氣動伺服焊槍的離線測試

董 敏

(SAR自動化(上海)有限公司，上海 200030)

氣動伺服焊槍的離線測試

董 敏

(SAR自動化(上海)有限公司，上海 200030)

根據(jù)氣動伺服焊槍的性能特點，介紹了一套基于PLC控制器的伺服氣動焊槍離線檢測機構的原理和組成。系統(tǒng)從機械性能、電氣性能、氣密水密性、焊接壓力、電流、CMK指數(shù)等方面評估了被檢測焊槍的性能。實際證明，系統(tǒng)可以滿足大部分用戶檢測和維護的需要。

氣動伺服焊槍；離線檢測；電阻焊

0 前言

目前電阻點焊已廣泛應用于轎車白車身裝配工藝中，它是復雜的電、熱、力等因素綜合作用的結果。影響點焊質(zhì)量的原因很多，焊接電流、焊接時間、電極力是其主要原因。焊接電流和時間由焊接控制器來調(diào)節(jié)，通常采用恒流控制法。

在傳統(tǒng)的氣動焊槍中電極力是由氣缸來控制，由于普通氣壓系統(tǒng)固有的缺陷，無法保證電極力的穩(wěn)定性。新型的伺服焊槍采用伺服機構來控制，能準確控制電極速度、位置、壓力，從而提高焊點質(zhì)量；由于焊接電極與工件是彈性接觸，伺服焊槍能夠明顯提高電極壽命。

1 伺服焊槍

1.1 電動伺服焊槍

電動伺服焊槍是最常見的實現(xiàn)焊槍焊接壓力、焊接位置伺服控制的形式。伺服焊槍在車身生產(chǎn)線應用時，被集成在專門的焊接機器人上，由機器人驅(qū)動。焊槍上的伺服電機被視為焊接機器人的附加軸，由機器人控制器中專門的伺服單元來控制，機器人控制器上的安裝點焊軟件包，能夠?qū)崿F(xiàn)焊槍定位、與工件軟接觸、預壓、焊接、保壓以及電極軸向磨損檢測和補償?shù)裙δ堋?/p>

1.2 氣動伺服焊槍控制系統(tǒng)

由于電動伺服焊槍需要配備專用的伺服電機、控制器和傳動機構，因而體積龐大且造價較高。另外，由于傳統(tǒng)的焊槍多由氣缸驅(qū)動，如采用電動伺服焊槍，則需要對焊接系統(tǒng)以及配套的機器人、PLC系統(tǒng)做較大的技術更新，不利于保護原有的設備投資。

氣動伺服焊槍是另一種實現(xiàn)焊槍伺服驅(qū)動的方式。它采用伺服氣缸實現(xiàn)焊槍電極臂的控制，控制目標可以是位移，也可以是電極力。由伺服氣缸取代原有的雙位置氣缸，節(jié)省了焊槍的體積且保留原有的焊接控制器。機器人系統(tǒng)無需做太大改動，只需將原有由氣缸位置的控制換成對伺服氣缸的位移輸出即可。另外，集成式的氣動伺服單元還可以實現(xiàn)氣壓和電極力的自動比例調(diào)節(jié)，達到預設的電極力，有助于提高焊接質(zhì)量。

與電動伺服焊槍相比，氣動伺服焊槍在造價上更便宜，有助于大規(guī)模地推廣使用。

1.2.1 焊接控制器

焊接控制器是實現(xiàn)焊接電流輸出，焊接時間控制的關鍵設備。在此以BOSCH PSI 6000系列的焊接控制器為例，介紹伺服焊槍系統(tǒng)中焊槍控制器的使用。BOSCH提供了BOS6000軟件對焊接過程中主要參數(shù)，如預壓、焊接、保持等時間進行設定，目標電流值，電流控制方式的設定。對于電流控制方式，可以采用恒流(PHA)模式，也可以采用熱控制模式(KSR)。本系統(tǒng)采用PHA模式。

1.2.2 伺服氣缸

伺服氣缸是實現(xiàn)電極臂位移控制和力控制的主要設備。在此對應的焊槍是采用FESTO的帶有SPC－WELD－SA控制模組的伺服氣缸。FESTO提供了WinSPAS軟件可以對焊槍的力控制，位移控制控制調(diào)節(jié)參數(shù)進行標定。

2 氣動伺服焊槍測試

2.1 測試系統(tǒng)原理

一套焊槍測試站的測試系統(tǒng)實物如圖1所示。它可以對普通氣動焊槍和伺服氣動焊槍進行測試。

圖1 伺服焊槍測試系統(tǒng)實物

該焊槍測試系統(tǒng)的基本組成如圖2所示，由配電柜、焊槍控制柜、焊槍適配單元組成。系統(tǒng)的核心部分為一套Siemens的S7－400的PLC，通過現(xiàn)場總線Interbus與焊槍氣缸控制器進行通信。西門子的另一種工業(yè)以太網(wǎng)則用來與Bosch焊槍控制器和分布式IO的通信。系統(tǒng)有Siemens 15時的工業(yè)觸摸屏來處理人機界面。另外還有一臺打印機可供打印測試報告。

圖2 測試系統(tǒng)基本組成

對于每一把測試的焊槍，在測試前只需要把氣、水回路，控制總線(在此為Interbus)以及焊接電纜接好就可以開始測試。

PL2的普通氣動焊槍水測試回路如圖3所示。PL6的為伺服氣動焊槍的水測試回路。它包括有進回水閥、溫度傳感器、壓力傳感器和流量計，以及相應的快速接頭。

圖3 PL2普通氣動焊槍的水測試回路

PL2的普通氣動焊槍氣測試回路如圖4所示。PL6的為伺服氣動焊槍的氣測試回路。它包括有壓力傳感器和相應的快速接頭。

2.2 測試內(nèi)容

2.2.1 氣密性和水密性

氣密性和水密性是焊槍正常工作的必要條件。

焊槍使用高壓空氣來驅(qū)動電極臂。如果槍有漏氣，則無法達到規(guī)定的電極壓力，影響焊接質(zhì)量。

焊槍的冷卻水回路將焊接時產(chǎn)生的熱量帶走，如果漏水，一方面影響焊接的環(huán)境，造成電氣方面的不安全。另一方面影響流速，造成焊接系統(tǒng)過熱，導致焊接質(zhì)量不穩(wěn)定。

對于氣密性的測試，所采用的工作原理就是關斷進出的氣閥回路，形成相對的靜壓。然后利用壓力傳感器的反饋值觀察壓降，當30s內(nèi)壓降小于1%，則認為沒有漏氣。對于水密性的測試采用了同樣的測試原理和測試標準。

圖4 PL2的普通氣動焊槍的氣測試回路

2.2.2 機械電氣響應特性

焊槍機械電氣響應特性主要包括電極臂開關動作的時間。一個合理的動作時間對于繁忙的白車身焊接作業(yè)工序時間來說非常重要。本系統(tǒng)將建立每把焊槍的數(shù)據(jù)庫，記錄有各焊槍在出廠時所測試記錄有的焊槍電極臂動作時間。以后的測試將以此為標準，誤差不允許超過10%，否則視為檢測失敗。

2.2.3 平衡氣缸的壓力

平衡氣缸提供了與動作氣缸相反的壓力。用于提供當焊槍接近工件時，提供一定的適配空間，以防止剛性接觸引起的導致焊槍或工件損壞。

2.2.4 電極力

電極力是焊槍最主要的性能參數(shù)。焊槍能否達到額定的電極力直接決定了焊點質(zhì)量的好壞。電極力的好壞不僅取決于最終能否達到設定的力。由于氣缸動作總是需要一定時間，達到額定壓力的時間和力的變化曲線也對于焊接操作具有相當?shù)挠绊憽?/p>

現(xiàn)場使用的電極力為2.0～4.0 kN。所以對電極力的測試，選用了用 2.0 kN，2.5 kN，3.0 kN，3.5 kN，4.0 kN作為了壓力測試標準。采用Kistler壓力傳感器，記錄在這些設定的額定壓力下電極壓力的變化，從開始加壓到壓力到達額定值的變化曲線如圖5所示。

2.2.5 設備能力指數(shù)CMK

設備能力指數(shù)CMK是德國汽車行業(yè)常采用的參數(shù)，稱為臨界機器能力指數(shù)，它僅考慮設備本身的影響，同時考慮分布的平均值與規(guī)范中心值的偏移。

式中 Min為最小值；USL為上公差界限；UCL為下公差界限；為總體平均值＝average(A1:100)；S為樣本標準偏差＝stdev(A1:A100)，S＝

圖5 電極壓力變化曲線

統(tǒng)計了焊槍最重要的性能指標——電極壓力。在3 kN的標準壓力設定下，根據(jù)一定規(guī)模的統(tǒng)計取樣。USL 和 UCL 分別設成 5%，分別為 3.15 和 2.85。根據(jù)CMK公式計算出來的值應該大于1.66。值越大，表示測試結果越類似，焊槍的越趨于穩(wěn)定工作。

2.2.6 焊接電流

焊接電流是焊接過程中非常重要的另一性能參數(shù)。焊接電流是影響焊接質(zhì)量和生產(chǎn)率的主要因素。電流過大，金屬熔化快，熔深大，同時金屬飛濺也大，易產(chǎn)生燒穿、咬邊等缺陷；電流過小，易產(chǎn)生未焊透、夾渣等缺陷，且生產(chǎn)率低。

對于焊接電流的測試，采用Miyachi的MM 370 A的電流測試儀來監(jiān)視記錄電流反饋值。在實際測試中，先通過Bosch的焊接控制器中設定一組電流參數(shù)(從 6.0 kA 到 12.0 kA)，然后從小到大依次進行焊接，并監(jiān)視記錄Miyachi的電流測量結果。當各組實測值和反饋值相差不大于5%時，就可以認為焊槍可以保證焊接電流的穩(wěn)定性。

2.2.7 檢測報告

當進行了上面所有的測試項后，用戶需要出具一份規(guī)定格式的檢測報告。報告從機械性能、電氣性能、氣密水密性、焊接壓力、電流、CMK指數(shù)等各方面評估了被檢測焊槍的性能。并出具標稱值和實測值，可供廣大用戶作為定期檢測報告，也可作為焊槍維護保養(yǎng)、更換的依據(jù)。

3 結論

焊槍是汽車白車身車間應用最廣泛的設備之一。對焊槍的離線檢測，對于廣大汽車廠焊接車間來說，是十分重要且繁重的工作。本焊槍測試系統(tǒng)從機械性能、電氣性能、氣密水密性、焊接壓力、電流、CMK指數(shù)各方面評估了被檢測焊槍的性能。給維護人員提供一套實用的檢測工具。

Offline test of the servo-pneumatic welding gun

DONG Min
(SAR Automation(Shanghai)Co.，Ltd.，Shanghai 200030，China)

This document introduced the theory and components of an offline test system using PLC controller base on the characteristic of the servo-pneumatic welding gun.The system can evaluate a servo-penumatic gun from the each aspects of mechanical and eletrical performance，the leak of the air and water，electrode force，welding current，and the CMK index.The system has been proved that it can meet the most of requirment of the users.

pneumatic servo gun；offline test；spot welding

TG438.2

A

1001－2303(2011)03－0032－03

2010－04－21；

2010－12－16

董 敏(1976—)，男，上海人，學士，主要從事自動化方面的研究與應用工作。