淺談氣動焊槍與伺服焊槍在實際使用及維護中的優(yōu)缺劣比較

謝誠侃

（上海通用汽車有限公司，上海 201206）

1 概述

隨著汽車工業(yè)飛速發(fā)展，電阻點焊在板金件連接技術中的應用中起了最重要的作用。自從20世紀30年代第一輛由點焊連接完成的汽車下線以來，電阻點焊的應用近年來獲得了突飛猛進的發(fā)展。目前，平均一輛轎車白車身大約有3000~4000個焊點，電阻點焊已經(jīng)成為轎車白車身裝配的重要連接方法，因而點焊質(zhì)量與焊接效率對轎車的質(zhì)量與成本有著重要影響。

現(xiàn)代汽車制造工業(yè)中，白車身焊接設備主要為氣動點焊焊槍。經(jīng)過多年發(fā)展和不斷改進，氣動點焊焊槍在技術方面已經(jīng)非常成熟，焊接效率與焊接質(zhì)量控制方面有了很大的提高。但隨著汽車工業(yè)對焊接質(zhì)量與高效的要求，傳統(tǒng)氣動點焊焊槍逐漸暴露了自身存在的缺陷，例如，對焊接板材的沖擊較大、焊接效率比較低、電極磨損嚴重、與工業(yè)機器人的自動化集成度較低，不能緊跟汽車焊裝生產(chǎn)線的發(fā)展要求。伺服點焊焊槍的誕生正是為了滿足以上工業(yè)自動化的要求，它具有焊接效率高、電極任意位置高精度定位、與焊接板材柔性接觸等優(yōu)點，成為汽車焊裝線里程碑式的突破。因此，無論是電動驅(qū)動還是氣動驅(qū)動，伺服焊槍無疑是點焊焊槍驅(qū)動發(fā)展的方向。

下文主要以工業(yè)機器人末端工作的自動焊槍做比較與分析。

2 焊槍結(jié)構(gòu)比較

以上海某汽車企業(yè)車身車間使用的由OBARA公司集成的焊槍為例，兩種焊槍都基本由槍體（ARM），電極桿，連桿，軟連接，硬連接等組成。氣動槍分為C和X型，伺服槍除了C和X型外還分為W型和P型等（從外觀上與氣動槍的C型和X型相對應）。如圖1所示

由于兩種焊槍的驅(qū)動部分一種是氣缸，一種是伺服電機。所以驅(qū)動部分與槍體的連接安裝有很大的區(qū)別。按照筆者多年實際拆裝與更換部件的經(jīng)驗來講，氣動X型焊槍氣缸與槍體的拆裝是最為便捷的，伺服P型槍也比較簡單，但是使用的工具種類較多。最為復雜的就是氣動C型焊槍，由于此類型焊槍變壓器連接非常復雜（如圖2所示），在實際更換維護中，往往從機器人上更換整槍更為快捷（如圖3所示）。

圖2 典型的氣動焊槍

氣動與伺服焊槍，如電極桿，軟連接更換都不復雜。實際使用中筆者遇過由于冷卻不佳，使電極桿內(nèi)特氟龍管燒損而引起的更換情況，伺服槍的更換就繁瑣的多，所以保證伺服槍冷卻效果佳，對設備維護上來說更加有必要性。

3 驅(qū)動方式比較

氣動焊槍有電磁閥動作控制焊槍行程與焊接動作執(zhí)行，焊接壓力由焊接控制器發(fā)模擬信號驅(qū)動比例閥控制。

相比較氣動焊槍而言，伺服焊槍的最大結(jié)構(gòu)變化是以伺服裝置代替氣動裝置，按照預先編制的程序，由伺服控制器發(fā)出指令，控制伺服電機按照既定的速度、位移進給，脈沖指令經(jīng)過編碼器，最后形成電極的位移與速度控制，脈沖的數(shù)量與頻率決定了電極的位移與速度，轉(zhuǎn)矩決定了電極壓力。

在機器人末端執(zhí)行中，氣動槍有氣缸驅(qū)動，氣缸通過換向閥動作來控制，壓力大小由焊接比例閥模擬量輸出控制。氣動槍必須先動作行程（Backup），并且到位才可以執(zhí)行焊接動作，就使得必須增加行程檢測傳感器，此傳感器也因各種原因是失效非常高的部件之一，相比較，伺服槍通過工業(yè)機器人附加軸伺服驅(qū)動卡通過伺服編碼器驅(qū)動，伺服槍的優(yōu)點就出來了，也不會受此影響，減少常規(guī)停機有明顯作用。可伺服焊槍一旦故障，行程報錯。排查故障就比氣動焊槍復雜的多，與機器人的伺服線，電機的伺服模塊都可能是引起故障的原因，甚至是機器人本身設置故障而引起的。對于故障排查，目前只能通過經(jīng)驗判斷較多。

每次焊接和電極帽切削后電極帽的長度都會發(fā)生微小變化，伺服焊槍必須進行補償設置。

圖3 氣動C型焊槍平衡杠連接圖

圖4 伺服X型，P型焊槍伺服馬達與槍體連接圖

更換下的氣動焊槍氣缸可進行保養(yǎng)與修復，而驅(qū)動伺服槍的伺服馬達不可進行保養(yǎng)與維修，直接更換。新安裝的伺服槍伺服電機還必須通過機器人初始化設置才可以工作，設置新安裝的電極帽也必須重新進行零位設置，氣動焊槍則不需要額外的設置，所以伺服焊槍的伺服電機更換除了維修人員對機械結(jié)構(gòu)的熟悉外，對機器人程序和設置的要求也是非常高的。

很多的學者對伺服焊機或焊槍的關閉時間有些意見。主要是認為伺服焊機或焊槍，其閉合時間較氣缸長，所以會減少生產(chǎn)率。

在使用氣缸的焊鉗上，一旦氣缸開始運動之后，其運動的速度，是無法控制的。這和氣路充氣的能力，機械結(jié)構(gòu)，都有直接的關系。其運動的速度，確實是可以做的很快。但是，在接觸工件時，因為速度很快，沖擊的力量也很大。這對焊頭是有磨損的；同時，也容易造成機械結(jié)構(gòu)的提早老化。對氣缸來說，要消除這個狀況，不是一件容易的事。一般來說，我們可以使用軟接觸的方式來解決，但是，因為沒有速度控制，效果并不是很穩(wěn)定。

大部分的電焊機和焊槍的應用，對時間的要求很高。大部分的使用者，只注意到對時間上的縮短，而沒有注意到焊接控制器在焊接預壓時間的重要性，只是一味地縮短，而不知道縮短后對工藝上的影響。用氣缸時，只能用加速來減少時間。因為其速度無法控制，控制器的適當加壓時間不容易決定。

伺服馬達在此可以顯出其特點。伺服馬達的機械結(jié)構(gòu)并不復雜，但是其主要的優(yōu)勢是在它的可控制性。早期的伺服控制，只能做位置及速度控制。在最新的控制器里，不只位置和速度能做精確的控制，對馬達的電流，以及扭力，都能做精確地控制，并能夠在位置控制模式和扭力控制模式間自由地轉(zhuǎn)換。

在啟動時，因為馬達控制器有能力檢測螺桿的動作，所以它能夠在啟動時比氣缸更快地達到所需的速度。在達到所需的速度后，因為通常的動摩擦力都遠遠小于靜摩擦力，焊鉗的速度可以保證。在接近工件時，利用軟件，可以很容易地減速，來減低焊鉗和工件的沖擊。在機器人的應用上，焊鉗更可以和機器人控制器結(jié)合，將機器人手臂的動作集成，成為機器人的最后的一個關節(jié)。運動時可和其他的關節(jié)一起程序，進一步減少焊接工件的時間；比如，機器人可以控制到在運動中將焊鉗合上，并在最后的一段動作進行軟接觸的運動。在使用氣缸時，這些控制是很難完成的（如圖4）。

4 其他比較

由于電機輸出的穩(wěn)定性比氣壓可靠，在焊接工藝方面伺服槍有著非常明顯與氣動焊槍的優(yōu)勢，加上伺服槍不會因為氣動元件與氣管磨損而引起的能源損失。

為了實現(xiàn)柔性化生產(chǎn)的需求，一條流水線上有多種車型生產(chǎn)，所以一臺機器人輪換使用不同形狀焊槍的情況也非常普遍，每次切換焊槍機器人都需要對新焊槍進行參數(shù)判斷與保留，或由于換槍盤接觸不可靠引起的觸點需接觸，都會引起伺服焊槍報出錯報警，復位過程還可能需要進行機器人斷電重啟的步驟，耗時非常多。由于伺服焊槍對于使用人員在機器人操作上有非常高的要求。在實際運用中，現(xiàn)場維修人員和工程師在項目中都應盡量避免機器人伺服槍換槍的使用。

結(jié)語

氣動焊槍與伺服槍在維修維護方面雖然各有優(yōu)勢，總體來說無論從焊接工藝還是綜合維護上考慮，伺服焊槍具有傳統(tǒng)氣動焊槍無可比擬的優(yōu)點，具有廣闊的應用前景，對設備維護使用人員的要求也更高。

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[3]陳建平，馮友仁.伺服馬達和氣缸在電阻焊接應用的比較[Z].