點(diǎn)焊機(jī)器人氣動(dòng)槍與伺服槍優(yōu)劣分析

韋子堅(jiān)，楊本周，倪炳林，溫柳川，趙繼太

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西柳州545007）

點(diǎn)焊機(jī)器人氣動(dòng)槍與伺服槍優(yōu)劣分析

韋子堅(jiān)，楊本周，倪炳林，溫柳川，趙繼太

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西柳州545007）

在自動(dòng)化焊接線中，點(diǎn)焊機(jī)器人所使用的焊槍按工作方式分為氣動(dòng)焊槍與伺服焊槍，兩種焊槍在使用與維修中各有優(yōu)缺點(diǎn)。由于結(jié)構(gòu)的不同在維修與控制中有著很大的差別，影響設(shè)備利用率。了解兩種焊接設(shè)備的原理及差異，是分析、解決問題的關(guān)鍵。

電阻焊；伺服焊槍；氣動(dòng)焊槍

點(diǎn)焊是將被焊工件壓緊于兩電極之間，并通以電流，利用電流通過接頭流經(jīng)工件接觸面及附近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱效應(yīng)將工件加熱到熔化狀態(tài)，使兩工件形成金屬結(jié)合的應(yīng)用方式。現(xiàn)代汽車制造業(yè)，零部件下車體焊接、車身焊接的設(shè)備主要為氣動(dòng)點(diǎn)焊槍。隨著氣動(dòng)點(diǎn)焊技術(shù)的不斷改進(jìn)、發(fā)展，氣動(dòng)槍在技術(shù)上已經(jīng)趨于成熟，焊接的質(zhì)量和效率得到很大的提高。但是隨著汽車行業(yè)對(duì)焊接要求的提高，傳統(tǒng)的氣動(dòng)槍無論怎么優(yōu)化還是暴露出許多的問題，如：無法控制焊接沖力、無法控制電極磨損量、焊接效率低下、脫焊漏焊等質(zhì)量問題經(jīng)常發(fā)生，也無法跟上汽車自動(dòng)化生產(chǎn)線的發(fā)展需求[1]。因此誕生了伺服控制系統(tǒng)控制的伺服焊槍，它具有較高的焊接效率、焊接質(zhì)量、電極定位、焊接板件沖力小等特點(diǎn)，成為汽車行業(yè)點(diǎn)焊中大家爭先使用的設(shè)備，也是焊接發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。

1 機(jī)器人氣動(dòng)焊槍與伺服焊槍結(jié)構(gòu)分析

1.1 氣動(dòng)焊槍結(jié)構(gòu)與伺服焊槍結(jié)構(gòu)

圖1 氣動(dòng)焊槍結(jié)構(gòu)

圖2 伺服焊槍結(jié)構(gòu)

1.2 氣動(dòng)焊槍焊接控制過程

點(diǎn)焊是板件組合后通過焊槍電極頭對(duì)其施加壓力，使被焊板件緊密有效地接觸并形成回路，通過合適的焊接電流，在板件電阻的作用下產(chǎn)生電阻熱，使接觸部分熔化，讓板件能夠牢固的焊接在一起。整個(gè)點(diǎn)焊的工藝過程可以分為預(yù)壓、通電、斷電鍛壓三個(gè)階段，板件接觸部位通電時(shí)產(chǎn)生的熱量由Q=I2Rt來決定。式中的I為焊接通電電流；R為板件電阻；t為導(dǎo)電時(shí)間。通過上式可以看出，焊接通電電流、板件間的電阻、導(dǎo)電時(shí)間是決定焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素，板件的電阻即兩層或多層板接觸部分的電阻，接觸部分又是由電極加壓壓力來決定的。所以說點(diǎn)焊的三大要素可以歸結(jié)為：焊接電流、加壓壓力、焊接時(shí)間。想要達(dá)到最好的焊接質(zhì)量，就要調(diào)試出最佳的焊接參數(shù)，這與工件表面的熱處理、焊機(jī)電流、電極壓力與焊機(jī)通電時(shí)間都有著莫大的關(guān)系[2]。

既然焊槍的壓力大小決定了焊接的質(zhì)量，那么焊接過程中焊槍壓力的控制成為機(jī)器人點(diǎn)焊的關(guān)鍵部分，如圖3所示。

圖3 氣動(dòng)槍壓力控制系統(tǒng)

圖3 中為氣動(dòng)點(diǎn)焊槍的加壓控制系統(tǒng)，在焊接過程中根據(jù)機(jī)器人內(nèi)部設(shè)定與反饋的焊接參數(shù)的不同，機(jī)器人控制單元向比例閥加壓控制單元輸出一個(gè)壓力輸出信號(hào)，并根據(jù)設(shè)定的具體壓力數(shù)值控制比例閥的開度。加壓壓力控制單元主要由氣動(dòng)比例閥和換向閥組成，根據(jù)輸入不同大小的壓力信號(hào)成比例地向加壓氣缸提供相應(yīng)壓力大小的壓縮空氣。加壓氣缸有一定壓力后通過活塞連桿帶動(dòng)焊槍電極上下移動(dòng)，對(duì)需要焊接的板件施加設(shè)定的壓力。

氣動(dòng)焊接控制柜和機(jī)器人控制裝置，使用DeviceNet I/O通信，進(jìn)行焊接使能信號(hào)、焊接完成信號(hào)、焊接故障異常信號(hào)等的收發(fā)。如圖4所示。

圖4 機(jī)器人與焊機(jī)連接圖

焊槍加壓與電流需要焊接控制器發(fā)出焊接開始信號(hào)，在加壓完成之后PLC會(huì)反饋給焊接控制柜，此時(shí)焊接控制柜會(huì)發(fā)出焊接指令，讓接觸器吸合，電流通過變壓器進(jìn)行放大之后傳到接觸好的工件產(chǎn)生熱量使兩層板件被焊接在一起。

1.3 伺服焊槍焊接控制過程

7.D 提示:0.98gCu(OH)2的物質(zhì)的量為0.01 mol,若全部生成CuO,則質(zhì)量為0.01mol×80g·mol-1=0.80g,所以a點(diǎn)對(duì)應(yīng)的物質(zhì)是CuO;若全部生成Cu2O,則質(zhì)量為0.005mol×144g·mol-1=0.72g,所以b點(diǎn)對(duì)應(yīng)的物質(zhì)是Cu2O,A項(xiàng)錯(cuò)誤。根據(jù)化學(xué)方程式可知,生成水的物質(zhì)的量為0.01mol,質(zhì)量為0.01mol×18g·mol-1=0.18g,B項(xiàng)錯(cuò)誤。CuO和其中所含Cu元素的質(zhì)量關(guān)系(以CuO的質(zhì)量為10g計(jì)算)為:

伺服焊槍的焊接過程可以分為漸進(jìn)、加壓、通電、保持、焊接完成五個(gè)階段。

（1）漸進(jìn)階段伺服控制單元將電極速度、運(yùn)動(dòng)大小通過編碼器傳給伺服電機(jī)，然后焊槍開始根據(jù)脈沖量進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，上電極臂剛開始以較快的漸進(jìn)速度往下工件分析運(yùn)動(dòng)，在快接近工件時(shí)，脈沖量發(fā)生變化，此時(shí)電極將降為較低的前進(jìn)速度運(yùn)動(dòng)。

（2）加壓階段安裝在機(jī)器人六軸手臂上的伺服焊槍，能夠?qū)崿F(xiàn)和機(jī)器人的有效集成，電機(jī)軸可成為連接在機(jī)器人伺服放大器上的第七軸，通過齒輪齒條等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制著上電極臂（動(dòng)臂）往靜臂的運(yùn)動(dòng)，動(dòng)靜臂的對(duì)中良好，在與工件接觸時(shí)，根據(jù)編寫好的有效程序指令控制焊槍的運(yùn)動(dòng)軌跡，焊機(jī)控制柜通過以太網(wǎng)將焊接壓力參數(shù)信號(hào)傳給機(jī)器人控制柜，使焊槍在合理電極壓力下保持良好的接觸。

（3）通電焊接階段當(dāng)動(dòng)靜臂與工件完美的接觸并達(dá)到焊機(jī)設(shè)定的壓力參數(shù)后，焊接控制柜通電接通進(jìn)行焊接。在焊接初期，電極接觸部分的板件受熱膨脹，產(chǎn)生熱膨脹力，伺服焊槍通過伺服電機(jī)對(duì)電極力進(jìn)行精確控制，焊接保持后期，受熱區(qū)逐漸冷卻電極受力減小，電極下移，使受熱區(qū)能夠較好的結(jié)晶。

（4）保持與結(jié)束階段在焊接開始后，焊接控制柜會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)定的焊接時(shí)間計(jì)算焊接時(shí)序，會(huì)根據(jù)設(shè)定值給反饋一個(gè)保持時(shí)間的信號(hào)。焊接結(jié)束后，焊機(jī)會(huì)給機(jī)器人控制柜發(fā)送焊接完成信號(hào)，最后結(jié)束焊接過程。如圖5所示。

圖5 伺服槍控制圖

2 氣動(dòng)槍與伺服槍優(yōu)劣分析

2.1 安裝方面

氣動(dòng)槍需要連接水單元和氣單元，而伺服槍只需安裝進(jìn)出水單元。伺服槍在安裝管線包時(shí)要加入伺服放大器到伺服電機(jī)端的電源線與編碼線，氣動(dòng)焊槍只需直接連接變壓器、氣缸。由于伺服焊槍相當(dāng)于添加的機(jī)器人外部軸，需要用到而外的伺服放大器（六軸之外），因此安裝時(shí)需要考慮接入線路的可靠性與有效性，氣動(dòng)槍安裝時(shí)則不用考慮和機(jī)器人控制柜的通信。

2.2 焊接加壓階段

氣動(dòng)槍加壓漸進(jìn)階段，是由比例閥氣壓量來決定，無法具體的控制加壓的速度。而伺服焊槍通過機(jī)器人伺服系統(tǒng)有效地控制焊槍的加減速，實(shí)現(xiàn)與工件的良好接觸，減小焊槍閉合過程對(duì)電極頭與工件的損傷，延長電極頭使用時(shí)間，節(jié)約成本。下圖為氣動(dòng)槍和伺服槍的預(yù)壓速度分析圖，從圖6、7中可以看出，氣動(dòng)槍的閉合速度較快難以控制，容易對(duì)板件產(chǎn)生較大損壞，而伺服槍有良好的速度變化過程，對(duì)電極頭損傷較小。

圖6 伺服焊槍漸進(jìn)速度

圖7 氣動(dòng)焊槍漸進(jìn)速度

兩種焊槍在焊接相同狀態(tài)的工件時(shí)，在加壓階段接近工件的行程方式也有很大的不同，伺服槍有編碼器的存在，能夠靈活的檢測(cè)被焊工件在動(dòng)靜臂之間的位置，并且進(jìn)行合理的調(diào)整。而氣動(dòng)槍的行程確定則是由大開小開行程開關(guān)決定的，在過程中是不可更改的。

2.3 壓緊階段

在加壓完成之后電極剛接觸工件產(chǎn)生壓力的瞬間，都會(huì)不可避免的對(duì)工件產(chǎn)生作用力，兩種焊槍的電極力比較如圖8所示。從圖中可以看出，由于氣動(dòng)焊槍的加壓過程是不可控的，在接近工件的時(shí)候依然保持較大的速度，對(duì)工件的沖擊力較大，嚴(yán)重縮短了電極使用壽命。而伺服焊槍是在編碼器高精度下控制其加壓過程，有很好的加減速控制，在接近工件時(shí)速度較小，對(duì)板件沖擊力不大，大大提高了使用壽命。

圖8 兩種焊槍接觸電極力大小

2.4 電極磨損補(bǔ)償特性

電極頭磨損量補(bǔ)償是這樣一種功能，它相對(duì)基于焊接和電極頭修磨等伺服焊槍的電極頭的磨損，在執(zhí)行點(diǎn)焊指令和加壓指令時(shí)進(jìn)行電極頭前端位置的補(bǔ)償，該功能是伺服焊槍的特有功能。電極磨損量對(duì)焊接質(zhì)量有很大的影響，電極帽使用過多后，端面的錐度會(huì)減小，此時(shí)進(jìn)行焊接時(shí)流過端面的電流會(huì)比較分散，使得接觸位置變大，受熱不均勻，會(huì)出現(xiàn)邊緣焊、脫焊等問題，因此快速的監(jiān)測(cè)與補(bǔ)償電極磨損量是極為重要的。通過試驗(yàn)分析，在焊接普通的鋼板時(shí)，伺服槍磨損率為0.5 mm/500點(diǎn)上下，當(dāng)焊接達(dá)到預(yù)設(shè)好的點(diǎn)數(shù)之后，動(dòng)靜臂會(huì)閉合，編碼器將計(jì)算出的當(dāng)前中心位置和最初的值進(jìn)行比較，得出差值之后進(jìn)行軸向補(bǔ)償，以減小換新電極頭前對(duì)焊接質(zhì)量造成的影響[3]。

2.5 其他比較

對(duì)于焊接質(zhì)量的控制，氣動(dòng)焊槍只能通過改變氣壓大小、電流大小來控制，這種方式在很多時(shí)候效果不大理想且更改較為麻煩。伺服焊槍則是通過伺服電機(jī)電流的調(diào)整改變電機(jī)扭矩和電極壓力，只需調(diào)整電極壓力便可以有效地控制焊接質(zhì)量，比起氣動(dòng)焊槍來更加的有效和快捷。

伺服焊槍還有重力補(bǔ)償功能與溫度補(bǔ)償功能。重力補(bǔ)償功能：根據(jù)焊接姿勢(shì)，伺服焊槍的電極頭前端和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)會(huì)受到焊槍可動(dòng)部重力的影響，因而實(shí)際壓力會(huì)相對(duì)所期望的壓力而發(fā)生變動(dòng)。點(diǎn)焊中，壓力的變動(dòng)會(huì)導(dǎo)致焊接剝落和飛濺，對(duì)焊接質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。重力補(bǔ)償功能可根據(jù)焊接姿勢(shì)來抑制因焊槍可動(dòng)部的重力造成的壓力變動(dòng)，可以使得與焊接質(zhì)量相關(guān)的實(shí)際壓力靠近壓力指令值。C鉗和X鉗可使用重力補(bǔ)償功能。

溫度補(bǔ)償功能，可以減緩因伺服焊槍驅(qū)動(dòng)用電機(jī)的溫度變化而引起的壓力變動(dòng)。

3 結(jié)束語

通過本文的分析可以看出，伺服焊槍在很多方面，如：預(yù)壓壓力的控制、前進(jìn)速度的控制、焊接時(shí)間的控制等方面都是優(yōu)于氣動(dòng)焊槍的。在企業(yè)核心競(jìng)爭力中，質(zhì)量是關(guān)鍵因素。因此，為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量，使用伺服焊槍來進(jìn)行點(diǎn)焊，而不是全部使用氣動(dòng)焊槍，是提高產(chǎn)品質(zhì)量及企業(yè)競(jìng)爭力的重要措施。

[1]張旭強(qiáng)，陳關(guān)龍.電阻點(diǎn)焊的伺服焊槍技術(shù)特性分析[J].焊接學(xué)報(bào)，2005（6）：60-64.

[2]劉躍敏，韓建海，趙書尙.點(diǎn)焊機(jī)器人焊槍加壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．煤礦機(jī)械，2009（2）：38-39.

[3]謝誠侃．淺談氣動(dòng)焊槍與伺服焊槍在實(shí)際使用及維護(hù)中的優(yōu)卻劣比較[J]．中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2013，33（1）：1-6.

Analysis of Popularity of Spot Welding Machine and Servo Gun

WEI Zi-jian，YANG Ben-zhou，NI Bing-lin，WEN Liu-chuan，ZHAO Ji-tai
（Liuzhou Wuling Motors Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545007，China）

In automatic welding line，the spot welding robot use can be divided into pneumatic welding torch and servo gun，two kinds of welding torch each have advantages and disadvantages in the use and maintenance.Due to the different structure has a very big difference in the maintenance and control，affect the utilization rate of equipment.Understand the principle and the difference of two kinds of welding equipment，is the key to analysis，solve the welding problem.

resistance welding；the servo gun；pneumatic welding torch

TG43

A

1672-545X（2016）11-0170-04

2016-08-12

韋子堅(jiān)（1974-），男，廣西人，工程師，本科，研究方向?yàn)樵O(shè)備技術(shù)及維修。