伺服焊枪技术在汽车车身制造中的应用研究

1、伺服焊枪技术在汽车车身制造中的应用研究作者：上海交通大学 张延松伺服焊枪使用带有数字控制的伺服电机，是应用在焊机上的最新技术。本文就伺服焊枪的新特征与传统的气动焊枪进行对比分析，并在此基础上介绍包括伺服焊枪、 HYPERLINK /cat_1980035.html 机器人和 HYPERLINK /cat_1050014.html 焊接控制器的点焊试验系统，以及如何利用伺服焊枪试验系统实现焊接参数的准确获取。 电阻点焊是一种主要的薄板连接方法，广泛应用于汽车及航空等工业部门。自1933年第一辆主要由点焊连接完成的汽车下线以来，电阻点焊的应用已经获得了突飞猛进的发展。尽管近年来各国学者相继提出了许

2、多新型薄板连接技术，但电阻点焊以其低成本，易实现高速自动化生产等特点，决定其仍然是轿车白车身装配的主要连接方法。 在点焊过程中点焊机是用以实现所选用的焊接方法及工艺参数的焊接设备，焊接质量的好坏多由焊机决定。其中，最常用的类型是气动焊机，这种类型的焊机现如今仍被广泛地应用在汽车工业中。虽然将气动和液动技术同时应用的新型气动焊机有了更多的功能，但由于焊机的价格和保养等问题，此类型焊机并没有在汽车工业中得到很好的应用。 伺服焊枪对于汽车车身装配生产线来说相对较新，最近几年，Renault、Mazda、Toyota、Ford等汽车公司都已将伺服焊枪应用到汽车车身装配生产线上。实际应用表明：伺服焊枪有

3、着传统气动焊机所无法具有的优点，是未来汽车装配生产线上主要的点焊连接设备。 伺服焊枪的新技术特性 近年来由交流伺服电机驱动的C 型或X 型伺服焊枪（如图1）搭载在可以移动的7轴机器人上进行车身薄板连接的点焊设备正在增多。相比较气动焊枪，伺服焊枪的最大特点是以伺服装置代替气动装置，按照预先编制程序，由伺服控制器发出指令，控制伺服电机按照既定速度、位移进给，形成对电极位移与速度的精确控制，脉冲数量与频率决定电极位移与速度，电机转矩决定电极压力。 图1 伺服服焊枪结结构示意意图由于伺服焊焊枪是由由伺服电电机驱动动，可以以对焊接接过程进进行精确确控制，同同时，伺伺服焊枪枪利用伺伺服电机机驱动加加压轴，

4、因因而可以以协调控控制好焊焊枪的移移动轴， 实现有有效的焊焊点间移移动，以以前气动动焊枪无无法实现现的焊接接位置现现都可以以由伺服服焊枪来来实现。 精确控控制电极极运动速速率：气气动焊枪枪的电极极运动靠靠气缸来来控制，这这使电极极运动速速率很难难精确控控制，电电极运动动的高速速率，会会造成电电极与工工件接触触时的冲冲击很大大，致使使电极力力会发生生短时间间的振荡荡，从而而影响电电极寿命命。而对对于伺服服焊枪，电电极的运运动由伺伺服电机机控制，能能够很好好地控制制电极运运动速率率，使电电极与工工件接触触时的冲冲击很小小，从而而提高电电极寿命命。如图图2所示示，在电电极力达达到稳定定之前，伺伺服焊

5、枪枪在电极极接触过过程中电电极力没没有明显显的振荡荡现象，电电极运动动得到了了很好的的控制。 图2 气动动焊机与与伺服焊焊枪电极极接触时时力的变变化曲线线提高点焊生生产率：图3显显示了气气动焊机机和伺服服焊枪在在焊接过过程中电电极力的的变化，假假定达到到设定预预压力，电电极力将将保持恒恒定。从从中可以以看出，气气动焊机机的预压压时间大大约为330个周周波（00.6秒秒），而而伺服焊焊枪则只只用了88个周波波（0.16秒秒）预压压时间就就达到了了设定压压力。对对比来看看，伺服服焊枪完完成一个个焊点所所用的焊焊接时间间为433个周波波（0.86秒秒），气气动焊机机则需665个周周波(11.3秒秒)

6、。也也就是说说，用伺伺服焊枪枪完成一一个焊点点要节省省0.444秒的的焊接时时间。相相对于一一台轿车车的几千千个焊点点，每个个焊点节节省0.44秒秒的焊接接时间对对装配过过程生产产率的提提高就非非常重要要，轿车车车身装装配线的的生产能能力就可可以大大大提高。另另外，可可编程电电极行程程和速度度也可以以缩短同同一工位位上多个个焊点的的预压持持续时间间，这也也可以提提高焊接接生产率率。 图3 气动动焊机和和伺服焊焊枪的预预压时间间对比可获得 HYPERLINK /cat_1050012.html 锻压压力：焊焊接过程程的可控控性要归归功于伺伺服电机机和它的的控制技技术。由由于可以以容易地地改变电电

7、极压力力，焊接接过程中中锻压力力的获得得就变得得可能。 可获得得电极力力和电极极位移：伺服电电机转矩矩和速度度作为电电机控制制器的输输出量，其其变化量量可以容容易地转转变为电电极力和和电极位位置的变变化，并并且使电电极力和和电极位位移信号号的在线线实时监监控变得得可行，电电极位置置、在线线失效探探测和电电极补偿偿的准确确测量也也就比气气动焊机机更容易易。 伺伺服电机机技术给给点焊机机和焊接接过程带带来新的的技术特特性，主主要是由由伺服电电机和相相应控制制技术的的固有特特性所决决定。伺伺服焊枪枪和常规规的气动动焊枪之之间的主主要差别别在于它它们的输输入量和和相应的的控制模模型，对对于气动动焊机是

8、是恒定气气压，而而对于伺伺服焊枪枪则是恒恒定转矩矩。从控控制的观观点来看看：气动动焊机是是开环控控制，伺伺服焊枪枪则是具具有反馈馈的闭环环控制。相相应地，伺伺服焊枪枪电极的的运动和和力就可可以得到到更加精精确的控控制。这这些新的的技术特特点和功功能可以以使焊接接过程更更易控制制，焊机机更易操操作，并并可提高高焊点质质量。 综上所所述，和和气动焊焊枪相比比，伺服服焊枪的的优势是是显而易易见的。首首先，伺伺服焊枪枪能够提提高焊接接过程的的生产率率；其次次，由于于焊接过过程参数数，例如如电极力力和电极极位移可可从伺服服电机中中获得，伺伺服焊枪枪为过程程监控、诊诊断和补补偿提供供了新的的可能；第三，伺

9、伺服焊枪枪可以得得到焊接接过程中中所需的的锻压力力，从而而可以提提高焊点点质量；第四，由由于电极极运动的的可控性性，电极极与工件件接触时时冲击小小，噪声声低，有有助于改改善工作作环境，提提高电极极寿命。利利用伺服服焊枪及及其控制制特性可可以稳定定点焊规规范参数数，实现现点焊故故障的在在线检测测。因此此，伺服服焊枪的的特征和和优点决决定伺服服焊枪能能极好替替代现有有点焊机机。 伺伺服焊枪枪点焊试试验系统统 伺服服焊枪点点焊试验验系统主主要由伺伺服焊枪枪、焊接接机器人人、机器器人控制制器和焊焊接控制制器四部部分组成成（如图图4）。通通过系统统集成（如如图5）实实现控制制信号传传输，完完成程序序初始

10、化化，实现现机器人人控制器器对伺服服焊枪电电极运动动的精确确控制。系系统采用用Fannuc机机器人、OObarra公司司的伺服服焊枪和和焊接控控制器。机机器人与与机器人人控制器器之间通通过Faanucc公司专专用电缆缆连接，包包括机器器人六轴轴伺服电电源线、信信号线、焊焊枪轴伺伺服电源源线、信信号线、DDeviice Nett电源线线、信号号线以及及接地线线。机器器人控制制器和焊焊接控制制器之间间通过FFanuuc公司司提供的的Proocesss II/O板板连接，在在焊接过过程中传传递焊接接信号，包包括四线线的程序序选通信信号、焊焊接允许许信号、焊焊接完毕毕接收信信号、焊焊接控制制器和机机器

11、人通通过变压压器电源源线和温温控反馈馈线路连连接等。 图4 包括括伺服焊焊枪、机机器人和和焊接控控制器的的点焊试试验系统统图5 机器器人控制制器和焊焊接控制制器的集集成传输焊接信信号的详详细配置置方案如如下：利利用端子子台的SSDO221SSDO224口作作为焊接接程序片片选信号号GO1，将将其分别别连接到到四路电电磁继电电器的电电源输入入端的负负极，而而继电器器输入端端的正极极连接到到公共端端+244E，电电磁继电电器的输输出常开开触点连连接到焊焊接控制制器焊接接程序片片选信号号输入端端；端子子台的SSDO225为焊焊接允许许信号DDI55，将将它和+24EE分别连连接到电电磁继电电器输入入

12、的负极极和正极极，继电电器输出出常开触触点连接接到焊接接控制器器焊接允允许信号号输入端端; 端端子台SSDI223为焊焊接完毕毕信号，将将它和+24EE直接连连接到焊焊接控制制器焊接接完毕信信号输出出端。 试验系系统程序序初始化化 图6 系统统程序初初始化流流程图试验系统集集成后，需需要对伺伺服焊枪枪轴的控控制参数数进行配配置，采采用机器器人控制制器TPP来实现现，试验验系统程程序初始始化流程程如图66所示。伺伺服焊枪枪作为机机器人的的第七轴轴，由机机器人控控制器中中专门的的伺服单单元控制制，为了了实现复复杂的点点焊过程程，需要要进行一一系列的的初始化化设置：包括第第七轴的的零点复复归，上上下

13、限位位设置，AAutootunne测试试焊枪机机械机构构性能，伺伺服焊枪枪genneraal设置置等，关关键设置置步骤如如下： 1) 零点复复归：采采用单轴轴Massterringg，将上上电极移移动到下下电极位位置，反反复测量量执行完完毕后返返回上级级菜单，零零点复归归执行完完毕。 2) 上下限限位设置置，选择择F1（TTypee）AAxiss Liimitts选项项，确定定焊枪轴轴的下限限位，通通常设成成255mm，以以防下落落距离太太长致使使撞坏电电极杆，设设置上限限位时，将将上电极极移动到到上极限限位置，按按下Poosittionn键，观观察此时时上电极极的位置置，选择择小于该该值的数

14、数值作为为上限位位值，设设置完毕毕，重新新启动机机器。 3) Auttotuune焊焊枪性能能测试，按按MennuUUtillitiiesF1（TTypee）AAutootunne选项项，进入入操作界界面，按按照提示示逐步进进行设置置，设置置完毕后后将开关关调到TT2模式式下，在在Sellectt菜单下下选择AAutootunne程序序，自动动运行该该程序完完成性能能测试。 4) 伺服焊焊枪geenerral设设置，在在mennussetuupSServvo GGun菜菜单下，选选择geenerral settup，进进Dettaill进行设设置，设设置每一一个选项项，其中中：必须须正确设设置

15、Prresssuree Caal选项项，如不不进行此此项设置置，则无无法进行行焊枪加加压操作作。具体体设置方方法如下下，进入入Dettaill，选择择加压时时间，测测试压力力表的厚厚度，电电机输出出转矩（以以额定转转矩的百百分比设设置），电电极下落落，用压压力表测测试电极极压力，记记录下各各个转矩矩所对应应的压力力值，按按照同样样的方式式，测试试尽可能能多的组组数，记记录完毕毕，按照照提示完完成该选选项设置置，系统统会显示示操作完完成。 伺服焊焊枪点焊焊编程实实现 伺伺服焊枪枪试验系系统通过过机器人人TP控控制软件件程序实实现点焊焊基本操操作。利利用prroceess I/OO板连接接机器人人

16、控制器器和焊接接控制器器，完成成点焊过过程和焊焊接规范范参数的的选取。点点焊编程程指令为为SpootPP=m, S=n, BU=i，主主要工作作是设置置这三项项参数，其其中：PP为压力力参数，决决定点焊焊整个过过程的压压力曲线线；S为为焊接程程序号，决决定I/O口输输出值，选选通焊接接控制器器中某个个焊接程程序，实实现焊接接电流和和时间的的选取；BU为为打开焊焊枪参数数，决定定焊枪在在焊接完完毕后的的打开量量，必须须正确设设置这三三个选项项才能实实现正常常的点焊焊编程操操作。具具体设置置步骤如如下： （1） P设置置：在DDATAAF11（Tyype）Preessuure菜菜单下，选选中点焊焊过程所所需的电电极压力力值，进进入具体体界面设设置（如如图7），在在此设置置电极压压力、工工件厚度度、电极极压入工工件深度度、焊枪枪浮动补补偿、焊焊接指令令延时等等。在AAutoo Rooutee下，设设置焊接接过程中中电极的的接近位位置、开开始加压压位置、压压力位置置、加压压结束位位置等（如如图8）。在在preessuure proofille下，设设置焊接接预压力力和预压压时间、焊焊接通电电过程中中的压力力和时间间、焊后后保持压压力和时时间（如如图9）。 图7 压力力参数配配置表图8 伺服服焊枪点点焊编程程操作的的5个阶阶段图9 电极极压加持持间间参参数设置置（2） SS设