Робототехнические комплексы для дуговой и контактной сварки

Московский государственный технический университет  
имени Н.Э. Баумана 
Э.А. Гладков, О.Н. Киселев  
 
 
 
РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ  
ДЛЯ ДУГОВОЙ И КОНТАКТНОЙ СВАРКИ 
 
 
Рекомендовано редсоветом МГТУ им. Н.Э, Баумана 
в качестве учебного пособия  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
М о с к в а  
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2 0 0 9  
 

УДК 621.791:658.52.011.56(075.8) 
ББК 30.61:32.965 
 
Г522 
Рецензенты: Ю.Н. Зорин, В.М. Ямпольский 
Г522 
 
Гладков Э.А., Киселев О.Н.  
  
 
     Робототехнические комплексы для дуговой и контактной 
сварки: Учеб. пособие. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. — 107 с.: ил. 
ISBN 978-5-7038-3269-1 
Учебное пособие посвящено особенностям использования робототехники в сварочном производстве. Рассмотрены составные части 
робототехнических комплексов, их манипуляционные системы, системы управления, методы обучения и программирования, специфика 
использования сварочного производства в робототехнических комплексах. Определены области наиболее эффективного использования 
робототехнических комплексов в сварочном производстве, а также 
освещены вопросы интеграции операций при роботизированной 
сварке и комплексной роботизации сварочного производства.  
Для студентов 5-го и 6-го курсов, обучающихся по специаль- 
ности «Оборудование и технология сварочного производства». Материал учебного пособия может быть использован при выполнении науч- 
но-исследовательских работ, домашних заданий, курсовых и дипломных проектов.  
 
УДК 621.791:658.52.011.56(075.8) 
ББК 30.61:32.965 
 
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7038-3269-1 
 
 
    © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
В предлагаемом учебном пособии исследована проблема использования робототехнических комплексов (РТК) для повышения 
производительности процесса и качества изделий при дуговой и 
контактной сварке. 
В первой главе рассмотрены особенности использования РТК в 
сварочном производстве, составные части современных РТК, их 
манипуляционные системы, системы управления, методы обучения и программирования таких комплексов. Описаны специфика 
использования сварочного оборудования в РТК, средства адаптации, включающие современные измерительные устройства с малогабаритными датчиками, работа которых основана на различных 
физических принципах. Рассмотрен новый класс адаптивных автоматизированных систем управления в сварочной аппаратуре, 
позволяющих построить и внедрить в производство наиболее эффективные РТК. 
Во второй главе рассмотрены области использования РТК в 
сварочном производстве, а также вопросы интеграции операций 
при роботизированной сварке и комплексной роботизации сварочного производства. Описаны наиболее совершенные сварочные 
РТК, разработанные в России и за рубежом в последние годы. Даны методические указания, которые помогают оценить целесообразность использования и выбора РТК при дуговой сварке различных сварных конструкций и машиностроительных изделий. 
 
3 

 
1. РОБОТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА СВАРКИ 
1.1. Особенности роботизированного процесса сварки 
Использование робототехники в сварочном производстве позволяет автоматизировать сварку швов любой формы, а также 
большого числа коротких швов, различным образом расположенных в пространстве; выполнять дуговой сваркой швы с любой 
формой линии соединения в горизонтальном (нижнем) положении. 
Это дает возможность применять наиболее производительные режимы сварки, при которых формируются сварные швы с минимальным отклонением геометрических размеров. При автоматической сварке роботизация обеспечивает дополнительный рост 
производительности, экономию сварочных материалов и электроэнергии и уменьшение сварочных деформаций. Сокращается потребность в применении специального сварочного оборудования и 
изготовлении специальных и специализированных станков, установок и машин для сварки. 
Проблема роботизации сварочного производства включает в 
себя выбор универсальных или компоновку специализированных 
средств робототехники и комплексное решение технико-экономи- 
ческих вопросов, связанных с внедрением средств робототехники 
на конкретном сварочном производстве. 
Требования, предъявляемые к средствам роботизации сварочных процессов при различных способах сварки, обусловливаются 
особенностями сварных конструкций, которые по геометрическим 
признакам можно разделить следующим образом: 
• плоскостные (полотнища, панели с элементами жесткости); 
• листовые типа тел вращения (резервуары, цилиндры и т. д.); 
• каркасно-решетчатые (плоские и объемные фермы, каркасы 
кабин транспортных и сельскохозяйственных машин, каркасы шка 
4 

фов, блоков и пультов управляющей аппаратуры, ограждения и другие конструкции, состоящие из стержневых элементов различного 
профиля); 
• рамные, состоящие из соединенных сваркой продольных и 
поперечных балок, распорок и других усиливающих элементов; 
• корпусные, изготовляемые с использованием заготовок из 
листа, сортового проката, поковок, отливок, штамповок (станины, 
стойки, крупные кронштейны, корпуса редукторов, ковши экскаваторов и т. д.);  
• детали машин (сварные валы, шкивы, шестерни, рукоятки, 
рычаги, коромысла, мелкие кронштейны и т. д.). 
В зависимости от вида и толщины свариваемых материалов 
для изготовления перечисленных конструкций применяют способы дуговой (ДС) и точечной контактной (ТКС) сварки. 
Среди сварных конструкций, изготовляемых с применением 
ручной дуговой сварки, преобладают каркасно-решетчатые, рамные и корпусные, а также различные детали машин. Некоторые 
виды узлов этих конструкций, изготовляемых с помощью дуговой 
сварки, показаны в табл. 1.1. Сварные конструкции имеют большое число коротких швов, а также швов сложной формы, различным образом расположенных в пространстве, что затрудняет механизацию и автоматизацию сварки традиционными методами. 
Именно здесь решающая роль в освобождении человека от ручного труда принадлежит роботам для дуговой сварки.  
Наибольшее число роботов требуется для ДС конструкций небольших габаритных размеров. Вместе с тем необходимы РТК для 
ДС крупногабаритных конструкций типа судокорпусных секций, 
платформ тяжелых грузовых автомобилей и других крупных 
транспортных средств. Число таких конструкций в общем объеме 
сварочного производства хотя и невелико по сравнению с числом 
малогабаритных конструкций, но трудоемкость сварки составляет 
значительную долю в общей трудоемкости сварочных работ. Следует отметить, что для роботизированной сварки крупногабаритных конструкций эффективны РТК с несколькими одновременно 
работающими сварочными роботами. 
При изготовлении сварных конструкций с помощью ТКС оптимальными объектами роботизации являются тонколистовые и 
каркасно-решетчатые конструкции: двери, кузова (в сборе) легко 
5 

вых и кабины грузовых автомобилей, панели кузовов пассажирских вагонов, кабины, щитки, панели транспортных и сельскохозяйственных машин, каркасы и корпуса холодильников, стиральных машин, другой бытовой техники и т. п. Большинство этих 
сварных конструкций имеют средние габаритные размеры, поэтому требуется применять роботы с соответствующей рабочей зоной. Для достижения необходимой производительности такие конструкции, как кузова и кабины автомобилей, нужно сваривать 
одновременно несколькими роботами. Для сварки конструкций 
типа панелей кузовов пассажирских вагонов и автобусов требуются портальные РТК достаточно больших габаритов. 
Таблица 1.1 
Узлы, изготовляемые с применением дуговой сварки 
Вид узлов 
Примеры 
Комментарии 
Плоские больших  
габаритов 
Производство таких узлов  
наиболее трудоемко 
Рамы,  
платформы, 
борта,  
панели 
 
Пространственные 
больших габаритов 
 
Кузова  
в сборе,  
контейнеры, вагоны, 
рамы  
тележек,  
надрамники 
самосвалов 
Обычно они состоят из плоских 
панелей и поэтому поддаются 
расчленению для одновременного их изготовления с последующей окончательной сборкойсваркой. Наиболее трудоемко 
производство самих панелей, а 
не их соединение  
Детали машин 
Картеры 
ведущих 
мостов, 
корпусы 
редукторов, 
балансиры, 
колеса 
 
Характерна работа на усталостную прочность и большая  
степень ответственности конструкции, при которой разрушение 
сварных соединений грозит аварией. Для обеспечения высокого 
качества сварки и точности  
размеров свариваемые кромки  
деталей перед сборкой подвергают механической обработке 
 
6 

Окончание табл. 1.1 
Вид узлов 
Примеры 
Комментарии 
Трубчатые  
конструкции 
 
 
 
Сварка пересечений тонкостенных труб и пластин осуществляется по сложной кривой. Соединения сильно нагруженные  
и ответственные, их выполнение 
зачастую возможно лишь  
с изменением режима сварки  
во время движения горелки или 
с непрерывным изменением их 
пространственных положений 
Рамы мотоциклов  
и складных 
велосипедов, каркасы сидений 
водителей  
и пассажиров, поручни, разветвления 
трубопроводов и т. п. 
Типа кронштейнов 
Малоответственные узлы  
небольших габаритов  
и несложной формы 
— 
 
 
При ДС для выполнения швов необходимы перемещения рабочей части сварочного инструмента относительно изделия и их взаимная ориентация, а также ориентация соединения в зоне сварки 
относительно направления силы тяжести. Наиболее интенсивные 
режимы ДС со свободным формированием, которые обеспечивают 
максимальную производительность при требуемом формировании 
шва, могут быть реализованы при сварке в нижнем положении или с 
определенным отклонением от нижнего положения, например при 
сварке на спуск. Поэтому манипуляционные системы РТК для ДС 
должны ориентировать свариваемую конструкцию и сварочный инструмент периодически или непрерывно во время сварки таким образом, чтобы обеспечивалось выполнение швов в оптимальном положении. В общем случае сварки швов сложной формы — при двух 
ориентирующих степенях подвижности манипулятора свариваемого 
изделия — манипулятор сварочного инструмента должен иметь не 
менее пяти степеней подвижности при осесимметричном сварочном 
 
7 

инструменте и не менее шести — при неосесимметричном (например, при сварке неплавящимся электродом с присадкой, подаваемой 
сбоку). Таким образом, манипуляционная система РТК для дуговой 
сварки (РТК ДС) одного изделия одним сварочным инструментом 
может иметь семь-восемь степеней подвижности, что больше, чем у 
такого сложного вида технологического оборудования, как металлорежущие станки. 
Для ТКС швов сложной формы в общем случае требуется применять манипуляторы клещей с шестью степенями подвижности, 
так как сварочные клещи — инструмент неосесимметричный (изза наличия элементов, соединяющих электроды механически). Тем 
не менее во многих конкретных случаях удается осуществить 
сварку с помощью манипулятора клещей, имеющего пять степеней 
подвижности благодаря значительным допускаемым отклонениям 
плоскости симметрии клещей от перпендикулярности к линии свариваемых кромок (до 45°). 
Во всех случаях часть степеней подвижности сварочного инструмента относительно изделия, принципиально необходимых для 
выполнения сварки, можно обеспечить за счет не манипулятора 
инструмента, а манипулятора изделия. Такие решения встречаются 
в специализированных РТК для сварки.  
ТКС может выполняться в любом пространственном положении. Поэтому в РТК ТКС манипуляторы изделия применяют реже 
и в основном для того, чтобы сделать все точки сварки доступными для сварочного инструмента. 
Одной из наиболее специфических особенностей объектов сварочного производства являются невысокая точность изготовления 
свариваемых элементов и их сборки под сварку, а также сварочные 
деформации. Совместное воздействие этих факторов вызывает 
существенные случайные отклонения линии сопряжения свариваемых элементов и геометрических параметров соединения, подготовленного под сварку, от расчетных (программных). Следует 
отметить, что ДС отличается от обработки металлов резанием тем, 
что при резании траектория движения инструмента относительно 
изделия и режимы обработки первичны, а форма и размеры обработанного изделия вторичны, тогда как при сварке форма, размеры 
и положение заготовок первичны, а траектория инструмента и режимы сварки вторичны, зависимы от случайных отклонений фор 
8 

мы, размеров и положения свариваемых заготовок. В тех случаях, 
когда указанными отклонениями пренебречь нельзя, необходимо 
применять методы и средства автоматической корректировки траектории движения сварочного инструмента относительно изделия 
(т. е. геометрической адаптации) и параметров режима сварки (т. е. 
технологической адаптации) индивидуально для каждого изделия 
данного типоисполнения. Такую корректировку осуществляют по 
результатам измерения каждого изделия в процессе сварки или до 
ее начала. В первом приближении принимают, что при дуговой 
сварке допустимое отклонение электрода от линии соединения 
свариваемых элементов не должно превышать 0,5dэ при сварке без 
колебаний и 1,0dэ — при сварке с колебаниями электрода (здесь  
dэ — диаметр электродной проволоки). Современные роботы для 
дуговой сварки обеспечивают повторяемость траектории с погрешностью не более 0,1…0,25 мм. 
При контактной точечной сварке к совмещению электродов и 
линии соединения предъявляются менее жесткие требования. Современные роботы для ТКС обеспечивают повторяемость запрограммированных положений электродов сварочных клещей с погрешностью 0,5…1,25 мм. 
Условия, в которых работают средства роботизации сварки, 
характеризуются высокой температурой вблизи зоны сварки, 
мощным нестационарным электромагнитным и световым излучением, разбрызгиванием расплавленного металла и защитных материалов, интенсивным выделением аэрозолей, пыли, агрессивных газов (при дуговой сварке). Поверхности изделия, положение 
которых требуется измерять для корректировки траектории и режима сварки, могут быть покрыты окалиной, на них могут  
наблюдаться заусенцы, задиры и прилипшие брызги, а также прожоги металла. Все это существенно усложняет функционирование манипуляционных систем, средств измерения и управления, 
ограничивает их выбор как по принципу действия, так и по конструктивному исполнению, поэтому необходимо принимать специальные схемные и конструктивные меры для обеспечения надежной работы оборудования. 
Экономические особенности внедрения средств роботизации 
дуговой и точечной контактной сварки определяются следующим 
обстоятельством. Подавляющее большинство разновидностей ДС 
 
9 

можно выполнять вручную или с применением сварочных полуавтоматов, представляющих собой, по существу, механизированные сварочные инструменты. ТКС выполняют сварочными клещами, 
также 
представляющими 
собой 
механизированный 
сварочный инструмент, или с помощью одно- либо многоточечной стационарной машины. Стоимость такого сварочного оборудования, за исключением многоточечных машин для ТКС, весьма 
низкая, в то время как для роботизации сварочной операции требуется комплекс оборудования, стоимость которого вместе со 
средствами его автоматизации во много раз превышает стоимость 
механизированного сварочного инструмента или одноточечной 
стационарной машины для ТКС. Указанное обстоятельство обусловливает необходимость поиска и применения простых, недорогих и в то же время типовых технических решений по роботизации сварочных операций. Одним из таких решений является 
применение агрегатно-модульного принципа создания РТК и их 
составных частей. 
Важным фактором повышения эффективности РТК для сварки 
служит также скорость выполнения вспомогательных действий и 
приемов. Действительно, такие действия, как перемещение сварочного инструмента (горелки, сварочных клещей) от одного места или точки сварки к другому, выполняются квалифицированным 
рабочим за очень малое время, прежде всего на основе интуитивного выбора оптимального закона движения рук и тела в целом. 
Поэтому в РТК должны предусматриваться высокие скорости перемещений сварочного инструмента и изделия, малое время разгона и торможения и оптимальные законы движения, обеспечивающие минимальные рывки и удары при движении. Это особенно 
важно для ТКС, при которой время сварки одной точки обычно 
составляет менее одной секунды и основная часть времени операции состоит из времени перемещения клещей между точками. 
Максимальная скорость установившегося движения горелки в современных РТК примерно равна 1,5 м/с, клещей — 3 м/с, изделия 
при его переориентации — 90 º/с. 
 
10