阻焊過程中力的測量

隨著動態(tài)電極力測量技術(shù)的發(fā)展，通過定期檢測點焊機(jī)器人和在線測量監(jiān)測點焊過程，來消除次品和節(jié)省成本變得越來越普及。奇石樂公司生產(chǎn)的變送器可對阻焊過程中的力進(jìn)行有效監(jiān)控，并且在眾多汽車制造企業(yè)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。

隨著競爭的不斷加劇，汽車制造企業(yè)不得不在阻焊中尋求更短的循環(huán)時間，以及更可靠的能夠用特定工藝參數(shù)來表現(xiàn)的焊接操作。無論是氣動還是電動電極，夾緊力都是一個重要的參數(shù)，因此為了得到更加可靠的產(chǎn)品，人們必須關(guān)注整個點焊過程精確的電極夾緊力。

對于現(xiàn)代機(jī)器人控制系統(tǒng)中作為第七軸由伺服電機(jī)驅(qū)動的電極夾，在線（on-line）電極力的測量不僅用于監(jiān)測，而且用于控制。阻焊中如果不能及時監(jiān)控電極夾緊力，將導(dǎo)致生產(chǎn)浪費或次品增加。為彌補此缺陷，通常人們要進(jìn)行不定期的檢查。隨著動態(tài)電極力測量技術(shù)的發(fā)展，通過定期檢測點焊機(jī)器人和在線測量監(jiān)測點焊過程，來消除次品和節(jié)省成本變得越來越普及，尤其是在電極夾的電驅(qū)動系統(tǒng)中。焊接機(jī)器人力測量系統(tǒng)如圖1所示。

圖1  焊接機(jī)器人力測量系統(tǒng)舉例

過程參數(shù)

焊接過程中重要的參數(shù)是時間、電流和焊接力。為優(yōu)化點焊效果，在電流打開時達(dá)到要求的焊接力被理解成電極夾緊力。如果電流開啟過早，如在力值達(dá)到其最優(yōu)值的 90%之前開啟，則焊濺（Welding Spatter）和電極磨損（Electrode Wear）就可能產(chǎn)生；另一方面，電流必須盡早開啟以使循環(huán)時間減少。

通過經(jīng)驗可以得知，電焊力每次都不同，主要原因是電極磨損導(dǎo)致電極夾緊力逐漸減少。過大的偏差可能由多種原因引起，如板材進(jìn)給不正確、厚度不對、變形以及部件相互放置不齊等。

直接或間接（Indirect）測力非常適合于監(jiān)測，也可用于控制和調(diào)節(jié)電焊力，具體方式為：

1、通過用一個力傳感器或一個裝有力傳感器的實驗臺進(jìn)行定期的直接測量（離線）。

2、焊接時，間接在線測量焊接力，如將應(yīng)變傳感器裝于機(jī)架或電極適配器上。

3、點焊時，直接在線測量焊接力，如將傳感器裝在機(jī)構(gòu)上或裝在驅(qū)動馬達(dá)上。

離線監(jiān)控

1、定期標(biāo)定

焊接機(jī)器人或機(jī)器上的焊接力可以定期標(biāo)定、數(shù)據(jù)存檔，奇石樂公司（KISTLER）生產(chǎn)的9831A/B電焊力標(biāo)定變送器可用于該用途。與點焊力監(jiān)控器 5825A2一同使用，9831A/B 可以記錄電流開啟時的力值和點焊時的其他特征值（如圖2所示），并可直接檢驗夾緊力在電流開啟時是否達(dá)到理想水平（通常為最大力值的90%）。這里最重要的是使被測力的電極間隙盡可能�。ㄈ鐚嶋H電焊時一樣）。在這方面，9831A/B具有極大的優(yōu)越性，該傳感器可測到最小間隙為3.5mm的電極力。

圖2  帶5825A電焊監(jiān)控器的焊接力標(biāo)定變送器9831A/B

變送器由兩個鋼片中夾一個傳感器構(gòu)成。電極適配器可用于對不同型號的電極作用力作用進(jìn)行優(yōu)化。

2、定期監(jiān)控

另外一種可能是在生產(chǎn)過程中定期監(jiān)控點焊力。為此，可以將奇石樂公司9833A變送器裝在一個固定測試位置（如焊接頭的加工臺上）。在車身制造時，通常 400～500 個點焊后，電極需要打磨，這時需要中斷生產(chǎn)，同時檢查電極夾。在碾磨臺電極電流和電極力得到了檢測（如圖3所示）。聯(lián)到帶過程參數(shù)的系統(tǒng)，通過測量點焊力，以下的過程參數(shù)都可得到核實：

□ 在給定公差內(nèi)（如10%）比較最大電極力和目標(biāo)電極力；

□ 在大于目標(biāo)電極力的90%時的開啟電流；

□ 電極夾的“咔嗒”（chatter）行為；

□用控制系統(tǒng)內(nèi)的值比較力—時間曲線；

□ 空氣壓力是否正常。

圖3  用于BMW 的9833A 集成于機(jī)器臺面上的焊接力變送器

在線監(jiān)控

在線監(jiān)控能夠在焊接過程中直接得出結(jié)論，比如一個伺服系統(tǒng)電極夾力的特性曲線，且可用于過程控制（如調(diào)整電極力和電極位置）。一般來說，將傳感器裝在電極或電極支架上是不可能的，并會干涉到電焊過程。所以，為實現(xiàn)在線檢測的目的，傳感器安裝于機(jī)器的承載機(jī)構(gòu)上。對于電極夾，傳感器裝在電極夾支架或直接在驅(qū)動機(jī)構(gòu)上。

1、阻焊機(jī)上力的監(jiān)控

焊接力的間接測量特別適合于C型結(jié)構(gòu)的焊機(jī)，焊接力機(jī)器結(jié)構(gòu)或電極夾上會產(chǎn)生微小但極易測量的應(yīng)變，奇石樂高靈敏度應(yīng)變傳感器 9232A、應(yīng)變變送器 9234A等可以用于該用途。應(yīng)變傳感器用M6的螺釘固定在機(jī)構(gòu)上，安裝只需一個精整的小平面即可，位置在應(yīng)變大（越遠(yuǎn)越好）且和焊接力線性相關(guān)的部位。圖4(a)為C形機(jī)架上的 9232A（位置2 和3）安裝的傳感器，為了對比，在電極上也安裝了該設(shè)備（位置1）。圖4(b)顯示出兩個傳感器（1和2）測出的電極力原始信號比較。由于安裝位置的不同，應(yīng)變傳感器顯示出對焊接力不同的靈敏度，傳感器1（直接安裝在電極上）明顯比傳感器2（在機(jī)體上）更加靈敏。此外，兩個應(yīng)變信號為反相，傳感器1是拉伸應(yīng)變，傳感器2為壓縮應(yīng)變。不過，焊接力（焊接過程）可以非常好地用應(yīng)變傳感器來表現(xiàn)。

圖4  阻焊機(jī)上安裝的應(yīng)變傳感器及其測量結(jié)果

2、機(jī)器人焊夾上力的測量

上述介紹的用于間接測力的應(yīng)變傳感器、變送器，和內(nèi)置于驅(qū)動機(jī)構(gòu)或驅(qū)動馬達(dá)上的直接測力傳感器一樣，也可用于機(jī)器人焊夾上力的測量。以一個氣動C型夾為例，進(jìn)行比較測量：一個是電極上的應(yīng)變，一個是活塞桿上的力傳感器，在一個在線焊接力的監(jiān)控中，應(yīng)變信號和直接測力的信號顯示出了非常好的一致性。由于電極上的傳感器在生產(chǎn)環(huán)境下不能進(jìn)行充分有效的保護(hù)，所以在實際解決方案中傳感器內(nèi)置在活塞桿上。圖5（左）顯示了一臺現(xiàn)代伺服焊夾裝有9234A應(yīng)變變送器內(nèi)置于一個集成電器內(nèi)，集成電器回路有一個可調(diào)的放大器，允許傳感器優(yōu)化調(diào)節(jié)焊接力和焊接過程。應(yīng)用應(yīng)變傳感器或應(yīng)變變送器的優(yōu)點是簡化安裝，特別體現(xiàn)在對已有的焊機(jī)或焊夾進(jìn)行整修和改造中。圖5（右）顯示了一個力的變送器內(nèi)置于一個球軸承的直接測力（作為伺服電夾的典型應(yīng)用）。這種形式的直接測力用于監(jiān)控或用于電焊機(jī)伺服電夾定常力的校準(zhǔn)，還可用于優(yōu)化實際電焊過程的時間和用于焊接連接件的調(diào)整。帶電驅(qū)動電夾及力傳感器的機(jī)器人如圖6所示。

圖5  在伺服電動焊夾上裝有應(yīng)變傳感器（左）；在伺服電動焊夾的球軸承上裝有力傳感器（右）

3、內(nèi)置于驅(qū)動馬達(dá)中的力傳感器

對于電驅(qū)動焊接夾理想的解決方案是，直接內(nèi)置一個力傳感器于驅(qū)動馬達(dá)內(nèi)。圖7給出了一個內(nèi)置力傳感器測量軸向力Fz的線性馬達(dá)，F(xiàn)z同焊接力成比例關(guān)系。這種測量已被研發(fā)并且成功通過了在工具定子上的測試。

結(jié)語

綜上所述，文中提供的在線、離線標(biāo)定和監(jiān)測系統(tǒng)對所有阻焊過程均能給出可靠的信號。同時，這些傳感器具有極高的響應(yīng)速度，可提供精確的焊接力曲線記錄，哪怕是在最短的循環(huán)時間內(nèi)。此外，由于其自然特性（石英壓電傳感器），不會受到電磁場影響，產(chǎn)生的信號可靠、清晰、易于處理。奇石樂石英壓電傳感器還具有極高的過載量，堅固耐用，且使用壽命極長，因此特別適合于長期監(jiān)測。