焊接变位机型式与系列的论述.doc

焊接变位机型式与系列的论述天津工程机械研究院 郑永强1 引言在我国，焊接变位机也已悄然成为制造业的一种不可缺少的设备，在焊接领域把他划为焊接辅机。近十年来，这一产品在我国工程机械行业，有了较大的发展，获得了广泛的应用。就型式系列和品种规格而言，已问世的，约有十余个系列，百余品种规格，正在形成一个小行业。笔者希望这一产品能健康、有序、迅速的发展；企业能在一个平等的技术上竞争。在我国，乃至国际范围内，有关焊接变位机的基本概念、型式与分类、主要技术参数等，存在不统一的问题。甚至存在某些量纲混淆问题，笔者希望能有一个统一的认识。在人们的眼里，可能认为焊接变位机是一个无足轻重的产品。然而，在国际上，包括各种功能的产品在内，有百余系列。在技术上有普通型的；有无隙传动伺服控制型的；产品的额定负荷范围，达到0.1kN18000 kN。可以说，焊接变位机是一个品种多，技术水平不低，小、中、大发展齐全的产品。本文希望给他一个应有的技术定位。2 国内外焊接变位机发展简介本文不是研究国内外焊接变位机发展情况的专著。从上述研究目的出发，在此仅做简介。一般说来，生产焊接操作机、滚轮架、焊接系统及其他焊接设备的厂家，大都生产焊接变位机；生产焊接机器人的厂家，大都生产机器人配套的焊接变位机。但是，以焊接变位机为主导产品的企业，非常少见。德国Severt公司，美国Aroson公司，我国天津鼎盛工程机械有限公司等，算是比较典型的生产焊接变位机的企业。德国的CLOOS、奥地利igm、日本松下机器人公司等，都生产伺服控制与机器人配套的焊接变位机。以下仅就变位机型式、第一主参数等做些介绍。22 德国Severt公司该公司主要生产8种类型的产品，其中7种是焊接变位机。每种型式的焊接变位机，按其功能讲，均包括基本型、调速型、CNC程控型和机器人配套型等4种产品。S10型，包括S10.1、2、3、4型等4个产品系列。即：L型双回转式、L型双回转升降式； L型双回转-倾翻式、L型双回转-倾翻升降式；2L型双回转式、2L型双回转升降式；2L型双回转-倾翻式、2L型双回转-倾翻升降式。S20型，包括S20.1、2型2个产品系列。即：单座单回转式、单座单回转升降式；C型双回转式。S30型，包括S30.1、2型2个产品系列。即：立式单回转；立式单回转双工位。S40型，包括S40.1、2、3、4、5、6、7等7个产品系列。即：双座单回转分体式；双座首尾单回转式；H型双座双回转式；双座首尾单回转尾架移动式；双座首尾倾翻尾架移动式；双座3轴单回转式；单座滚圈单回转式、双座滚圈单回转尾架移动式。S50型：包括S50.1、2、3、4、5、6、7型，7个多轴（自由度）产品系列。即：立式3轴单回转双工位式；立式单回转双工位2倾翻-回转式（5轴）；立式单回转多工位2L型双回转式（5轴）；立式单回转双工位2 L型双回转倾翻式（7轴）；立式单回转双工位2双座单回转式（3轴）；立式单回转双工位2C型双回转式（5轴）；立式单回转双工位2卧式单座单回转（3轴）。S60型：包括S60.1、2型2个产品系列。即：倾翻-回转式（090）；倾翻-回转式（90）。S70型：包括S70.1、2、3型3个产品系列。即：立式多工位式4轴（4自由度）单回转；立式多工位2倾翻-回转式（6自由度）；立式4工位立式4轴单回转。以上共33个产品型式，每种型式都包括上述四种功能的产品，相当于132个产品系列。额定负荷为100dN10kdN。22 美国Aroson公司美国Aroson公司生产的焊接设备有焊接变位机、操作机、滚轮架等，可称世界之最。这个公司生产的焊接变位机，主要类型为倾翻回转式、倾翻回转升降式、双座双回转式，双座单回转式和双座单回转升降式。其承载能力范围为11 kg1810吨。手动双回式。C 系列，型号C1000、2000、4000。承载能力25磅4000磅。小型倾翻-回转式。LD系列，型号LD 60N、150N、300N，承载能力分别为132磅、330磅、660磅。倾翻-回转式，倾翻角度135。D、HD系列，承载能力314磅7万磅倾翻-回转（换销）定位升降式，倾翻角度135。AB系列（30 AB1200），承载能力4300磅12万磅。倾翻-回转（齿轮齿条）无级升降式，GE系列，倾翻角度135，型号（GE25GE3500，承载能力2500磅35万磅。倾翻-回转式，倾翻角度90，G系列，G400G4-MEGA型，承载能力4000磅400万磅。双座双回转式，DCG系列，最大产品承载能力为500吨。单回转式HTS 系列，HTS5、9、12、20、32、40、50、60、90、160、240，承载能力为500磅24万磅。单回转（齿轮齿条）升降式，HTS- GE系列，HTS5 GE、HTS 240GE，承载能力为500磅24万磅。23 德国LCOOS公司德国LCOOS公司是国际上生产焊接设备的大型公司之一。生产焊接机器人、焊机等产品。也生产作为焊接机器人外部轴的焊接变位机。在我国，除可见到与焊接机器人系统配套进口的L型双回转式、倾翻-回转式和单回转式变位机外，还生产卧式单坐单回转WPV、立式单回转RR502以及各种多轴焊接机器人配套的变位机，如立式多工位2卧式单回转R-WPV 2型（3轴）、立式多工位2C型双回转式R- WPV2-CD（5自由度）、立式多工位2倾翻-回转GR-WPK 2（5轴）、立式多工位2倾翻-回转单回移动转式GR-WPK 2-CD（9轴）等。这些产品的主参数，最大允许承载能力（max. admissible load capacity）用N表示。24 日本松下（Panasonic）公司日本松下公司也是机器人制造公司。这个公司生产的机器人外部设备焊接变位机有12个系列。他们把传动装置、机座、夹具体等作成了标准模块，集合而成这些产品系列。按轴数和结构型式分类。1轴变位机3个系列，即：立式单回转、卧式单座单回转、双座单回转式；2轴变位机有5个系列，即：C、L、H、准L型双回转式及2卧式单座单回转式；3轴变位机有3个系列，即：立式多工位2立式单回转、卧式多工位2双座单回转式、2卧式单座单回转式；5轴变位机有1个系列，立式多工位2L型双回转式。最大有效负荷（Max. payload）200kg、500kg、1000kg。25 国内变位机的产品简介现在我国生产焊接变位机的厂家已经不少，大都不成规模。以变位机为主导产品发展起来的企业，尚未形成。天津鼎盛公司工程机械有限公司、无锡市阳通机械设备有限公司、长沙海普公司、威达自动化焊接设备公司等单位生产的变位机在国内占有较大市场。到2000年，国内已开发的变位机产品约70余品种规格。以下简述这些变位机的基本型式。全双回转式。包括L、H(双座)、C型双回转式(BZ2-、BZ2A-、BZ2B-、BZ2D-系列)。倾翻-回转式焊接变位机（BZ2C-系列）。单回转式焊接变位。包括三种型式：双座单回转式（BZ-、BZ1-、BZA-、BZA1-系列）、双座单回转尾架移动式（BZY-、BZAY-、BZA1Y-系列）、单座单回转（立式BZAL-、BZL-，卧式BZW-、BZAW-斜式BZAX-系列）。以上基本型产品发展了17个系列，主要为普通型，用于手把焊。此外，还有调速型、联控型（PLC、微机控制）和机器人配套型产品。与焊接机器人配套用的变位机，开发了十余个品种。包括：工位变换变位机（不参与焊接），如，立式双工位、四工位、八工位变位机，双座单回转式八工位和倾翻回转式双工位变位机等；与机器人配套焊接变位机（机器人外部轴），如，倾翻-回转伺服传动式、双座单回转伺服传动式、多轴单回转伺服传动式等。3 关于焊接变位机几个基本定义的讨论31 焊接变位机的定义在我国，焊接变位机是一个年青的产品。由于制造业之间发展水平的差异，很多企业的焊接工位，还没有装备焊接变位机；同时，相关的研究也比较薄弱。迄今为止，没有专门著作去研究它的定义和分类。对它的称呼也就不可能规范化了。同一种设备，不同的企业和不同的人可能有不同的称呼。如：转胎、转台、翻转架、变位器、变位机等。为此，我们需要赋予它一个定义。我们称：用来拖动待焊工件，使其待焊焊缝运动至理想位置进行施焊作业的设备，称焊接变位机。也就是说，把工件装夹在一个设备上，进行施焊作业。焊件待焊焊缝的初始位置，可能处于空间任一方位。通过回转变位运动后，使任一方位的待焊焊缝，变为船角焊、平焊或平角焊施焊作业。完成这个功能的设备称焊接变位机。它改变了可能需要立焊、仰焊等难以保证焊接质量的施焊操作。从而，保证了焊接质量，提高了焊接生产率和生产过程的安全性。32 主自由度及全功能焊接变位机可以肯定的讲，如果一台变位机拖动焊件，仅做直线运动，哪怕是三维的，也不可能改变焊缝的姿态，满足施焊要求。也就是说，变位运动是回转运动，称此回转运动为变位机的主自由度。还可以做这样一个假设：在X、Y、Z直角坐标系下，设有一空间直线焊缝，绕Z轴可在360范围内回转，且这个Z轴连同这一焊缝又可绕X（或Y）轴在180范围内回转，那么，经此变位的焊缝，便可变到船角焊位置进行施焊作业。换言之，一个焊口由两个面的共线MN和夹角组成，在上述两个回转范围内，经恰当的回转，便可使其共线 MN 与水平面平行，且这两个面与水平面的夹角相等，各为/2，即变为船角焊位置。这个假设是说，任何复杂焊件，只要装在主自由度为一个全回转和一个半回转的焊接变位机上，即可实现船焊要求。我们称这种双回转式焊接变位机为全功能变位机。33 焊接变位机的变位自由度涉及到用户对设备装备的理念，以及考虑用于手把焊和自动焊的不同用途，选择和设计焊接变位机时，除主变位自由度外，还要考虑增加辅助变位自由度。如大件焊接，可增加升降运动自由度，如上述美国、德国这种产品很多。另外，某些焊件，由于焊缝分布简单，用一个回转自由度就可以解决焊件中大部分和重要焊缝的船焊要求，其余少量非重要焊缝，虽然，不能实施船角焊，但可以实施平角焊。这样，为简化设备造价，工艺上便考虑采用单自由度或功能退化的焊接变位机，即单回转式变位机。根据使用要求，同样也可以增加辅助自由度。例如，升降式和尾架移动式等等。还有一些工位变位机，为适用于焊接工位的工艺要求，这种焊接变位机的某些自由度，与施焊无关。还有从工位设计和稳定性考虑，两台或多台焊接变位机合并设计，这样就出现了多种工位变换和组合式多自由度焊接变位机产品。34 变位机的第一主参数 - 额定负荷本文把最能描述焊接变位机工作能力的参数，称第一主参数。焊接变位机不同于其他加工设备，它的基本负荷就是焊件的“重量”。各国的焊接变位机，都是由此给定第一主参数的。在国际上，第一主参数的量纲没有统一。对这一问题，需要做些讨论。在欧洲，如德国Severt公司、CLOOS公司，瑞典ESAB公司等，用重力单位N表示；美国Aroson公司用英美制质量单位Lbs（磅）表示；日本某些公司用国际质量单位kg表示；我国的焊接变位机行业标准，采用了国际质量单位kg，但鼎盛公司采用了重力单位kN。如此可见，在我国乃至国际上，焊接变位机第一主参数的量纲还没有统一。其次，对这一主参数的称呼也不统一。最大负荷kg、最大负荷N（Max load N）、基本承载能力Lbs（Base load capacity in pounds）、承重能力Lbs（Weight capacity Lbs）、许用载荷kg（许容荷载）、最大有效负荷（Max. payload）等等。从量纲发展的历史分析，用力和质量两种单位，各有个的道理。但是，无论是从行业管理的角度考虑，还是从科学计算的角度考虑，都应统一。笔者认为量纲的确定，在于一个概念，如果衡量焊接变位机的能力，选择负荷单位，即第一主参数用重力表示，那么，他的量纲应该用N、kN。与此相关的回转技术参数力矩，应该用Nm、kNm表示，这样，与国际单位制就统一了。这是本文推荐的办法。焊接变位机是涉及人身安全的产品。对用户选择产品负荷等级，应该是明确的。诸如上述的最大负荷（kg、N）或许用载荷（kg、N），都不能说准确的表达了这个量。现在给定一个公式：F = kd m g n 式中：m为焊件质量；g为重力加速度，即mg为重力；kd为动荷系数；n为安全系数。称F为额定承载能力或额定负荷。动荷系数kd、安全系数n，应在产品设计时确定。在样本或使用说明书中给用户提供选择方法。关于额定负荷F的参数系列，以及回转或倾翻力矩两种参量，本文不做讨论。4 焊接变位机型式及功能设计41 型式设计4.1.1 自由度设计用主自由度设计变位机，可有三种基本型式。 单回转式，其转角为360n； 双回转式，其转角为一个为360n，另一个为180360n；倾翻-回转式，其转角一个为360n，另一个为（0（90、135）。多自由度产品设计，在上述基本型产品上，增加辅助自由度。多自由度组合结构设计，把两种或两种已上基本型产品组合设计而成。42 结构设计单回转式，为了适应不同工件装夹需要，还有三种基本型式，立式、卧式和双座式。双座还分尾架固定和尾架移动两种型式。还有首尾分体、联体式等。双回转式，为了适应不同工件装夹需要和考虑结构受力合理，也设计有三种基本型式，L型、C型、H型（双座双回转式）。倾翻-回转式也有不同的结构设计，如一个回转的转角为360n，另一个为： 45； （090）； （0135）等，这三种具有不同的结构型式。43 功能设计普通型，回转运动为定速传动。调速型，至少有一个回转运动设计为变速传动。联控型，除具有调速功能外，采用PLC和微机控制，使多机和多自由度联动工作。机器人配套型，作为机器人外部轴使用或参加焊接；或仅做工位变换，不参加焊接。5 焊接变位机的分类和型号编制办法51 分类方法从变位机小行业发展考虑，必须有一个分类办法。使每一种产品问世，都可赋予它一个法定代号。这对一个变位机生产企业来说，无论是软件还是硬件管理，都是至关重要的。所谓的分类方法，就是根据上述型式设计，按产品的自由度、结构和功能等三种特征，把它们排成一个型谱。以便于给它们一个代号，以兹互相区别，这就是分类方法。52 型号编制的基本要求分类和型号编制都是对同一事件的。分类方法是把一种焊接变位机放在型谱上，并赋予一个名称。型号编制办法，则是把已命名的焊接变位机，用一组具有一定特征的字符串来表示。这个字符串代表了产品的自由度、结构和功能特征、产品参数特征和换代特征等。53 产品代号设计焊接变位机的代号，是用一个字符串来表示的，如图1所示。第一段为焊接变位机产品代码，可用汉语拼音字头HB或B表示；第二段为焊接变位机自由度分类代码，用汉语拼音字头Z、Y表示，分别代表回转、位移自由度，1、2、3.代表自由度数，单自由度可以缺省；第三段为焊接变位机结构特征代码，用汉语拼音字头W、L、Q和形状L、C、H混合表示；第四段为焊接变位机功能代码，用汉语拼音字头T、S、K、R分别表示调速型、伺服传动型、联控型和机器人配套型，普通型缺省；第五段为焊接变位机第一主参数-额定负荷代码，用阿拉伯数字表示，单位kN；第六段为焊接变位机产品换代代码，按开发顺序，用英文字母A、B、C.表示，第一代产品缺省。 产品换代代码，按开发顺序用英文字母A、B、C表示，首代缺省 额定负荷代码，用阿拉伯数字表示，单位kN 功能特征代码，用汉语拼音字头T、S、K、R表示，普通型缺省 结构特征代码，用汉语拼音字头W、L、Q和形状L、C、H混合表示 自由度代码，用汉语拼音字头Z、Y分别代表回转、位移，阿拉伯数字代表自由度数 焊接变位机代码，用汉语拼音字头 HB或B 表示图1 焊接变位机产品代号说明54 焊接变位机基本系列与类组划分变位机的基本系列与类组划分，如图2所示。 L型双回转式（固定式、升降式） 双回转式 H型双座双回转式（固定式、升降式） C型双回转式（固