点焊机器人气动枪与伺服枪优劣分析

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1、点焊机器人气动枪与伺服枪优劣分析韦子坚;杨本周;倪炳林;温柳川;赵继太【摘要】在自动化焊接线中，点焊机器人所使用的焊枪按工作方式分为气动焊枪与 伺服焊枪，两种焊枪在使用与维修中各有优缺点.由于结构的不同在维修与控制中有 着很大的差别，影响设备利用率.了解两种焊接设备的原理及差异,是分析、解决问题 的关键.【期刊名称】装备制造技术 【年(卷)，期】2016(000)011 【总页数】4页(P170-173) 【关键词】电阻焊;伺服焊枪;气动焊枪 【作者】韦子坚;杨本周;倪炳林;温柳川;赵继太【作者单位】柳州五菱汽车工业有限公司广西柳州545007;柳州五菱汽车工业有 限公司广西柳州545007;

2、柳州五菱汽车工业有限公司广西柳州I 545007;柳州五菱 汽车工业有限公司广西柳州I 545007;柳州五菱汽车工业有限公司广西柳州 545007【正文语种】中文【中图分类】TG43 点焊是将被焊工件压紧于两电极之间，并通以电流，利用电流通过接头流经工件接 触面及附近区域产生的电阻热效应将工件加热到熔化状态，使两工件形成金属结合 的应用方式。现代汽车制造业，零部件下车体焊接、车身焊接的设备主要为气动点 焊枪。随着气动点焊技术的不断改进、发展，气动枪在技术上已经趋于成熟，焊接 的质量和效率得到很大的提高。但是随着汽车行业对焊接要求的提高，传统的气动 枪无论怎么优化还是暴露出许多的问题，如：无法

3、控制焊接冲力、无法控制电极磨 损量、焊接效率低下、脱焊漏焊等质量问题经常发生，也无法跟上汽车自动化生产 线的发展需求1。因此诞生了伺服控制系统控制的伺服焊枪，它具有较高的焊接 效率、焊接质量、电极定位、焊接板件冲力小等特点，成为汽车行业点焊中大家争 先使用的设备，也是焊接发展的一个趋势。1.1气动焊枪结构与伺服焊枪结构以我公司使用的安装在FANUC机器人上的小原焊枪为例。机器人气动焊枪由枪体 （ARM）、电极连杆、电极杆、导电铜带、软硬链接等组成，分为RTC和RTX 型伺服焊枪，即是用伺服马达配合减速齿轮（匹配马达转速/负载）驱动焊枪机械 臂运动，完成焊枪的焊接动作。结构有焊枪臂部分（和气动一

4、样）、伺服电机、焊 枪绝缘垫、焊接变压器。和气动焊枪相比较而言，伺服焊枪在结构上的最大变化就 是用伺服电机驱动代替了气缸或其他气动装置驱动，按照机器人控制器编写好的程 序，由控制柜伺服驱动单元发出命令，使伺服电机按照原设定好的速度、进给量形 成脉冲指令通过伺服放大器传到伺服电机编码器，最后控制电极形成速度与位移， 脉冲发出的频率和数量决定了速度及位移量，电机转矩决定了接触压力的大小。如 图1、图2所示。1.2气动焊枪焊接控制过程点焊是板件组合后通过焊枪电极头对其施加压力，使被焊板件紧密有效地接触并形 成回路，通过合适的焊接电流，在板件电阻的作用下产生电阻热，使接触部分熔化， 让板件能够牢固的焊

5、接在一起。整个点焊的工艺过程可以分为预压、通电、断电锻 压三个阶段，板件接触部位通电时产生的热量由Q=I2Rt来决定。式中的I为焊接 通电电流；R为板件电阻；t为导电时间。通过上式可以看出，焊接通电电流、板 件间的电阻、导电时间是决定焊接质量的关键因素，板件的电阻即两层或多层板接 触部分的电阻，接触部分又是由电极加压压力来决定的。所以说点焊的三大要素可 以归结为：焊接电流、加压压力、焊接时间。想要达到最好的焊接质量，就要调试 出最佳的焊接参数，这与工件表面的热处理、焊机电流、电极压力与焊机通电时间 都有着莫大的关系2。既然焊枪的压力大小决定了焊接的质量，那么焊接过程中焊枪压力的控制成为机器 人

6、点焊的关键部分，如图3所示。图3中为气动点焊枪的加压控制系统，在焊接过程中根据机器人内部设定与反馈 的焊接参数的不同，机器人控制单元向比例阀加压控制单元输出一个压力输出信号， 并根据设定的具体压力数值控制比例阀的开度。加压压力控制单元主要由气动比例 阀和换向阀组成，根据输入不同大小的压力信号成比例地向加压气缸提供相应压力 大小的压缩空气。加压气缸有一定压力后通过活塞连杆带动焊枪电极上下移动，对 需要焊接的板件施加设定的压力。气动焊接控制柜和机器人控制装置，使用DeviceNet I/O通信，进行焊接使能信号、焊接完成信号、焊接故障异常信号等的收发。如图4所示。焊枪加压与电流需要焊接控制器发出焊

7、接开始信号，在加压完成之后PLC会反馈 给焊接控制柜，此时焊接控制柜会发出焊接指令，让接触器吸合，电流通过变压器 进行放大之后传到接触好的工件产生热量使两层板件被焊接在一起。1.3伺服焊枪焊接控制过程伺服焊枪的焊接过程可以分为渐进、加压、通电、保持、焊接完成五个阶段。（1）渐进阶段伺服控制单元将电极速度、运动大小通过编码器传给伺服电机，然 后焊枪开始根据脉冲量进行运动，上电极臂刚开始以较快的渐进速度往下工件分析 运动，在快接近工件时，脉冲量发生变化，此时电极将降为较低的前进速度运动。（2）加压阶段安装在机器人六轴手臂上的伺服焊枪，能够实现和机器人的有效集 成，电机轴可成为连接在机器人伺服放大器

8、上的第七轴，通过齿轮齿条等传动机构 控制着上电极臂（动臂）往静臂的运动，动静臂的对中良好，在与工件接触时，根 据编写好的有效程序指令控制焊枪的运动轨迹，焊机控制柜通过以太网将焊接压力 参数信号传给机器人控制柜，使焊枪在合理电极压力下保持良好的接触。（3）通电焊接阶段当动静臂与工件完美的接触并达到焊机设定的压力参数后，焊 接控制柜通电接通进行焊接。在焊接初期，电极接触部分的板件受热膨胀，产生热 膨胀力，伺服焊枪通过伺服电机对电极力进行精确控制，焊接保持后期，受热区逐 渐冷却电极受力减小，电极下移，使受热区能够较好的结晶。（4）保持与结束阶段在焊接开始后，焊接控制柜会根据预设定的焊接时间计算焊 接

9、时序，会根据设定值给反馈一个保持时间的信号。焊接结束后，焊机会给机器人 控制柜发送焊接完成信号，最后结束焊接过程。如图5所示。2.1安装方面气动枪需要连接水单元和气单元，而伺服枪只需安装进出水单元。伺服枪在安装管 线包时要加入伺服放大器到伺服电机端的电源线与编码线，气动焊枪只需直接连接 变压器、气缸。由于伺服焊枪相当于添加的机器人外部轴，需要用到而外的伺服放 大器（六轴之外），因此安装时需要考虑接入线路的可靠性与有效性，气动枪安装 时则不用考虑和机器人控制柜的通信。2.2焊接加压阶段气动枪加压渐进阶段，是由比例阀气压量来决定，无法具体的控制加压的速度。而 伺服焊枪通过机器人伺月艮系统有效地控制

10、焊枪的加减速，实现与工件的良好接触， 减小焊枪闭合过程对电极头与工件的损伤，延长电极头使用时间，节约成本。下图 为气动枪和伺服枪的预压速度分析图，从图6、7中可以看出，气动枪的闭合速度 较快难以控制，容易对板件产生较大损坏，而伺服枪有良好的速度变化过程，对电 极头损伤较小。两种焊枪在焊接相同状态的工件时，在加压阶段接近工件的行程方式也有很大的不 同，伺服枪有编码器的存在，能够灵活的检测被焊工件在动静臂之间的位置，并且 进行合理的调整。而气动枪的行程确定则是由大开小开行程开关决定的，在过程中 是不可更改的。2.3压紧阶段在加压完成之后电极刚接触工件产生压力的瞬间，都会不可避免的对工件产生作用 力

11、，两种焊枪的电极力比较如图8所示。从图中可以看出，由于气动焊枪的加压 过程是不可控的，在接近工件的时候依然保持较大的速度，对工件的冲击力较大， 严重缩短了电极使用寿命。而伺服焊枪是在编码器高精度下控制其加压过程，有很 好的加减速控制，在接近工件时速度较小，对板件冲击力不大，大大提高了使用寿 命。2.4电极磨损补偿特性电极头磨损量补偿是这样一种功能，它相对基于焊接和电极头修磨等伺服焊枪的电 极头的磨损，在执行点焊指令和加压指令时进行电极头前端位置的补偿，该功能是 伺服焊枪的特有功能。电极磨损量对焊接质量有很大的影响，电极帽使用过多后， 端面的锥度会减小，此时进行焊接时流过端面的电流会比较分散，使

12、得接触位置变 大，受热不均匀，会出现边缘焊、脱焊等问题，因此快速的监测与补偿电极磨损量 是极为重要的。通过试验分析，在焊接普通的钢板时，伺服枪磨损率为0.5 mm/500点上下，当焊接达到预设好的点数之后，动静臂会闭合，编码器将计算 出的当前中心位置和最初的值进行比较，得出差值之后进行轴向补偿，以减小换新 电极头前对焊接质量造成的影响3。2.5其他比较对于焊接质量的控制，气动焊枪只能通过改变气压大小、电流大小来控制，这种方 式在很多时候效果不大理想且更改较为麻烦。伺服焊枪则是通过伺服电机电流的调 整改变电机扭矩和电极压力，只需调整电极压力便可以有效地控制焊接质量，比起 气动焊枪来更加的有效和快

13、捷。伺服焊枪还有重力补偿功能与温度补偿功能。重力补偿功能：根据焊接姿势，伺服 焊枪的电极头前端和驱动系统会受到焊枪可动部重力的影响，因而实际压力会相对 所期望的压力而发生变动。点焊中，压力的变动会导致焊接剥落和飞溅，对焊接质 量产生不良影响。重力补偿功能可根据焊接姿势来抑制因焊枪可动部的重力造成的 压力变动，可以使得与焊接质量相关的实际压力靠近压力指令值。C钳和X钳可 使用重力补偿功能。温度补偿功能，可以减缓因伺服焊枪驱动用电机的温度变化而引起的压力变动。通过本文的分析可以看出，伺服焊枪在很多方面，如：预压压力的控制、前进速度 的控制、焊接时间的控制等方面都是优于气动焊枪的。在企业核心竞争力中，质量 是关键因素。因此，为了保证产品的质量，使用伺服焊枪来进行点焊，而不是全部 使用气动焊枪，是提高产品质量及企业竞争力的重要措施。【相关文献】1 张旭强，陈关龙.电阻点焊的伺服焊枪技术特性分析J.焊接学报，2005(6)： 60-64.2 刘跃敏，韩建海，赵书简.点焊机器人焊枪加压控制系统设计J .煤矿机械，2009 ( 2 ):38- 39.3 谢诚侃.浅谈气动焊枪与伺服焊枪在实际使用及维护中的优却劣比较J .中国新技术新产品， 2013 ,33 ( 1 ): 1-6.