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焊接变位机

焊接变位机,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。
中文名
焊接变位机
外文名
positioner

发展简介

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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,在焊接领域把它划为焊接辅机。近几年来,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
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0.1kN~18000 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。
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。

德国Severt公司

焊接变位机
焊接变位机 (5张)
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。
⑴S10型,包括S10.1、2、3、4型等4个产品系列。即:①L型双回转式、L型双回转升降式;② L型双回转-倾翻式、L型双回转-倾翻升降式;③2×L型双回转式、2×L型双回转升降式;④2×L型双回转-倾翻式、2×L型双回转-倾翻升降式。
⑵S20型,包括S20.1、2型2个产品系列。即:①单座单回转式、单座单回转升降式;②C型双回转式。
⑶S30型,包括S30.1、2型2个产品系列。即:①立式单回转;②立式单回转双工位。
⑷S40型,包括S40.1、2、3、4、5、6、7等7个产品系列。即:①双座单回转分体式;②双座首尾单回转式;③H型双座双回转式;④双座首尾单回转尾架移动式;⑤双座首尾倾翻尾架移动式;⑥双座3轴单回转式;⑦单座滚圈单回转式、双座滚圈单回转尾架移动式。
⑸S50型:包括S50.1、2、3、4、5、6、7型,7个多轴(自由度)产品系列。即:①立式3轴单回转双工位式;②立式单回转双工位2×倾翻--回转式(5轴);③立式单回转多工位2×L型双回转式(5轴);④立式单回转双工位2× L型双回转倾翻式(7轴);⑤立式单回转双工位2×双座单回转式(3轴);⑥立式单回转双工位2×C型双回转式(5轴);⑦立式单回转双工位2×卧式单座单回转(3轴)。
⑹S60型:包括S60.1、2型2个产品系列。即:①倾翻--回转式(0°~90°);②倾翻--回转式(±90°)。
⑺S70型:包括S70.1、2、3型3个产品系列。即:①立式多工位式4轴(4自由度)单回转;②立式多工位2×倾翻--回转式(6自由度);③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100dN~10kdN。

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 kg~1810吨。
⑴手动双回式。C 系列,型号C1000、2000、4000。承载能力25磅~4000磅。
⑵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。
⑶倾翻-回转式,倾翻角度135°。D、HD系列,承载能力314磅~7万磅
⑷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。
⑸倾翻-回转(齿轮齿条)无级升降式,GE系列,倾翻角度135°,型号(GE25~GE3500,承载能力2500磅~35万磅。
⑹倾翻-回转式,倾翻角度90°,G系列,G400~G4-MEGA型,承载能力4000磅~400万磅。
⑺双座双回转式,DCG系列,最大产品承载能力为500吨。
⑻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。
⑼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。

德国CLOOS公司

德国CLOOS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2×C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。

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2×L型双回转式。最大有效负荷(Max. payload)200kg、500kg、1000kg。

定义

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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。需要赋予它一个定义。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。

主自由度全功能

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α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α/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

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。

用途

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主要用途: 焊接变位机是一种通用、高效的以实现环缝焊接为主的焊接设备。可配用氩弧焊机(填丝或不填丝)、熔化极气体保护焊机 (C02/MAG/MIG焊机)、等离子焊机等焊机电源并可与其它机组成自动焊接系统。该产品主要由旋转机头、变位机构以及控制器组成。旋转机头转速可调,具有独立调速电路,拨码开关直接预置焊缝长度。倾斜角度可根据需要调节。焊枪可气动升降。

技术要求

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1、回转驱动
(1)回转驱动应实现无级调速,并可逆转。
(2)在回转速度范围内,承受最大载荷时转速波动不超过5%。
2、倾斜驱动
(1)倾斜驱动应平稳,在最大负荷下不抖动,整机不得倾覆。最大负荷Q超过25kg的,应具有动力驱动功能。
(2)应设有限位装置,控制倾斜角度,并有角度指示标志。
(3)倾斜机构要具有自锁功能,在最大负荷下不滑动,安全可靠。
3、其他
(1)变位机控制部分应设有供自动焊用的联动接口。
(2)变位机应设有导电装置,以免焊接电流通过轴承、齿轮等传动部位。导电装置的电阻不应超过1mΩ,其容量应满足焊接额定电流的要求。
(3)电气设备应符合GB/T 4064的有关规定。
(4)工作台的结构应便于装卡工件或安装卡具,也可与用户协商确定其结构形式。
(5)最大负荷与偏心距及重心距之间的关系,应在变位机使用说明书中说明。[1]

类型

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焊接变位机按结构形式可分为三类:
1、伸臂式焊接变位机
伸壁式焊接变位机结构特点与性能 回转工作台安装在伸臂一端,伸臂一般相对于某倾斜轴成角度回转,而此倾斜轴的位置多是固定的,但有的也可小于100°的范围内上下倾斜。该机变位范围大,作业适应性好,但整体稳定性差。其适用范围为1t以下中小工件的翻转变位。在手工焊中应用较多。多为电动机驱动,承载能力在0.5t以下,适用于小型罕见的翻转变位。也有液压驱动的,承载能力多,适用于结构尺寸不大,但自重较大的焊件。
2、座式焊接变位机
座式焊接变位机工作台有一个整体翻转的自由度。可以将工作翻转到理想的焊接位置进行焊接。另外工作台还有一个旋转的自由度。该种变位机已经系列化生产,主要用于一些管,盘的焊接。工作台边同回转机构支承在两边的倾斜轴上,工作台以焊速回转,倾斜边通过扇形齿轮或液压油缸,多在140°的范围内恒速倾斜。该机稳定性好,一般不用固定在地地基上,搬移方便。其适用范围为1至50t工件的翻转变位,是目前应用最广泛的结构形式,常与伸缩臂式焊接操作机配合使用。座式变位机座式变位机通过工作台的回转或倾斜,使焊缝处于水平或船形位置的装置。工作台旋转采用变频无级调速,工作台通过扇形齿轮或液压油缸驱动倾斜。它可以实现与操作机或焊机联控。控制系统可选装三种配置:按键数字控制式、开关数字控制式和开关继电器控制式。该产品应用于各种轴类、盘类、筒体等回转体工件的焊接。是目前应用最广泛的结构形式。
座式变位机根据载重不同,可分为座式变位机和小型座式变位机
该机稳定性好,一般不用固定在地基上,搬移方便,适用于0.5~50t焊件的翻转变位。是目前产量最大、规格最全、应用最广的结构形式。常与伸缩臂式焊接操作机或弧焊机器人配合使用。
3、双座式焊接变位机
双座式焊接变位机是集翻转和回转功能于一身的变位机械。翻转和回转分别由两根轴驱动,夹持工件的工作台除能绕自身轴线回转外,还能绕另一根轴做倾斜或翻转,它可以将焊件上各种位置的焊缝调整到水平的或“船型”的易焊位置施焊,适用于框架型,箱型,盘型和其他非长型工件的焊接。
工作台座在“U”形架上,以所需的焊速回转,“U”形架座在两侧的机座上,多以恒速成或所需焊速绕水平轴线转动。该机不仅整体稳定性好,而且如果设计得当,工件安放在工作台上以后,倾斜运动的重心将通过或接近倾斜轴线,而使倾斜驱动力矩大大大减少,因此,重型变位机多采用这种结构。其适用范围为50t以上重型大尺寸工件的翻转变位,多与大型门式焊接操作机或伸缩臂式焊接操作机配合使用。
双座式焊接变位机适用于50t以上大尺寸焊件的翻转变位。在焊接作业中,常与大型门式焊接操作机或伸缩臂式焊接操作机配合使用。[2]

机械

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焊接变位机械是改变焊件、焊机或焊工位置来完成机械化、自动化焊接的各种机械装置。
焊接变位机械可分为三大类:
(1)焊件变位机械:包括焊接变位机、 焊接滚轮架、焊接回转台和焊接翻转机。
(2)焊机变位机械:包括焊接操作机和电渣焊立架。
(3)焊工变位机械:包括焊工升降机等。
焊接变位机(positioner)是将工件回转、倾斜,使工件上的焊缝置于有利施焊位置的焊件变位机械。它主要用于机架、机座、法兰、封头等非长形工件的翻转变位和焊接,也可用于装配、切割、检验等。
焊接变位机焊接变位机
焊接滚轮架(turning rolls) 是借助主动滚轮与工件之间的摩擦力带动筒形工件旋转的焊件变位机械。它主要用于筒形工件的装配与焊接,是锅炉容器生产中的常用工艺装备。
焊接回转台(welding turntable)是一种简化的变位机,它将工件绕垂直轴回转或者固定某一角度倾斜回转,主要用于回转体工件的焊接、堆焊与切割。
焊接翻转机(welding tilter)是将工件绕水平轴转动或倾斜,使之处于有利装焊位置的焊件变位
通孔变位机通孔变位机
机。它主要适用于梁柱、框架、椭圆容器等的焊接。
焊接操作机(manipulator)的作用是将焊机机头准确地送到并保持在待焊位置,或以选定的焊接速度沿规定的轨迹移动焊机机头。焊接操作机与变位机、滚轮架等配合使用,可完成纵缝、环缝、螺旋缝的焊接,还可以用于自动堆焊、切割、探伤、打磨、喷漆等作业。[3]

具备性能

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(1)焊接变位机械和焊机变位机械要有较宽的调速范围焊接运行速度,以及良好的结构刚度。
(2)对尺寸和形状各异的焊件,要有一定的适用性。
(3)在传动链中,应具有一级反行程自锁传动,以免动力源突然切断时,焊件因重力作用而发生事故。
(4)与焊接机器人和精密焊接作业配合使用的焊件变位机械,视焊件大小和工艺方法的不同,其到位精度(点位控制)和运行轨迹精度(轮廓控制)应控制在0.1—2mm之间,最高精度应可达0.01mm。
(5)回程速度要快,但应避免产生冲击和振动。
(6)有良好的接电、接水、接气设施,以及导热和通风性能。
(7)整个结构要有良好的密闭性.以免焊接飞溅物的损伤,对散落在其上的焊渣、药皮等物.应易被清除。
(8)焊接变位机械要有联动控制接口和相应的自保护功能集中控制和相互协调动作。
(9)工作台面上应刻有安装基线,装各种定位工件和夹紧机构。
(10)兼作装配用的焊件变位机械抗冲击性能。并设有安装槽孔,能方便地按其工作台面要有较高的强度和抗冲击性能。
(11)用于电子束焊、等离子弧焊、激光焊和钎焊的焊件变位机械,应满足导电、隔磁、绝缘等方面的特殊要求。[4]

选型

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①根据焊接结构件的结构特点选择合适的焊接变位机。如:装载机后车架、压路机机架可用双立柱单回转模式,装载机的前车架可选L型双回转式,装载机铲斗焊接变位机可设计成C型双回转式,挖掘机车架、大臂等可用双座式头尾双回转型式,对于一些小总成焊接件可选取现今市场上已系列化生产的座式通用变位机。
②根据手工焊接作业的情况,所选的焊接变位机能把被焊工件的任意一条焊缝转到平焊或船焊位置,避免立焊和仰焊,保证焊接质量。
③选择开敞性好,容易操作,结构紧凑占地面积小的焊接变位机,工人操作高度尽量低,安全可靠。工装设计要考虑工件装卡简单方便。
④工程机械大型的焊接结构件变位机的焊接操作高度很高,工人可通过垫高的方式进行焊接。焊接登高梯的选取直接影响焊接变位机的使用,视高度情况可用小型固定式登高梯、三维或两维机械电控自动移动式焊接升降台。[5]

操作规程

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1. 遵守焊工安全操作规程。
2. 安装和拆卸工件时,检查圆压板是否已取出及压板是否退回到位,以防工件损坏夹具。
3. 吊装工件时,必须平稳水平,不能有大幅度摆动,防止工件碰撞夹具,以免损坏夹具。
4. 吊装工件时,必须安装稳妥后才能将吊索拿离工件。
5. 拆卸工件时,必须将工件先用吊索吊稳后才能将工件松开。
6. 工件落到夹具上时,要轻放,不得对夹具及变位机有过大的冲击。
7. 工件安装必须按要求定位,全部夹具的螺母、螺栓都要拧紧,压板压紧,安装完成后需试转检查,确认装稳后才能正式作业。
8. 转动前应检查工作回转范围内有无其它物品避免发生碰撞。
9. 工件转至作业位置后,须将电源开关关闭,切断电源防止误动作。
10. 工件安装须注意工作中心,不得偏离重心位置。
11. 不得超重、超负荷运载。
12. 工件需要登高焊接时,须用登高踏板,且登高踏板须放置稳妥后,才能登高操作。

施焊工艺

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1、不平度较大的钢板,必须校平,对纵横交叉的接缝,可适当增加中间校正过程或加压铁,钢板不平度影响焊穿现象,因工件不平,使之脱离平台,散热慢易焊穿;在上坡时,可能焊车速度减慢;以及熔池倾斜,都会使钢板焊穿,因此钢板必须校平。
2、钢板在装焊前,应尽量使其清洁,必须将油污、浮铁、锈泥等清除干净,其中油污必须彻底清除,可用50%水玻璃加50%水来清洗。
3、钢板并接前,用风动钢丝轮将焊缝上表面边缘50mm范围内进行清洁,只需将浮锈清除干净,不必清除坚固的氧化皮。
4、将风动钢丝轮清洁后的灰尘清除干净,用一般的压缩空气,必须注意不得由水、油。
5、将并接钢板两端面用批铲批去一刀,必须注意不要将端面批斜,并保证间隙公差为0+0.5局部间隙允许达1mm,但不得超过整条焊缝长度的10%,这是使焊缝不焊穿的必要保证。
6、用上焊结427直流电源反接法进行点焊,电流应偏于下限,以减少熔深,间距可为150~200mm,并将点焊批平。
7、焊缝两端必须装引弧板于熄弧板,以免因电机在启动及熄弧时焊接规范不稳定而影响焊接质量,引弧板与熄弧板的厚度要与工件厚度一致。
8、用φ1.6焊丝进行焊接,以增加电流密度,使焊机规范易于保证稳定。
9、焊药在150~200℃温度下焙烘1~2小时。
10、在试板上将规范调节正确。
11、调整指针的正确性,焊缝的焊偏是产生未焊透及气孔的另以主要原因,必须绝对避免。
12、主焊缝必须做到当天装配,当天焊接,主焊缝不过夜,并尽量安排于白天进行,因晚上较潮湿。
13、封底焊与主焊缝焊接相隔的时间不宜太长,超过一星期由一些影响,适当做些清洁工作,还是可以避免缺陷的。封底焊与主焊缝焊接时间较近,封底焊与主焊缝焊接时间较近,封底焊表面没有严重浮锈不进行表面磨光对气孔夜不觉得由突出影响(有氧化皮的)。
14、凡自动焊区域,应创造一定工作条件,不要给以任意走动,减少不必要的振动,保证焊缝区域的清洁程度与良好的环境。
15、焊接后对焊缝质量进行X光类检查,118张偏透视结果合格率达95.76%。[6]

焊接规范

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正确的选择规范是防止焊穿和避免未焊透现象的重要保证,规范不准也会引起气孔的产生。
3mm拨自动焊的焊穿与未穿透之极限很接近,熔深n1<1.5mm时就会出现未焊透现象,当n1<2.0时极易焊穿,熔深的变化范围<1mm。因此焊接规范就受到严格的限制。
对φ1.6的焊丝几种规范,以电流为代表的有:主焊缝电流I1=160A、180A、200A;封底焊电流I2=220A、240A、260A、280A。对第一种规范由于主焊缝与封底焊熔深没有交叉,实际上就不能保证正常焊透程度。第二种规范要产生焊穿现象。
由于3mm薄板自动焊采用的是小规范,其所要求的稳定性就必须很高,否则就会引起焊穿或未焊透现象,焊缝成型也会恶化,可能出现气孔等缺陷。我们要求电流的波动范围控制在±10A以内,电压控制在±2V一内,这样是能够得到满意的结果。
3mm薄板单丝埋弧自动焊的焊接规范:
焊缝类别
电流(A)
电压(V)
焊接速度(m/h)
备 注
主焊缝
190
31
38
用φ1.6焊丝
封底焊
250
32
45
[7]

驱动系统

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焊接变位机工作台的回转运动,多采用直流电动机驱动,无级变速工作台的倾斜运动有两种驱动方式:一种是电动机经减速器减速后通过扇形齿轮带动工作台倾斜或通过螺旋副使工作台倾斜; 另一种是采用液压缸直接推动工作台倾斜。这两种驱动方式都有应用,在小型变位机上以电动机驱动为多。工作台的倾斜速度多为恒定的,但对应用于空间曲线焊接及空间曲面堆焊的变位机,则是无级调速的。另外,在驱动系统的控制回路中,应有行程保护、过载保护、断电保护及工作台倾斜角度指示等功能。
工作台的回转运动应具有较宽的调速范围,国产变位机的调速比一般为1:33左右;国外产品一般为1:40,有的甚至达1:200。工作台回转时,速度应平稳均匀,在最大载荷下的速度波动不得超过5% 。另外,工作台倾斜时,特别是向上倾斜时,运动应自如,即使在最大载荷下,也不应产生抖动。