焊接机器人工作站系统设计原则探讨

先进焊接技术与装备创新能力平台专题・绻搭

焊接机器人工作站系统设计原则探讨

机械科学研究院哈尔滨焊接研究所（１５００２８）

杨永波崔彤白德滨

摘要主要对焊接机器人工作站系统设计原则进行了探讨，通过对工作站焊接工件的确认、机器人安装方式的影响、机器人系统配置以及相关配套外围系统要求的阐述，得出有关于机器人工作站系统在进行设计时需要注意和必须解决的问题。

关键词：焊接机器人工作站系统设计中图分类号：ＴＧ４３２

Ｏ前言

用或维护增加了不小的难度，所以需要进行筛选确定

可以在一套工作站内进行焊接的工件，以及机器人可

以进行焊接的焊缝。

１．１

焊接机器人具有稳定和提高焊接质量，保证其均一性；改善了工人的劳动条件；提高单位劳动生产率等

明显的优势，在近几年中国焊接行业中获得了长足的发展。随着中国焊接产品与技术的发展，更多的机器人工作站也开始进行安装，这类机器人工作站具有焊

可以在同一机器人工作站内进行焊接的工件

焊接机器人工作站需要进行筛选来确定适合在该

站内进行焊接的工件。工件需要满足２个条件：其一，

工件的类型相似，是指工件需要焊接的焊缝分布相似，

接工件种类及焊缝多、机器人配置复杂、外围系统庞大、控制技术水平高、焊接工艺要求严格等一些共同的特点，工作站整体设计难度较大。实际应用中，由于设

计时对机器人焊接要求上的偏差，许多工作站建成后只能发挥出部分的作用，对设备及资金造成了严重的浪费。

产生这样结果的原因主要有在以下几个方面：其

工件是同类型或不同类型，通过同一变位机或其它方式可以将焊缝到达机器人焊接位置；其二，工件焊接位

置变化在焊接机器人有效工作范围内，是指焊接不同种类的工件，工件之间的焊接位置高度和距离之差要保证在机器人的工作范围之内，这里所指的机器人工作范围是包含机器人外部轴后机器人的有效工作范围。

图ｌ所示的两种工件，图１ａ中空间焊缝相对较短，焊接需要变位机的帮助改变空间位置；而图ｌｂ中平面焊缝是一个平面结构，焊缝多在同一平面内，工件面积

一，将各种差别很大的工件在同一工作站中进行焊接

工作，造成工作站的主要功能弱化；其二，盲目追求系统配置及自动化程度，不能综合考虑实际工件情况，设

计符合实际使用的系统；其三，外围系统的重视不够。

进行过多删减，或者以次充好造成设备强度或精度方

较大，需要机器人具有较大的空间覆盖面积，可以看出这

两种工件是很难在同一焊接机器入系统内进行工作。

面的不足，进而焊接质量无法保证。应该说以上这几个方面的重视不够，造成一些工作站工作能力的缺失，而问题核心是对焊接机器人工作站总体设计思想不

足，下面主要是针对以上几个方面作一下阐述。

１

１．２确认工件上机器人可以焊接的焊缝

工件上可以用机器人进行焊接的焊缝，在原则上

讲只要焊接空间合理，手工能够进行的焊缝机器人都

可以完成，但要注意一些问题。

焊枪需要保持一个良好的姿态达到焊缝每一点，

机器人工作站系统焊接工件的确认

要保证焊枪对工件的可达性。在焊接过程中，焊枪需

要达到焊缝每一点，同时要保持一个很好的姿态，这是

对于机器人工作站并不是所有的工件都可以在系统中进行焊接工作，也不是说工件上所有的焊缝机器

人都可以完成。如果盲目地增加工作站需要覆盖工件种类，会造成设计成本与难度的大幅上升，对于实际使

能否进行焊接的首要条件，如果可达性不好则需要改变机器人位置或对工装夹具进行必要的修改。

在焊缝位置处，焊枪与工件间要有足够空间，保证机器人的工作安全。机器人的运行速度很快，焊枪与

收稿日期：２０１４—０３—１２

工件间要有足够的空间以保证在发生工件尺寸误差

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俘掳函螋…丝墨垒丝丝丝型鳖墨丝型垦型

其不能焊接来自于Ｘ方向的长焊缝。实际焊接中尽可能安排在ｙ／ｚ方向上有较大变化的工件，这样机器人

的使用效率最高。

图２ｂ中机器人倒装，机器人在ｘ，ｌ，方向上可以焊

接的长度最大，同时机器人可以处于工件表面上方，因

此机器人可以有效覆盖的工作范围是３种安装方式中

最大的。它的主要缺点是高度变化量很小，是一个扁平

的工作空间。另外该种安装方式的机器人整体安装高度最大，比其它方式需要更大的工作站高度安装空间。

（ａ）空间焊缝

（ｂ）平面焊缝

图ｌ机器人焊接工件类型

时，机器人的工作安全与焊接工作的顺利进行。

要求工件点装后具有较高的一致性。焊接相对较短、较多的焊缝时，要求工件点装的重复定位精度很高，机器人不用通过寻位来确定焊接位置，因为在这种

焊接条件下，机器人在寻位上需要的时间要远远超过

焊接和装配的时间，会大大降低焊接的效率。而使用

寻位和跟踪时，尽可能的选择相对较长的焊缝，减少寻位时间在整个工作中所占的比例。

２机器人安装方式对于系统工作范围的影响

机器人有正装、倒装、侧装３种安装方式，安装方式不同机器人所覆盖的有效范围是各自不同。虽然通

（ｂ）倒装

过使用外部轴可以扩展机器人的工作范围，但毕竟增加外部轴会带来成本及设计难度的增加。图２是在３种安装方式下，机器人正面工作范围变化的示意图（其

它方向上也有相类似的变化）。

图２ａ中机器人正装，机器人在ｌ，轴方向范围最大（图中内外），ｚ轴方向的范围也较大（图中高低），而ｘ

轴方向（图中前后）范围比较小。因此适合焊接宽度

（ｘ）变化较小，在长度（ｙ）和高度（ｚ）有较大变化的焊

缝。这种安装方式的明显缺点是牺牲了机器人的最低工作平面，使机器人不能连续覆盖比较大工作平面，尤

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（（－）侧装

图２机器人各种安装位置的有效工作区间示意图

先进焊接技术与装备创新能力平台专题

图２ｅ中机器人侧装，机器人是最大的使用了正面的工作平面，同时可以有效的增加了机器人最低工作平面的变化空间，机器人最终形成的是一个狭长的工

俘荔

能否实现的关键，外围设备的制造精度和强度直接反

映到机器人工作站的整体性能上，外围设备精度的提

高能够充分的保证机器人精度的保证，否则不论多好

作空间，在实际工作中这种安装方式应用相对较少。

机器人使用何种安装方式最终取决于焊接工件，

涉及工件种类、焊接高度、宽度、深度以及重要焊缝的

的机器人都不能完成设计的目标。

另外外围系统的设计合理，可以有效的提高系统的稳定程度，保证实际工作的有效进行。在外围系统

的选择上，应当在满足要求的前提下尽可能选择合适的结构，不能盲目的增加外部轴的数量。图３为几种典型的外围设备。

分布及焊接要求等。原则上安装方式的选择在满足工

件焊接要求的前提下尽可能选减少外部轴。外部轴数量减少，设备结构简单，设备的制造难度减少。３焊接机器人工作站中机器人及其相关配置

焊接机器人工作站中合理选择机器人和相关配置很重要。选择的原则依然以焊接工件为关注对象，根据工件的具体种类、实际工况条件来进行选择。如果只是一味的要求豪华配置，有时不仅不能提高设备的

使用能力，反而成为妨碍工作的障碍。

目前使用的各类型机器人在基本使用性能上相同或相似，只有在具有特殊的高温、高速、高精度使用场合下，各自的一些特点才能显示出来，在通常的应用条

件下，机器人的一些数据实际指导意义不高。我们更

关注各类型机器人自身集成的配套产品能力，也就是

说它能够控制的外围设备的多少以及种类，如激光跟

踪、电焊机等等，并且这些集成的配套设备达到的成熟

度，也是选择机器人的一个重要的指标。

与机器人相关的配置大致可以分为２类焊接系统与焊缝寻位跟踪系统。焊接系统包含电焊机、水箱、焊

枪、焊接软件等等；寻位跟踪系统包含接缈激光寻位、激彤电弧跟踪，由这些共同完成焊接工作。对于这些

配套设备各种机器人的控制能力各不相同，进而使用的效果也各不相同，有些机器人的开放程度相对较高，

可以配套许多的设备，但是对于配套设备不能是完全

控制，精细的调节还需要设备自身进行，这样在日后的维护中会出现一个问题需要寻找许多家来进行维护、

甚至于出现各家推诿扯皮等现象，致使用户和集成商

都很尴尬。在和机器人工作站设备用途明显不需要扩展的前提下，尽可能选择集成成熟的配套设备。当然对于焊接中有特殊要求时，不在此处理的范围内。４焊接机器人工作站设计中对外围系统给与足够重视

外围系统作为焊接机器人工作站的一部分，对于整个工作站的整体性能起到重要的作用。为焊接机器人选择合理的外围设备组成工作站，是保证设计思想

（ｃ）Ｃ型架

图３典型机器人工作站外围设备

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ｔ蜉掳哆螋、丝墨垒丝笙丝型鳖墨丝型垒型

５焊接机器人工作站设计实例

图４—６为几个焊接机器人系统的实际工程，根据各自所要完成工件的具体情况不同，工作站的配置以

图６为地铁侧梁的焊接机器人工作站。该工件的主要特点是类型相同，区别主要在于工件的长度变化，工件形状保持不变。焊缝是一条空间曲线，焊接过程

中需要改变工件位置来得到合适角度，坡口需要多层多道焊接，需要配合适宜的焊接顺序，且焊接中需要处理实时焊接问题以及焊后打磨等要求，辅助时间所占

比例很大，为此设计了机器人和移动滑轨，配两套完全相同的倾斜／旋转变位机。变位机可以实现工件焊接位置的变化要求，完全相同的两套变位机，可以一台焊

及形式各不相同，充分体现以工件为关注对象合理匹配机器人相关设备并加强对外围设备的关注程度。

图４为敞车部件焊接工作站，焊缝处于同一平面上，焊缝长度接近３ｍ，焊接方向多变，机器人工作面积接近９ｍ２。实际中选择了倒装机器人和移动滑轨以及固定工作台的结构，充分地使用了机器人的合理空间，

接，另一台进行装卸件和对工件进行打磨工作，有效地提高工作效率¨ｏ。

使机器人工作站的结构简单，又能很好地完成工作¨Ｊ。

图４敞车部件

图６地铁部件

图５为采油用筛箱部件机器人工作站。工件的长度相对较短，部件种类比较多，焊缝类型也比较复杂，产量不大。采用倒装机器人安装在旋转臂上，分别配

６结

论

合了一套倾缈旋转变位机和一套头尾架式的单轴旋

转变位机以及一个工作平台，使其最终以机器人为中心形成３个不同功能的分站结构，实现在同一机器人

焊接机器人工作站系统的设计要以工件为关注对

象，适合工件及焊缝的确认是保证将来工作站有效应

用的基础。机器人安装位置的确认直接影响到焊接机器人工作站的结构设计，合理地安装方式可以减少系

工作站内既完成筛箱部件又完成最终筛箱总成焊接。

统的设计和维护难度，提高设备的使用性能。机器人

的配置选择和工作站的外围设备需要给予足够的重

视。良好的配置成熟度以及合理、准确外围设备设计，是生产稳定进行的有力保证。

参考文献

［１］杨永波，白［２］

鹰，郝路平．敞车端墙机器人焊接生产线

［Ｊ］．焊接，２０１ｌ（８）：４８—５０．

张善保，杨永波，白德滨．轨道车辆车体铝合金部件自动化设备研制［Ｊ］．焊接，加１ｌ（５）：１０一１３．

作者简介：杨永波，１９７０年出生，大学本科，研究员，主要从

事焊接机器人生产线及焊接专用设备的研制与

图５采油部件

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工艺。