焊接機器人作為現代制造業的主體裝備成員，在工業生產現場得到了廣泛的應用。然而，由于受關節自由度和作業可達空間的限制，單一的通用焊接機器人所能完成的焊接任務是十分有限的，所以在面對復雜焊接任務的生產環節，比如汽車底盤和車身的生產，就不得不用大量的焊接機器人來協同完成，于是我們就看到數十臺甚至上百臺焊接機器人同時工作在同一生產線上的壯觀場面。其實，這既是工業生產現代化的寫照，也是單一焊接機器人能力局限的結果。

焊接機器人技術的發展，從宏觀上講大體是兩個方向。一是從焊接過程的質量控制，比如提高焊縫跟蹤軌跡精度等，從焊接工藝的角度來提高焊接質量。二是焊接機器人作業能力的拓展，變位機就屬于這一類。本質上變位機是焊接機器人關節自由度的拓展和作業空間的延伸。變位機的應用使得單臺焊接機器人的作業靈活性更強，焊接工件的尺寸理論上也不再受限于機器人自身的作業空間。變位機的出現很大程度上彌補了過去焊接作業中的種種局限性?？梢哉f，變位機已經成為焊接機器人突破自身局限的新支點。毫無疑問，變位機成功應用的關鍵是與焊接機器人的協調控制，通俗地講，就是兩者之間的有效配合。

變位機系統的基本組成和國內生產基本狀況

長期以來，由于制造業發展水平的差異和相關研究的薄弱，迄今沒有專門著作去研究焊接變位機的定義和分類，因此對其的稱謂和功能分類也各有不同。為此，我們需要賦予焊接變位機一個專業的定義，即用來拖動待焊工件，使其待焊焊縫運動至理想位置進行施焊作業的設備。具體而言，焊接變位機可以通過回轉變位或直線變位運動，使加載工件的任意方位待焊焊縫，根據具體焊接需要，快速變為船腳焊、平焊成平角焊的施焊作業，從而改變了可能需要立焊、仰焊等難以保證焊接質量的施焊作業。

現在我國生產變位機的廠家不少，大都不成規模，基本都是作為焊接輔機，和焊接機器人配套生產，以變位機為主導產品的企業尚未形成。國產變位機按運動功能主要分全雙回轉式、傾翻-回轉式、單回轉式變位機。其中全雙回轉式包括L、H（雙座）、C型雙回轉式；而單回轉式焊接變位機主要包括:雙座單回轉式、雙座單回轉尾架移動式、單座單回轉等三種類型。變位機的基本性能要求包括承載量、定位精度、最大扭矩輸出、調速范圍、以及精準角度設置等，目前重型變位機承載量可在5000Kg以上，最大扭矩輸出可達18000KN，焊接旋轉角可以在0-360°之間任意順、逆時針設定。高精度變位機一般采用步進電機或伺服電機控制，其本體精度保證依賴于步進電機驅動器，而與機器人主體部分協調配合好壞是焊接系統工作精度高低的決定因素。

生產焊接變位機的主要國內廠家有濟南焊達機械有限公司、無錫市陽通機械設備有限公司、杭州凱爾達機器人有限公司、威達自動化焊接設備公司等單位，其生產的變位機在國內占有較大的市場。

焊接機器人和變位機協調運動控制系統設技

作為焊接機器人和變位機的協調運動控制的解決方案，我們通常會將變位機和機器人作為一個整體，采用一個具有協調控制功能的控制系統來統一控制，這是一種行之有效的開發方法。然而，不少企業因為之前配置了大量焊接機器人，將原有的單機器人系統改造成具有與獨立變位機協調運動的作業系統，就成為了企業的現實需求。因此前述的設計方法對于改造早期的封閉式單機器人應用系統并不適用，能否設計一種方法解決二者之間的協調問題，成為當今焊接機器人研究的熱點。

1. 針對焊接機器人和變位機整機系統的運動控制設計

將焊接機器人和變位機視為整機系統開發出配套的專用控制器，可以提高設計效率，獲得較好的協同作業效果。在幾家研究單位中，浙江大學機器人研究中心長期致力于工業機器人領域通用運動控制器的設計研發，目前已開發出第三代多軸運動控制器MAMC 3.0，其基于DSP和CPLD的開放式架構可以滿足通用型焊接機器人多軸聯動的控制場合，并且控制器擴展出的接口可用于變位機伺服控制。該產品將計劃產業推廣。其硬件架構如圖2所示。

在這套控制系統中，由工控機負責統一協調規劃，完成任務的分配和調度。運動控制由焊接機器人和變位電機的下層伺服驅動器、光電編碼器構成位置閉環來實現。系統工作的狀態將會通過運動控制器反饋，實時顯示在工控機顯示界面上。得益于開放式的軟硬件架構，操作者可以方便的通過更改相關程序實現不同的配置策略，如具體控制軸數、軌跡規劃策略以及運動控制策略等。目前，諸多科研單位對焊接機器人系統運動控制做了深入研究并得出一系列重要成果，如果從開始階段就實現基于開放式架構的集成化控制系統，無疑是給這些研究成果創造了一個方便轉化的平臺。通過這種集成化的專業控制系統，可以在焊接初始時期預先規劃好焊接機器人和變位機的運動軌跡，使得在作業工程中實現二者良好的配合。

目前，具有機器人自動焊接系統生產資質的國內廠家大多采取該設計方案。以杭州凱爾達機器人有限公司生產的焊接機器人系統為例，其變位機控制和焊接機器人本體是由同一個控制系統實現控制。目前該公司研制有單軸變位機和雙軸變位機，并應用與工件邊焊接邊變位，可適應環焊縫，復雜空間焊縫的要求。

2.針對焊接機器人和變位機獨立的運動控制器設計

對于已購置成品工業機器人的企業，由于是封閉式的控制系統，除非購置同樣廠家的變位機，否則很難和其他廠家的變位機實現統一控制。因此，客觀上需要我們去采用獨立式控制方法，分別控制焊接機器人本體和變位機的運動。為保證焊接精度的要求，必須要將焊接機器人和變位機的相對位置精度限定在一個極小的范圍內。硬件架構如圖4所示。

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針對這種設計目標的一般方法是：焊接加工前，通過焊接機器人內建的注信息功能創建和保存運動類型和變位機速度，并在變位機控制器上另建文件保存與焊接機器人對應的變位機位置信息，然后在加工前按照上述的控制方法生成焊接機器人和變位機的加工文件。執行焊接工作時，分別由機器人和變位機控制器解析執行。這種設計方法的基礎在于求解工件焊接軌跡在用戶坐標系下的位置。在焊接前，先要建立用戶坐標系，確定變位機相對于焊接機器人的位置，然后求得焊縫軌跡在該坐標系下的表達式，最后確定變位機運動控制函數，并由機器人和變位機的運動關系求得機器人的空間運動軌跡。因為焊接機器人和變位機采用的是兩套不同的控制系統，要保證協同作業還需要統一的時鐘觸發，這點應該在硬件系統控制中予以實現，如統一這兩個系統的指令信號時鐘，實現同步觸發。此外，在示教過程中，示教文件和加工文件的文件結構設計亦不容輕視。

除了變位機運動控制算法的建立，變位機運動軌跡的圓滑度和機器人配合運動的復雜度也同樣重要。為使變位機運動保持運動的平穩性，需要利用高級插值算法對變位機示教點做擬合，實現圓滑過渡。另外可以采用小線段擬合的方法，這樣可以將機器人空間運動軌跡分割成一個個小的線段。這樣就大大減少了焊機器人所需的控制點數，有利于實現二者協同工作。

國內在對分離式變位機的相關研究直到近期才逐漸開始，高性能的變位機目前還不普及，大多數現場應用的變位機只能實現簡單的、基本的預設動作，復雜焊接軌跡的協調運動還未在大規模工業加工場合中實現。

總結和展望

在我國，變位機是個相對“年輕”的產品，它對焊接工業來說是不可或缺的，以焊接機器人為核心，集成變位機等設備的焊接加工系統大大提高了我國工業制造的效率。同時，這種集成性設備的關鍵技術，也是進一步提高我國焊接裝備制造以及焊接加工工藝水平所必須突破的。在這些技術當中，焊接機器人本體和變位機協調控制技術具有突出的應用價值，它使需要立焊、仰焊等難以保證焊接質量的施焊操作成為可能，從而保證了焊接質量，提高了焊接生產率和生產過程的安全性。

在未來的焊接機器人系統發展中，變位機協調控制技術的實現和普及需要廣大科研單位和制造企業共同推動，其必將成為中國焊接機器人系統發展的新支點。