預(yù)定的工件，在更改夾具及程序之前的一段時(shí)間內(nèi)，這條生產(chǎn)線不能用于其他工件的焊接。

焊接柔性生產(chǎn)線也是由多個(gè)工作站組成，不同的是被焊工件均裝夾在統(tǒng)一的治具上，而治具可以與線上任何一個(gè)站的變位機(jī)相配合并被自動(dòng)夾緊。在焊接柔性生產(chǎn)線上，首先需要完成治具編號(hào)或工件的識(shí)別，自動(dòng)調(diào)出焊接該工件指定工序的焊接程序，控制焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接。可以在每一個(gè)工作站無需作任何調(diào)整的情況下，焊接不同的工件。焊接柔性生產(chǎn)線一般配備有移動(dòng)小車，可以自動(dòng)將點(diǎn)固好的工件從存放工位取出，送到空閑的焊接機(jī)器人工作站；也可以從焊接機(jī)器人工作站上把完成焊接的工件取下，送到成品件流出位置。

工廠具體選用何種形式的焊接工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況選擇。焊接專機(jī)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(zhǎng)，形狀規(guī)矩（直線、圓形）的情況；焊接機(jī)器人工作站一般適合中、小批量生產(chǎn)，被焊工件的焊縫可以短而多，形狀較復(fù)雜；焊接柔性生產(chǎn)線則適用于產(chǎn)品品種多，每批數(shù)量又很少的情況。在大力推廣智能制造和無人制造的情況下，柔性焊接機(jī)器人生產(chǎn)線將是未來的主要發(fā)展形式。

3.弧焊機(jī)器人

弧焊工藝已在諸多行業(yè)中得到普及，弧焊機(jī)器人在通用機(jī)械、造船等許多行業(yè)中得到廣泛運(yùn)用。弧焊機(jī)器人是包括各種電弧焊附屬裝置在內(nèi)的柔性焊接系統(tǒng)，因而對(duì)其性能有著特殊的要求。

在弧焊作業(yè)中，焊槍尖端應(yīng)沿著預(yù)定的焊道軌跡運(yùn)動(dòng)，并不斷填充金屬形成焊縫。因此運(yùn)動(dòng)過程中速度的平穩(wěn)性和重復(fù)定位精度是兩項(xiàng)重要指標(biāo)。一般情況下，焊接速度約取30～300cm/min，軌跡重復(fù)定位精度約為±（0.2～0.5）mm。工業(yè)機(jī)器人其他一些基本性能要求如下。

①與焊機(jī)進(jìn)行通信的功能；

②設(shè)定焊接條件（焊接電流、焊接電壓、焊接速度等），引弧、熄弧焊接條件設(shè)置，斷弧檢測(cè)及搭接等功能；

③擺動(dòng)功能和擺焊參數(shù)設(shè)置；

④坡口填充功能；

⑤焊接異常檢測(cè)功能；

⑥焊接傳感器（起始焊點(diǎn)檢出及焊縫跟蹤）的接口功能；

⑦與計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)接口功能。

4.點(diǎn)焊機(jī)器人

汽車工業(yè)是點(diǎn)焊機(jī)器人系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域，在裝配每臺(tái)汽車車體、車身時(shí)，大約60％的焊點(diǎn)是由機(jī)器人完成。點(diǎn)焊機(jī)器人最初只用于在已拼接好的工件上增加焊點(diǎn)，后來為了保證拼接精度，又需要機(jī)器人完成定位焊作業(yè)。點(diǎn)焊機(jī)器人逐漸被要求有更好的作業(yè)性能，主要有：

①與點(diǎn)焊機(jī)的接口通信功能；

②工作空間大；

③點(diǎn)焊速度與生產(chǎn)線速度相匹配，快速完成小節(jié)距的多點(diǎn)定位（大約每0.3～0.4s移動(dòng)30～50mm，且準(zhǔn)確定位）；

④夾持重量大（50～100kg），以便攜帶內(nèi)裝變壓器的焊鉗；

⑤定位準(zhǔn)確，精度約±0.25mm，以確保焊接質(zhì)量；

⑥內(nèi)存容量大，示教簡(jiǎn)單；

⑦離線編程接口功能。

1.1.2　焊接機(jī)器人系統(tǒng)的一般組成

焊接機(jī)器人工作站（單元）是各種形式的焊接機(jī)器人系統(tǒng)的基礎(chǔ)，通常由工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)、焊接設(shè)備、負(fù)責(zé)機(jī)器人或工件移動(dòng)的機(jī)械裝置、工件變位裝置、工件的定位和夾緊裝置、氣體供應(yīng)系統(tǒng)、焊槍噴嘴或焊鉗電極的清理修整裝置、安全保護(hù)裝置等組成。根據(jù)工件的具體結(jié)構(gòu)情況、所要焊接的焊縫位置的可達(dá)性和對(duì)接頭質(zhì)量的要求，焊接機(jī)器人工作站的配置有所不同。

圖1-4所示為兩工位焊接機(jī)器人系統(tǒng)，工件在整個(gè)焊接過程中需要改變位置（變位），配置有翻轉(zhuǎn)變位機(jī)。在本書下面的闡述中所說的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)包括工業(yè)機(jī)器人、防碰撞傳感器、機(jī)器人控制柜和示教盒等；焊接設(shè)備包括焊槍（或焊鉗、切割器和涂裝噴嘴）、焊接電源、送絲機(jī)、焊絲盤、氣體供應(yīng)系統(tǒng)；工件安裝平臺(tái)則包括工作臺(tái)、夾具、治具等；工件變位裝置簡(jiǎn)稱為變位機(jī)。外圍設(shè)備則包括了焊槍噴嘴或焊鉗電極的清理修整裝置（清槍站）、通風(fēng)除塵設(shè)備和安全保護(hù)裝置（安全圍欄）。在焊接機(jī)器人系統(tǒng)中工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)負(fù)責(zé)焊接運(yùn)行軌跡；焊接設(shè)備負(fù)責(zé)提供熔接能源和焊接填充材料、營(yíng)造焊接環(huán)境；工件安裝平臺(tái)和變位機(jī)負(fù)責(zé)夾持工件并與工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)協(xié)同工作，以保證焊縫的最佳位置。外圍設(shè)備主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)安全和生產(chǎn)準(zhǔn)備。

1.1.3　主要設(shè)備的基本功能

1.工業(yè)機(jī)器人的組成與作用

在焊接機(jī)器人系統(tǒng)中一般選用六自由度工業(yè)機(jī)器人，由機(jī)器人本體和控制柜兩部分組成。

六自由度工業(yè)機(jī)器人本體（見圖1-5）由底座、大臂、小臂和手腕等部分組成，有腰部、肩部、肘部和腕部等關(guān)節(jié)，具有腰部左右擺動(dòng)、肩部和肘部上下擺動(dòng)、小臂旋轉(zhuǎn)、腕部擺動(dòng)和旋轉(zhuǎn)等六個(gè)自由度。在焊接機(jī)器人系統(tǒng)中主要承擔(dān)搭載焊槍、送絲機(jī)和焊絲盤，并根據(jù)焊接要求將焊絲頂端準(zhǔn)確移動(dòng)到焊縫所在的位置。

機(jī)器人控制柜（見圖1-6）內(nèi)部安裝有控制板卡，外部配置有相應(yīng)的按鈕，并與示教盒通過電纜連接。控制柜是機(jī)器人的重要組成部分，用于控制機(jī)器人本體及外部設(shè)備工作，以完成特定的任務(wù)，其基本功能如下。

①記憶功能：存儲(chǔ)作業(yè)順序、運(yùn)動(dòng)路徑、運(yùn)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)速度和與生產(chǎn)工藝有關(guān)的信息。

②示教功能：離線編程，在線示教，間接示教。在線示教包括示教盒和導(dǎo)引示教兩種。

③與外圍設(shè)備聯(lián)系功能：輸入和輸出接口、通信接口、網(wǎng)絡(luò)接口、同步接口。

④坐標(biāo)設(shè)置功能：有關(guān)節(jié)、絕對(duì)、工具、用戶自定義四種坐標(biāo)系。

⑤人機(jī)接口：示教盒、操作面板、顯示屏。

⑥傳感器接口：位置檢測(cè)、視覺、觸覺、力覺等。

⑦位置伺服功能：機(jī)器人多軸聯(lián)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)控制、速度和加速度控制、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)取?/p>

⑧故障診斷安全保護(hù)功能：運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視、故障狀態(tài)下的安全保護(hù)和故障自診斷。KUKA機(jī)器人示教盒如圖1-7所示。

2.焊接設(shè)備的組成與功能

焊接設(shè)備在本書中包括了焊接電源、焊槍、送絲機(jī)等。

焊接電源是為焊接提供電流、電壓并具有適合該焊接方法所要求的輸出特性的設(shè)備，也稱為焊機(jī)（見圖1-8）。焊接電源種類繁多，不同的焊機(jī)有不同的性能和使用場(chǎng)合。

①交流手工弧焊機(jī)：主要用于焊接厚度2.5mm以上的各種碳鋼。

②氬弧焊機(jī)：常用于焊接厚度2mm以下的合金鋼。

③直流焊機(jī)：焊接生鐵和有色金屬。

④二氧化碳保護(hù)焊機(jī)：通常用于焊接2.5mm以下的薄板構(gòu)件。

⑤埋弧焊機(jī)：一般用于焊接H鋼、橋架等大型鋼構(gòu)件。

⑥對(duì)焊機(jī)：以焊接索鏈等環(huán)型材料為主。

⑦點(diǎn)焊機(jī)：以點(diǎn)擊方式完成兩塊鋼板的焊接。

⑧高頻直縫焊機(jī)：主要用于焊接諸如自來水管的直線焊縫。

⑨滾焊機(jī)：以滾動(dòng)形式焊接罐底等。

⑩激光焊機(jī)：以激光的形式提供焊接能量，常用于不耐溫度的產(chǎn)品，如三極管內(nèi)部接線等。

送絲機(jī)是一種在控制系統(tǒng)的控制下，可以根據(jù)設(shè)定的參數(shù)連續(xù)穩(wěn)定地送出焊絲的自動(dòng)化送絲裝置，如圖1-9所示。主要用于機(jī)器人焊接、手工焊接、氬弧焊、等離子焊和激光焊等焊接過程中的自動(dòng)送絲。

焊槍（見圖1-10）是在焊接過程中執(zhí)行焊接操作的部件，有三陰極焊槍、氬弧焊槍、塑料焊槍、CO2焊槍、火焰焊槍和電烙鐵等。焊槍利用焊機(jī)的高電流、高電壓產(chǎn)生的熱量聚集在焊槍終端熔化焊絲，熔化后的焊絲滲透到需焊接的部位，冷卻后使被焊接的物體牢固地連接成一體。