工业机器人已广泛应用于汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、木材与家具制造业等领域。在工业生产中，弧焊机器人、点焊机器人、喷涂机器人及装配机器人等都已被大量采用。

焊接机器人是从事焊接作业的工业机器人，主要分为弧焊机器人和点焊机器人两大类，广泛应用于汽车及其零部件制造、摩托车、工程机械等行业。汽车行业是焊接机器人的最大用户，也是最早的用户。焊接机器人在汽车生产的冲压、焊装、涂装和总装四大生产工艺过程中都有广泛的应用。据统计，汽车制造和汽车零部件生产企业中的焊接机器人占全部焊接机器人的70%，其中点焊机器人与弧焊机器人的比例为1∶3。焊接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组成；而焊接设备，以弧焊和点焊为例，则由焊接电源、送丝机（弧焊）、焊枪（钳）等部分组成。更专业的焊接机器人还有传感器检测，如激光或摄像传感器及其控制装置等。

（一）焊接机器人的选用

选用焊接机器人时，应从以下几个方面进行考虑。

1.机器人的承载能力

机器人负载包括腕部的负载和背部（上臂）的负载。机器人用于弧焊时，其腕部负载包括焊枪、把持器、防碰撞传感器以及焊接集成电缆，一般为4～6 kg，而安装在机器人背部的送丝机构一般在12 kg左右，因此，要求机器人腕部具备6 kg以上的承载能力，背部具备12 kg以上的承载能力。

机器人用于点焊时，因焊钳质量、大小差别较大，所以，对机器人承载能力的选择也更为重要。常用点焊机器人腕部的握重一般在20 kg以上。当使用大型焊钳时，就有必要选用100 kg、165 kg甚至具有更大握重的机器人。

2.机器人的自由度数

机器人焊接作业不同于搬运作业，因为焊接工艺的需要，要求机器人具有一定的灵活性。为了实现各种焊接姿态，一般要求机器人至少具备6个自由度。

3.机器人的作业范围

焊接机器人的作业范围即腕部回转中心达到的最大空间。机器人装上焊枪或焊钳后，工具末端所能到达的空间范围会更大，但是，因为焊接姿态的需要，焊枪或焊钳末端经常会在靠近机器人的空间作业。所以，在对机器人的作业范围进行选择时要考虑焊枪或焊钳在靠近机器人的空间作业时的可达范围。

4.机器人的重复定位精度

机器人的重复定位精度包含两个方面；一是点到点的重复定位精度；二是轨迹的重复定位精度，弧焊机器人的重复定位精度一般要求为±0.1 mm，点焊机器人的重复定位精度一般要求为±0.5 mm。目前，生产厂商提供的机器人重复定位精度一般小于±0.05 mm，可以满足焊接作业要求。

5.机器人的存储容量

机器人的存储容量一般是以所能存储示教程序的步数和动作指令的条数来标注的。焊接机器人一般要求能够存储3 000步程序和1 500条指令以上，存储容量是可以追加的。

6.机器人的干涉性

机器人的上臂与工件、焊枪（焊钳）与工件、焊接电缆与工件，机器人上臂与焊接电缆、焊接电缆与变位机构、机器人与机器人之间都会发生干涉，因此，机器人的干涉性也是一个重要的方面。如果机器人要伸入工件内部进行焊接作业或者需要高密度配置机器人，则应该选用干涉性较小的机器人，也就是焊接电缆内置型的机器人。

7.机器人的安装形式

机器人的安装形式有落地式、壁挂式、倒挂式等，以壁挂和倒挂方式安装时，对机器人的腰部要做特别处理。因此，用户在订货时要特别说明。

8.机器人的软件功能

弧焊机器人必须具备弧焊基本功能，如规范参数的设定，引弧熄弧、引弧熄弧确认、再引弧、再启动、防粘丝、摆焊、手动送丝、手动退丝、再现时规范参数的修订，脉冲参数的任意设定等。如果需要，还可以选加始端检出、焊缝跟踪、多层焊等功能。如果应用于需要高频引弧的焊接方法，还必须具备防高频干扰功能。点焊机器人在具备点焊功能的同时，还必须具备空打功能、手动点焊功能、电极粘连检出功能、自动修正电极修磨量功能等。在操作中，机器人应该具备坐标系选择、示教点修正、点动操作、手动试运转、通信等功能。在安全方面，机器人应该具备安全速度设定、示教锁定、干涉领域监视、试运转检查、自诊断以及报警显示等功能。如果需要外部轴扩展，则需要确认机器人的外部轴控制轴数以及外部轴协调能力等。

9.机器人的安装环境

对机器人的安装环境一般有如下要求。

温度：运转时0～45℃，运输保管时－10～60℃。

湿度：最大90%，不允许结露。

振动：0.5 g以下。

电源：AC 380 V（－15%～＋10%）。

其他：避免易燃、腐蚀性气体、液体，勿溅水、油、粉尘等，勿靠近电气噪声源。

因此，在选用机器人时，要将机器人的安装环境与自己工厂的环境做比较。

（二）弧焊机器人系统的组成(www.daowen.com)

弧焊机器人系统包括机器人和焊接设备两大部分，其基本组成如图6－29所示。机器人由机器人本体和控制系统组成。焊接设备主要是由焊接电源（包括其控制系统）、送丝机、焊枪和防碰撞传感器等组成。以上各部分以机器人控制系统为基础，通过软、硬件之间的连接，有机结合为一个完整的焊接系统。在实际的工程应用中，通常会辅以弧焊机器人各种形式的周边设施，如机器人底座、变位机、工件夹具、清枪剪丝装置、围栏、安全保护设施等，用来完善弧焊机器人的应用功能，也就是工业生产中俗称的弧焊机器人焊接工作站。

1.弧焊机器人的基本功能

在弧焊过程中，要求焊枪跟踪焊件的焊道运动，并不断填充金属以形成焊缝。因此，运动过程中速度的稳定性和轨迹精度是两项重要的指标。对焊丝端头的运动轨迹、焊枪、姿态、焊接参数都要求精确控制。

从结构形式上看，虽然机器人具有5个自由度就可以用于电弧焊，但是将其用于复杂形状的焊缝时会有困难。因此，通常选用六自由度机器人进行焊接操作。弧焊机器人除做“之”字形拐角焊或小直径圆焊缝焊接时，其轨迹应贴近示教的轨迹之外，还应具备不同摆动样式的软件，供编程时选用，以便做摆动焊，而且摆动在每一周期中停顿点处，机器人也应自动停止向前运动，以满足工艺要求。此外，其还应具有自动寻找焊缝起点位置、电弧跟踪及自动再引弧功能等。

图6－29　弧焊机器人的基本组成

2.焊接设备

弧焊机器人一般较多采用熔化极气体保护焊（如MAG焊、MIG焊、CO2焊等）或者非熔化极气体保护焊（如TIG焊、等离子焊等）方法。无论哪一种方法都需要焊接电源、焊枪、送丝机和防碰撞传感器，但对于不填丝的TIG焊或者等离子焊就不必配备送丝机。

（1）焊接电源。

通常晶闸管式、逆变式、波形控制式、脉冲或者非脉冲式等焊接电源都可以装到弧焊机器人上做电弧焊。由于机器人控制柜采用数字控制，而焊接电源多为模拟控制，所以需要在焊接电源与控制柜之间加一个D／A（数／模）转换接口。近年来，机器人制造厂商都有自己特定的配套焊接设备，焊接设备与机器人控制柜之间设计有专用接口板，便于控制参数的调整与匹配，可大大缩短安装调试时间，方便维护。应当指出，在弧焊机器人工作周期中电弧时间所占比例较大，因此在选择焊接电源时，一般应该按100%的负载持续率来确定电源容量。

（2）送丝机。

送丝机一般由焊丝盘、送丝电动机、减速装置、送丝滚轮、压紧装置及送丝软管等组成。弧焊机器人配备的送丝机可以按两种方式安装：一种是将送丝机安装在机器人的上臂上与机器人组成一体；另一种是将送丝机与机器人分开安装。采用前一种安装方式时，焊枪到送丝机之间的软管较短，有利于保持送丝稳定性；采用后一种安装方式时，机器人把焊枪送到某些位置时软管将处于多弯曲状态，会严重影响送丝质量。所以弧焊机器人均采用第一种安装方式，以保证送丝质量的稳定。送丝机的送丝速度控制方法有开环和闭环两种。大部分送丝机仍采用开环控制方法，但也有一些采用装有光电传感器的伺服电机，对送丝速度实现了闭环控制，不受网路电压或送丝阻力的影响，从而可提高送丝的稳定性。

（3）焊枪。

弧焊机器人用的焊枪大部分和手工焊的鹅颈式焊枪基本相同。鹅颈式焊枪的弯曲角一般都小于45°，可以根据焊件的特点选用不同角度的鹅颈，以改善焊枪的可达性。如鹅颈角度选得过大，会增加送丝阻力，使送丝速度不稳，而角度过小，则导电嘴稍有磨损，就会出现导电不良现象。应该注意，更换不同的焊枪之后，必须对机器人的工具中心点（TCP）进行相应的调整，否则焊枪的运动轨迹和姿态都会发生变化，焊接程序也应该重新调整。

（4）防碰撞传感器。

对于弧焊机器人工作站，除了选好焊枪外，还必须在机器人的焊枪把持架上配备防碰撞传感器。防碰撞传感器的作用是，在机器人运动时，万一焊枪撞上障碍物，能马上使机器人停止运动，避免损坏焊枪或机器人。当发生碰撞时，一定要检查焊枪是否被碰歪，否则由于TCP的变化，焊接路径将发生较大变化，从而焊出废品。有的机器人在第6轴装有电流反馈的防碰撞装置，如日本发那科机器人，机器人碰到障碍物后，码盘电流将增大，机器人发出信号，电动机反转，从而可减小焊枪被撞力量。

（5）变位机。

焊接变位机是焊接辅助机械中应用面较广的一种设备（见图6－30），它可以通过自身的回转及翻转机构，使固定在工作台面上的焊件做无级旋转和135°的翻转运动，使焊缝经常处于最佳的水平及船型焊位置。变位机的种类也比较多，目前主要的变位机构有滑轨、龙门机架、旋转工作台（一轴）、旋转＋翻转变位机（两轴）、翻转变位机（三轴）、复合变位机，其两轴均采用伺服电机驱动，焊接夹具实现翻转的同时，也能实现±180°水平回转，这使得机器人的作业范围和与夹具的相互协调能力大大增强，机器人焊接姿态准确度和焊缝质量有很大提高。这类变位机适合小型焊接工作站，常用于小工件的焊接，如消声器的尾管、油箱等工件焊接。

图6－30　变位机

（三）弧焊机器人应用实例

汽车前桥焊接机器人工作站是一个以弧焊机器人为中心的综合性强、集成度高、多设备协同运动的焊接工作单元，工作站的设计需要结合用户需求，分析焊接工件的材料、结构及焊接工艺要求，规划出合理的方案。在制作总体方案之前，首先应考虑以下三方面的问题。

（1）焊接夹具具体尺寸的估算。根据汽车前桥的结构特点和焊接工艺，分析工件的定位夹紧方案并留有一定余地，估算出焊接夹具的外形及大小。

（2）确定变位机的基本形式。焊接夹具应当能够变换位置，使工件各处的焊缝可以适应机器人可能的焊枪姿态；另外，为充分发挥机器人的工作能力，缩短焊接节拍，要把工件的装卸时间尽量和机器人工作时间重合起来，最好采用两套变位机，变位机采用翻转变位机形式。

（3）设备选型。按承载能力、作业范围及工件材料焊接特点等，选定机器人和焊机的型号。

工作站的整体结构

根据经济性原则以及合理布局（有效利用厂房现有的布局空间）、科学生产（人员少、产量高且工人劳动强度低）、生产效率高、安全生产（避免焊枪与周边设备发生干涉）等原则，汽车前桥焊接工作站的整体布局如图6－31所示。

图6－31　汽车前桥焊接机器人工作站布局

汽车前桥焊接机器人工作站的组成包括机器人系统、AC伺服双轴变位机、自动转位台、焊接夹具、工作站系统控制器、焊机、焊接辅助设备等。其中，弧焊机器人采用日本安川MA1400型机器人，焊机采用配套的RD500机器人专用焊机。该机器人采用扁平型交流伺服电机，其结构紧凑、响应快、效率高；带有防碰撞系统，可以检测出示教、自动模式下机器人与周边设备之间的碰撞。机器人焊枪姿态变化时，焊接电缆弯曲小，送丝平稳，能够连续稳定工作。RD350型焊机采用100 kHz高速逆变器控制，通过DSP控制电流、电压以及对送丝装置伺服电机的全数字控制。自动转位台采用双工位双轴变位机，工作时机器人固定不动，由系统控制器控制自动转位台的转动及变位机的变位，机器人根据系统控制器发出的指令依次对前桥几个焊接面进行焊接。