1.1　焊接机器人系统的一般组成

焊接也称为熔接、镕接，是一种以加热、高温或者高压的方式接合金属，或其他热塑性材料的制造工艺及技术，主要可以通过下列3种途径达成材料接合的目的。

①压焊：在焊接过程中必须对焊件施加压力，适用于各种金属材料和部分非金属材料的加工。

②钎焊：采用比工件母材熔点低的金属材料作为钎料，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙，并与母材互相扩散实现工件的接合。适合于各种材料的焊接加工，也适合于不同金属或异类材料的焊接加工。

③熔化焊：通过熔化母材和填充料，冷却后实现材料间连接的方法。熔化焊接的能量来源种类繁多，有气体火焰、电弧、激光、电子束、摩擦和超声波等。本章以金属材料的主要焊接工艺形式——机器人弧焊和点焊作为焊接机器人系统的教学对象，阐述焊接机器人系统中的工业机器人、焊接电源和焊接外围设备的功能和维护保养方法。焊接机器人外形示意如图1-1所示。

1.1.1　焊接机器人系统的分类

焊接机器人系统是指从事焊接（含切割与喷涂）工作，由工业机器人、焊接电源、焊枪或焊钳、送丝机，以及变位机、气源、除尘器和安全护栏等组成，可完成规定焊接动作、获得合格焊接构件的系统。国际标准化组织（ISO）将焊接机器人定义为一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机，具有三个或更多可编程的轴，在机器人的最后一个轴的机械接口安装有焊钳或焊（割）枪，能够进行焊接、切割或热喷涂的工业自动化系统。焊接工业机器人系统主要有以下两种组成形式。

1.焊接工作站（单元）

焊接机器人与焊接电源和外围设备组成可以独立工作的单元，称之为焊接工作站或焊接机器人单元，如图1-2所示。

如果工件在整个焊接过程中无需改变位置（变位），一般采用夹具将工件直接定位在工作台面上，这是最简单的焊接单元。在实际生产中，大多数工件在焊接过程需要通过变位，使焊缝处在较好的位置（姿态）下进行焊接。需要配置用于改变工件位置的设备（变位机）与工业机器人协调运动才能实现，这是焊接工作站的常规组成。

为保证焊缝在较好的姿态下进行焊接，可以采用在变位机完成工件变位后，由工业机器人带动焊枪移动进行焊接；也可以在变位机进行变位的同时，工业机器人进行轨迹移动完成焊接。通过变位机的运动及机器人运动的复合，使焊枪相对于工件的运动既能满足焊缝轨迹，又能满足焊接速度及焊枪姿态的要求。

2.焊接生产线

焊接机器人生产线比较简单的集成方法，是把多台工作站（单元）用工件输送线连接起来组成一条生产线，如图1-3所示。这种生产线仍然保持了单个工作站的特点，每个站只能用选定的工件夹具及焊接机器人的程序来焊接预定的工件，在更改夹具及程序之前的一段时间内，这条生产线不能用于其他工件的焊接。

焊接柔性生产线也是由多个工作站组成，不同的是被焊工件均装夹在统一的治具上，而治具可以与线上任何一个站的变位机相配合并被自动夹紧。在焊接柔性生产线上，首先需要完成治具编号或工件的识别，自动调出焊接该工件指定工序的焊接程序，控制焊接机器人进行焊接。可以在每一个工作站无需作任何调整的情况下，焊接不同的工件。焊接柔性生产线一般配备有移动小车，可以自动将点固好的工件从存放工位取出，送到空闲的焊接机器人工作站；也可以从焊接机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。

工厂具体选用何种形式的焊接工业机器人系统，应当根据实际情况选择。焊接专机适合批量大，改型慢的产品，而且工件的焊缝数量较少、较长，形状规矩（直线、圆形）的情况；焊接机器人工作站一般适合中、小批量生产，被焊工件的焊缝可以短而多，形状较复杂；焊接柔性生产线则适用于产品品种多，每批数量又很少的情况。在大力推广智能制造和无人制造的情况下，柔性焊接机器人生产线将是未来的主要发展形式。

3.弧焊机器人

弧焊工艺已在诸多行业中得到普及，弧焊机器人在通用机械、造船等许多行业中得到广泛运用。弧焊机器人是包括各种电弧焊附属装置在内的柔性焊接系统，因而对其性能有着特殊的要求。

在弧焊作业中，焊枪尖端应沿着预定的焊道轨迹运动，并不断填充金属形成焊缝。因此运动过程中速度的平稳性和重复定位精度是两项重要指标。一般情况下，焊接速度约取30～300cm/min，轨迹重复定位精度约为±（0.2～0.5）mm。工业机器人其他一些基本性能要求如下。

①与焊机进行通信的功能；

②设定焊接条件（焊接电流、焊接电压、焊接速度等），引弧、熄弧焊接条件设置，断弧检测及搭接等功能；

③摆动功能和摆焊参数设置；

④坡口填充功能；

⑤焊接异常检测功能；

⑥焊接传感器（起始焊点检出及焊缝跟踪）的接口功能；

⑦与计算机及网络接口功能。

4.点焊机器人

汽车工业是点焊机器人系统的主要应用领域，在装配每台汽车车体、车身时，大约60％的焊点是由机器人完成。点焊机器人最初只用于在已拼接好的工件上增加焊点，后来为了保证拼接精度，又需要机器人完成定位焊作业。点焊机器人逐渐被要求有更好的作业性能，主要有：

①与点焊机的接口通信功能；

②工作空间大；

③点焊速度与生产线速度相匹配，快速完成小节距的多点定位（大约每0.3～0.4s移动30～50mm，且准确定位）；

④夹持重量大（50～100kg），以便携带内装变压器的焊钳；

⑤定位准确，精度约±0.25mm，以确保焊接质量；

⑥内存容量大，示教简单；

⑦离线编程接口功能。

1.1.2　焊接机器人系统的一般组成

焊接机器人工作站（单元）是各种形式的焊接机器人系统的基础，通常由工业机器人系统、焊接设备、负责机器人或工件移动的机械装置、工件变位装置、工件的定位和夹紧装置、气体供应系统、焊枪喷嘴或焊钳电极的清理修整装置、安全保护装置等组成。根据工件的具体结构情况、所要焊接的焊缝位置的可达性和对接头质量的要求，焊接机器人工作站的配置有所不同。

图1-4所示为两工位焊接机器人系统，工件在整个焊接过程中需要改变位置（变位），配置有翻转变位机。在本书下面的阐述中所说的工业机器人系统包括工业机器人、防碰撞传感器、机器人控制柜和示教盒等；焊接设备包括焊枪（或焊钳、切割器和涂装喷嘴）、焊接电源、送丝机、焊丝盘、气体供应系统；工件安装平台则包括工作台、夹具、治具等；工件变位装置简称为变位机。外围设备则包括了焊枪喷嘴或焊钳电极的清理修整装置（清枪站）、通风除尘设备和安全保护装置（安全围栏）。在焊接机器人系统中工业机器人系统负责焊接运行轨迹；焊接设备负责提供熔接能源和焊接填充材料、营造焊接环境；工件安装平台和变位机负责夹持工件并与工业机器人系统协同工作，以保证焊缝的最佳位置。外围设备主要负责生产安全和生产准备。

1.1.3　主要设备的基本功能

1.工业机器人的组成与作用

在焊接机器人系统中一般选用六自由度工业机器人，由机器人本体和控制柜两部分组成。

六自由度工业机器人本体（见图1-5）由底座、大臂、小臂和手腕等部分组成，有腰部、肩部、肘部和腕部等关节，具有腰部左右摆动、肩部和肘部上下摆动、小臂旋转、腕部摆动和旋转等六个自由度。在焊接机器人系统中主要承担搭载焊枪、送丝机和焊丝盘，并根据焊接要求将焊丝顶端准确移动到焊缝所在的位置。

机器人控制柜（见图1-6）内部安装有控制板卡，外部配置有相应的按钮，并与示教盒通过电缆连接。控制柜是机器人的重要组成部分，用于控制机器人本体及外部设备工作，以完成特定的任务，其基本功能如下。

①记忆功能：存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息。

②示教功能：离线编程，在线示教，间接示教。在线示教包括示教盒和导引示教两种。

③与外围设备联系功能：输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口。

④坐标设置功能：有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。

⑤人机接口：示教盒、操作面板、显示屏。

⑥传感器接口：位置检测、视觉、触觉、力觉等。

⑦位置伺服功能：机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。

⑧故障诊断安全保护功能：运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和故障自诊断。KUKA机器人示教盒如图1-7所示。

2.焊接设备的组成与功能

焊接设备在本书中包括了焊接电源、焊枪、送丝机等。

焊接电源是为焊接提供电流、电压并具有适合该焊接方法所要求的输出特性的设备，也称为焊机（见图1-8）。焊接电源种类繁多，不同的焊机有不同的性能和使用场合。

①交流手工弧焊机：主要用于焊接厚度2.5mm以上的各种碳钢。

②氩弧焊机：常用于焊接厚度2mm以下的合金钢。

③直流焊机：焊接生铁和有色金属。

④二氧化碳保护焊机：通常用于焊接2.5mm以下的薄板构件。

⑤埋弧焊机：一般用于焊接H钢、桥架等大型钢构件。

⑥对焊机：以焊接索链等环型材料为主。

⑦点焊机：以点击方式完成两块钢板的焊接。

⑧高频直缝焊机：主要用于焊接诸如自来水管的直线焊缝。

⑨滚焊机：以滚动形式焊接罐底等。

⑩激光焊机：以激光的形式提供焊接能量，常用于不耐温度的产品，如三极管内部接线等。

送丝机是一种在控制系统的控制下，可以根据设定的参数连续稳定地送出焊丝的自动化送丝装置，如图1-9所示。主要用于机器人焊接、手工焊接、氩弧焊、等离子焊和激光焊等焊接过程中的自动送丝。

焊枪（见图1-10）是在焊接过程中执行焊接操作的部件，有三阴极焊枪、氩弧焊枪、塑料焊枪、CO2焊枪、火焰焊枪和电烙铁等。焊枪利用焊机的高电流、高电压产生的热量聚集在焊枪终端熔化焊丝，熔化后的焊丝渗透到需焊接的部位，冷却后使被焊接的物体牢固地连接成一体。