弧焊机器人是一种仿人操作、自动控制、可重复编程的机电一体化自动化生产设备，在汽车制造业高质高效的焊接生产中发挥了极其重要的作用。弧焊机器人本体是影响弧焊机器人性能的关键部分之一，随着弧焊机器人在汽车制造业的广泛应用，掌握弧焊机器人的机械结构和工作原理，可为以后的应用研发和二次开发做好铺垫。
现场应用
奇瑞公司车型种类多、品种复杂，在以往手工生产线上，如果需要混线生产同一型号不同种类的车型，人工焊接速度因工件、工具的差别而大大降低，生产的汽车产品质量也随之呈现出不稳定性。因此，奇瑞公司采用弧焊机器人代替人工操作，稳定和提高了焊接质量，改善了工人的劳动条件，提高劳动生产率，明确了产品周期。
下面以底盘弧焊机器人系统为例，来介绍机器人的应用。
该系统由弧焊焊机器人、回转夹具及PLC 集中控制系统等组成。
弧焊机器人负责焊接工作，由配套的控制系统进行焊接控制；回转夹具作为机器人的外围设备，通过工位变换（工作台的工位为0°、180° 、360°）传递加工工件，采用人工上下料；PLC作为上位机协调控制回转夹具并与机器人控制系统进行实时信息互换，控制整个弧焊系统的正常工作。
采用弧焊机器人后，只需预先编制好适应不同车型生产所需的若干套不同的运动与焊接程序，机器人将根据工作指令，自动调用相应的工作程序与不同车体焊接所需的工具，即能自动适应车型的复杂变化。弧焊机器人的广泛应用，为奇瑞公司的汽车制造实现柔性自动化生产带来了前所未有的生机。
目前，很多汽车制造企业都采用了弧焊机器人进行自动化生产，但是，弧焊机器人的采购费用很高，并且一些现场应用效果不是很好。在弧焊机器人施焊的过程中，如果焊接条件基本稳定，则机器人能够保证焊接质量。但是，由于各种因素的影响，实际的焊接条件经常发生变化。
由于强烈的弧光辐射、高温、烟尘、飞溅、坡口状况、加工误差、夹具装夹精度、表面状态和工件热变形等影响会使焊枪偏离焊缝，从而造成焊接质量下降甚至失败。
在工艺设计中，对设备选型没有深入研究，以为机器人是“万能”的。选择的焊件、焊缝分布复杂，机器人难以适应。一个焊件，几十道甚至百道焊道，即使机器人具有起始点寻找和跟踪功能，由于待焊焊道的偏差，机器人在完成焊接20％～30％，多者40％～50％焊接以后，夹持的焊枪就可能偏离焊道了。
本体分析
企业的竞争一方面要装备机器人，提高产品质量；另一方面要减少设备投资，降低产品成本。另外，从技术方面考虑，购置机器人不能脱离应用现场，一旦达不到现场应用要求，就会导致机器人应用失败。因此只有加强人才培养，进一步了解机器人本身，才可以正确选型，合理应用。 MOTOMAN弧焊机器人是极具代表性的一款机器人，其中MOTOMAN-YR-K6型弧焊机器人末端负载为15kg，具有6个自由度，其机械本体主要由机座（1轴）、手臂（2、3轴）、手腕（4、5、6轴）组成，由驱动系统通过传动机构带动，实现机器人末端执行器在空间中所要求的位置和姿态。
1.机座和手臂
机器人的手臂由动力关节和连接杆件构成，用以支撑和调整手腕和末端执行器的位置。手臂部件一般具有2～3个自由度，包括驱动装置、传动机构、支撑连接件等。机器人手臂安装在机座上，由机座实现手臂的整体回转或升降。
MOTOMAN-YR-K6型机器人机座部分根据整个机器人本体所受全部重量和工作载荷，采用了回转机座的结构，实现了机器人本体的整体回转，作为一种特殊的手臂，采用高强度材料，保证了足够的刚度、强度和承载能力。
而手臂部分根据其自由度数、运动形式、承受的载荷和运动精度要求，将小臂驱动电机和减速机安装在大臂上，通过平行四连杆机构将运动和动力传递到小臂上。这种设计的优点是将小臂驱动安装在大臂下端，减轻了小臂重量，也就减轻了大臂负载重量，机器人的运动灵活性同时也得到提高，但是这种结构限制了机器人的工作范围。目前，主流的机器人本体已经采用开链结构，从而大大提高了机器人在空间运动的灵活性。该机器人机座、手臂部分通过加装缓冲和限位装置提高了定位精度，通过可靠的连接，保证了运动精确性和运动刚度，减少了机座与手臂间的运动误差（如图1）。
图1 弧焊机器人
1—回转机座；2、3—交流伺服电机；4—大臂；5—连杆；6—小臂
工作原理：一般交流伺服电机都串接减速器，制动器及编码器，以增大扭矩、提高位姿精度及控制性能。图1中，回转机座1内的伺服电机驱动整个机座进行回转运动，使各手臂随机座回转，伺服电机3驱动大臂4进行前后摆动，伺服电机2直接驱动连杆5，根据四杆原理间接驱动小臂6进行俯仰运动。
2.手腕
机器人的手腕是连接手臂和末端执行器的部件，其主要功能是当手臂和机座实现了末端执行器在作业空间的三个位置坐标后，再由手腕来实现末端执行器在作业空间的三个姿态坐标，即实现三个旋转自由度。通过机械接口，联接并支撑末端执行器。
MOTOMAN-YR-K6型机器人手腕回转轴部分根据整个手腕所受载荷和结构的特点，采用了空心薄壁矩形框体的结构，提高了抗弯刚度和抗扭刚度，减轻了自身的重量。而摆动轴部分根据手腕处的负载和动作灵活性，采用分离传动，将伺服电机安置在手腕回转轴空心结构的内部，减少了自身的重量和体积。整个手腕部分选用高强度、轻质合金材料，提高了传动刚度，减小了转动惯量。由于整个手腕部分结构紧凑，减少了因间隙引起的运动误差，提高了手腕动作的精确性（如图2）。
图2 具有三个旋转自由度（4，5，6轴）的手腕结构
1、3、4—伺服电机；2、5—传动带；6、7—谐波减速器；8—手腕壳体；
9、13—回转轴；10—带轮；11—摆动轴；12—圆锥齿轮
工作原理：伺服电机1通过装在手腕壳体8上的减速器2，带动回转轴9进行回转运动（4轴运动）；伺服电机3、4实现手腕回转，伺服电机4通过带轮，传动带5及减速器6，带动摆动轴11进行往复摆动，实现手腕摆动（5轴运动）；伺服电机3通过带轮10，传动带，圆锥齿轮12，减速器7，带动回转13进行回转运动，实现手腕扭转（6轴运动）。
通过对MOTOMAN-YR-K6型机器人本体的分析，了解到其在本体设计及选型应用时遵循以下几个原则：
（1）最小运动惯量原则：由于机器人本体运动部件较多，运动状态经常改变，必然产生冲击和振动。采用最小运动惯量原则，尽量减小运动部件的质量，可增加本体运动平稳性，提高本体动力学特性。
（2）尺寸优化原则：当设计要求满足一定工作空间要求时，通过尺寸优化以选定最小的臂杆尺寸，这将有利于本体刚度的提高，使运动惯量进一步降低。
（3）高强度材料选用原则：由于机器人本体从手腕、小臂、大臂到机座是依次作为负载起作用的，选用高强度材料以减轻零部件的质量，减少运转的动载荷与冲击，减小驱动装置的负载，提高运动部件的响应速度是十分必要的。
（4）刚度设计的原则：要使刚度最大，必须恰当地选择杆件截面形状和尺寸，提高支承刚度和接触刚度，合理地安排作用在臂杆上的力和力矩，尽量减少杆件的弯曲变形。
（5）可靠性原则：机器人本体因机构复杂、环节较多，可靠性问题显得尤为重要。一般来说，元器件的可靠性应高于部件的可靠性，而部件的可靠性应高于整机的可靠性。
（6）工艺性原则：机器人本体是一种高精度、高集成度的自动机械系统，良好的加工和装配工艺性是设计时要体现的重要原则之一。
弧焊机器人在国内和国外的应用场合较多，在奇瑞汽车有限公司也应用广泛，像车身焊装，底盘焊装等均用到弧焊机器人。通过对MOTOMAN-YR-K6型机器人本体的分析，深入了解机器人的机械结构和工作原理，为以后的应用研发和二次开发做好铺垫，并为掌握机器人技术提供帮助。
