1 引言
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0.1kN～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。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。
2．2 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。
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。
2．2 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。
2．3 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。
2．4 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。
2．5 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。
⑴全双回转式。包括L、H(双座)、C型双回转式(BZ2-、BZ2A-、BZ2B-、BZ2D-系列)。
⑵倾翻-回转式焊接变位机（BZ2C-系列）。
⑶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
3．1 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。
3．2 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。
3．3 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。
3．4 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
4．1 型式设计
4.1.1 自由度设计
⑴用主自由度设计变位机，可有三种基本型式。① 单回转式，其转角为±360º·n；② 双回转式，其转角为一个为±360º·n，另一个为±180º～±360º·n；③倾翻-回转式，其转角一个为±360º·n，另一个为±（0º～（90、135º））。
⑵多自由度产品设计，在上述基本型产品上，增加辅助自由度。
⑶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。
4．2 结构设计
⑴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。
⑵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）。
⑶倾翻-回转式也有不同的结构设计，如一个回转的转角为±360º·n，另一个为：① ±45º；② ±（0º～90º）；③ ±（0º～135º）等，这三种具有不同的结构型式。
4．3 功能设计
⑴普通型，回转运动为定速传动。
⑵调速型，至少有一个回转运动设计为变速传动。
⑶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。
⑷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
5．1 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。
5．2 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。
5．3 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
5．4 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（固定式、升降式）
│ ┌单座—┌立式 BZL-
焊接变位机—│ 单回转式—│ └卧式（固定式、升降式）
│ └ 双座--┌尾架固定（固定式、升降式）
│ └尾架移动（固定式、升降式）
│ ┌- 0～135º（固定式、升降式）
└ 倾翻回转式--│- 0～90º（固定式、升降式）
└ －45º～＋45º
图2 焊接变位机基本型类组划分
6 结语
⑴从行业管理上考虑，任何一个产品产业，都应有完整的类组划分。在焊接领域，如果把焊接工艺装备，与焊机等并列为一大类产品，那么，焊接变位机可以作为焊接工艺装备的一个子类产品。与主机—“焊机”相比，辅机--“变位机”比主机大、重、贵。把他划为焊接工艺装备的一个子类，更为确切。
⑵德国一个小公司，生产的焊接变位机达100余系列。本文给出的型式及功能设计，也有几十个产品系列，并且在我国工程机械行业，得到了发展。与其不相适应的是我国标准。1991实施的《焊接变位机》行业标准，所说的焊接变位机，只有倾翻-回转式一个系列，在2000年标准修改中，也没有根本改变。笔者期望以此为基础，抛砖引玉，形成新标准。
⑶涉及到焊接变位机的基本概念，定义、量纲等本文作了阐述。加上其他技术参数，不求国际一致，但求国内统一。使企业之间，能在同一技术标准下发展、竞争。
⑷关于焊接变位机型号编制方法，由于企业之间的竞争，很多企业对产品的法定代号给淡漠了。把企业名称代号冠以产品代号上，强化了商标意识。尽管如此，本文认为，起码第一主参数和量纲应该得到统一。
⑸我国焊接变位机的发展和应用，近十年来，工程机械行业带了一个头。首先是大型企业和外资企业应用，外资企业达到了不落地焊接。目前，在股份制企业的技术改造中，逐渐向外资企业看齐，展望未来，我国焊接变位机会得到健康的发展。
*郑永强，焊接协会工程机械专业委员会秘书长，天津工程机械研究院副总工程师
5/31/2005
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