伺服焊槍技術(shù)在汽車車身制造中的應(yīng)用研究

發(fā)布日期:2011-11-25    蘭生客服中心    瀏覽:1600

    伺服焊槍使用帶有數(shù)字控制的伺服電機(jī),是應(yīng)用在焊機(jī)上的最新技術(shù)。本文就伺服焊槍的新特征與傳統(tǒng)的氣動焊槍進(jìn)行對比分析,并在此基礎(chǔ)上介紹包括伺服焊槍、機(jī)器人和焊接控制器的點(diǎn)焊試驗(yàn)系統(tǒng),以及如何利用伺服焊槍試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)的準(zhǔn)確獲取。



圖1 伺服焊槍結(jié)構(gòu)示意圖


    電阻點(diǎn)焊是一種主要的薄板連接方法,廣泛應(yīng)用于汽車及航空等工業(yè)部門。自1933年第一輛主要由點(diǎn)焊連接完成的汽車下線以來,電阻點(diǎn)焊的應(yīng)用已經(jīng)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。盡管近年來各國學(xué)者相繼提出了許多新型薄板連接技術(shù),但電阻點(diǎn)焊以其低成本,易實(shí)現(xiàn)高速自動化生產(chǎn)等特點(diǎn),決定其仍然是轎車白車身裝配的主要連接方法。
    在點(diǎn)焊過程中點(diǎn)焊機(jī)是用以實(shí)現(xiàn)所選用的焊接方法及工藝參數(shù)的焊接設(shè)備,焊接質(zhì)量的好壞多由焊機(jī)決定。其中,最常用的類型是氣動焊機(jī),這種類型的焊機(jī)現(xiàn)如今仍被廣泛地應(yīng)用在汽車工業(yè)中。雖然將氣動和液動技術(shù)同時應(yīng)用的新型氣動焊機(jī)有了更多的功能,但由于焊機(jī)的價格和保養(yǎng)等問題,此類型焊機(jī)并沒有在汽車工業(yè)中得到很好的應(yīng)用。
    伺服焊槍對于汽車車身裝配生產(chǎn)線來說相對較新,最近幾年,Renault、Mazda、Toyota、Ford等汽車公司都已將伺服焊槍應(yīng)用到汽車車身裝配生產(chǎn)線上。實(shí)際應(yīng)用表明:伺服焊槍有著傳統(tǒng)氣動焊機(jī)所無法具有的優(yōu)點(diǎn),是未來汽車裝配生產(chǎn)線上主要的點(diǎn)焊連接設(shè)備。
伺服焊槍的新技術(shù)特性
    近年來由交流伺服電機(jī)驅(qū)動的C 型或X 型伺服焊槍(如圖1)搭載在可以移動的7軸機(jī)器人上進(jìn)行車身薄板連接的點(diǎn)焊設(shè)備正在增多。相比較氣動焊槍,伺服焊槍的最大特點(diǎn)是以伺服裝置代替氣動裝置,按照預(yù)先編制程序,由伺服控制器發(fā)出指令,控制伺服電機(jī)按照既定速度、位移進(jìn)給,形成對電極位移與速度的精確控制,脈沖數(shù)量與頻率決定電極位移與速度,電機(jī)轉(zhuǎn)矩決定電極壓力。
    由于伺服焊槍是由伺服電機(jī)驅(qū)動,可以對焊接過程進(jìn)行精確控制,同時,伺服焊槍利用伺服電機(jī)驅(qū)動加壓軸,因而可以協(xié)調(diào)控制好焊槍的移動軸, 實(shí)現(xiàn)有效的焊點(diǎn)間移動,以前氣動焊槍無法實(shí)現(xiàn)的焊接位置現(xiàn)都可以由伺服焊槍來實(shí)現(xiàn)。



圖2 氣動焊機(jī)與伺服焊槍電極接觸時力的變化曲線


 


圖3 氣動焊機(jī)和伺服焊槍的預(yù)壓時間對比


    精確控制電極運(yùn)動速率:氣動焊槍的電極運(yùn)動靠氣缸來控制,這使電極運(yùn)動速率很難精確控制,電極運(yùn)動的高速率,會造成電極與工件接觸時的沖擊很大,致使電極力會發(fā)生短時間的振蕩,從而影響電極壽命。而對于伺服焊槍,電極的運(yùn)動由伺服電機(jī)控制,能夠很好地控制電極運(yùn)動速率,使電極與工件接觸時的沖擊很小,從而提高電極壽命。如圖2所示,在電極力達(dá)到穩(wěn)定之前,伺服焊槍在電極接觸過程中電極力沒有明顯的振蕩現(xiàn)象,電極運(yùn)動得到了很好的控制。
    提高點(diǎn)焊生產(chǎn)率:圖3顯示了氣動焊機(jī)和伺服焊槍在焊接過程中電極力的變化,假定達(dá)到設(shè)定預(yù)壓力,電極力將保持恒定。從中可以看出,氣動焊機(jī)的預(yù)壓時間大約為30個周波(0.6秒),而伺服焊槍則只用了8個周波(0.16秒)預(yù)壓時間就達(dá)到了設(shè)定壓力。對比來看,伺服焊槍完成一個焊點(diǎn)所用的焊接時間為43個周波(0.86秒),氣動焊機(jī)則需65個周波(1.3秒)。也就是說,用伺服焊槍完成一個焊點(diǎn)要節(jié)省0.44秒的焊接時間。相對于一臺轎車的幾千個焊點(diǎn),每個焊點(diǎn)節(jié)省0.44秒的焊接時間對裝配過程生產(chǎn)率的提高就非常重要,轎車車身裝配線的生產(chǎn)能力就可以大大提高。另外,可編程電極行程和速度也可以縮短同一工位上多個焊點(diǎn)的預(yù)壓持續(xù)時間,這也可以提高焊接生產(chǎn)率。
    可獲得鍛壓力:焊接過程的可控性要?dú)w功于伺服電機(jī)和它的控制技術(shù)。由于可以容易地改變電極壓力,焊接過程中鍛壓力的獲得就變得可能。
    可獲得電極力和電極位移:伺服電機(jī)轉(zhuǎn)矩和速度作為電機(jī)控制器的輸出量,其變化量可以容易地轉(zhuǎn)變?yōu)殡姌O力和電極位置的變化,并且使電極力和電極位移信號的在線實(shí)時監(jiān)控變得可行,電極位置、在線失效探測和電極補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確測量也就比氣動焊機(jī)更容易。
    伺服電機(jī)技術(shù)給點(diǎn)焊機(jī)和焊接過程帶來新的技術(shù)特性,主要是由伺服電機(jī)和相應(yīng)控制技術(shù)的固有特性所決定。伺服焊槍和常規(guī)的氣動焊槍之間的主要差別在于它們的輸入量和相應(yīng)的控制模型,對于氣動焊機(jī)是恒定氣壓,而對于伺服焊槍則是恒定轉(zhuǎn)矩。從控制的觀點(diǎn)來看:氣動焊機(jī)是開環(huán)控制,伺服焊槍則是具有反饋的閉環(huán)控制。相應(yīng)地,伺服焊槍電極的運(yùn)動和力就可以得到更加精確的控制。這些新的技術(shù)特點(diǎn)和功能可以使焊接過程更易控制,焊機(jī)更易操作,并可提高焊點(diǎn)質(zhì)量。
    綜上所述,和氣動焊槍相比,伺服焊槍的優(yōu)勢是顯而易見的。首先,伺服焊槍能夠提高焊接過程的生產(chǎn)率;其次,由于焊接過程參數(shù),例如電極力和電極位移可從伺服電機(jī)中獲得,伺服焊槍為過程監(jiān)控、診斷和補(bǔ)償提供了新的可能;第三,伺服焊槍可以得到焊接過程中所需的鍛壓力,從而可以提高焊點(diǎn)質(zhì)量;第四,由于電極運(yùn)動的可控性,電極與工件接觸時沖擊小,噪聲低,有助于改善工作環(huán)境,提高電極壽命。利用伺服焊槍及其控制特性可以穩(wěn)定點(diǎn)焊規(guī)范參數(shù),實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊故障的在線檢測。因此,伺服焊槍的特征和優(yōu)點(diǎn)決定伺服焊槍能極好替代現(xiàn)有點(diǎn)焊機(jī)。



圖4 包括伺服焊槍、機(jī)器人和焊接控制器的點(diǎn)焊試驗(yàn)系統(tǒng)



圖5 機(jī)器人控制器和焊接控制器的集成


伺服焊槍點(diǎn)焊試驗(yàn)系統(tǒng)
    伺服焊槍點(diǎn)焊試驗(yàn)系統(tǒng)主要由伺服焊槍、焊接機(jī)器人、機(jī)器人控制器和焊接控制器四部分組成(如圖4)。通過系統(tǒng)集成(如圖5)實(shí)現(xiàn)控制信號傳輸,完成程序初始化,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制器對伺服焊槍電極運(yùn)動的精確控制。系統(tǒng)采用Fanuc機(jī)器人、Obara公司的伺服焊槍和焊接控制器。機(jī)器人與機(jī)器人控制器之間通過Fanuc公司專用電纜連接,包括機(jī)器人六軸伺服電源線、信號線、焊槍軸伺服電源線、信號線、Device Net電源線、信號線以及接地線。機(jī)器人控制器和焊接控制器之間通過Fanuc公司提供的Process I/O板連接,在焊接過程中傳遞焊接信號,包括四線的程序選通信號、焊接允許信號、焊接完畢接收信號、焊接控制器和機(jī)器人通過變壓器電源線和溫控反饋線路連接等。
    傳輸焊接信號的詳細(xì)配置方案如下:利用端子臺的SDO21~SDO24口作為焊接程序片選信號GO[1],將其分別連接到四路電磁繼電器的電源輸入端的負(fù)極,而繼電器輸入端的正極連接到公共端+24E,電磁繼電器的輸出常開觸點(diǎn)連接到焊接控制器焊接程序片選信號輸入端;端子臺的SDO25為焊接允許信號DI[5],將它和+24E分別連接到電磁繼電器輸入的負(fù)極和正極,繼電器輸出常開觸點(diǎn)連接到焊接控制器焊接允許信號輸入端; 端子臺SDI23為焊接完畢信號,將它和+24E直接連接到焊接控制器焊接完畢信號輸出端。
試驗(yàn)系統(tǒng)程序初始化
    試驗(yàn)系統(tǒng)集成后,需要對伺服焊槍軸的控制參數(shù)進(jìn)行配置,采用機(jī)器人控制器TP來實(shí)現(xiàn),試驗(yàn)系統(tǒng)程序初始化流程如圖6所示。伺服焊槍作為機(jī)器人的第七軸,由機(jī)器人控制器中專門的伺服單元控制,為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的點(diǎn)焊過程,需要進(jìn)行一系列的初始化設(shè)置:包括第七軸的零點(diǎn)復(fù)歸,上下限位設(shè)置,Autotune測試焊槍機(jī)械機(jī)構(gòu)性能,伺服焊槍general設(shè)置等,關(guān)鍵設(shè)置步驟如下:



圖6 系統(tǒng)程序初始化流程圖


1) 零點(diǎn)復(fù)歸:采用單軸Mastering,將上電極移動到下電極位置,反復(fù)測量執(zhí)行完畢后返回上級菜單,零點(diǎn)復(fù)歸執(zhí)行完畢。
2) 上下限位設(shè)置,選擇F1(Type)—Axis Limits選項(xiàng),確定焊槍軸的下限位,通常設(shè)成2~5mm,以防下落距離太長致使撞壞電極桿,設(shè)置上限位時,將上電極移動到上極限位置,按下Position鍵,觀察此時上電極的位置,選擇小于該值的數(shù)值作為上限位值,設(shè)置完畢,重新啟動機(jī)器。
3) Autotune焊槍性能測試,按Menu—Utilities—F1(Type)—Autotune選項(xiàng),進(jìn)入操作界面,按照提示逐步進(jìn)行設(shè)置,設(shè)置完畢后將開關(guān)調(diào)到T2模式下,在Select菜單下選擇Autotune程序,自動運(yùn)行該程序完成性能測試。
4) 伺服焊槍general設(shè)置,在menu—setup—Servo Gun菜單下,選擇general setup,進(jìn)Detail進(jìn)行設(shè)置,設(shè)置每一個選項(xiàng),其中:必須正確設(shè)置Pressure Cal選項(xiàng),如不進(jìn)行此項(xiàng)設(shè)置,則無法進(jìn)行焊槍加壓操作。具體設(shè)置方法如下,進(jìn)入Detail,選擇加壓時間,測試壓力表的厚度,電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩(以額定轉(zhuǎn)矩的百分比設(shè)置),電極下落,用壓力表測試電極壓力,記錄下各個轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)的壓力值,按照同樣的方式,測試盡可能多的組數(shù),記錄完畢,按照提示完成該選項(xiàng)設(shè)置,系統(tǒng)會顯示操作完成。


圖7 壓力參數(shù)配置表



圖8 伺服焊槍點(diǎn)焊編程操作的5個階段



圖9 電極壓加持間間參數(shù)設(shè)置



伺服焊槍點(diǎn)焊編程實(shí)現(xiàn)
    伺服焊槍試驗(yàn)系統(tǒng)通過機(jī)器人TP控制軟件程序?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)焊基本操作。利用process I/O板連接機(jī)器人控制器和焊接控制器,完成點(diǎn)焊過程和焊接規(guī)范參數(shù)的選取。點(diǎn)焊編程指令為Spot[P=m, S=n, BU=i],主要工作是設(shè)置這三項(xiàng)參數(shù),其中:P為壓力參數(shù),決定點(diǎn)焊整個過程的壓力曲線;S為焊接程序號,決定I/O口輸出值,選通焊接控制器中某個焊接程序,實(shí)現(xiàn)焊接電流和時間的選;BU為打開焊槍參數(shù),決定焊槍在焊接完畢后的打開量,必須正確設(shè)置這三個選項(xiàng)才能實(shí)現(xiàn)正常的點(diǎn)焊編程操作。具體設(shè)置步驟如下:
(1) P設(shè)置:在DATA—F1(Type)—Pressure菜單下,選中點(diǎn)焊過程所需的電極壓力值,進(jìn)入具體界面設(shè)置(如圖7),在此設(shè)置電極壓力、工件厚度、電極壓入工件深度、焊槍浮動補(bǔ)償、焊接指令延時等。在Auto Route下,設(shè)置焊接過程中電極的接近位置、開始加壓位置、壓力位置、加壓結(jié)束位置等(如圖8)。在pressure profile下,設(shè)置焊接預(yù)壓力和預(yù)壓時間、焊接通電過程中的壓力和時間、焊后保持壓力和時間(如圖9)。
(2) S設(shè)置:焊接程序選擇設(shè)置,S為選通的某個焊接程序號。具體操作為焊接過程中,機(jī)器人控制器發(fā)出的焊接程序號存放在weld schedule寄存器中,該寄存器通過I/O口設(shè)置為Group1的輸出,Group1輸出綁定了4個I/O通道為一組,通過電磁繼電器對應(yīng)于焊接控制器中4個程序選通開關(guān),選通預(yù)定焊接程序。
(3) BU設(shè)置:打開焊槍號設(shè)置,在Data—BackUp菜單下為不同的打開焊槍號設(shè)置不同的打開幅度。

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