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，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)等問題，此類型焊機(jī)并沒有在汽車工業(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)線來說相對(duì)較新，最近幾年，Renault、Mazda、Toyota、Ford等汽車公司都已將伺服焊槍應(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)所無法具有的優(yōu)點(diǎn)，是未來汽車裝配生產(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(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)，可以以對(duì)焊接接過程進(jìn)進(jìn)行精確確控制，同同時(shí)，伺伺服焊槍槍利用伺伺服電機(jī)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)軸， 實(shí)現(xiàn)有有效的焊焊點(diǎn)間移移動(dòng)，以以前氣動(dòng)動(dòng)焊槍無無法實(shí)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(shí)現(xiàn)。 精確控控制電極極運(yùn)動(dòng)速速率：氣氣動(dòng)焊槍槍的電極極運(yùn)動(dòng)靠靠氣缸來來控制，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，電電極的運(yùn)運(yùn)動(dòng)由伺伺服電機(jī)機(jī)控制，能能夠很好好地控制制電極運(yùn)運(yùn)動(dòng)速率率，使電電極與工工件接觸觸時(shí)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(dá)達(dá)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(yùn)動(dòng)動(dòng)得到了了很好的的控制。 圖2 氣動(dòng)動(dòng)焊機(jī)與與伺服焊焊槍電極極接觸時(shí)時(shí)力的變變化曲線線提高點(diǎn)焊生生產(chǎn)率：圖3顯顯示了氣氣動(dòng)焊機(jī)機(jī)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(dá)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(dòng)焊機(jī)機(jī)的預(yù)壓壓時(shí)間大大約為330個(gè)周周波（00.6秒秒），而而伺服焊焊槍則只只用了88個(gè)周波波（0.16秒秒）預(yù)壓壓時(shí)間就就達(dá)到了了設(shè)定壓壓力。對(duì)對(duì)比來看看，伺服服焊槍完完成一個(gè)個(gè)焊點(diǎn)所所用的焊焊接時(shí)間間為433個(gè)周波波（0.86秒秒），氣氣動(dòng)焊機(jī)機(jī)則需665個(gè)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(gè)焊點(diǎn)點(diǎn)要節(jié)省省0.444秒的的焊接時(shí)時(shí)間。相相對(duì)于一一臺(tái)轎車車的幾千千個(gè)焊點(diǎn)點(diǎn)，每個(gè)個(gè)焊點(diǎn)節(jié)節(jié)省0.44秒秒的焊接接時(shí)間對(duì)對(duì)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(gè)個(gè)焊點(diǎn)的的預(yù)壓持持續(xù)時(shí)間間，這也也可以提提高焊接接生產(chǎn)率率。 圖3 氣動(dòng)動(dòng)焊機(jī)和和伺服焊焊槍的預(yù)預(yù)壓時(shí)間間對(duì)比可獲得 HYPERLINK /cat_1050012.html 鍛壓壓力：焊焊接過程程的可控控性要?dú)w歸功于伺伺服電機(jī)機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)矩矩和速度度作為電電機(jī)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(hào)號(hào)的在線線實(shí)時(shí)監(jiān)監(jiān)控變得得可行，電電極位置置、在線線失效探探測(cè)和電電極補(bǔ)償償?shù)臏?zhǔn)確確測(cè)量也也就比氣氣動(dòng)焊機(jī)機(jī)更容易易。 伺伺服電機(jī)機(jī)技術(shù)給給點(diǎn)焊機(jī)機(jī)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(jī)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(dòng)動(dòng)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(duì)對(duì)于氣動(dòng)動(dòng)焊機(jī)是

8、是恒定氣氣壓，而而對(duì)于伺伺服焊槍槍則是恒恒定轉(zhuǎn)矩矩。從控控制的觀觀點(diǎn)來看看：氣動(dòng)動(dòng)焊機(jī)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(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(jī)中中獲得，伺伺服焊槍槍為過程程監(jiān)控、診診斷和補(bǔ)補(bǔ)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(diǎn)點(diǎn)質(zhì)量；第四，由由于電極極運(yùn)動(dòng)的的可控性性，電極極與工件件接觸時(shí)時(shí)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(diǎn)焊規(guī)規(guī)范參數(shù)數(shù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)點(diǎn)焊故故障的在在線檢測(cè)測(cè)。因此此，伺服服焊槍的的特征和和優(yōu)點(diǎn)決決定伺服服焊槍能能極好替替代現(xiàn)有有點(diǎn)焊機(jī)機(jī)。 伺伺服焊槍槍點(diǎn)焊試試驗(yàn)系統(tǒng)統(tǒng) 伺服服焊槍點(diǎn)點(diǎn)焊試驗(yàn)驗(yàn)系統(tǒng)主主要由伺伺服焊槍槍、焊接接機(jī)器人人、機(jī)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(shí)實(shí)現(xiàn)控制制信號(hào)傳傳輸，完完成程序序初始

10、化化，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)機(jī)器人人控制器器對(duì)伺服服焊槍電電極運(yùn)動(dòng)動(dòng)的精確確控制。系系統(tǒng)采用用Fannuc機(jī)機(jī)器人、OObarra公司司的伺服服焊槍和和焊接控控制器。機(jī)機(jī)器人與與機(jī)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(jī)器器人六軸軸伺服電電源線、信信號(hào)線、焊焊槍軸伺伺服電源源線、信信號(hào)線、DDeviice Nett電源線線、信號(hào)號(hào)線以及及接地線線。機(jī)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(hào)，包包括四線線的程序序選通信信號(hào)、焊焊接允許許信號(hào)、焊焊接完畢畢接收信信號(hào)、焊焊接控制制器和機(jī)機(jī)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(jī)機(jī)器人和和焊接控控制器的的點(diǎn)焊試試驗(yàn)系統(tǒng)統(tǒng)圖5 機(jī)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(hào)的詳詳細(xì)配置置方案如如下：利利用端子子臺(tái)的SSDO221SSDO224口作作為焊接接程序片片選信號(hào)號(hào)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(fù)負(fù)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(diǎn)連連接到焊焊接控制制器焊接接程序片片選信號(hào)號(hào)輸入端端；端子子臺(tái)的SSDO225為焊焊接允許許信號(hào)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(fù)極極和正極極，繼電電器輸出出常開觸觸點(diǎn)連接接到焊接接控制器器焊接允允許信號(hào)號(hào)輸入端端; 端端子臺(tái)SSDI223為焊焊接完畢畢信號(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 系統(tǒng)統(tǒng)程序初初始化流流程圖試驗(yàn)系統(tǒng)集集成后，需需要對(duì)伺伺服焊槍槍軸的控控制參數(shù)數(shù)進(jìn)行配配置，采采用機(jī)器器人控制制器TPP來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)，試驗(yàn)驗(yàn)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(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

13、限位位設(shè)置，AAutootunne測(cè)試試焊槍機(jī)機(jī)械機(jī)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(diǎn)復(fù)復(fù)歸：采采用單軸軸Massterringg，將上上電極移移動(dòng)到下下電極位位置，反反復(fù)測(cè)量量執(zhí)行完完畢后返返回上級(jí)級(jí)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（TTypee）AAxiss Liimitts選項(xiàng)項(xiàng)，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(zhǎng)致使使撞壞電電極桿，設(shè)設(shè)置上限限位時(shí)，將將上電極極移動(dòng)到到上極限限位置，按按下Poosittionn鍵，觀觀察此時(shí)時(shí)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(dòng)機(jī)機(jī)器。 3) Auttotuune焊焊槍性能能測(cè)試，按按MennuUUtillitiiesF1（TTypee）AAutootunne選項(xiàng)項(xiàng)，進(jìn)入入操作界界面，按按照提示示逐步進(jìn)進(jìn)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(dòng)動(dòng)運(yùn)行該該程序完完成性能能測(cè)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(jìn)進(jìn)Dettaill進(jìn)行設(shè)設(shè)置，設(shè)設(shè)置每一一個(gè)選項(xiàng)項(xiàng)，其中中：必須須正確設(shè)設(shè)置

15、Prresssuree Caal選項(xiàng)項(xiàng)，如不不進(jìn)行此此項(xiàng)設(shè)置置，則無無法進(jìn)行行焊槍加加壓操作作。具體體設(shè)置方方法如下下，進(jìn)入入Dettaill，選擇擇加壓時(shí)時(shí)間，測(cè)測(cè)試壓力力表的厚厚度，電電機(jī)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(cè)測(cè)試電極極壓力，記記錄下各各個(gè)轉(zhuǎn)矩矩所對(duì)應(yīng)應(yīng)的壓力力值，按按照同樣樣的方式式，測(cè)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(xiàng)設(shè)置置，系統(tǒng)統(tǒng)會(huì)顯示示操作完完成。 伺服焊焊槍點(diǎn)焊焊編程實(shí)實(shí)現(xiàn) 伺伺服焊槍槍試驗(yàn)系系統(tǒng)通過過機(jī)器人人TP控控制軟件件程序?qū)崒?shí)現(xiàn)點(diǎn)焊焊基本操操作。利利用prroceess I/OO板連接接機(jī)器人人

16、控制器器和焊接接控制器器，完成成點(diǎn)焊過過程和焊焊接規(guī)范范參數(shù)的的選取。點(diǎn)點(diǎn)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(xiàng)項(xiàng)參數(shù)，其其中：PP為壓力力參數(shù)，決決定點(diǎn)焊焊整個(gè)過過程的壓壓力曲線線；S為為焊接程程序號(hào)，決決定I/O口輸輸出值，選選通焊接接控制器器中某個(gè)個(gè)焊接程程序，實(shí)實(shí)現(xiàn)焊接接電流和和時(shí)間的的選?。籅U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(gè)選項(xiàng)項(xiàng)才能實(shí)實(shí)現(xiàn)正常常的點(diǎn)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(diǎn)焊焊過程所所需的電電極壓力力值，進(jìn)進(jìn)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(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(shí)間、焊焊接通電電過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 壓力力參數(shù)配配置表圖8 伺服服焊槍點(diǎn)點(diǎn)焊編程程操作的的5個(gè)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)