伺服焊枪技术在汽车车身制造中的应用研究

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、机器人和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伺服焊枪结构示意图由于伺服焊枪是由伺服电机驱动，可以对焊接过程进行精确控制，同时，伺服焊枪利用伺服电机驱动加压轴，因而可以协调控制好焊枪的移动轴，实现有效的焊点间移动，以前气动焊枪无法实现的焊接位置现都可以由伺服焊枪来实现。精确控制电极运动速率：气动焊枪的电极运动靠气缸来控制，这使电极运动速率很难精确控制，电极运动的高速率，会造成电极与工件接触时的冲击很大，致使电极力会发生短时间的振荡，从而影响电极寿命。而对于伺服焊枪，电极的运动由伺服电机控制，能够很好地控制电极运动速率，使电极与工件接触时的冲击很小，从而提高电极寿命。如图2所示，在电极力达到稳定之前，伺服焊枪在电极接触过程中电极力没有明显的振荡现象，电极运动得到了很好的控制。图2气动焊机与伺服焊枪电极接触时力的变化曲线提高点焊生产率：图3显示了气动焊机和伺服焊枪在焊接过程中电极力的变化，假定达到设定预压力，电极力将保持恒定。从中可以看出，气动焊机的预压时间大约为30个周波（0.6秒），而伺服焊枪则只用了8个周波（0.16秒）预压时间就达到了设定压力。对比来看，伺服焊枪完成一个焊点所用的焊接时间为43个周波（0.86秒），气动焊机则需65个周波(1.3秒)。也就是说，用伺服焊枪完成一个焊点要节省0.44秒的焊接时间。相对于一台轿车的几千个焊点，每个焊点节省0.44秒的焊接时间对装配过程生产率的提高就非常重要，轿车车身装配线的生产能力就可以大大提高。另外，可编程电极行程和速度也可以缩短同一工位上多个焊点的预压持续时间，这也可以提高焊接生产率。图3气动焊机和伺服焊枪的预压时间对比可获得锻压力：焊接过程的可控性要归功于伺服电机和它的控制技术。由于可以容易地改变电极压力，焊接过程中锻压力的获得就变得可能。可获得电极力和电极位移：伺服电机转矩和速度作为电机控制器的输出量，其变化量可以容易地转变为电极力和电极位置的变化，并且使电极力和电极位移信号的在线实时监控变得可行，电极位置、在线失效探测和电极补偿的准确测量也就比气动焊机更容易。伺服电机技术给点焊机和焊接过程带来新的技术特性，主要是由伺服电机和相应控制技术的固有特性所决定。伺服焊枪和常规的气动焊枪之间的主要差别在于它们的输入量和相应的控制模型，对于气动焊机是恒定气压，而对于伺服焊枪则是恒定转矩。从控制的观点来看：气动焊机是开环控制，伺服焊枪则是具有反馈的闭环控制。相应地，伺服焊枪电极的运动和力就可以得到更加精确的控制。这些新的技术特点和功能可以使焊接过程更易控制，焊机更易操作，并可提高焊点质量。综上所述，和气动焊枪相比，伺服焊枪的优势是显而易见的。首先，伺服焊枪能够提高焊接过程的生产率；其次，由于焊接过程参数，例如电极力和电极位移可从伺服电机中获得，伺服焊枪为过程监控、诊断和补偿提供了新的可能；第三，伺服焊枪可以得到焊接过程中所需的锻压力，从而可以提高焊点质量；第四，由于电极运动的可控性，电极与工件接触时冲击小，噪声低，有助于改善工作环境，提高电极寿命。利用伺服焊枪及其控制特性可以稳定点焊规范参数，实现点焊故障的在线检测。因此，伺服焊枪的特征和优点决定伺服焊枪能极好替代现有点焊机。伺服焊枪点焊试验系统伺服焊枪点焊试验系统主要由伺服焊枪、焊接机器人、机器人控制器和焊接控制器四部分组成（如图4）。通过系统集成（如图5）实现控制信号传输，完成程序初始化，实现机器人控制器对伺服焊枪电极运动的精确控制。系统采用Fanuc机器人、Obara公司的伺服焊枪和焊接控制器。机器人与机器人控制器之间通过Fanuc公司专用电缆连接，包括机器人六轴伺服电源线、信号线、焊枪轴伺服电源线、信号线、DeviceNet电源线、信号线以及接地线。机器人控制器和焊接控制器之间通过Fanuc公司提供的ProcessI/O板连接，在焊接过程中传递焊接信号，包括四线的程序选通信号、焊接允许信号、焊接完毕接收信号、焊接控制器和机器人通过变压器电源线和温控反馈线路连接等。图4包括伺服焊枪、机器人和焊接控制器的点焊试验系统图5机器人控制器和焊接控制器的集成传输焊接信号的详细配置方案如下：利用端子台的SDO21~SDO24口作为焊接程序片选信号GO[1]，将其分别连接到四路电磁继电器的电源输入端的负极，而继电器输入端的正极连接到公共端+24E，电磁继电器的输出常开触点连接到焊接控制器焊接程序片选信号输入端；端子台的SDO25为焊接允许信号DI[5]，将它和+24E分别连接到电磁继电器输入的负极和正极，继电器输出常开触点连接到焊接控制器焊接允许信号输入端;端子台SDI23为焊接完毕信号，将它和+24E直接连接到焊接控制器焊接完毕信号输出端。试验系统程序初始化图6系统程序初始化流程图试验系统集成后，需要对伺服焊枪轴的控制参数进行配置，采用机器人控制器TP来实现，试验系统程序初始化流程如图6所示。伺服焊枪作为机器人的第七轴，由机器人控制器中专门的伺服单元控制，为了实现复杂的点焊过程，需要进行一系列的初始化设置：包括第七轴的零点复归，上下限位设置，Autotune测试焊枪机械机构性能，伺服焊枪general设置等，关键设置步骤如下：1)零点复归：采用单轴Mastering，将上电极移动到下电极位置，反复测量执行完毕后返回上级菜单，零点复归执行完毕。2)上下限位设置，选择F1（Type）—AxisLimits选项，确定焊枪轴的下限位，通常设成2~5mm，以防下落距离太长致使撞坏电极杆，设置上限位时，将上电极移动到上极限位置，按下Position键，观察此时上电极的位置，选择小于该值的数值作为上限位值，设置完毕，重新启动机器。3)Autotune焊枪性能测试，按Menu—Utilities—F1（Type）—Autotune选项，进入操作界面，按照提示逐步进行设置，设置完毕后将开关调到T2模式下，在Select菜单下选择Autotune程序，自动运行该程序完成性能测试。4)伺服焊枪general设置，在menu—setup—ServoGun菜单下，选择generalsetup，进Detail进行设置，设置每一个选项，其中：必须正确设置PressureCal选项，如不进行此项设置，则无法进行焊枪加压操作。具体设置方法如下，进入Detail，选择加压时间，测试压力表的厚度，电机输出转矩（以额定转矩的百分比设置），电极下落，用压力表测试电极压力，记录下各个转矩所对应的压力值，按照同样的方式，测试尽可能多的组数，记录完毕，按照提示完成该选项设置，系统会显示操作完成。伺服焊枪点焊编程实现伺服焊枪试验系统通过机器人TP控制软件程序实现点焊基本操作。利用processI/O板连接机器人控制器和焊接控制器，完成点焊过程和焊接规范参数的选取。点焊编程指令为Spot[P=m,S=n,BU=i]，主要工作是设置这三项参数，其中：P为压力参数，决定点焊整个过程的压力曲线；S为焊接程序号，决定I/O口输出值，选通焊接控制器中某个焊接程序，实现焊接电流和时间的选取；BU为打开焊枪参数，决定焊枪在焊接完毕后的打开量，必须正确设置这三个选项才能实现正常的点焊编程操作。具体设置步骤如下：（1）P设置：在DATA—F1（Type）—Pressure菜单下，选中点焊过程所需的电极压力值，进入具体界面设置（如图7），在此设置电极压力、工件厚度、电极压入工件深度、焊枪浮动补偿、焊接指令延时等。在AutoRoute下，设置焊接过程中电极的接近位置、开始加压位置、压力位置、加压结束位置等（如图8）。在pressureprofile下，设置焊接预压力和预压时间、焊接通电过程中的压力和时间、焊后保持压力和时间（如图9）。图7压力参数配置表图8伺服焊枪点焊编程操作的5个阶段图9电极压加持间间参数设置（2）S设置：焊接程序选择设置，S为选通的某个焊接程序号。具体操作为焊接过程中，机器人控制器发出的焊接程序号存放在weldschedule寄存器中，该寄存器通过I/O口设置为Group1的输出，Group1输出绑定了4个I/O通道为一组，通过电磁继电器对应于焊接控制器中4个程序选通开关，选通预定焊接程序。（3）BU设置：打开焊枪号设置，在Data—BackUp菜单下为不同的打开焊枪号设置不同的打开幅度。(end)