《工業(yè)機器人工作站系統(tǒng)項目集成》單元三點焊工作站點焊系統(tǒng)的設計

1、工業(yè)機器人工作站系統(tǒng)項目集成單元三點焊工作站點焊系統(tǒng)的設計 點焊機器人系統(tǒng)的主要選擇指標在點焊設備。點焊設備由電源及控制裝置（點焊控制器）、能量裝換裝置（焊接變壓器）和焊接執(zhí)行機構(gòu)（點焊鉗）三大部分組成。一、點焊控制器的選型 點焊控制器是點焊機器人附助設備中最重要的設備。1點焊控制器的定義 焊接用控制裝置是合理控制時間、電流、加壓力這三大焊接條件的裝置，綜合了機械的各種動作的控制、時間的控制以及電流調(diào)整的功能。點焊設備的主回路結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-18所示。知識準備 圖3-18 點焊設備主回路結(jié)構(gòu)示意圖知識準備 (1) 動作以及時間的控制 焊接工序如圖3-19通電模式中所示，由啟動開關（啟動）加壓

2、時間（電極加壓）焊接時間（通電）保持時間結(jié)束時間（電極打開）構(gòu)成。a) 單脈沖通電 b) 電流緩升下降控制 圖3-19 點焊通電模式知識準備 控制裝置具備控制上述一系列動作順序（序列）的功能之外，還具備控制時間（計時器）的功能。在控制焊接時間時，對焊接電流進行“通、斷”控制的裝置叫做開關（開閉器），現(xiàn)在通常使用可控硅（半導體元件）。 控制裝置將設定的時間和信號傳遞給可控硅，在此期間，主回路一次側(cè)處于導電狀態(tài)，可以獲得焊接電流。(2) 焊接電流的控制安裝在焊接變壓器一次側(cè)的可控硅，除了用于控制電流的“通、斷”以外，還可被用于控制一次輸入電壓的相位以及調(diào)整電流。除此以外，電流調(diào)整的方法還有更改焊接

3、變壓器的一次線卷的匝數(shù)（分支切換）的方法。但是由于此方法無法簡單的實現(xiàn)自動切換（調(diào)整），因此除了特別要求的特殊焊機以外，一般都不常使用。2點焊控制器的種類 點焊控制器的主要功能是完成點焊時的焊接參數(shù)輸入，點焊程序控制，焊接電流控制、及焊接系統(tǒng)故障自診斷，并實現(xiàn)與機器人控制器的通訊聯(lián)系。知識準備 (1) 按供能方式分 按焊接變壓器供能方式分，有交流式工頻焊機、大電容儲能式焊機和逆變式焊機等。主電路如圖3-20所示。a）交流式焊接電源 b）大容量電容儲能式 a）交流式焊接電源 b）大容量電容儲能式 圖3-20 各種電阻焊機的主電路 知識準備 目前產(chǎn)量最多、應用最廣泛的是交流式焊接電源，其使用容易，

4、價格便宜，但負載功率因數(shù)低，輸入功率大，不適合超精密焊接。近年來逐漸發(fā)展了逆變式電阻焊機，成為今后發(fā)展的主流。 (2) 按通信方式分點焊控制器與機器人控制器的通訊方式主要有二種結(jié)構(gòu)形式。 1) 中央結(jié)構(gòu)型它將焊接控制部分作為一個模塊與機器人本體控制部分共同安裝在一個控制柜內(nèi)，由主計算機統(tǒng)一管理并為焊接模塊提供數(shù)據(jù)，焊接過程控制由焊接模塊完成。其優(yōu)點是設備集成度高，便于統(tǒng)一管理。 2) 分散結(jié)構(gòu)型 點焊控制器與機器人本體控制柜分開，二者通過應答通訊聯(lián)系，機器人控制柜給出焊接信號后，其焊接過程由點焊控制器自行控制，焊接結(jié)束后給機器人發(fā)出結(jié)束信號，以便機器人控制柜控制機器人移動。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點是調(diào)試靈

5、活，焊接系統(tǒng)可單獨使用，但需要一定距離的通訊，集成度不如中央結(jié)構(gòu)型高。知識準備 3點焊控制器的選擇(1) 按焊接材料選擇1) 黑色金屬工件的焊接 一般選用交流點焊機。因為交流點焊機是采用交流電放電焊接，特別適合電阻值較大的材料，同時交流點焊機可通過運用單脈沖、多脈沖信號、周波、時間、電壓、電流、程序各項控制方法，對被焊工件實施單點、雙點連續(xù)、自動控制、人為控制焊接。適用于鎢、鉬、鐵、鎳、不銹鋼等多種金屬的片、棒、絲料的焊接。其優(yōu)點是： 綜合效益較好性價比較高； 焊接條件范圍大； 焊接回路小型輕量化； 可以廣泛點焊異種金屬。其缺點是： 受電網(wǎng)電壓波動影響較大，即交流點焊機焊接電流會隨電網(wǎng)電壓波動

6、而波動，從而影響焊接的一致性。 交流點焊機焊接放電時間最短通常為1/2周波即秒，不適合一些特殊合金材料的高標準焊接。知識準備 2) 有色金屬工件的焊接 一般選用儲能點焊機。因為儲能點焊機是利用儲能電容放電焊接，具有對電網(wǎng)沖擊小、焊接電流集中、釋放速度快、穿透力強、熱影響區(qū)域小等特點。廣泛適合于銀、銅、鋁、不銹鋼等各類金屬的片棒絲的焊接加工。其優(yōu)點是： 電流輸出更精確、穩(wěn)定，效率更高； 焊接熱影響區(qū)更??； 較交流點焊機更節(jié)約能耗；其缺點是： 設備造價較高。 儲能點焊機焊接放電時間受儲能量和焊接變壓器影響，設備定型后，放電時間不可調(diào)整。 儲能點焊機的放電電容經(jīng)過長期使用會自動衰減，需要更換。3)

7、需要高精度高標準焊接的特殊合金材料可選擇中頻逆變點焊機。知識準備 (2) 按焊機的技術參數(shù)選擇 電源額定電壓、電網(wǎng)頻率、一次電流、焊接電流、短路電流、連續(xù)焊接電流和額定功率。 最大、最小及額定電極壓力或頂鍛壓力、夾緊力。 額定最大、最小臂伸和臂間開度。 短路時的最大功率及最大允許功率，額定級數(shù)下的短路功率因數(shù)。 冷卻水及壓縮空氣耗量。 適用的焊件材料、厚度或斷面尺寸。 額定負載持續(xù)率。 焊機重量、焊機生產(chǎn)率、可靠性指標、壽命及噪聲等。知識準備 二、電阻焊接控制裝置IWC5-10136CIWC5-10136C電阻焊接控制裝置為逆變式焊接電源，采用微電腦控制，具備高性能和高穩(wěn)定性的特點，可以按照指

8、定的直流電流進行定電流控制，具有步增機能以及各種監(jiān)控及異常檢測機能。1IWC5焊接電源的技術參數(shù)額定電壓及周波數(shù)額定電壓3 AC380V、400V、415V、440V、480V15%焊接電源周波數(shù)50Hz/60Hz（自動切換）控制電源在控制器內(nèi)部從焊接電源引出消耗功率約80VA（無動作時）冷卻條件本體強制式空氣冷卻IGBT 單元水冷式，給水側(cè)溫度 30以下冷卻水量5升/分以上冷卻水壓300kPa以下電阻率5000cm以上表3-10 IWC5-10136C電阻焊接控制裝置技術參數(shù)表3-10 IWC5-10136C電阻焊接控制裝置技術參數(shù)（續(xù)）知識準備 控制主電路IGBT集電極-發(fā)射極間電壓 12

9、00V集電極電流 400A適用焊接變壓器逆變式直流變壓器控制方式IGBT 采用橋式PWM逆變控制逆變周波數(shù)7001800Hz（從700、1000、1200、1500、1800Hz 中選擇一種進行控制）焊接電流控制方式額定電流控制一次電流循環(huán)反饋方式控制設定精度 3或300A以內(nèi)。重復精度 在焊接電源電壓及負荷變動10以內(nèi)時，2或300A以內(nèi)，上升及下降周期除外。存儲數(shù)據(jù)的保存數(shù)據(jù)保存電源超電容或鋰電池（選配件）程序數(shù)據(jù)保存期限半永久監(jiān)控數(shù)據(jù)保存期限電源切斷后、保存15天以上，加裝鋰電池時保存10年異常歷史數(shù)據(jù)保存期限電源切斷后、保存15天以上 加裝鋰電池時保存10年數(shù)據(jù)寫擦次數(shù)閃存10萬次控制

10、范圍一次電流控制范圍50400A （根據(jù)使用率的情況有限制）二次電流控制范圍2.025.5kA焊接變壓器卷數(shù)比4.0200.0加圧力控制范圍100800kPa（使用加壓力控制選配件時）使用率400A 10%以下知識準備 2IWC5焊接電源的優(yōu)點IWC5-10136C電阻焊接裝置的主回路結(jié)構(gòu)和焊機電流波形如圖3-21所示。圖3-21 主回路結(jié)構(gòu)圖以及焊接電流波形 直流逆變式電阻焊接裝置與傳統(tǒng)的交流工頻電阻焊機相比具有以下突出優(yōu)勢。1) 直流焊接 逆變式焊機一般采用1kHz左右逆變中頻電源，經(jīng)變壓器次級整流，可提供連續(xù)的直流焊接電流，電流單方向加熱工件，熱效率提高；無輸出感抗影響，大大提高焊接質(zhì)量

11、。知識準備 2) 焊接變壓器小型化 焊接變壓器的鐵芯截面積與輸入交流頻率成反比，故中頻輸入可減小變壓器鐵芯截面積，減小了變壓器的體積和重量。尤其適合點焊機器人的配套需要，焊機輕量化，減小機器人的驅(qū)動功率，提高性價比。 3) 電流控制相應速度提高 1kHz左右頻率電流控制響應速度為1ms，比工頻電阻焊機響應速度提高20倍，從而可以方便地實現(xiàn)焊接電流實時控制，形成多種焊接電流波形，適合各種焊接工藝需要，飛濺減少，電極壽命提高，焊點質(zhì)量穩(wěn)定。 4) 三相電源輸入，三相負載平衡，功率因數(shù)高，輸入功率減少，節(jié)能效果好。由于逆變式電阻焊接控制裝置的優(yōu)越性能，在用普通工頻焊機焊接難度加大甚至焊接質(zhì)量無法保證

12、的場合，如焊接鋁合金、鈦合金、鎂合金等導熱性好的金屬焊接，異種金屬材料焊接，高強度鋼板焊接，多層板、厚鋼板焊接中獨具優(yōu)勢。知識準備 3焊接過程點焊的焊接過程一般由四個基本階段構(gòu)成一個循環(huán)。1) 預壓階段 電極下降到電流接通階段，確保電極壓緊工件，使工件間有適當壓力。2) 焊接時間 焊接電流通過工件，產(chǎn)熱形成熔核。3) 維持時間 切斷焊接電流，電極壓力繼續(xù)維持至熔核凝固到足夠強度。4) 休止時間 電極開始提起到電極再次開始下降，開始下一個焊接循環(huán)。焊接基本動作時序如圖3-22所示。圖中所示為脈沖波動次數(shù)1次的情況，實際焊接時按設定的脈沖波動次數(shù)反復運行CT1、W2。圖3-22 焊接基本動作時序知

13、識準備 圖3-22 焊接基本動作時序S0：預加壓時間；S1：加壓時間；S2：加壓力穩(wěn)定時間；US：上升周期；W1：通電時間1；CT1：冷卻時間1；W2：通電時間2；CT2：冷卻時間2；W3：通電時間3；DS：下降周期；H：保持時間；WCD：焊接完成延遲時間； 上升時間過程初期電流值為I11/2，最終電流值為I1；下降時間過程初期電流值為I3，最終電流值為I31/2，焊接電流為I2。知識準備 4步增機能 隨著電極帽的損耗，增加電流，可以延長焊接打點的壽命。通過最終步增信號輸出和步增完了信號的輸出，也可以了解到電極帽研磨和更換的時期。步增機能的動作分階梯式升級和線性上升兩種，分別見圖3-23、3-

14、24所示。圖3-23 階梯式升級知識準備 圖3-24 線性上升知識準備 5電流控制方式(1) 焊接電流變動原因?qū)е潞附与娏髯儎拥闹饕蛴幸幌聨追N。 供電電源電壓變動； 電阻負荷的變動（由于焊接部發(fā)熱而造成電阻負荷變動，由于被焊接物電阻率不同而導致電阻負荷變動等）； 電抗的變動（當各種大小的磁性被焊接物進入焊機的懸臂內(nèi)時，造成電抗變動）。(2) 電流控制方式1) 定電流控制 測定1次電流并基于此數(shù)值計算控制使實際通過的電流接近指定電流值，對電源電壓的變動和負載的變動進行高速應答。使用此種方式，不論輸入電源的電壓變動如何，也不論由于電阻負荷的變動或者電抗的變動造成二次側(cè)負荷如何改變，只要焊接變壓

15、器還有余量，就能夠控制幾乎完全相同的電流。隨著點焊的焊接數(shù)量的增加，電極頂端直徑也在擴大，但是由于電流固定不變，會造成電流密度的降低，由此會導致焊接缺陷。但與步增機能相結(jié)合，會減少焊接缺陷。知識準備 2) 恒定熱量控制 在點焊中，隨著焊點數(shù)的增加，電極頂端的直徑就會增大，以及電極的氧化，導致電極間的電壓下降。通過恒定熱量控制，使焊接電流隨著電極的損耗而逐步加大，保證兩者乘積也就是功率的值不變。恒定熱量控制與定電流控制相比，其優(yōu)點是發(fā)生的飛濺比較少。但是恒定熱量控制方式無法像定電流控制方式一樣直接設定焊接電流，因此使用比較麻煩。6IWC5焊接電源系統(tǒng)連接(1) IWC5焊接電源的配線IWC5焊接

16、電源的配線如圖3-25所示。a）正面 b）背面 圖3-25 IWC5焊接電源的配線知識準備 在焊接電源的背面設有“焊接電源用”、“焊接變壓器用”和“信號線用”的配線方孔?！昂附与娫从谩睘楹附与娫催M線孔；“焊接變壓器用”為焊接變壓器一次側(cè)電源輸出孔；“信號線用”為各種外部控制信號線進線孔。IWC5焊接電源設有多種與外部設備的通信接口，包括離散式接口、DeviceNet接口和EtherNet接口。離散式接口的輸入信號電源可使用焊接電源基板的內(nèi)部電源，也可選擇外部電源。當使用內(nèi)部電源時，將帶有INTERNAL ROWER標貼接頭連接到輸入電路電源切換接頭上；當使用外部電源時，將帶有EXTERNAL

17、ROWER標貼接頭連接輸入電路電源切換接頭上。如圖3-26所示。圖3-26 輸入信號電源的切換知識準備 (2) 離散式輸入信號端口的配線共有14點離散式輸入信號，各信號端的功能見表3-11。端子號名稱功能規(guī)格DI2啟動（焊接條件）18個啟動（焊接條件）信號，單獨有效時，啟動相應的焊接程序；可組合選擇128個焊接程序，利用多個啟動信號時，信號必須同時開啟，不能有偏差，否則將接受第一個啟動信號，或發(fā)生啟動輸入異常。DC24V10mA DI3啟動（焊接條件）2DI4啟動（焊接條件）4DI5啟動（焊接條件）8DI7啟動（焊接條件）16DI8啟動（焊接條件）32DI9啟動（焊接條件）64DI10啟動（焊

18、接條件）128DI12焊接/試驗ON時為焊接動作狀態(tài)，OFF時為試驗動作狀態(tài)DI13異常復位收到異常復位信號后，將異常輸出關閉，為下一次啟動做好準備。DI14步增復位對步增進行復位。DC24V10mA DI15通電許可輸入用于焊接電源內(nèi)部的繼電器控制輸入。輸入信號ON時，繼電器ON，輸入信號OFF時，繼電器OFF。繼電器為可選擇件，無繼電器時，信號必須常置為ON。IC輸入公共端E24N外接電源-外部DC24V電源連接端。若使用內(nèi)部電源，不需要接線。E24P外接電源+表3-11 離散式輸入信號功能知識準備 離散式輸入信號接線方式如圖3-27所示。公共端IC與DC24V電源的0V端等電位。圖3-2

19、7 采用內(nèi)部電源離散式輸入信號接線圖(3) 離散式輸出信號端口的配線共有7點離散式輸入信號，各信號端的功能見表3-12。端子號名稱功能規(guī)格DO2焊接完成焊接動作完成時處于ON狀態(tài)，啟動信號OFF時切換到OFF狀態(tài)。最大負荷DC30V100mADO3異常當發(fā)生異常時，該信號切換至ON狀態(tài)。當異常復位輸入信號ON時，該信號輸出OFF。DO4報警當發(fā)生報警時，該信號切換至ON狀態(tài)，但對焊接動作無影響。DO5準備完成具備以下條件時，該信號處于ON狀態(tài)，可以開始焊接，以防止試驗狀態(tài)下控制器誤識別為正常焊接而進入之后的一次焊接。1）未發(fā)生異常；2）焊接/試驗輸入信號處于ON狀態(tài)；3）連接狀態(tài)下的編程器處于

20、焊接模式；DO7步增完成步增系列完成時，輸出約為6個周期的脈沖信號。DO8最終步增中步增系列達到最終步增等級時，輸出約為6個周期的脈沖信號。DO9加壓開放保壓時間結(jié)束時，切換至ON狀態(tài)，焊接完成信號OFF時。切換至OFF狀態(tài)。DOC輸出公共端表3-12 離散式輸出信號功能知識準備 離散式輸出信號接線方式如圖3-28所示。圖3-28 離散式輸出信號接線圖三、機器人焊鉗的選型1焊鉗的種類從阻焊變壓器與焊鉗的結(jié)構(gòu)關系上可將焊鉗分為分離式、內(nèi)藏式和一體式。 1) 分離式焊鉗 該焊鉗的特點是阻焊變壓器與鉗體相分離，鉗體安裝在機器人手臂上，而焊接變壓器懸掛在機器人的上方，可在軌道上沿著機器人手腕移動的方向

21、移動，二者之間用二次電纜相連，如圖3-29所示。其優(yōu)點是減小了機器人的負載，運動速度高，價格便宜。任務實施圖3-29 分離式焊鉗點焊機器人 分離式焊鉗的主要缺點是需要大容量的焊接變壓器，電力損耗較大，能源利用率低。此外，粗大的二次電纜在焊鉗上引起的拉伸力和扭轉(zhuǎn)力作用于機器人的手臂上，限制了點焊工作區(qū)間與焊接位置的選擇。分離式焊鉗可采用普通的懸掛式焊鉗及阻焊變壓器。但二次電纜需要特殊制造，一般將兩條導線做在一起，中間用絕緣層分開，每條導線還要做成空心的，以便通水冷卻。此外，電纜還要有一定的柔性。任務實施 2) 內(nèi)藏式焊鉗 這種結(jié)構(gòu)是將阻焊變壓器安放到機器人手臂內(nèi)，使其盡可能地接近鉗體，變壓器的二

22、次電纜可以在內(nèi)部移動，如圖3-30所示。當采用這種形式的焊鉗時，必須同機器人本體統(tǒng)一設計。其優(yōu)點是二次電纜較短，變壓器的容量可以減小，但是使機器人本體的設計變得復雜。圖3-30 內(nèi)藏式焊鉗點焊機器人3) 一體式焊鉗 所謂一體式就是將阻焊變壓器和鉗體安裝在一起，然后共同固定在機器人手臂末端的法蘭盤上，如圖3-31所示。其主要優(yōu)點是省掉了粗大的二次電纜及懸掛變壓器的工作架，直接將焊接變壓器的輸出端連到焊鉗的上下機臂上，另一個優(yōu)點是節(jié)省能量。例如，輸出電流12000A，分離式焊鉗需75kVA的變壓器，而一體式焊鉗只需25kVA。一體式焊鉗的缺點是焊鉗重量顯著增大，體積也變大，要求機器人本體的承載能力

23、大于60kg。此外，焊鉗重量在機器人活動手腕上產(chǎn)生慣性力易于引起過載，這就要求在設計時，盡量減小焊鉗重心與機器人手臂軸心線間的距離。任務實施圖3-31 一體式焊鉗點焊機器人(2) 點焊機器人焊鉗從用途上可分為X形和C形兩種，如圖3-32所示。 a）X形焊鉗 b）C形焊鉗 圖3-32 機器人一體式焊鉗任務實施 X形焊鉗則主要用于點焊水平及近于水平傾斜位置的焊縫；C形焊鉗用于點焊垂直及近于垂直傾斜位置的焊縫。(3) 按焊鉗的行程，焊鉗可以分為單行程和雙行程。(4) 按加壓的驅(qū)動方式，焊鉗可以分為氣動焊鉗和電動焊鉗。(5) 按焊鉗變壓器的種類，焊鉗可以分為工頻焊鉗和中頻焊鉗。(6) 按焊鉗的加壓力大

24、小，焊鉗可以分為輕型焊鉗和重型焊鉗，一般地，電極加壓力在450kg以上的焊鉗稱為重型焊鉗，450kg以下的焊鉗稱為輕型焊鉗。2焊鉗的結(jié)構(gòu)點焊機器人用的焊鉗都是所謂的“一體式”焊鉗。這樣的焊鉗，無論是C型還是X型，在結(jié)構(gòu)上大致都可分為：焊臂、變壓器、氣缸或伺服電機、機架、浮動機構(gòu)等。C型焊鉗結(jié)構(gòu)及部件名稱圖如圖3-33所示。 X型焊鉗結(jié)構(gòu)及部件名稱圖如圖3-34所示。(1) 焊臂 點焊機器人焊鉗的焊臂按照使用材質(zhì)分類主要有鑄造焊臂、鉻鎬銅焊臂和鋁合金焊臂三種形式。由于材質(zhì)的不同，所以相應的結(jié)構(gòu)形式也有所區(qū)別。任務實施(2) 變壓器 與焊接機器人連接的焊鉗，按照焊鉗的變壓器形式，可分為中頻焊鉗和工

25、頻焊鉗。中頻焊鉗是利用逆變技術將工頻電轉(zhuǎn)化為1000Hz的中頻電。這兩種焊鉗最主要的區(qū)別就是變壓器本身，焊鉗的機械結(jié)構(gòu)原理完全相同。(3) 電極臂 按電極臂驅(qū)動形式的不同，可分為“氣動”和“電機伺服驅(qū)動”。圖3-33 C型焊鉗結(jié)構(gòu)及部件名稱圖任務實施 “氣動”是使用壓縮空氣驅(qū)動加壓氣缸活塞，然后由活塞的連桿驅(qū)動相應的傳遞機構(gòu)帶動兩電極臂閉合或張開。“電機伺服驅(qū)動”的焊鉗簡稱為“伺服焊鉗”，是利用伺服電機替代壓縮空氣作為動力源的一種焊鉗。焊鉗的張開和閉合由伺服電機驅(qū)動，脈沖碼盤反饋，這種焊鉗的張開度可以根據(jù)實際需要任意選定并預置，而且電極間的壓緊力也可以無極調(diào)節(jié)，是一種可提高焊點質(zhì)量、性能較高的機器人用焊鉗。圖3-34 X型焊鉗結(jié)構(gòu)及部件名稱圖任務實施電機伺服