中频点焊及伺服焊枪控制技术

王华东ABB新技术交流会重庆2008.09中频点焊及伺服焊枪控制技术点焊在汽车生产中的应用

发动机

变速箱

车桥

车架

车身

车厢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75％，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，点焊设备更是占其全部电阻焊设备的90％以上。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：燃油消耗的50%是由汽车的重量引起，当整车质量减轻10%，汽车的燃油经济性可提高3.8%，CO2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。另一项研究项目表明：使用轻质高强材料可以将车身减重25%。目前，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，新一代汽车设计及制造面临的重要问题是：节能减排ChallengebyNewMaterials新材料的挑战Zinc-coatedsteel涂锌钢板

Aluminium铝合金High-strengthsteel高强度钢板Copperandsteel铜和钢3-4sheets多层焊Projectionsonsheet凸焊...howcantheybewelded?怎样才能完美地焊接？ChallengebyNewMaterials新材料的挑战Highenergyinput高能量输入Parameterswithinsmalltoleranceband

小的参数公差Electrodewear

电极磨损要求？Currentsourcewith

电流源Higherpower

更高的能量Exactadjustmentofparameters

精确的参数调整Dynamicalregulation

可以动态调整Decreasethermalandmechanicalstressofelectrodes

减少电极的热量和机械压力解决之道:Servo&MediumFrequency伺服中频Othervariantdrivingforces其他不同的驱动因素Layout,cycletimeandproductionoutput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解决途径：伺服中频焊钳的使用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40%，而在中国，这个比例也在逐年稳步提高。从ABB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33％，伺服焊接技术占34％左右SpotWeldingapplication–Processdemand点焊应用-工艺要求

Typeofsheet板材类型Numberofsheets板层数Processneed工艺要求

Force压力Current电流Dutycycle负载Weldingtechnique焊接方法Whyvariantswithinoffer?同一个订单多种焊钳

ACwelding

MFDCweldingSolutionfor

应用于：

Galvanized

sheets

镀锌板

High-strengthsteel高强度钢板

Aluminium

铝合金板3-sheetwelding3层板焊接

Welding

guns

with

wide

throat

大喉宽焊钳

ACwelding交流焊接

MFDCwelding中频直流焊接“Continius“energy

applied

持续高能量

Transformers

are

smallerandlighter

变压器更小更轻

The

current

regulation

is

fasterandmore

accurate电流调整更快更精确SpotWeldingapplication–MFDCWeldingtechnique点焊应用-中频焊接方法MFDCWeldingTheory中频焊接原理•

Mains

symmetricalLoad

负载均匀•Transformer

weightand

dimensions

变压器体积小MFDCWeldingTheory中频焊接原理•Compactpulseform紧凑的脉冲形式•No

currentpeaks没有电流峰值•Noinductivelosses没有感应损耗•Nounnecessarycooltimes没有多余的冷却时间•Regulationwithin1msec

调整小于1毫秒MFDCWeldingBenefits中频焊接优点•Compactpulseform紧凑的脉冲形式•Noinductivelosses没有感应损耗•Regulationwithin1msec小于1毫秒的调整•Nocurrentpeaks没有电流峰值•Nounnecessarycooltimes没有多余的冷却时间Higherpower更高的能量Dynamicalregulation动态调整Decreasethermalandmechanicalstressofelectrodes减少电极的热量和机械压力MF/DCWeldinghelpstocut:减少

OperationCost操作成本

InvestmentCost投资成本

QualityCost质量成本MF/DCWelding:OperationCost操作成本•Reductionofthermalandmechanicalstressofelectrodes减少电极的热量和机械压力•Nocurrentpeaks没有电流峰值•Noalternatingmagneticalfield没有交互磁场

Electrodelifeisincreasedby30...50%电极寿命增加30–50%•Higherefficiencyofcomponents更高的设备效率•HigherefficiencyofMFtransformerMF变压器效率更高•Noreactivelossesofsecondarycircuit没有次级电路的电抗损耗

Energysavingby25...32%节能MF/DCWelding:EnergyConsumption

能耗•能耗：W=U*I*t=P*tMF/DCWelding:EnergyConsumption

能耗•能耗：W=U*I*t=P*tMF/DCWelding:WeldTime

焊接时间•能耗：W=U*I*t=P*tMF/DCWelding:EnergyBalance

能量对比•能耗：W=U*I*t=P*tMF/DCWelding:EnergyBalance

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*10-3kVAh，所以在初级的节能效果将为5.392*10-3kVAhMF/DCWelding:EnergySaving

节能Energysavingperspot:

每点节能

5.392*10-3kVAh20.000spots/day

点数/天6days/week天数/星期48weeks/year星期数/年Energysavingperyear:

每年节能

31058kVAhRMB0.65perkVAhSavingofenergycost:

节省的能源消耗

20187

RMB

Foreveryweldingstationperyear

每年每焊接工位MF/DCWelding:InvestmentCost投资成本•Currentconsumption2,7timeslessperphase电流消耗每相少2.7倍Smallercablesrequired较细的电缆Nominalpowerofsupplycanbereduced减少电源的功率•Symmetrical3phaseloadofmains对称的初级三相负载Nocompensationequipmentrequired不需要补偿设备•Transformerweightanddimensionsreducedby60%变压器的重量和尺寸减少60%•Transformercanbesituatednexttoelectrodes变压器可以和电极连成一体Nosecondarycablesrequired不要求次级电缆•Reductionofgunweight减少焊枪重量Smallerrobotcanbeused可使用较小的机器人MF/DCWelding:QualityCost质量成本•Exactadjustmentofweldingparameters焊接参数的精确调整•Dynamicalregulation动态调整(20timesfasterthanwith50Hz)•Adaptiveregulation自适应的调整Betterspotquality更佳的焊点质量•Nooverheatofmaterial没有材料过热•Lessspatter较少的飞溅Nocleaningafterweldrequired焊接后不需清理新材料的挑战－－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12%，预计2015年这一比例将增至50%。在某轻量化项目PNGV（PartnerShipforaNewGenerationofVehicles）中，车身质量减少了40%，平均每百公里油耗可由9L降至3L。在超轻车体中，双相钢（DP）占了车体总质量的74.3%，总计162.25kg。在日本，2003年双相钢已占汽车用钢总量的45%以上，预计到2008年可达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中应用前景最为看好的轻量化材料之一。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，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，电极磨损因此加快，还容易发生飞溅和压痕过深，造成焊接质量的不稳定。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。Servogunbasics

电动伺服焊钳基本特点Hi-liftworkstrokeF(weld)F(t)vel.(t)gunclosingtimeel.forcebuild-upweldingtimesqueezetimeSynchronizerobot

andgun

movement机器人与焊钳同步协调运动，大大提高生产节拍Synchronizeforcebuildupandheat

duringweldprocess焊接中压力与热量同步增长，更可靠保证焊点质量Extendprocesscontrol扩展工艺过程控制Cycletimereduction

减少生产节拍Weldingquality

提高焊接质量Improveddiagnosisandmonitoring

增强诊断及监控Simplifiedgundesign,increasedflexibility

简化焊钳设计，提高柔性Reducedmaintenanceandincreaseduptime

降低维修率，提高运行时间Productioncost(airconsumption,wearparts)

减少生产成本（耗气，备件）WhyservomotordrivenSpotWeldingGuns?为什么用伺服电机驱动点焊钳01020304050607080TackweldingMixedweldingRespotweldingPneumaticIntegratedservoIntegratedservorev2 Cycletimereductiondueto减少生产节拍体现在:Minimisedtravellingbetweenspotsandwhenpassingobstacles使焊点间及障碍物的跳转路径最小化Reducedtacttimewithshortenedelectrodeopening可随意缩短电极开口减小关闭焊钳时间FasterandbettercontrolofforcebuildupoptimisesWTstartsignal焊接开始信号发出后可更快更好的控制加压Fasterchangebetweendifferentweldforces更快的更改焊接压力，其压力调节速度可达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FasteropeningtimeafterweldreadyfromWT焊接完成信号发出后可更快打开焊钳Reductionofidletimeforelectrodechanginganddressing减小电极更换及修磨时间“Flyingcalibration”aftertoolchange,tipdressandchange换枪、电极修磨及更换后快速标定WhyservomotordrivenSpotWeldingGuns?为什么用伺服电机驱动点焊钳WhyservomotordrivenSpotWeldingGuns?为什么用伺服电机驱动点焊钳 预压时间 焊接时间气动焊枪 30周波(0.6s) 65周波(1.30s)伺服焊枪 8周波(0.16s) 43周波(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:0.44秒。一台轿车约3500～5000个焊点，共节省26～37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。伺服焊枪相对气动焊枪，渐进和预压过程是影响焊接效率的两个最关键阶段，这里以预压为例分析：Improvedweldingqualitydueto提高焊接质量体现在:Lessimpacttoproductpossible(softapproach)软接触可实现极少的产品冲击,还可以减小噪声。Slavick[4]研究表明噪声可从96.0dB减小到74.6dB。Repeatableforcewithhightolerance高精确度的可重复性加压Controlledandconstantforceduringweld焊接中精确恒压控制Bettertipmanagement/control更稳定的电极管理及控制WhyservomotordrivenSpotWeldingGuns?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

WhyservomotordrivenSpotWeldingGuns?为什么用伺服电机驱动点焊钳Improveddiagnosisandmonitoringdueto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Tipwear电极帽诊断，监控电极磨损Tipdresserconditions电极修磨器状况Sheetcombination多层板的联结状态Positionaftertoolchange,emergencystopetc换枪及急停后的位置诊断Simplifiedgundesign,increasedflexibility简化焊钳设计，提高柔性Largerangeofweldforces(onemotortypeforonecompleteprojectpossible)焊接压力范围增大（一个项目可仅用一种型号的电机）Optimisedpositioningofthearmswithnoconstraintsoflargeandsmallopening无大开口及小开口限制，优化焊钳臂定位Identicaldesigncouldbereusedbetweendifferentstations,reducednoof“standardversions”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Reducedgunvolumepossible(motor,ballscrewintegrated)电机集成化，减小焊钳质量Moreflexibilitygivespossibilitiestofreezegundesignatearlystageintheproject其高柔性便于在项目前期确定焊钳设计WhyservomotordrivenSpotWeldingGuns?为什么用伺服电机驱动点焊钳Reducedmaintenanceworkandincreaseduptimedueto降低维修率，提高运行时间体现在:Easiertofaulttrace更容易进行错误追踪Diagnosis,preventivemaintenance诊断及预防性保养Reducednoofspareparts(seesimplifiedgun)减少备件数量Equalizationproblemscouldbeeliminated排除平衡问题WhyservomotordrivenSpotWeldingGuns?为什么用伺服电机驱动点焊钳Reducedproductioncostdueto减少生产成本体现在:Airconsumption耗气量Tips电机帽消耗Shafts电机杆消耗Maintenancecost维修费用Easierprogramming,sameprograminforward&backwardexecution易于编程AdvancedABBProductstargetingAuto/Tier1

ABB面向汽车及零部件行业的先进产品一体化集成的高度可靠的数字焊接控制器–BoschPS6000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、焊穿等缺陷焊点计数器功能，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Bosch的示教器编程（单点编程），编程更简单PSQ6000:Advancedqualityassuranceinspotwelding新一代电阻点焊的高级质量保证系统PSQ6000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确保每个焊点直径自动补偿焊接扰动焊接过程中焊接时间和电流自适应变化在线储存测量数据及曲线ServoGunHandling伺服焊钳功能包机器人外轴控制，可与机器人同步运动，大大提高节拍伺服点焊平衡补偿技术AdvancedABBProductstargetingAuto/Tier1

ABB面向汽车及零部件行业的先进产品一体化集成的高度可靠的数字焊接控制器–BoschPS6000

Wellcoordinatedandhighperformance–Quick/TrueMove

同步协调功能及高速高精确运动性能

Gunmotorflexibilityincludingtoolchange焊钳电机的适应性强

(Refexamples:ABB,ARO,MFG/FTS,NIMAK,Obara,Dengensha,Pico)Ontheruncalibrationmethodsofguntips(duringrobotmovement)设备运行中进行焊钳电极标定

Tipwearcalibration电极帽标定Adjustgunpositionfortipwearafteraweldcycle.Supervisetipwear.

一个焊接循环后自动调整电极帽零位

Newtipscalibration新的电极标定Resetgunpositionandcurrenttipwear.

重置焊钳及电极帽零位

Toolchangecalibration换枪机构标定Check/adjustgunpositionafteratoolchange.Updategunposition

ifthegunarmshasbeenphysicallymovedduringdisconnectionfrom

servocontrol.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ABBfeatures-Servoguncontrol

ABB的伺服焊钳控制特点Removedhardware拆除硬件Pneumatic

Balancingcylinderonweld

gun

气动平衡缸Pneumatic

valve

packageonweld

gun

气动阀Airhoses气管Customer

Benefits

ReducedGunCost降低焊钳成本

Reduced

Factory

cost(airconsumption)降低工厂投资成本

Higher

Availability高效性Reliableoffline

Programming

可靠的离线编程

Evenperformanceovertime

长效的性能保证Lessneedforoptimizing/compromisingforgravity

减少因为重力自由的优化调整Lessmaintenance&spare

parts

减少维修及备件SpotServoEqualizing

伺服点焊平衡补偿技术Gunarmdeflectioncompensation枪臂偏差补偿Forceonsheetmetalforweldingforce1000and3000Nrespectively分别在金属板上加压到1000N和3000NNormalgunwithmechanicalequalizing常规的机械平衡Fixedgun.Onlyreleasefunctionactive.Fixedgun.Releasefunctionanddeflectioncompensationactive.固定焊钳激活偏差补偿01234567-300-200-1000100200300Sheetforceforweldingforce1000NSheetforceforweldingforce3000N3500N-Mechanicalequalizing机械平衡3500N–Softwareequalizing软件平衡SpotServoEqualizing-InfluencesIn-accuracyinprogramming+/-3mm允许编程误差+/-3mmReleaseofthefixedgunarm5mm可释放固定焊钳臂5mmBendingofgunarms0-5mm可补偿焊钳臂偏差5mmTipwearandtipdressing0-10mm测量电极帽并可补偿0-10mmPositionofsheetmetal

+/-1mm1234TipwearMeasurementandCompensation电极帽测量及补偿WeldpositionTouchUp焊接位置修正Releaseofthefixedgunarm释放固定焊钳臂GunarmDeflectionCompensation焊钳臂偏差补偿SoftwareoptionsBiWapplicationsIRC5/RW5.0软件选项－点焊应用Combinemotion-andprocesslogicinadvancedRapid-instructions

合并运动及工艺处理逻辑的高级RAPID指令集Vastcustomizationpossibilitiestofitvariousprocessdemands,differentprocessequipmentandcustomerspecificdemands

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Includeadvancedprocesssupervision,errorhandlinganderrorrecovery

包括高级的工艺管理，错误处理和错误恢复功能Alwayswithprocessqualityandshortestpossiblecycletimeinmind

符合高质量及低节拍的要求Spot(Pneumaticgun(singleormultiple))

气动点焊软件包SpotServo(Servogun(singleormultiple))

伺服点焊软件包（含多把焊钳）S