伺服焊枪技术在汽车车身制造中的应用研究11208.docx

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1、伺服焊枪技术在汽车车身制造中的应用研究作者：上海海交通大学学 张延松松伺服焊枪使使用带有数数字控制的的伺服电机机，是应用用在焊机上上的最新技技术。本文文就伺服焊焊枪的新特特征与传统统的气动焊焊枪进行对对比分析，并并在此基础础上介绍包包括伺服焊焊枪、机器器人和焊接控制器器的点焊试试验系统，以以及如何利利用伺服焊焊枪试验系系统实现焊焊接参数的的准确获取取。 电阻点焊焊是一种主主要的薄板板连接方法法，广泛应应用于汽车车及航空等等工业部门门。自19933年第第一辆主要要由点焊连连接完成的的汽车下线线以来，电电阻点焊的的应用已经经获得了突突飞猛进的的发展。尽尽管近年来来各国学者者相继提出出了许多新新型薄

2、板连连接技术，但但电阻点焊焊以其低成成本，易实实现高速自自动化生产产等特点，决决定其仍然然是轿车白白车身装配配的主要连连接方法。 在点焊过过程中点焊焊机是用以以实现所选选用的焊接接方法及工工艺参数的的焊接设备备，焊接质质量的好坏坏多由焊机机决定。其其中，最常常用的类型型是气动焊焊机，这种种类型的焊焊机现如今今仍被广泛泛地应用在在汽车工业业中。虽然然将气动和和液动技术术同时应用用的新型气气动焊机有有了更多的的功能，但但由于焊机机的价格和和保养等问问题，此类类型焊机并并没有在汽汽车工业中中得到很好好的应用。 伺服焊枪枪对于汽车车车身装配配生产线来来说相对较较新，最近近几年，RRenauult、MM

3、azdaa、Toyyota、FFord等等汽车公司司都已将伺伺服焊枪应应用到汽车车车身装配配生产线上上。实际应应用表明：伺服焊枪枪有着传统统气动焊机机所无法具具有的优点点，是未来来汽车装配配生产线上上主要的点点焊连接设设备。 伺伺服焊枪的的新技术特特性 近年年来由交流流伺服电机机驱动的CC 型或XX 型伺服服焊枪（如如图1）搭搭载在可以以移动的77轴机器人人上进行车车身薄板连连接的点焊焊设备正在在增多。相相比较气动动焊枪，伺伺服焊枪的的最大特点点是以伺服服装置代替替气动装置置，按照预预先编制程程序，由伺伺服控制器器发出指令令，控制伺伺服电机按按照既定速速度、位移移进给，形形成对电极极位移与速速

4、度的精确确控制，脉脉冲数量与与频率决定定电极位移移与速度，电电机转矩决决定电极压压力。 图1 伺服服焊枪结构构示意图由于伺服焊焊枪是由伺伺服电机驱驱动，可以以对焊接过过程进行精精确控制，同同时，伺服服焊枪利用用伺服电机机驱动加压压轴，因而而可以协调调控制好焊焊枪的移动动轴， 实实现有效的的焊点间移移动，以前前气动焊枪枪无法实现现的焊接位位置现都可可以由伺服服焊枪来实实现。 精精确控制电电极运动速速率：气动动焊枪的电电极运动靠靠气缸来控控制，这使使电极运动动速率很难难精确控制制，电极运运动的高速速率，会造造成电极与与工件接触触时的冲击击很大，致致使电极力力会发生短短时间的振振荡，从而而影响电极极

5、寿命。而而对于伺服服焊枪，电电极的运动动由伺服电电机控制，能能够很好地地控制电极极运动速率率，使电极极与工件接接触时的冲冲击很小，从从而提高电电极寿命。如如图2所示示，在电极极力达到稳稳定之前，伺伺服焊枪在在电极接触触过程中电电极力没有有明显的振振荡现象，电电极运动得得到了很好好的控制。 图2 气动动焊机与伺伺服焊枪电电极接触时时力的变化化曲线提高点焊生生产率：图图3显示了了气动焊机机和伺服焊焊枪在焊接接过程中电电极力的变变化，假定定达到设定定预压力，电电极力将保保持恒定。从从中可以看看出，气动动焊机的预预压时间大大约为300个周波（00.6秒），而而伺服焊枪枪则只用了了8个周波波（0.116

6、秒）预预压时间就就达到了设设定压力。对对比来看，伺伺服焊枪完完成一个焊焊点所用的的焊接时间间为43个个周波（00.86秒秒），气动动焊机则需需65个周周波(1.3秒)。也也就是说，用用伺服焊枪枪完成一个个焊点要节节省0.444秒的焊焊接时间。相相对于一台台轿车的几几千个焊点点，每个焊焊点节省00.44秒秒的焊接时时间对装配配过程生产产率的提高高就非常重重要，轿车车车身装配配线的生产产能力就可可以大大提提高。另外外，可编程程电极行程程和速度也也可以缩短短同一工位位上多个焊焊点的预压压持续时间间，这也可可以提高焊焊接生产率率。 图3 气动动焊机和伺伺服焊枪的的预压时间间对比可获得锻压压力：焊接接过

7、程的可可控性要归归功于伺服服电机和它它的控制技技术。由于于可以容易易地改变电电极压力，焊焊接过程中中锻压力的的获得就变变得可能。 可获得电电极力和电电极位移：伺服电机机转矩和速速度作为电电机控制器器的输出量量，其变化化量可以容容易地转变变为电极力力和电极位位置的变化化，并且使使电极力和和电极位移移信号的在在线实时监监控变得可可行，电极极位置、在在线失效探探测和电极极补偿的准准确测量也也就比气动动焊机更容容易。 伺伺服电机技技术给点焊焊机和焊接接过程带来来新的技术术特性，主主要是由伺伺服电机和和相应控制制技术的固固有特性所所决定。伺伺服焊枪和和常规的气气动焊枪之之间的主要要差别在于于它们的输输入

8、量和相相应的控制制模型，对对于气动焊焊机是恒定定气压，而而对于伺服服焊枪则是是恒定转矩矩。从控制制的观点来来看：气动动焊机是开开环控制，伺伺服焊枪则则是具有反反馈的闭环环控制。相相应地，伺伺服焊枪电电极的运动动和力就可可以得到更更加精确的的控制。这这些新的技技术特点和和功能可以以使焊接过过程更易控控制，焊机机更易操作作，并可提提高焊点质质量。 综综上所述，和和气动焊枪枪相比，伺伺服焊枪的的优势是显显而易见的的。首先，伺伺服焊枪能能够提高焊焊接过程的的生产率；其次，由由于焊接过过程参数，例例如电极力力和电极位位移可从伺伺服电机中中获得，伺伺服焊枪为为过程监控控、诊断和和补偿提供供了新的可可能；第

9、三三，伺服焊焊枪可以得得到焊接过过程中所需需的锻压力力，从而可可以提高焊焊点质量；第四，由由于电极运运动的可控控性，电极极与工件接接触时冲击击小，噪声声低，有助助于改善工工作环境，提提高电极寿寿命。利用用伺服焊枪枪及其控制制特性可以以稳定点焊焊规范参数数，实现点点焊故障的的在线检测测。因此，伺伺服焊枪的的特征和优优点决定伺伺服焊枪能能极好替代代现有点焊焊机。 伺伺服焊枪点点焊试验系系统 伺服服焊枪点焊焊试验系统统主要由伺伺服焊枪、焊焊接机器人人、机器人人控制器和和焊接控制制器四部分分组成（如如图4）。通通过系统集集成（如图图5）实现现控制信号号传输，完完成程序初初始化，实实现机器人人控制器对对

10、伺服焊枪枪电极运动动的精确控控制。系统统采用Faanuc机机器人、OObaraa公司的伺伺服焊枪和和焊接控制制器。机器器人与机器器人控制器器之间通过过Fanuuc公司专专用电缆连连接，包括括机器人六六轴伺服电电源线、信信号线、焊焊枪轴伺服服电源线、信信号线、DDevicce Neet电源线线、信号线线以及接地地线。机器器人控制器器和焊接控控制器之间间通过Faanuc公公司提供的的Proccess I/O板板连接，在在焊接过程程中传递焊焊接信号，包包括四线的的程序选通通信号、焊焊接允许信信号、焊接接完毕接收收信号、焊焊接控制器器和机器人人通过变压压器电源线线和温控反反馈线路连连接等。 图4 包括

11、括伺服焊枪枪、机器人人和焊接控控制器的点点焊试验系系统图5 机器器人控制器器和焊接控控制器的集集成传输焊接信信号的详细细配置方案案如下：利利用端子台台的SDOO21SSDO244口作为焊焊接程序片片选信号GGO1，将其分分别连接到到四路电磁磁继电器的的电源输入入端的负极极，而继电电器输入端端的正极连连接到公共共端+244E，电磁磁继电器的的输出常开开触点连接接到焊接控控制器焊接接程序片选选信号输入入端；端子子台的SDDO25为为焊接允许许信号DII5，将将它和+224E分别别连接到电电磁继电器器输入的负负极和正极极，继电器器输出常开开触点连接接到焊接控控制器焊接接允许信号号输入端; 端子台台S

12、DI223为焊接接完毕信号号，将它和和+24EE直接连接接到焊接控控制器焊接接完毕信号号输出端。 试验系统统程序初始始化 图6 系统统程序初始始化流程图图试验系统集集成后，需需要对伺服服焊枪轴的的控制参数数进行配置置，采用机机器人控制制器TP来来实现，试试验系统程程序初始化化流程如图图6所示。伺伺服焊枪作作为机器人人的第七轴轴，由机器器人控制器器中专门的的伺服单元元控制，为为了实现复复杂的点焊焊过程，需需要进行一一系列的初初始化设置置：包括第第七轴的零零点复归，上上下限位设设置，Auutotuune测试试焊枪机械械机构性能能，伺服焊焊枪gennerall设置等，关关键设置步步骤如下： 1) 零

13、点复归归：采用单单轴Massteriing，将将上电极移移动到下电电极位置，反反复测量执执行完毕后后返回上级级菜单，零零点复归执执行完毕。 2) 上上下限位设设置，选择择F1（TType）Axiss Limmits选选项，确定定焊枪轴的的下限位，通通常设成225mmm，以防下下落距离太太长致使撞撞坏电极杆杆，设置上上限位时，将将上电极移移动到上极极限位置，按按下Possitioon键，观观察此时上上电极的位位置，选择择小于该值值的数值作作为上限位位值，设置置完毕，重重新启动机机器。 33) Auutotuune焊枪枪性能测试试，按MeenuUUtiliitiessF1（TType）Autoot

14、unee选项，进进入操作界界面，按照照提示逐步步进行设置置，设置完完毕后将开开关调到TT2模式下下，在Seelectt菜单下选选择Auttotunne程序，自自动运行该该程序完成成性能测试试。 4) 伺服焊焊枪gennerall设置，在在menuusettupSServoo Gunn菜单下，选选择gennerall settup，进进Detaail进行行设置，设设置每一个个选项，其其中：必须须正确设置置Presssuree Call选项，如如不进行此此项设置，则则无法进行行焊枪加压压操作。具具体设置方方法如下，进进入Dettail，选选择加压时时间，测试试压力表的的厚度，电电机输出转转矩（以额

15、额定转矩的的百分比设设置），电电极下落，用用压力表测测试电极压压力，记录录下各个转转矩所对应应的压力值值，按照同同样的方式式，测试尽尽可能多的的组数，记记录完毕，按按照提示完完成该选项项设置，系系统会显示示操作完成成。 伺服服焊枪点焊焊编程实现现 伺服焊焊枪试验系系统通过机机器人TPP控制软件件程序实现现点焊基本本操作。利利用proocesss I/OO板连接机机器人控制制器和焊接接控制器，完完成点焊过过程和焊接接规范参数数的选取。点点焊编程指指令为SppotPP=m, S=n, BU=i，主主要工作是是设置这三三项参数，其其中：P为为压力参数数，决定点点焊整个过过程的压力力曲线；SS为焊接程

16、程序号，决决定I/OO口输出值值，选通焊焊接控制器器中某个焊焊接程序，实实现焊接电电流和时间间的选取；BU为打打开焊枪参参数，决定定焊枪在焊焊接完毕后后的打开量量，必须正正确设置这这三个选项项才能实现现正常的点点焊编程操操作。具体体设置步骤骤如下： （1） P设置：在DATTAF11（Typpe）PPresssure菜菜单下，选选中点焊过过程所需的的电极压力力值，进入入具体界面面设置（如如图7），在在此设置电电极压力、工工件厚度、电电极压入工工件深度、焊焊枪浮动补补偿、焊接接指令延时时等。在AAuto Routte下，设设置焊接过过程中电极极的接近位位置、开始始加压位置置、压力位位置、加压压结

17、束位置置等（如图图8）。在在presssuree proofilee下，设置置焊接预压压力和预压压时间、焊焊接通电过过程中的压压力和时间间、焊后保保持压力和和时间（如如图9）。 图7 压力力参数配置置表图8 伺服服焊枪点焊焊编程操作作的5个阶阶段图9 电极极压加持间间间参数设设置（2） SS设置：焊焊接程序选选择设置，SS为选通的的某个焊接接程序号。具具体操作为为焊接过程程中，机器器人控制器器发出的焊焊接程序号号存放在wweld scheedulee寄存器中中，该寄存存器通过II/O口设设置为Grroup11的输出，GGroupp1输出绑绑定了4个个I/O通通道为一组组，通过电电磁继电器器对应于焊焊接控制器器中4个程程序选通开开关，选通通预定焊接接程序。 （3） BU设置置：打开焊焊枪号设置置，在DaataBBackUUp菜单下下为不同的的打开焊枪枪号设置不不同的打开开幅度。(end)