國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人的伺服焊槍應(yīng)用研究

李 勛

（安徽埃夫特智能裝備有限公司，安徽 蕪湖 241007）

一、概述

伺服焊槍是采用帶有數(shù)字控制的交流伺服電機(jī)控制，其電極速度、位置、壓力都可以精確控制的焊接設(shè)備。主要應(yīng)用在汽車制造白車身焊接工藝中。因其與氣動(dòng)焊槍相比能夠大幅度提高焊點(diǎn)質(zhì)量，有氣動(dòng)焊槍無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，目前國外的一些汽車制造廠商如豐田、本田、寶馬、福特等公司已經(jīng)將伺服焊槍全面應(yīng)用于生產(chǎn)線上進(jìn)行車身的點(diǎn)焊焊接。國內(nèi)的汽車廠商近幾年已經(jīng)逐步的將氣動(dòng)焊槍替換為伺服焊槍，如奇瑞、江淮。

伺服焊槍應(yīng)用的主要形式是作為點(diǎn)焊機(jī)器人的附加軸（即第七軸），由機(jī)器人控制器對伺服焊槍進(jìn)行速度、位置、壓力的精確控制。但所使用的機(jī)器人絕大多數(shù)都是應(yīng)用國外的機(jī)器人，如KUKA，F(xiàn)ANUC，MOTOMAN等，使用國產(chǎn)機(jī)器人的寥寥無幾。國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人目前尚在發(fā)展階段，其功能性和穩(wěn)定性正在逐步的完善。本文所述的國產(chǎn)機(jī)器人是由安徽埃夫特智能裝備有限公司自主研發(fā)生產(chǎn)的ER165C-C10型工業(yè)機(jī)器人，伺服焊槍應(yīng)用的是由日本小原公司定制。伺服焊槍在機(jī)器人應(yīng)用上的關(guān)鍵是電極帽修模后的補(bǔ)償功能，本文采用一種新穎簡單的方法實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償功能，無需更改機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)算法。

圖1 七軸驅(qū)動(dòng)器參數(shù)配置界面

二、伺服焊槍配置

伺服焊槍的作為ER165C-C10的附加軸進(jìn)行控制，附加軸類型設(shè)置外部直線型。外部直線型的意義是附加軸的位置表示是長度的形式，其運(yùn)動(dòng)關(guān)系與機(jī)器人自身的六個(gè)軸只有時(shí)間上的插補(bǔ)，即同時(shí)啟動(dòng)和同時(shí)到達(dá)，沒有運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系上的插補(bǔ)。伺服焊槍安裝完成后，主要配置以下幾個(gè)參數(shù)，見圖1。

Position scaling 位置比例（減速比）

SW limit negative 負(fù)限位

SW limit positive 正限位

Max velocity 最大速度

Max acceleration 最大加速度

Max deceleration 最大減速度

三、命令介紹

在ER165C-C10機(jī)器人系統(tǒng)中編程新增三條關(guān)于伺服焊槍的命令，即Spot、Compensate和Weld，見圖2，以下詳細(xì)介紹。

在歐美國家，兒童行為性失眠問題已引起社會(huì)、家長以及睡眠研究領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，系列研究顯示，切合不同年齡兒童睡眠特點(diǎn)，開展針對性的行為干預(yù)，減少家長在兒童入睡及夜醒時(shí)的過度關(guān)注和干預(yù)，包括鼓勵(lì)兒童在自己的小床上單獨(dú)入睡，避免入睡時(shí)家長在場以及采取喂養(yǎng)、搖晃等干預(yù)措施，兒童夜醒后控制離開小床的時(shí)間等策略，促進(jìn)兒童自我安撫、自我入睡能力的發(fā)展，能夠持久、經(jīng)濟(jì)、有效的預(yù)防并矯正兒童行為性失眠問題，94%的干預(yù)研究報(bào)道行為干預(yù)在矯正兒童行為性失眠上有效，同時(shí)80%的研究認(rèn)為經(jīng)過行為干預(yù)，兒童的睡眠狀況有顯著的改善。

Spot 命令格式為

Spot（pressure : REAL， thickness :REAL）

Spot 命令的功能是實(shí)現(xiàn)伺服焊槍的閉合加壓，Spot首先將伺服焊槍動(dòng)電極臂運(yùn)動(dòng)至板厚（thickness）位置，再進(jìn)行加壓，將焊槍兩電極臂之間的壓力加到指定壓力值（pressure）。

加壓過程為電極一直運(yùn)動(dòng)，實(shí)時(shí)采集電機(jī)的扭矩值（即壓力值）若達(dá)到指定壓力，停止電極運(yùn)動(dòng)。壓力值與電機(jī)扭矩的對應(yīng)關(guān)系是通過壓力表多點(diǎn)采集壓力扭矩曲線得到的，與國外機(jī)器人伺服焊槍壓力標(biāo)定方法一致，這里不再敘述。

Compensate命令格式為

Compensate（pressure : REAL，maxDist : REAL）

圖3 伺服焊槍補(bǔ)償原理

Weld命令格式為

Weld（TimerSeries : DINT，GroupNO: DINT）

Weld命令的功能是向焊接控制器發(fā)送焊接規(guī)范好和組號，TimerSeries為焊接規(guī)范號，GroupNO為組號。規(guī)范號和組號都是只有16個(gè)，即0～15。Weld命令中不包含等待焊接完成的操作，用戶需要自行編寫等待焊接完成信號的程序。當(dāng)用戶輸入不在0～15范圍內(nèi)時(shí)，此命令不執(zhí)行，TimerSeries、GroupNO都為初始值0。

四、補(bǔ)償原理

ER165C-C10機(jī)器人的伺服焊槍補(bǔ)償功能是通過補(bǔ)償工具坐標(biāo)系實(shí)現(xiàn)的。在焊槍工具坐標(biāo)系建立完成后，將七軸運(yùn)行至設(shè)定補(bǔ)償?shù)膲毫χ担╬ressure）位置，采集出七軸當(dāng)前位置值，當(dāng)前位置值就是上下電極帽的磨損量之和（offset），默認(rèn)兩個(gè)電機(jī)帽的修磨量相同。將offset加到Spot命令的板厚上，使七軸在電機(jī)帽修磨后多運(yùn)行offset，另外將offset/2加到工具坐標(biāo)系電機(jī)桿所對應(yīng)的方向（假設(shè)為Z方向），然后加載新的工具坐標(biāo)系，使機(jī)器人沿工具坐標(biāo)系Z方向多運(yùn)行offset/2。 這樣就實(shí)現(xiàn)了電極帽磨損后，仍然可以保證靜電極臂始終貼著板件，動(dòng)電極臂Spot時(shí)始終運(yùn)行的真實(shí)的板厚位置，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。如圖3所示。

五、實(shí)現(xiàn)步驟與注意事項(xiàng)

1 實(shí)現(xiàn)步驟（見圖4）

圖4

2 注意事項(xiàng)

（1）制作焊槍零點(diǎn)、示教修改機(jī)器人位置時(shí)必須更換為新電極帽。

（2）示教機(jī)器人記錄位置點(diǎn)必須在DefaultTool工具坐標(biāo)系下。

（3）示教機(jī)器人焊接程序，示教記錄點(diǎn)時(shí)Spot命令前一個(gè)位置數(shù)據(jù)必須采用cp類型即CARTPOS類型，只有CARTPOS類型的點(diǎn)才能實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償功能。插補(bǔ)方式可以應(yīng)用PTP或者Line都可以。

（4）制作焊槍零點(diǎn)時(shí)，請?jiān)O(shè)置板厚為3mm或更大，避免電極帽過長，使焊槍過載。

（5）更換電極帽后，使用Spot命令加壓壓緊電極帽，避免人工安裝電極帽不緊。

（6）若加壓過程較慢，可能電極帽長度不一，需重新制作零點(diǎn)。

（7）修磨電極帽時(shí)，請?jiān)O(shè)置事宜的壓力和板厚，板厚不宜過小，比修磨器刀口厚度大1mm為宜。

六、結(jié)論

通過客戶現(xiàn)場的實(shí)際應(yīng)用，相比氣動(dòng)焊槍，伺服焊槍的主要差別在于輸入量和相應(yīng)的控制模型是恒定轉(zhuǎn)矩。從控制的觀點(diǎn)來看：氣動(dòng)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(dòng)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。總結(jié)起來，伺服焊槍與氣動(dòng)焊槍相比有以下四點(diǎn)優(yōu)勢：

1 電極運(yùn)動(dòng)速率控制精確

氣動(dòng)焊槍的電極運(yùn)動(dòng)靠氣缸來控制，這使電極運(yùn)動(dòng)速率很難精確控制，電極運(yùn)動(dòng)的高速率，會(huì)造成電極與工件接觸時(shí)的沖擊很大，致使電極力會(huì)發(fā)生短時(shí)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(dòng)由伺服電機(jī)控制，能夠很好地控制電極運(yùn)動(dòng)速率，使電極與工件接觸時(shí)的沖擊很小，從而提高電極壽命。

2 點(diǎn)焊生產(chǎn)率大大提高

伺服焊槍完成一個(gè)焊點(diǎn)所用的焊接時(shí)間為0.86秒，氣動(dòng)焊機(jī)則需1.3秒，也就是說用伺服焊槍完成一個(gè)焊點(diǎn)要節(jié)省0.44秒的焊接時(shí)間。相對于一個(gè)焊件的幾千個(gè)焊點(diǎn)，每個(gè)焊點(diǎn)節(jié)省0.44秒的焊接時(shí)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(gè)焊點(diǎn)的預(yù)壓持續(xù)時(shí)間，這也可以提高焊接生產(chǎn)率。

3 鍛壓力的獲得

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。

4 電極力和電極位移的獲得

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(shí)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(dòng)焊機(jī)更容易。

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