伺服焊槍技術(shù)在汽車車身制造中的應(yīng)用研究

1、伺服焊槍技術(shù)在汽車車身制造中的應(yīng)用研究作者：上海交通大學(xué) 張延松伺服焊槍使用帶有數(shù)字控制的伺服電機，是應(yīng)用在焊機上的最新技術(shù)。本文就伺服焊槍的新特征與傳統(tǒng)的氣動焊槍進行對比分析，并在此基礎(chǔ)上介紹包括伺服焊槍、 HYPERLINK /cat_1980035.html 機器人和 HYPERLINK /cat_1050014.html 焊接控制器的點焊試驗系統(tǒng)，以及如何利用伺服焊槍試驗系統(tǒng)實現(xiàn)焊接參數(shù)的準確獲取。 電阻點焊是一種主要的薄板連接方法，廣泛應(yīng)用于汽車及航空等工業(yè)部門。自1933年第一輛主要由點焊連接完成的汽車下線以來，電阻點焊的應(yīng)用已經(jīng)獲得了突飛猛進的發(fā)展。盡管近年來各國學(xué)者相繼提出了許

2、多新型薄板連接技術(shù)，但電阻點焊以其低成本，易實現(xiàn)高速自動化生產(chǎn)等特點，決定其仍然是轎車白車身裝配的主要連接方法。 在點焊過程中點焊機是用以實現(xiàn)所選用的焊接方法及工藝參數(shù)的焊接設(shè)備，焊接質(zhì)量的好壞多由焊機決定。其中，最常用的類型是氣動焊機，這種類型的焊機現(xiàn)如今仍被廣泛地應(yīng)用在汽車工業(yè)中。雖然將氣動和液動技術(shù)同時應(yīng)用的新型氣動焊機有了更多的功能，但由于焊機的價格和保養(yǎng)等問題，此類型焊機并沒有在汽車工業(yè)中得到很好的應(yīng)用。 伺服焊槍對于汽車車身裝配生產(chǎn)線來說相對較新，最近幾年，Renault、Mazda、Toyota、Ford等汽車公司都已將伺服焊槍應(yīng)用到汽車車身裝配生產(chǎn)線上。實際應(yīng)用表明：伺服焊槍有

3、著傳統(tǒng)氣動焊機所無法具有的優(yōu)點，是未來汽車裝配生產(chǎn)線上主要的點焊連接設(shè)備。 伺服焊槍的新技術(shù)特性 近年來由交流伺服電機驅(qū)動的C 型或X 型伺服焊槍（如圖1）搭載在可以移動的7軸機器人上進行車身薄板連接的點焊設(shè)備正在增多。相比較氣動焊槍，伺服焊槍的最大特點是以伺服裝置代替氣動裝置，按照預(yù)先編制程序，由伺服控制器發(fā)出指令，控制伺服電機按照既定速度、位移進給，形成對電極位移與速度的精確控制，脈沖數(shù)量與頻率決定電極位移與速度，電機轉(zhuǎn)矩決定電極壓力。 圖1 伺服服焊槍結(jié)結(jié)構(gòu)示意意圖由于伺服焊焊槍是由由伺服電電機驅(qū)動動，可以以對焊接接過程進進行精確確控制，同同時，伺伺服焊槍槍利用伺伺服電機機驅(qū)動加加壓軸，

4、因因而可以以協(xié)調(diào)控控制好焊焊槍的移移動軸， 實現(xiàn)有有效的焊焊點間移移動，以以前氣動動焊槍無無法實現(xiàn)現(xiàn)的焊接接位置現(xiàn)現(xiàn)都可以以由伺服服焊槍來來實現(xiàn)。 精確控控制電極極運動速速率：氣氣動焊槍槍的電極極運動靠靠氣缸來來控制，這這使電極極運動速速率很難難精確控控制，電電極運動動的高速速率，會會造成電電極與工工件接觸觸時的沖沖擊很大大，致使使電極力力會發(fā)生生短時間間的振蕩蕩，從而而影響電電極壽命命。而對對于伺服服焊槍，電電極的運運動由伺伺服電機機控制，能能夠很好好地控制制電極運運動速率率，使電電極與工工件接觸觸時的沖沖擊很小小，從而而提高電電極壽命命。如圖圖2所示示，在電電極力達達到穩(wěn)定定之前，伺伺服焊

5、槍槍在電極極接觸過過程中電電極力沒沒有明顯顯的振蕩蕩現(xiàn)象，電電極運動動得到了了很好的的控制。 圖2 氣動動焊機與與伺服焊焊槍電極極接觸時時力的變變化曲線線提高點焊生生產(chǎn)率：圖3顯顯示了氣氣動焊機機和伺服服焊槍在在焊接過過程中電電極力的的變化，假假定達到到設(shè)定預(yù)預(yù)壓力，電電極力將將保持恒恒定。從從中可以以看出，氣氣動焊機機的預(yù)壓壓時間大大約為330個周周波（00.6秒秒），而而伺服焊焊槍則只只用了88個周波波（0.16秒秒）預(yù)壓壓時間就就達到了了設(shè)定壓壓力。對對比來看看，伺服服焊槍完完成一個個焊點所所用的焊焊接時間間為433個周波波（0.86秒秒），氣氣動焊機機則需665個周周波(11.3秒秒)

6、。也也就是說說，用伺伺服焊槍槍完成一一個焊點點要節(jié)省省0.444秒的的焊接時時間。相相對于一一臺轎車車的幾千千個焊點點，每個個焊點節(jié)節(jié)省0.44秒秒的焊接接時間對對裝配過過程生產(chǎn)產(chǎn)率的提提高就非非常重要要，轎車車車身裝裝配線的的生產(chǎn)能能力就可可以大大大提高。另另外，可可編程電電極行程程和速度度也可以以縮短同同一工位位上多個個焊點的的預(yù)壓持持續(xù)時間間，這也也可以提提高焊接接生產(chǎn)率率。 圖3 氣動動焊機和和伺服焊焊槍的預(yù)預(yù)壓時間間對比可獲得 HYPERLINK /cat_1050012.html 鍛壓壓力：焊焊接過程程的可控控性要歸歸功于伺伺服電機機和它的的控制技技術(shù)。由由于可以以容易地地改變電電

7、極壓力力，焊接接過程中中鍛壓力力的獲得得就變得得可能。 可獲得得電極力力和電極極位移：伺服電電機轉(zhuǎn)矩矩和速度度作為電電機控制制器的輸輸出量，其其變化量量可以容容易地轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)殡婋姌O力和和電極位位置的變變化，并并且使電電極力和和電極位位移信號號的在線線實時監(jiān)監(jiān)控變得得可行，電電極位置置、在線線失效探探測和電電極補償償?shù)臏蚀_確測量也也就比氣氣動焊機機更容易易。 伺伺服電機機技術(shù)給給點焊機機和焊接接過程帶帶來新的的技術(shù)特特性，主主要是由由伺服電電機和相相應(yīng)控制制技術(shù)的的固有特特性所決決定。伺伺服焊槍槍和常規(guī)規(guī)的氣動動焊槍之之間的主主要差別別在于它它們的輸輸入量和和相應(yīng)的的控制模模型，對對于氣動動焊機是

8、是恒定氣氣壓，而而對于伺伺服焊槍槍則是恒恒定轉(zhuǎn)矩矩。從控控制的觀觀點來看看：氣動動焊機是是開環(huán)控控制，伺伺服焊槍槍則是具具有反饋饋的閉環(huán)環(huán)控制。相相應(yīng)地，伺伺服焊槍槍電極的的運動和和力就可可以得到到更加精精確的控控制。這這些新的的技術(shù)特特點和功功能可以以使焊接接過程更更易控制制，焊機機更易操操作，并并可提高高焊點質(zhì)質(zhì)量。 綜上所所述，和和氣動焊焊槍相比比，伺服服焊槍的的優(yōu)勢是是顯而易易見的。首首先，伺伺服焊槍槍能夠提提高焊接接過程的的生產(chǎn)率率；其次次，由于于焊接過過程參數(shù)數(shù)，例如如電極力力和電極極位移可可從伺服服電機中中獲得，伺伺服焊槍槍為過程程監(jiān)控、診診斷和補補償提供供了新的的可能；第三，伺

9、伺服焊槍槍可以得得到焊接接過程中中所需的的鍛壓力力，從而而可以提提高焊點點質(zhì)量；第四，由由于電極極運動的的可控性性，電極極與工件件接觸時時沖擊小小，噪聲聲低，有有助于改改善工作作環(huán)境，提提高電極極壽命。利利用伺服服焊槍及及其控制制特性可可以穩(wěn)定定點焊規(guī)規(guī)范參數(shù)數(shù)，實現(xiàn)現(xiàn)點焊故故障的在在線檢測測。因此此，伺服服焊槍的的特征和和優(yōu)點決決定伺服服焊槍能能極好替替代現(xiàn)有有點焊機機。 伺伺服焊槍槍點焊試試驗系統(tǒng)統(tǒng) 伺服服焊槍點點焊試驗驗系統(tǒng)主主要由伺伺服焊槍槍、焊接接機器人人、機器器人控制制器和焊焊接控制制器四部部分組成成（如圖圖4）。通通過系統(tǒng)統(tǒng)集成（如如圖5）實實現(xiàn)控制制信號傳傳輸，完完成程序序初始

10、化化，實現(xiàn)現(xiàn)機器人人控制器器對伺服服焊槍電電極運動動的精確確控制。系系統(tǒng)采用用Fannuc機機器人、OObarra公司司的伺服服焊槍和和焊接控控制器。機機器人與與機器人人控制器器之間通通過Faanucc公司專專用電纜纜連接，包包括機器器人六軸軸伺服電電源線、信信號線、焊焊槍軸伺伺服電源源線、信信號線、DDeviice Nett電源線線、信號號線以及及接地線線。機器器人控制制器和焊焊接控制制器之間間通過FFanuuc公司司提供的的Proocesss II/O板板連接，在在焊接過過程中傳傳遞焊接接信號，包包括四線線的程序序選通信信號、焊焊接允許許信號、焊焊接完畢畢接收信信號、焊焊接控制制器和機機器

11、人通通過變壓壓器電源源線和溫溫控反饋饋線路連連接等。 圖4 包括括伺服焊焊槍、機機器人和和焊接控控制器的的點焊試試驗系統(tǒng)統(tǒng)圖5 機器器人控制制器和焊焊接控制制器的集集成傳輸焊接信信號的詳詳細配置置方案如如下：利利用端子子臺的SSDO221SSDO224口作作為焊接接程序片片選信號號GO1，將將其分別別連接到到四路電電磁繼電電器的電電源輸入入端的負負極，而而繼電器器輸入端端的正極極連接到到公共端端+244E，電電磁繼電電器的輸輸出常開開觸點連連接到焊焊接控制制器焊接接程序片片選信號號輸入端端；端子子臺的SSDO225為焊焊接允許許信號DDI55，將將它和+24EE分別連連接到電電磁繼電電器輸入入

12、的負極極和正極極，繼電電器輸出出常開觸觸點連接接到焊接接控制器器焊接允允許信號號輸入端端; 端端子臺SSDI223為焊焊接完畢畢信號，將將它和+24EE直接連連接到焊焊接控制制器焊接接完畢信信號輸出出端。 試驗系系統(tǒng)程序序初始化化 圖6 系統(tǒng)統(tǒng)程序初初始化流流程圖試驗系統(tǒng)集集成后，需需要對伺伺服焊槍槍軸的控控制參數(shù)數(shù)進行配配置，采采用機器器人控制制器TPP來實現(xiàn)現(xiàn)，試驗驗系統(tǒng)程程序初始始化流程程如圖66所示。伺伺服焊槍槍作為機機器人的的第七軸軸，由機機器人控控制器中中專門的的伺服單單元控制制，為了了實現(xiàn)復(fù)復(fù)雜的點點焊過程程，需要要進行一一系列的的初始化化設(shè)置：包括第第七軸的的零點復(fù)復(fù)歸，上上下

13、限位位設(shè)置，AAutootunne測試試焊槍機機械機構(gòu)構(gòu)性能，伺伺服焊槍槍genneraal設(shè)置置等，關(guān)關(guān)鍵設(shè)置置步驟如如下： 1) 零點復(fù)復(fù)歸：采采用單軸軸Massterringg，將上上電極移移動到下下電極位位置，反反復(fù)測量量執(zhí)行完完畢后返返回上級級菜單，零零點復(fù)歸歸執(zhí)行完完畢。 2) 上下限限位設(shè)置置，選擇擇F1（TTypee）AAxiss Liimitts選項項，確定定焊槍軸軸的下限限位，通通常設(shè)成成255mm，以以防下落落距離太太長致使使撞壞電電極桿，設(shè)設(shè)置上限限位時，將將上電極極移動到到上極限限位置，按按下Poosittionn鍵，觀觀察此時時上電極極的位置置，選擇擇小于該該值的數(shù)

14、數(shù)值作為為上限位位值，設(shè)設(shè)置完畢畢，重新新啟動機機器。 3) Auttotuune焊焊槍性能能測試，按按MennuUUtillitiiesF1（TTypee）AAutootunne選項項，進入入操作界界面，按按照提示示逐步進進行設(shè)置置，設(shè)置置完畢后后將開關(guān)關(guān)調(diào)到TT2模式式下，在在Sellectt菜單下下選擇AAutootunne程序序，自動動運行該該程序完完成性能能測試。 4) 伺服焊焊槍geenerral設(shè)設(shè)置，在在mennussetuupSServvo GGun菜菜單下，選選擇geenerral settup，進進Dettaill進行設(shè)設(shè)置，設(shè)設(shè)置每一一個選項項，其中中：必須須正確設(shè)設(shè)置

15、Prresssuree Caal選項項，如不不進行此此項設(shè)置置，則無無法進行行焊槍加加壓操作作。具體體設(shè)置方方法如下下，進入入Dettaill，選擇擇加壓時時間，測測試壓力力表的厚厚度，電電機輸出出轉(zhuǎn)矩（以以額定轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的百百分比設(shè)設(shè)置），電電極下落落，用壓壓力表測測試電極極壓力，記記錄下各各個轉(zhuǎn)矩矩所對應(yīng)應(yīng)的壓力力值，按按照同樣樣的方式式，測試試盡可能能多的組組數(shù)，記記錄完畢畢，按照照提示完完成該選選項設(shè)置置，系統(tǒng)統(tǒng)會顯示示操作完完成。 伺服焊焊槍點焊焊編程實實現(xiàn) 伺伺服焊槍槍試驗系系統(tǒng)通過過機器人人TP控控制軟件件程序?qū)崒崿F(xiàn)點焊焊基本操操作。利利用prroceess I/OO板連接接機器人人

16、控制器器和焊接接控制器器，完成成點焊過過程和焊焊接規(guī)范范參數(shù)的的選取。點點焊編程程指令為為SpootPP=m, S=n, BU=i，主主要工作作是設(shè)置置這三項項參數(shù)，其其中：PP為壓力力參數(shù)，決決定點焊焊整個過過程的壓壓力曲線線；S為為焊接程程序號，決決定I/O口輸輸出值，選選通焊接接控制器器中某個個焊接程程序，實實現(xiàn)焊接接電流和和時間的的選??；BU為為打開焊焊槍參數(shù)數(shù)，決定定焊槍在在焊接完完畢后的的打開量量，必須須正確設(shè)設(shè)置這三三個選項項才能實實現(xiàn)正常常的點焊焊編程操操作。具具體設(shè)置置步驟如如下： （1） P設(shè)置置：在DDATAAF11（Tyype）Preessuure菜菜單下，選選中點焊焊過程所所需的電電極壓力力值，進進入具體體界面設(shè)設(shè)置（如如圖7），在在此設(shè)置置電極壓壓力、工工件厚度度、電極極壓入工工件深度度、焊槍槍浮動補補償、焊焊接指令令延時等等。在AAutoo Rooutee下，設(shè)設(shè)置焊接接過程中中電極的的接近位位置、開開始加壓壓位置、壓壓力位置置、加壓壓結(jié)束位位置等（如如圖8）。在在preessuure proofille下，設(shè)設(shè)置焊接接預(yù)壓力力和預(yù)壓壓時間、焊焊接通電電過程中中的壓力力和時間間、焊后后保持壓壓力和時時間（如如圖9）。 圖7 壓力力參數(shù)配配置表圖8 伺服服焊槍點點焊編程程操作的的5個階階段圖9 電極極壓加持持間間參參數(shù)設(shè)置置（2） SS設(shè)