中频点焊及伺服焊枪控制技术

1、ABB Chongqing Seminar7/4/2022 王华东王华东ABB新技术交流会新技术交流会重庆重庆 2008.09中频点焊及伺服焊枪中频点焊及伺服焊枪控制技术控制技术 ABB Robotics - 2 点焊在汽车生产中的应用点焊在汽车生产中的应用 发动机 变速箱 车桥 车架 车身车身 车厢汽车的六大总成都离不开焊接技术的应用：汽车的六大总成都离不开焊接技术的应用： 在上述六大总成的各种焊接方法投资费用中，点焊约占在上述六大总成的各种焊接方法投资费用中，点焊约占75，其他焊接方法只占，其他焊接方法只占25。其中车身作为点焊应用最重要的总成件，点焊设备更是占其中车身作为点焊应用最重要的

2、总成件，点焊设备更是占其全部电阻焊设备的其全部电阻焊设备的90以上。以上。 ABB Robotics - 3 全球经济对汽车设计及制造提出了新的要求全球经济对汽车设计及制造提出了新的要求一项研究数据表明：一项研究数据表明： 燃油消耗的燃油消耗的50%是由汽车的重量引起，当整车质量减轻是由汽车的重量引起，当整车质量减轻10%，汽车的，汽车的燃油经济性可提高燃油经济性可提高3.8%，CO2排放量减少排放量减少4.5%。车身的轻量化技术是现代汽车技术发展的一大主流。车身的轻量化技术是现代汽车技术发展的一大主流。另一项研究项目表明：使用轻质高强材料可以将车身减重另一项研究项目表明：使用轻质高强材料可以

3、将车身减重25% 。目前。目前，高强钢的使用约占车身总用钢量的，高强钢的使用约占车身总用钢量的30%左右，而这个比例还将进一左右，而这个比例还将进一步扩大。步扩大。新型高强度材料的应用虽然降低了汽车自重，但是也给连接技术及质新型高强度材料的应用虽然降低了汽车自重，但是也给连接技术及质量控制技术带来了一系列问题。而量控制技术带来了一系列问题。而新型的伺服焊枪和中频逆变新型的伺服焊枪和中频逆变直流控制器能够很好的解决这个问题。直流控制器能够很好的解决这个问题。 伴随全球环境和能源危机的日益加剧，新一代汽车设计及伴随全球环境和能源危机的日益加剧，新一代汽车设计及制造面临的重要问题是：节能减排制造面临

4、的重要问题是：节能减排 ABB Robotics - 4 Challenge by New Materials新材料的挑战 Zinc-coated steel涂锌钢板 Aluminium铝合金 High-strength steel高强度钢板 Copper and steel铜和钢 3 - 4 sheets多层焊 Projections on sheet 凸焊. how can they be welded?怎样才能完美地焊接？ ABB Robotics - 5 Challenge by New Materials新材料的挑战High energy input 高能量输入Parameters

5、within small tolerance band 小的参数公差Electrode wear 电极磨损要求？要求？Current source with 电流源Higher power 更高的能量Exact adjustment of parameters 精确的参数调整Dynamical regulation 可以动态调整Decrease thermal and mechanical stress of electrodes 减少电极的热量和机械压力解决之道:Servo & Medium Frequency 伺服中频 ABB Robotics - 6 Other variant driv

6、ing forces其他不同的驱动因素其他不同的驱动因素Layout, cycle time and production output平面布置，生产节拍和产量平面布置，生产节拍和产量要求：机器人小型化，焊钳轻量化，焊接节拍及效率提高要求：机器人小型化，焊钳轻量化，焊接节拍及效率提高解决途径：伺服中频焊钳的使用解决途径：伺服中频焊钳的使用 ABB Robotics - 7 伺服焊接及中频逆变控制技术的市场占有伺服焊接及中频逆变控制技术的市场占有在欧洲，中频点焊机器人使用量早已超过在欧洲，中频点焊机器人使用量早已超过40%，而在中国，而在中国，这个比例也在逐年稳步提高。这个比例也在逐年稳步提高。

7、从从ABB的业务市场可以看到，截至目前，中频逆变控制技的业务市场可以看到，截至目前，中频逆变控制技术占机器人点焊总使用量术占机器人点焊总使用量33，伺服焊接技术占，伺服焊接技术占34左右左右 ABB Robotics - 8 Spot Welding application Process demand点焊应用点焊应用-工艺要求工艺要求 Type of sheet 板材类型板材类型 Number of sheets 板层数板层数 Process need 工艺要求工艺要求 Force 压力压力 Current 电流电流 Duty cycle 负载负载 Welding technique 焊接方

8、法焊接方法Why variants within offer? 同一个订单多种焊钳同一个订单多种焊钳 AC welding MFDC welding ABB Robotics - 9 Solution for 应用于： Galvanized sheets 镀锌板 High-strength steel高强度钢板 Aluminium 铝合金板 3-sheet welding 3层板焊接 Welding guns with wide throat 大喉宽焊钳 AC welding 交流焊接交流焊接 MFDC welding 中频直流焊接中频直流焊接 “Continius“ energy appli

9、ed 持续高能量 Transformers are smallerand lighter 变压器更小更轻 The current regulation is faster and more accurate电流调整更快更精确Spot Welding application MFDC Welding technique点焊应用点焊应用-中频焊接方法中频焊接方法 ABB Robotics - 10 MFDC Welding Theory 中频焊接原理中频焊接原理 Mains symmetricalLoad 负载均匀 Transformer weight and dimensions 变压器体积小

10、ABB Robotics - 11 MFDC Welding Theory 中频焊接原理中频焊接原理 Compact pulse form 紧凑的脉冲形式 No current peaks 没有电流峰值 No inductive losses没有感应损耗 No unnecessary cool times 没有多余的冷却时间 Regulation within 1 msec 调整小于1毫秒 ABB Robotics - 12 MFDC Welding Benefits 中频焊接优点中频焊接优点 Compact pulse form紧凑的脉冲形式 No inductive losses没有感应损

11、耗 Regulation within 1 msec小于1毫秒的调整 No current peaks没有电流峰值 No unnecessary cool times没有多余的冷却时间Higher power更高的能量Dynamical regulation动态调整Decrease thermal and mechanical stress of electrodes减少电极的热量和机械压力MF / DC Welding helps to cut:减少 Operation Cost 操作成本 Investment Cost 投资成本 Quality Cost 质量成本 ABB Robotics

12、 - 13 MF / DC Welding: Operation Cost操作成本 Reduction of thermal and mechanical stress of electrodes 减少电极的热量和机械压力 No current peaks没有电流峰值 No alternating magnetical field没有交互磁场 Electrode life is increased by 30 . 50% 电极寿命增加30 50% Higher efficiency of components更高的设备效率 Higher efficiency of MF transformer

13、 MF变压器效率更高 No reactive losses of secondary circuit没有次级电路的电抗损耗 Energy saving by 25 . 32 % 节能 ABB Robotics - 14 MF / DC Welding: Energy Consumption 能耗 能耗：W = U*I*t = P*t ABB Robotics - 15 MF / DC Welding: Energy Consumption 能耗 能耗：W = U*I*t = P*t ABB Robotics - 16 MF / DC Welding: Weld Time 焊接时间 能耗：W =

14、 U*I*t = P*t ABB Robotics - 17 MF / DC Welding: Energy Balance 能量对比 能耗：W = U*I*t = P*t ABB Robotics - 18 MF / DC Welding: Energy Balance 能量对比Consumption次级 100 % 68 . 75 %如果考虑功率因素，在初级的能量利用率，交流为逆变技术的60%，交流实际耗电为9.63*10-3 kVAh，所以在初级的节能效果将为5.392*10-3 kVAh ABB Robotics - 19 MF / DC Welding: Energy Saving

15、节能u Energy saving per spot: 每点节能 5.392*10-3 kVAh 20.000 spots/day 点数/天 6 days/week 天数/星期 48 weeks/year 星期数/年u Energy saving per year: 每年节能 31058 kVAh RMB 0.65 per kVAhu Saving of energy cost: 节省的能源消耗 20187 RMBFor every welding station per year 每年每焊接工位 ABB Robotics - 20 MF / DC Welding: Investment Co

16、st 投资成本 Current consumption 2,7 times less per phase 电流消耗每相少2.7 倍 Smaller cables required较细的电缆 Nominal power of supply can be reduced 减少电源的功率 Symmetrical 3phase load of mains对称的初级三相负载 No compensation equipment required 不需要补偿设备 Transformer weight and dimensions reduced by 60 % 变压器的重量和尺寸减少60% Transfor

17、mer can be situated next to electrodes 变压器可以和电极连成一体 No secondary cables required不要求次级电缆 Reduction of gun weight减少焊枪重量 Smaller robot can be used可使用较小的机器人 ABB Robotics - 21 MF / DC Welding: Quality Cost质量成本 Exact adjustment of welding parameters焊接参数的精确调整 Dynamical regulation 动态调整(20 times faster than

18、with 50 Hz) Adaptive regulation自适应的调整 Better spot quality更佳的焊点质量 No overheat of material没有材料过热 Less spatter较少的飞溅 No cleaning after weld required焊接后不需清理 ABB Robotics - 22 新材料的挑战先进高强钢在车身中的应用新材料的挑战先进高强钢在车身中的应用 2005年先进高强钢在汽车工业用钢中的比例为年先进高强钢在汽车工业用钢中的比例为12%，预计，预计2015年这年这一比例将增至一比例将增至50%。在某轻量化项目在某轻量化项目PNGV（P

19、artner Ship for a New Generation of Vehicles）中，车身质量减少了）中，车身质量减少了40%，平均每百公里油耗可由，平均每百公里油耗可由9L降降至至3L。在超轻车体中，双相钢（。在超轻车体中，双相钢（DP）占了车体总质量的）占了车体总质量的74.3%，总，总计计162.25kg。 在日本，在日本，2003年双相钢已占汽车用钢总量的年双相钢已占汽车用钢总量的45%以上，预计到以上，预计到2008年年可达可达60%。 以热镀锌双相高强钢为代表的先进高强钢已成为汽车制造以热镀锌双相高强钢为代表的先进高强钢已成为汽车制造中应用前景最为看好的轻量化材料之一。中应

20、用前景最为看好的轻量化材料之一。 ABB Robotics - 23 新材料的挑战先进高强钢在车身中的应用新材料的挑战先进高强钢在车身中的应用先进高强钢中碳与微量元素的含量低，一般不产生淬火组织或夹杂物先进高强钢中碳与微量元素的含量低，一般不产生淬火组织或夹杂物，由于双相钢的高强度性能使塑性温度区间变窄，为获得同样的塑性，由于双相钢的高强度性能使塑性温度区间变窄，为获得同样的塑性变形需要较大的电极压力，这导致合适的变形需要较大的电极压力，这导致合适的焊接工艺范围变窄焊接工艺范围变窄。 而且，由于钢板内部组织特性，电阻点焊过程中焊点内部冷却速度的而且，由于钢板内部组织特性，电阻点焊过程中焊点内部

21、冷却速度的不均会产生气孔等缺陷，从而导致焊点熔核区强度低于母材强度，出不均会产生气孔等缺陷，从而导致焊点熔核区强度低于母材强度，出现现焊点熔核界面的断裂焊点熔核界面的断裂。其次，生产中双相钢点焊常采用强规范，。其次，生产中双相钢点焊常采用强规范，电电极磨损因此加快极磨损因此加快，还，还容易发生飞溅和压痕过深容易发生飞溅和压痕过深，造成，造成焊接质量的不稳焊接质量的不稳定定。 针对上述质量问题，基于伺服焊枪的高强钢点焊针对上述质量问题，基于伺服焊枪的高强钢点焊质量控制方法质量控制方法目前有两种伺服驱动系统应用于点焊枪上：气动伺服和目前有两种伺服驱动系统应用于点焊枪上：气动伺服和电动伺服电动伺服。

22、 ABB Robotics - 24 Servo gun basics 电动伺服焊钳基本特点电动伺服焊钳基本特点Hi-liftwork strokeF(weld)F(t)v el.(t)gun closingtimeel. forcebuild-upwelding timesqueeze timeSynchronize robot and gun movement机器人与焊钳同步协调运动，机器人与焊钳同步协调运动，大大提高生产节拍大大提高生产节拍Synchronize force build up and heat during weld process焊接中压力与热量同步增长，更可靠保证焊接

23、中压力与热量同步增长，更可靠保证焊点质量焊点质量Extend process control扩展工艺过程控制扩展工艺过程控制 ABB Robotics - 25 Cycle time reduction 减少生产节拍减少生产节拍Welding quality 提高焊接质量提高焊接质量Improved diagnosis and monitoring 增强诊断及监控增强诊断及监控Simplified gun design, increased flexibility 简化焊钳设计，提高柔性简化焊钳设计，提高柔性Reduced maintenance and increased uptime 降低

24、维修率，提高运行降低维修率，提高运行时间时间Production cost (air consumption, wear parts) 减少生产成本（耗气，备件）减少生产成本（耗气，备件）Why servomotor driven Spot Welding Guns?为什么用伺服电机驱动点焊钳为什么用伺服电机驱动点焊钳01020304050607080TackweldingMixedweldingRespotweldingPneumaticIntegrated servoIntegrated servorev 2 ABB Robotics - 26 Cycle time reduction d

25、ue to 减少生产节拍体现在减少生产节拍体现在:Minimised travelling between spots and when passing obstacles 使焊点间及障碍物使焊点间及障碍物的跳转路径最小化的跳转路径最小化Reduced tact time with shortened electrode opening 可随意缩短电极开口减小关闭焊可随意缩短电极开口减小关闭焊钳时间钳时间Faster and better control of force build up optimises WT start signal 焊接开始信号发焊接开始信号发出后可更快更好的控制加压

26、出后可更快更好的控制加压Faster change between different weld forces 更快的更改焊接压力，更快的更改焊接压力，其压力调节速度可其压力调节速度可达达200kgf/cycle（10kgf/ms），能够很好地避免和抑制飞溅，有效保证和提高焊接质量），能够很好地避免和抑制飞溅，有效保证和提高焊接质量Faster opening time after weld ready from WT 焊接完成信号发出后可更快打开焊钳焊接完成信号发出后可更快打开焊钳Reduction of idle time for electrode changing and dressi

27、ng 减小电极更换及修磨时间减小电极更换及修磨时间“Flying calibration” after tool change, tip dress and change 换枪、电极修磨及更换换枪、电极修磨及更换后快速标定后快速标定Why servomotor driven Spot Welding Guns?为什么用伺服电机驱动点焊钳为什么用伺服电机驱动点焊钳 ABB Robotics - 27 Why servomotor driven Spot Welding Guns?为什么用伺服电机驱动点焊钳为什么用伺服电机驱动点焊钳预压时间预压时间焊接时间焊接时间气动焊枪气动焊枪3030周波周波(

28、0.6s)(0.6s)6565周波周波(1.30s)(1.30s)伺服焊枪伺服焊枪8 8周波周波(0.16s)(0.16s)4343周波周波(0.86s)(0.86s)气动焊机和伺服焊枪的预压时间对比: 伺服焊枪焊接一个焊点节省伺服焊枪焊接一个焊点节省:0.44:0.44秒。秒。一台轿车约一台轿车约3500350050005000个焊点，共节省个焊点，共节省26263737分钟的焊接时间，生产率分钟的焊接时间，生产率极大提高车身焊装线的生产能力大大提高。极大提高车身焊装线的生产能力大大提高。 伺服焊枪相对气动伺服焊枪相对气动焊枪，焊枪，渐进渐进和和预压预压过程是影响焊接效过程是影响焊接效率的两

29、个最关键阶率的两个最关键阶段，这里以预压为段，这里以预压为例分析：例分析： ABB Robotics - 28 Improved welding quality due to 提高焊接质量体现在提高焊接质量体现在:Less impact to product possible (soft approach) 软接触可实现极少的产品冲击软接触可实现极少的产品冲击, 还可以减小噪声。还可以减小噪声。Slavick4研究表明噪声可从研究表明噪声可从96.0dB 减小到减小到74.6dB。Repeatable force with high tolerance 高精确度的可重复性加压高精确度的可重复性

30、加压Controlled and constant force during weld 焊接中精确恒压控制焊接中精确恒压控制Better tip management / control 更稳定的电极管理及控制更稳定的电极管理及控制Why servomotor driven Spot Welding Guns?为什么用伺服电机驱动点焊钳为什么用伺服电机驱动点焊钳气动焊枪与伺服焊枪电极接触时力的变化曲线 ABB Robotics - 29 Why servomotor driven Spot Welding Guns?为什么用伺服电机驱动点焊钳为什么用伺服电机驱动点焊钳Improved diag

31、nosis and monitoring due to 增强诊断及监控体现在增强诊断及监控体现在:Force 压力监控，防止焊接中出现压痕过深，焊点裂纹现象压力监控，防止焊接中出现压痕过深，焊点裂纹现象Tip wear 电极帽诊断，监控电极磨损电极帽诊断，监控电极磨损Tip dresser conditions 电极修磨器状况电极修磨器状况Sheet combination 多层板的联结状态多层板的联结状态Position after tool change, emergency stop etc 换枪及急停后的位置诊断换枪及急停后的位置诊断 ABB Robotics - 30 Simplif

32、ied gun design, increased flexibility 简化焊钳设计，提高柔性简化焊钳设计，提高柔性Large range of weld forces (one motor type for one complete project possible) 焊接压力范围增大（一个项目可仅用一种型号的电机）焊接压力范围增大（一个项目可仅用一种型号的电机）Optimised positioning of the arms with no constraints of large and small opening 无大开口及小开口限制，优化焊钳臂定位无大开口及小开口限制，优化焊钳

33、臂定位Identical design could be reused between different stations, reduced no of “standard versions” 不同工作站可再利用同一个焊钳设计，减少标准焊钳版本的数不同工作站可再利用同一个焊钳设计，减少标准焊钳版本的数量量Reduced gun volume possible (motor, ball screw integrated) 电机集成化，减小电机集成化，减小焊钳质量焊钳质量More flexibility gives possibilities to freeze gun design at ea

34、rly stage in the project 其高柔性便于在项目前期确定焊钳设计其高柔性便于在项目前期确定焊钳设计Why servomotor driven Spot Welding Guns?为什么用伺服电机驱动点焊钳为什么用伺服电机驱动点焊钳 ABB Robotics - 31 Reduced maintenance work and increased up time due to 降低维修降低维修率，提高运行时间体现在率，提高运行时间体现在:Easier to fault trace 更容易进行错误追踪更容易进行错误追踪Diagnosis, preventive maintenan

35、ce 诊断及预防性保养诊断及预防性保养Reduced no of spare parts (see simplified gun) 减少备件数量减少备件数量Equalization problems could be eliminated 排除平衡问题排除平衡问题Why servomotor driven Spot Welding Guns?为什么用伺服电机驱动点焊钳为什么用伺服电机驱动点焊钳Reduced production cost due to 减少生产成本体现在减少生产成本体现在:Air consumption 耗气量耗气量Tips 电机帽消耗电机帽消耗Shafts 电机杆消耗电机杆

36、消耗Maintenance cost 维修费用维修费用Easier programming, same program in forward & backward execution 易于编程易于编程 ABB Robotics - 32 Advanced ABB Products targeting Auto / Tier 1ABB面向汽车及零部件行业的先进产品面向汽车及零部件行业的先进产品n一体化集成的高度可靠的数字焊接控制器一体化集成的高度可靠的数字焊接控制器 Bosch PS6000n通过初级和次级闭环实现电流的精确控制，控制精度超越普通的同类产品，可有效避免焊点虚焊、焊穿等缺陷n焊点计

37、数器功能，有效防止漏焊，并可自动进行电极修磨及电极寿命维护，保证焊点直径nBosch的示教器编程（单点编程），编程更简单nPSQ6000: Advanced quality assurance in spot welding 新一代电阻点焊的高级质量保证系统新一代电阻点焊的高级质量保证系统PSQ6000n独立监控焊核成长，并独立补偿实际焊核与要求焊核的变化n确保每个焊点直径n自动补偿焊接扰动n焊接过程中焊接时间和电流自适应变化n在线储存测量数据及曲线nServo Gun Handling 伺服焊钳功能包伺服焊钳功能包n机器人外轴控制，可与机器人同步运动，大大提高节拍n伺服点焊平衡补偿技术 AB

38、B Robotics - 33 Advanced ABB Products targeting Auto / Tier 1ABB面向汽车及零部件行业的先进产品面向汽车及零部件行业的先进产品n一体化集成的高度可靠的数字焊接控制器一体化集成的高度可靠的数字焊接控制器 Bosch PS6000 ABB Robotics - 34 Well coordinated and high performance Quick/True Move 同步协调功能及高速高精确运动性能同步协调功能及高速高精确运动性能 Gun motor flexibility including tool change 焊钳电机的适

39、应性强焊钳电机的适应性强 (Ref examples: ABB, ARO, MFG/FTS, NIMAK, Obara, Dengensha, Pico) On the run calibration methods of gun tips (during robot movement) 设备运行中进行焊钳电极标定 Tip wear calibration 电极帽标定电极帽标定Adjust gun position for tip wear after a weld cycle. Supervise tip wear. 一个焊接循环后自动调整电极帽零位 New tips calibration

40、 新的电极标定新的电极标定Reset gun position and current tip wear. 重置焊钳及电极帽零位 Tool change calibration 换枪机构标定换枪机构标定Check/adjust gun position after a tool change. Update gun position if the gun arms has been physically moved during disconnection from servo control.换枪后检查/调整焊钳，在断开伺服控制时焊钳臂位移后可进行修正焊钳零位ABB features - S

41、ervo gun control ABB的伺服焊钳控制特点的伺服焊钳控制特点 ABB Robotics - 35 Removed hardware 拆除硬件 Pneumatic Balancing cylinder on weld gun 气动平衡缸 Pneumatic valve package on weld gun 气动阀 Air hoses 气管Customer Benefits Reduced Gun Cost 降低焊钳成本 Reduced Factory cost (air consumption) 降低工厂投资成本 Higher Availability 高效性 Reliable

42、 offline Programming 可靠的离线编程 Even performance over time 长效的性能保证 Less need for optimizing/compromising for gravity 减少因为重力自由的优化调整 Less maintenance & spare parts 减少维修及备件Spot Servo Equalizing 伺服点焊平衡补偿技术伺服点焊平衡补偿技术 ABB Robotics - 36 Gun arm deflection compensation枪臂偏差补偿枪臂偏差补偿Force on sheet metal for weldi

43、ng force 1000 and 3000N respectively分别在金属板上加压到1000N和3000NNormal gun with mechanical equalizing常规的机械平衡Fixed gun. Only release function active.Fixed gun. Release function and deflection compensation active.固定焊钳激活偏差补偿01234567-300-200-1000100200300Sheet force for welding force 1000NSheet force for weldi

44、ng force 3000N 3500N -Mechanical equalizing机械平衡3500N Software equalizing软件平衡 ABB Robotics - 37 Spot Servo Equalizing - InfluencesIn-accuracy in programming +/- 3 mm 允许编程误差+/-3mmRelease of the fixed gun arm 5mm 可释放固定焊钳臂5mmBending of gun arms 0-5 mm 可补偿焊钳臂偏差5mmTip wear and tip dressing 0-10 mm 测量电极帽并可

45、补偿0-10mmPosition of sheet metal +/- 1 mm1234Tip wear Measurement and Compensation电极帽测量及补偿电极帽测量及补偿Weld position Touch Up焊接位置修正焊接位置修正Release of the fixed gun arm 释放固定焊钳臂释放固定焊钳臂Gun arm Deflection Compensation焊钳臂偏差补偿焊钳臂偏差补偿 ABB Robotics - 38 Software options BiW applications IRC5 / RW 5.0软件选项点焊应用软件选项点焊应

46、用nCombine motion- and process logic in advanced Rapid-instructions 合并运动及合并运动及工艺处理逻辑的高级工艺处理逻辑的高级RAPID指令集指令集nVast customization possibilities to fit various process demands, different process equipment and customer specific demands 适用于多种工艺要求，不同的适用于多种工艺要求，不同的工艺设备和客户的特殊要求，巨大的用户定制功能工艺设备和客户的特殊要求，巨大的用户定制功能

47、nInclude advanced process supervision, error handling and error recovery 包括包括高级的工艺管理，错误处理和错误恢复功能高级的工艺管理，错误处理和错误恢复功能nAlways with process quality and shortest possible cycle time in mind 符合高质符合高质量及低节拍的要求量及低节拍的要求Spot (Pneumatic gun (single or multiple) 气动点焊软件包Spot Servo (Servo gun (single or multiple) 伺服点焊软件包（含多把焊钳）Spot Servo Equalizing (Replace