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(jī)，是應(yīng)用在焊機(jī)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(dòng)焊槍進(jìn)行對(duì)比分析，并在此基礎(chǔ)上介紹包括伺服焊槍、 HYPERLINK /cat_1980035.html 機(jī)器人和 HYPERLINK /cat_1050014.html 焊接控制器的點(diǎn)焊試驗(yàn)系統(tǒng)，以及如何利用伺服焊槍試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)的準(zhǔn)確獲取。 電阻點(diǎn)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(diǎn)焊連接完成的汽車下線以來(lái)，電阻點(diǎn)焊的應(yīng)用已經(jīng)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。盡管近年來(lái)各國(guó)學(xué)者相繼提出了許

2、多新型薄板連接技術(shù)，但電阻點(diǎn)焊以其低成本，易實(shí)現(xiàn)高速自動(dòng)化生產(chǎn)等特點(diǎn)，決定其仍然是轎車白車身裝配的主要連接方法。 在點(diǎn)焊過(guò)程中點(diǎn)焊機(jī)是用以實(shí)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(jī)決定。其中，最常用的類型是氣動(dòng)焊機(jī)，這種類型的焊機(jī)現(xiàn)如今仍被廣泛地應(yīng)用在汽車工業(yè)中。雖然將氣動(dòng)和液動(dòng)技術(shù)同時(shí)應(yīng)用的新型氣動(dòng)焊機(jī)有了更多的功能，但由于焊機(jī)的價(jià)格和保養(yǎng)等問(wèn)題，此類型焊機(jī)并沒(méi)有在汽車工業(yè)中得到很好的應(yīng)用。 伺服焊槍對(duì)于汽車車身裝配生產(chǎn)線來(lái)說(shuō)相對(duì)較新，最近幾年，Renault、Mazda、Toyota、Ford等汽車公司都已將伺服焊槍?xiě)?yīng)用到汽車車身裝配生產(chǎn)線上。實(shí)際應(yīng)用表明：伺服焊槍有

3、著傳統(tǒng)氣動(dòng)焊機(jī)所無(wú)法具有的優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)汽車裝配生產(chǎn)線上主要的點(diǎn)焊連接設(shè)備。 伺服焊槍的新技術(shù)特性 近年來(lái)由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的C 型或X 型伺服焊槍（如圖1）搭載在可以移動(dòng)的7軸機(jī)器人上進(jìn)行車身薄板連接的點(diǎn)焊設(shè)備正在增多。相比較氣動(dòng)焊槍，伺服焊槍的最大特點(diǎn)是以伺服裝置代替氣動(dòng)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(jī)按照既定速度、位移進(jìn)給，形成對(duì)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(jī)轉(zhuǎn)矩決定電極壓力。 圖1 伺服焊槍結(jié)構(gòu)示意圖由于伺服服焊槍是是由伺服服電機(jī)驅(qū)驅(qū)動(dòng)，可可以對(duì)焊焊接過(guò)程程進(jìn)行精精確控制制，同時(shí)時(shí)，伺服服焊槍利利用伺服服電機(jī)驅(qū)驅(qū)動(dòng)加壓壓軸，因因

4、而可以以協(xié)調(diào)控控制好焊焊槍的移移動(dòng)軸， 實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有效的的焊點(diǎn)間間移動(dòng)，以前氣氣動(dòng)焊槍槍無(wú)法實(shí)實(shí)現(xiàn)的焊焊接位置置現(xiàn)都可可以由伺伺服焊槍槍來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)。 精精確控制制電極運(yùn)運(yùn)動(dòng)速率率：氣動(dòng)動(dòng)焊槍的的電極運(yùn)運(yùn)動(dòng)靠氣氣缸來(lái)控控制，這這使電極極運(yùn)動(dòng)速速率很難難精確控控制，電電極運(yùn)動(dòng)動(dòng)的高速速率，會(huì)會(huì)造成電電極與工工件接觸觸時(shí)的沖沖擊很大大，致使使電極力力會(huì)發(fā)生生短時(shí)間間的振蕩蕩，從而而影響電電極壽命命。而對(duì)對(duì)于伺服服焊槍，電極的的運(yùn)動(dòng)由由伺服電電機(jī)控制制，能夠夠很好地地控制電電極運(yùn)動(dòng)動(dòng)速率，使電極極與工件件接觸時(shí)時(shí)的沖擊擊很小，從而提提高電極極壽命。如圖22所示，在電極極力達(dá)到到穩(wěn)定之之前，伺伺服焊槍槍在電極

5、極接觸過(guò)過(guò)程中電電極力沒(méi)沒(méi)有明顯顯的振蕩蕩現(xiàn)象，電極運(yùn)運(yùn)動(dòng)得到到了很好好的控制制。 圖2 氣氣動(dòng)焊機(jī)機(jī)與伺服服焊槍電電極接觸觸時(shí)力的的變化曲曲線提高點(diǎn)焊焊生產(chǎn)率率：圖33顯示了了氣動(dòng)焊焊機(jī)和伺伺服焊槍槍在焊接接過(guò)程中中電極力力的變化化，假定定達(dá)到設(shè)設(shè)定預(yù)壓壓力，電電極力將將保持恒恒定。從從中可以以看出，氣動(dòng)焊焊機(jī)的預(yù)預(yù)壓時(shí)間間大約為為30個(gè)個(gè)周波（0.66秒），而伺服服焊槍則則只用了了8個(gè)周周波（00.166秒）預(yù)預(yù)壓時(shí)間間就達(dá)到到了設(shè)定定壓力。對(duì)比來(lái)來(lái)看，伺伺服焊槍槍完成一一個(gè)焊點(diǎn)點(diǎn)所用的的焊接時(shí)時(shí)間為443個(gè)周周波（00.866秒），氣動(dòng)焊焊機(jī)則需需65個(gè)個(gè)周波(1.33秒)。也就是是說(shuō)，

6、用用伺服焊焊槍完成成一個(gè)焊焊點(diǎn)要節(jié)節(jié)省0.44秒秒的焊接接時(shí)間。相對(duì)于于一臺(tái)轎轎車的幾幾千個(gè)焊焊點(diǎn)，每每個(gè)焊點(diǎn)點(diǎn)節(jié)省00.444秒的焊焊接時(shí)間間對(duì)裝配配過(guò)程生生產(chǎn)率的的提高就就非常重重要，轎轎車車身身裝配線線的生產(chǎn)產(chǎn)能力就就可以大大大提高高。另外外，可編編程電極極行程和和速度也也可以縮縮短同一一工位上上多個(gè)焊焊點(diǎn)的預(yù)預(yù)壓持續(xù)續(xù)時(shí)間，這也可可以提高高焊接生生產(chǎn)率。 圖3 氣氣動(dòng)焊機(jī)機(jī)和伺服服焊槍的的預(yù)壓時(shí)時(shí)間對(duì)比比可獲得 HYPERLINK /cat_1050012.html 鍛鍛壓力：焊接過(guò)過(guò)程的可可控性要要?dú)w功于于伺服電電機(jī)和它它的控制制技術(shù)。由于可可以容易易地改變變電極壓壓力，焊焊接過(guò)程程

7、中鍛壓壓力的獲獲得就變變得可能能。 可可獲得電電極力和和電極位位移：伺伺服電機(jī)機(jī)轉(zhuǎn)矩和和速度作作為電機(jī)機(jī)控制器器的輸出出量，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(hào)號(hào)的在線線實(shí)時(shí)監(jiān)監(jiān)控變得得可行，電極位位置、在在線失效效探測(cè)和和電極補(bǔ)補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)準(zhǔn)確測(cè)量量也就比比氣動(dòng)焊焊機(jī)更容容易。 伺服電電機(jī)技術(shù)術(shù)給點(diǎn)焊焊機(jī)和焊焊接過(guò)程程帶來(lái)新新的技術(shù)術(shù)特性，主要是是由伺服服電機(jī)和和相應(yīng)控控制技術(shù)術(shù)的固有有特性所所決定。伺服焊焊槍和常常規(guī)的氣氣動(dòng)焊槍槍之間的的主要差差別在于于它們的的輸入量量和相應(yīng)應(yīng)的控制制模型，對(duì)于氣氣動(dòng)焊機(jī)機(jī)是恒定定氣壓，而對(duì)于于伺服

8、焊焊槍則是是恒定轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。從從控制的的觀點(diǎn)來(lái)來(lái)看：氣氣動(dòng)焊機(jī)機(jī)是開(kāi)環(huán)環(huán)控制，伺服焊焊槍則是是具有反反饋的閉閉環(huán)控制制。相應(yīng)應(yīng)地，伺伺服焊槍槍電極的的運(yùn)動(dòng)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(diǎn)和功功能可以以使焊接接過(guò)程更更易控制制，焊機(jī)機(jī)更易操操作，并并可提高高焊點(diǎn)質(zhì)質(zhì)量。 綜上所所述，和和氣動(dòng)焊焊槍相比比，伺服服焊槍的的優(yōu)勢(shì)是是顯而易易見(jiàn)的。首先，伺服焊焊槍能夠夠提高焊焊接過(guò)程程的生產(chǎn)產(chǎn)率；其其次，由由于焊接接過(guò)程參參數(shù)，例例如電極極力和電電極位移移可從伺伺服電機(jī)機(jī)中獲得得，伺服服焊槍為為過(guò)程監(jiān)監(jiān)控、診診斷和補(bǔ)補(bǔ)償提供供了新的的可能；第三，伺服焊焊槍可以以得到焊焊接過(guò)程程

9、中所需需的鍛壓壓力，從從而可以以提高焊焊點(diǎn)質(zhì)量量；第四四，由于于電極運(yùn)運(yùn)動(dòng)的可可控性，電極與與工件接接觸時(shí)沖沖擊小，噪聲低低，有助助于改善善工作環(huán)環(huán)境，提提高電極極壽命。利用伺伺服焊槍槍及其控控制特性性可以穩(wěn)穩(wěn)定點(diǎn)焊焊規(guī)范參參數(shù)，實(shí)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊焊故障的的在線檢檢測(cè)。因因此，伺伺服焊槍槍的特征征和優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)決定伺伺服焊槍槍能極好好替代現(xiàn)現(xiàn)有點(diǎn)焊焊機(jī)。 伺服焊焊槍點(diǎn)焊焊試驗(yàn)系系統(tǒng) 伺伺服焊槍槍點(diǎn)焊試試驗(yàn)系統(tǒng)統(tǒng)主要由由伺服焊焊槍、焊焊接機(jī)器器人、機(jī)機(jī)器人控控制器和和焊接控控制器四四部分組組成（如如圖4）。通過(guò)過(guò)系統(tǒng)集集成（如如圖5）實(shí)現(xiàn)控控制信號(hào)號(hào)傳輸，完成程程序初始始化，實(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)器器人控制制器對(duì)伺伺服焊槍

10、槍電極運(yùn)運(yùn)動(dòng)的精精確控制制。系統(tǒng)統(tǒng)采用FFanuuc機(jī)器器人、OObarra公司司的伺服服焊槍和和焊接控控制器。機(jī)器人人與機(jī)器器人控制制器之間間通過(guò)FFanuuc公司司專用電電纜連接接，包括括機(jī)器人人六軸伺伺服電源源線、信信號(hào)線、焊槍軸軸伺服電電源線、信號(hào)線線、Deevicce NNet電電源線、信號(hào)線線以及接接地線。機(jī)器人人控制器器和焊接接控制器器之間通通過(guò)Faanucc公司提提供的PProccesss I/O板連連接，在在焊接過(guò)過(guò)程中傳傳遞焊接接信號(hào)，包括四四線的程程序選通通信號(hào)、焊接允允許信號(hào)號(hào)、焊接接完畢接接收信號(hào)號(hào)、焊接接控制器器和機(jī)器器人通過(guò)過(guò)變壓器器電源線線和溫控控反饋線線路連接

11、接等。 圖4 包包括伺服服焊槍、機(jī)器人人和焊接接控制器器的點(diǎn)焊焊試驗(yàn)系系統(tǒng)圖5 機(jī)機(jī)器人控控制器和和焊接控控制器的的集成傳輸焊接接信號(hào)的的詳細(xì)配配置方案案如下：利用端端子臺(tái)的的SDOO21SDOO24口口作為焊焊接程序序片選信信號(hào)GOO1，將其其分別連連接到四四路電磁磁繼電器器的電源源輸入端端的負(fù)極極，而繼繼電器輸輸入端的的正極連連接到公公共端+24EE，電磁磁繼電器器的輸出出常開(kāi)觸觸點(diǎn)連接接到焊接接控制器器焊接程程序片選選信號(hào)輸輸入端；端子臺(tái)臺(tái)的SDDO255為焊接接允許信信號(hào)DII5，將它它和+224E分分別連接接到電磁磁繼電器器輸入的的負(fù)極和和正極，繼電器器輸出常常開(kāi)觸點(diǎn)點(diǎn)連接到到焊接控

12、控制器焊焊接允許許信號(hào)輸輸入端; 端子子臺(tái)SDDI233為焊接接完畢信信號(hào)，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(hào)輸出出端。 試驗(yàn)系系統(tǒng)程序序初始化化 圖6 系系統(tǒng)程序序初始化化流程圖圖試驗(yàn)系統(tǒng)統(tǒng)集成后后，需要要對(duì)伺服服焊槍軸軸的控制制參數(shù)進(jìn)進(jìn)行配置置，采用用機(jī)器人人控制器器TP來(lái)來(lái)實(shí)現(xiàn)，試驗(yàn)系系統(tǒng)程序序初始化化流程如如圖6所所示。伺伺服焊槍槍作為機(jī)機(jī)器人的的第七軸軸，由機(jī)機(jī)器人控控制器中中專門的的伺服單單元控制制，為了了實(shí)現(xiàn)復(fù)復(fù)雜的點(diǎn)點(diǎn)焊過(guò)程程，需要要進(jìn)行一一系列的的初始化化設(shè)置：包括第第七軸的的零點(diǎn)復(fù)復(fù)歸，上上下限位位設(shè)置，Auttotuune測(cè)測(cè)試焊槍槍機(jī)械機(jī)機(jī)構(gòu)性

13、能能，伺服服焊槍ggeneerall設(shè)置等等，關(guān)鍵鍵設(shè)置步步驟如下下： 11) 零零點(diǎn)復(fù)歸歸：采用用單軸MMastteriing，將上電電極移動(dòng)動(dòng)到下電電極位置置，反復(fù)復(fù)測(cè)量執(zhí)執(zhí)行完畢畢后返回回上級(jí)菜菜單，零零點(diǎn)復(fù)歸歸執(zhí)行完完畢。 2) 上下限限位設(shè)置置，選擇擇F1（Typpe）Axiis LLimiits選選項(xiàng)，確確定焊槍槍軸的下下限位，通常設(shè)設(shè)成25mmm，以防防下落距距離太長(zhǎng)長(zhǎng)致使撞撞壞電極極桿，設(shè)設(shè)置上限限位時(shí)，將上電電極移動(dòng)動(dòng)到上極極限位置置，按下下Possitiion鍵鍵，觀察察此時(shí)上上電極的的位置，選擇小小于該值值的數(shù)值值作為上上限位值值，設(shè)置置完畢，重新啟啟動(dòng)機(jī)器器。 33)

14、AAutootunne焊槍槍性能測(cè)測(cè)試，按按MennuUUtillitiiesF1（Typpe）Auttotuune選選項(xiàng)，進(jìn)進(jìn)入操作作界面，按照提提示逐步步進(jìn)行設(shè)設(shè)置，設(shè)設(shè)置完畢畢后將開(kāi)開(kāi)關(guān)調(diào)到到T2模模式下，在Seelecct菜單單下選擇擇Auttotuune程程序，自自動(dòng)運(yùn)行行該程序序完成性性能測(cè)試試。 44) 伺伺服焊槍槍genneraal設(shè)置置，在mmenuuseetuppSeervoo Guun菜單單下，選選擇geenerral settup，進(jìn)Deetaiil進(jìn)行行設(shè)置，設(shè)置每每一個(gè)選選項(xiàng)，其其中：必必須正確確設(shè)置PPresssurre CCal選選項(xiàng)，如如不進(jìn)行行此項(xiàng)設(shè)設(shè)置，則

15、則無(wú)法進(jìn)進(jìn)行焊槍槍加壓操操作。具具體設(shè)置置方法如如下，進(jìn)進(jìn)入Deetaiil，選選擇加壓壓時(shí)間，測(cè)試壓壓力表的的厚度，電機(jī)輸輸出轉(zhuǎn)矩矩（以額額定轉(zhuǎn)矩矩的百分分比設(shè)置置），電電極下落落，用壓壓力表測(cè)測(cè)試電極極壓力，記錄下下各個(gè)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩所對(duì)對(duì)應(yīng)的壓壓力值，按照同同樣的方方式，測(cè)測(cè)試盡可可能多的的組數(shù)，記錄完完畢，按按照提示示完成該該選項(xiàng)設(shè)設(shè)置，系系統(tǒng)會(huì)顯顯示操作作完成。 伺服服焊槍點(diǎn)點(diǎn)焊編程程實(shí)現(xiàn) 伺服焊焊槍試驗(yàn)驗(yàn)系統(tǒng)通通過(guò)機(jī)器器人TPP控制軟軟件程序序?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)點(diǎn)焊基本本操作。利用pproccesss I/O板連連接機(jī)器器人控制制器和焊焊接控制制器，完完成點(diǎn)焊焊過(guò)程和和焊接規(guī)規(guī)范參數(shù)數(shù)的選取取。點(diǎn)焊焊

16、編程指指令為SSpottP=m, S=nn, BBU=ii，主主要工作作是設(shè)置置這三項(xiàng)項(xiàng)參數(shù)，其中：P為壓壓力參數(shù)數(shù)，決定定點(diǎn)焊整整個(gè)過(guò)程程的壓力力曲線；S為焊焊接程序序號(hào)，決決定I/O口輸輸出值，選通焊焊接控制制器中某某個(gè)焊接接程序，實(shí)現(xiàn)焊焊接電流流和時(shí)間間的選取??；BUU為打開(kāi)開(kāi)焊槍參參數(shù)，決決定焊槍槍在焊接接完畢后后的打開(kāi)開(kāi)量，必必須正確確設(shè)置這這三個(gè)選選項(xiàng)才能能實(shí)現(xiàn)正正常的點(diǎn)點(diǎn)焊編程程操作。具體設(shè)設(shè)置步驟驟如下： （11） PP設(shè)置：在DAATAF1（Typpe）Preessuure菜菜單下，選中點(diǎn)點(diǎn)焊過(guò)程程所需的的電極壓壓力值，進(jìn)入具具體界面面設(shè)置（如圖77），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(dòng)補(bǔ)補(bǔ)償、焊焊接指令令延時(shí)等等。在AAutoo Rooutee下，設(shè)設(shè)置焊接接過(guò)程中中電極的的接近位位置、開(kāi)開(kāi)始加壓壓位置、壓力位位置、加加壓結(jié)束束位置等等（如圖圖8）。在prresssuree prrofiile下下，設(shè)置置焊接預(yù)預(yù)壓力和和預(yù)壓時(shí)時(shí)間、焊焊接通電電過(guò)程中中的壓力力和時(shí)間間、焊后后保持壓壓力和時(shí)時(shí)間（如如圖9）。 圖7 壓壓力參數(shù)數(shù)配置表表圖8 伺伺服焊槍槍點(diǎn)焊編編程操作作的5個(gè)個(gè)階段圖9 電電極壓加加持間間間參數(shù)設(shè)設(shè)置（2） S設(shè)置置：焊