伺服焊槍技術(shù)在汽車車身制造中的應(yīng)用研究

    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、機(jī)器人和焊接控制器的點(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。

圖1 伺服焊槍結(jié)構(gòu)示意圖

    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。盡管近年來各國學(xué)者相繼提出了許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。
    由于伺服焊槍是由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以對(duì)焊接過程進(jìn)行精確控制，同時(shí)，伺服焊槍利用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)加壓軸，因而可以協(xié)調(diào)控制好焊槍的移動(dòng)軸， 實(shí)現(xiàn)有效的焊點(diǎn)間移動(dòng)，以前氣動(dòng)焊槍無法實(shí)現(xiàn)的焊接位置現(xiàn)都可以由伺服焊槍來實(shí)現(xiàn)。

圖2 氣動(dòng)焊機(jī)與伺服焊槍電極接觸時(shí)力的變化曲線

圖3 氣動(dòng)焊機(jī)和伺服焊槍的預(yù)壓時(shí)間對(duì)比

    精確控制電極運(yùn)動(dòng)速率：氣動(dòng)焊槍的電極運(yùn)動(dòng)靠氣缸來控制，這使電極運(yùn)動(dòng)速率很難精確控制，電極運(yùn)動(dòng)的高速率，會(huì)造成電極與工件接觸時(shí)的沖擊很大，致使電極力會(huì)發(fā)生短時(shí)間的振蕩，從而影響電極壽命。而對(duì)于伺服焊槍，電極的運(yùn)動(dòng)由伺服電機(jī)控制，能夠很好地控制電極運(yùn)動(dòng)速率，使電極與工件接觸時(shí)的沖擊很小，從而提高電極壽命。如圖2所示，在電極力達(dá)到穩(wěn)定之前，伺服焊槍在電極接觸過程中電極力沒有明顯的振蕩現(xiàn)象，電極運(yùn)動(dòng)得到了很好的控制。
    提高點(diǎn)焊生產(chǎn)率：圖3顯示了氣動(dòng)焊機(jī)和伺服焊槍在焊接過程中電極力的變化，假定達(dá)到設(shè)定預(yù)壓力，電極力將保持恒定。從中可以看出，氣動(dòng)焊機(jī)的預(yù)壓時(shí)間大約為30個(gè)周波（0.6秒），而伺服焊槍則只用了8個(gè)周波（0.16秒）預(yù)壓時(shí)間就達(dá)到了設(shè)定壓力。對(duì)比來看，伺服焊槍完成一個(gè)焊點(diǎn)所用的焊接時(shí)間為43個(gè)周波（0.86秒），氣動(dòng)焊機(jī)則需65個(gè)周波(1.3秒)。也就是說，用伺服焊槍完成一個(gè)焊點(diǎn)要節(jié)省0.44秒的焊接時(shí)間。相對(duì)于一臺(tái)轎車的幾千個(gè)焊點(diǎn)，每個(gè)焊點(diǎn)節(jié)省0.44秒的焊接時(shí)間對(duì)裝配過程生產(chǎn)率的提高就非常重要，轎車車身裝配線的生產(chǎn)能力就可以大大提高。另外，可編程電極行程和速度也可以縮短同一工位上多個(gè)焊點(diǎn)的預(yù)壓持續(xù)時(shí)間，這也可以提高焊接生產(chǎn)率。
    可獲得鍛壓力：焊接過程的可控性要?dú)w功于伺服電機(jī)和它的控制技術(shù)。由于可以容易地改變電極壓力，焊接過程中鍛壓力的獲得就變得可能。
    可獲得電極力和電極位移：伺服電機(jī)轉(zhuǎn)矩和速度作為電機(jī)控制器的輸出量，其變化量可以容易地轉(zhuǎn)變?yōu)殡姌O力和電極位置的變化，并且使電極力和電極位移信號(hào)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)控變得可行，電極位置、在線失效探測和電極補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確測量也就比氣動(dòng)焊機(jī)更容易。
    伺服電機(jī)技術(shù)給點(diǎn)焊機(jī)和焊接過程帶來新的技術(shù)特性，主要是由伺服電機(jī)和相應(yīng)控制技術(shù)的固有特性所決定。伺服焊槍和常規(guī)的氣動(dòng)焊槍之間的主要差別在于它們的輸入量和相應(yīng)的控制模型，對(duì)于氣動(dòng)焊機(jī)是恒定氣壓，而對(duì)于伺服焊槍則是恒定轉(zhuǎn)矩。從控制的觀點(diǎn)來看：氣動(dòng)焊機(jī)是開環(huán)控制，伺服焊槍則是具有反饋的閉環(huán)控制。相應(yīng)地，伺服焊槍電極的運(yùn)動(dòng)和力就可以得到更加精確的控制。這些新的技術(shù)特點(diǎn)和功能可以使焊接過程更易控制，焊機(jī)更易操作，并可提高焊點(diǎn)質(zhì)量。
    綜上所述，和氣動(dòng)焊槍相比，伺服焊槍的優(yōu)勢是顯而易見的。首先，伺服焊槍能夠提高焊接過程的生產(chǎn)率；其次，由于焊接過程參數(shù)，例如電極力和電極位移可從伺服電機(jī)中獲得，伺服焊槍為過程監(jiān)控、診斷和補(bǔ)償提供了新的可能；第三，伺服焊槍可以得到焊接過程中所需的鍛壓力，從而可以提高焊點(diǎn)質(zhì)量；第四，由于電極運(yùn)動(dòng)的可控性，電極與工件接觸時(shí)沖擊小，噪聲低，有助于改善工作環(huán)境，提高電極壽命。利用伺服焊槍及其控制特性可以穩(wěn)定點(diǎn)焊規(guī)范參數(shù)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊故障的在線檢測。因此，伺服焊槍的特征和優(yōu)點(diǎn)決定伺服焊槍能極好替代現(xiàn)有點(diǎn)焊機(jī)。

圖4 包括伺服焊槍、機(jī)器人和焊接控制器的點(diǎn)焊試驗(yàn)系統(tǒng)

圖5 機(jī)器人控制器和焊接控制器的集成

伺服焊槍點(diǎn)焊試驗(yàn)系統(tǒng)
    伺服焊槍點(diǎn)焊試驗(yàn)系統(tǒng)主要由伺服焊槍、焊接機(jī)器人、機(jī)器人控制器和焊接控制器四部分組成（如圖4）。通過系統(tǒng)集成（如圖5）實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)傳輸，完成程序初始化，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制器對(duì)伺服焊槍電極運(yùn)動(dòng)的精確控制。系統(tǒng)采用Fanuc機(jī)器人、Obara公司的伺服焊槍和焊接控制器。機(jī)器人與機(jī)器人控制器之間通過Fanuc公司專用電纜連接，包括機(jī)器人六軸伺服電源線、信號(hào)線、焊槍軸伺服電源線、信號(hào)線、Device Net電源線、信號(hào)線以及接地線。機(jī)器人控制器和焊接控制器之間通過Fanuc公司提供的Process I/O板連接，在焊接過程中傳遞焊接信號(hào)，包括四線的程序選通信號(hào)、焊接允許信號(hào)、焊接完畢接收信號(hào)、焊接控制器和機(jī)器人通過變壓器電源線和溫控反饋線路連接等。
    傳輸焊接信號(hào)的詳細(xì)配置方案如下：利用端子臺(tái)的SDO21~SDO24口作為焊接程序片選信號(hào)GO[1]，將其分別連接到四路電磁繼電器的電源輸入端的負(fù)極，而繼電器輸入端的正極連接到公共端+24E，電磁繼電器的輸出常開觸點(diǎn)連接到焊接控制器焊接程序片選信號(hào)輸入端；端子臺(tái)的SDO25為焊接允許信號(hào)DI[5]，將它和+24E分別連接到電磁繼電器輸入的負(fù)極和正極，繼電器輸出常開觸點(diǎn)連接到焊接控制器焊接允許信號(hào)輸入端; 端子臺(tái)SDI23為焊接完畢信號(hào)，將它和+24E直接連接到焊接控制器焊接完畢信號(hào)輸出端。
試驗(yàn)系統(tǒng)程序初始化
    試驗(yàn)系統(tǒng)集成后，需要對(duì)伺服焊槍軸的控制參數(shù)進(jìn)行配置，采用機(jī)器人控制器TP來實(shí)現(xiàn)，試驗(yàn)系統(tǒng)程序初始化流程如圖6所示。伺服焊槍作為機(jī)器人的第七軸，由機(jī)器人控制器中專門的伺服單元控制，為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的點(diǎn)焊過程，需要進(jìn)行一系列的初始化設(shè)置：包括第七軸的零點(diǎn)復(fù)歸，上下限位設(shè)置，Autotune測試焊槍機(jī)械機(jī)構(gòu)性能，伺服焊槍general設(shè)置等，關(guān)鍵設(shè)置步驟如下：

圖6 系統(tǒng)程序初始化流程圖

1) 零點(diǎn)復(fù)歸：采用單軸Mastering，將上電極移動(dòng)到下電極位置，反復(fù)測量執(zhí)行完畢后返回上級(jí)菜單，零點(diǎn)復(fù)歸執(zhí)行完畢。
2) 上下限位設(shè)置，選擇F1（Type）—Axis Limits選項(xiàng)，確定焊槍軸的下限位，通常設(shè)成2~5mm，以防下落距離太長致使撞壞電極桿，設(shè)置上限位時(shí)，將上電極移動(dòng)到上極限位置，按下Position鍵，觀察此時(shí)上電極的位置，選擇小于該值的數(shù)值作為上限位值，設(shè)置完畢，重新啟動(dòng)機(jī)器。
3) Autotune焊槍性能測試，按Menu—Utilities—F1（Type）—Autotune選項(xiàng)，進(jìn)入操作界面，按照提示逐步進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置完畢后將開關(guān)調(diào)到T2模式下，在Select菜單下選擇Autotune程序，自動(dòng)運(yùn)行該程序完成性能測試。
4) 伺服焊槍general設(shè)置，在menu—setup—Servo Gun菜單下，選擇general setup，進(jìn)Detail進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置每一個(gè)選項(xiàng)，其中：必須正確設(shè)置Pressure Cal選項(xiàng)，如不進(jìn)行此項(xiàng)設(shè)置，則無法進(jìn)行焊槍加壓操作。具體設(shè)置方法如下，進(jìn)入Detail，選擇加壓時(shí)間，測試壓力表的厚度，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩（以額定轉(zhuǎn)矩的百分比設(shè)置），電極下落，用壓力表測試電極壓力，記錄下各個(gè)轉(zhuǎn)矩所對(duì)應(yīng)的壓力值，按照同樣的方式，測試盡可能多的組數(shù)，記錄完畢，按照提示完成該選項(xiàng)設(shè)置，系統(tǒng)會(huì)顯示操作完成。

圖7 壓力參數(shù)配置表

圖8 伺服焊槍點(diǎn)焊編程操作的5個(gè)階段

圖9 電極壓加持間間參數(shù)設(shè)置

伺服焊槍點(diǎn)焊編程實(shí)現(xiàn)
    伺服焊槍試驗(yàn)系統(tǒng)通過機(jī)器人TP控制軟件程序?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)焊基本操作。利用process I/O板連接機(jī)器人控制器和焊接控制器，完成點(diǎn)焊過程和焊接規(guī)范參數(shù)的選取。點(diǎn)焊編程指令為Spot[P=m, S=n, BU=i]，主要工作是設(shè)置這三項(xiàng)參數(shù)，其中：P為壓力參數(shù)，決定點(diǎn)焊整個(gè)過程的壓力曲線；S為焊接程序號(hào)，決定I/O口輸出值，選通焊接控制器中某個(gè)焊接程序，實(shí)現(xiàn)焊接電流和時(shí)間的選��；BU為打開焊槍參數(shù)，決定焊槍在焊接完畢后的打開量，必須正確設(shè)置這三個(gè)選項(xiàng)才能實(shí)現(xiàn)正常的點(diǎn)焊編程操作。具體設(shè)置步驟如下：
（1） P設(shè)置：在DATA—F1（Type）—Pressure菜單下，選中點(diǎn)焊過程所需的電極壓力值，進(jìn)入具體界面設(shè)置（如圖7），在此設(shè)置電極壓力、工件厚度、電極壓入工件深度、焊槍浮動(dòng)補(bǔ)償、焊接指令延時(shí)等。在Auto Route下，設(shè)置焊接過程中電極的接近位置、開始加壓位置、壓力位置、加壓結(jié)束位置等（如圖8）。在pressure profile下，設(shè)置焊接預(yù)壓力和預(yù)壓時(shí)間、焊接通電過程中的壓力和時(shí)間、焊后保持壓力和時(shí)間（如圖9）。
（2） S設(shè)置：焊接程序選擇設(shè)置，S為選通的某個(gè)焊接程序號(hào)。具體操作為焊接過程中，機(jī)器人控制器發(fā)出的焊接程序號(hào)存放在weld schedule寄存器中，該寄存器通過I/O口設(shè)置為Group1的輸出，Group1輸出綁定了4個(gè)I/O通道為一組，通過電磁繼電器對(duì)應(yīng)于焊接控制器中4個(gè)程序選通開關(guān)，選通預(yù)定焊接程序。
（3） BU設(shè)置：打開焊槍號(hào)設(shè)置，在Data—BackUp菜單下為不同的打開焊槍號(hào)設(shè)置不同的打開幅度。