智能中頻逆變伺服機器人焊接系統

焦玉平，田紅杰，吳寶舉中國科學院沈陽自動化研究所義烏中心技術部，浙江義烏　322000

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智能中頻逆變伺服機器人焊接系統

焦玉平，田紅杰，吳寶舉
中國科學院沈陽自動化研究所義烏中心技術部，浙江義烏322000

摘要智能中頻可編程電阻焊控制器、伺服焊鉗、點焊機器人（智能中頻逆變伺服機器人焊接系統）技術的現狀與未來，此項技術在提高焊接質量、提高工作效率、降低生產成本、提高安全等級、降低工作危害等方面有著重要的作用。此項技術在點焊焊接工藝中有著越來越廣泛的應用，越來越多的科研技術人員參與到智能中頻逆變伺服機器人焊接系統研究中來，注定在機器人伺服點焊領域發揮出重要作用。

關鍵詞智能中頻可編程電阻焊控制器；伺服焊鉗；點焊機器人

1　點焊機器人

工業4.0已經到來，在中國機器人必將得到越來越多的市場，根據機器人功能及作用的不同，大致分為噴涂機器人、水下機器人、搬運機器人、點焊機器人、弧焊機器人、切割機器人、救援機器人等；每種機器人有著六軸、七軸、八軸關節數量的區分及負重的不同。

點焊機器人由智能中頻可編程電阻焊控制器、伺服焊鉗、點焊機器人、機器人控制系統等組成，按工藝及動作流程的要求，通過各關節的移動，帶動焊鉗，從而達到焊鉗上的電極對目標點焊接的目的。點焊機器人有速度快、柔性高、精準等特點，為實現中頻逆變伺服點焊系統提供了良好的基本條件。

2　可編程中頻逆變點焊技術說明

系統介紹：中頻逆變焊機把50HZ的交流電整流逆變為1000Hz的中頻方波經中頻變壓器降壓整流為10V左右的低壓直流電，通過一體化伺服點焊鉗對工件進行焊接。輸出電流為直流形式，焊接速度更快，而且焊接過程更加穩定，電流的調節過程更快更準確。焊接變壓器的體積和重量只有傳統焊接變壓器的40%左右。

2.1產品主要用途

1）普通低碳鋼板；

2）鋁、鍍鋅鋼板、高強度鋼板等；

3）多層板焊接、非常薄的材料的焊接以及精密焊接。

2.2技術特點

中頻逆變式電阻焊機主要體現如下優點：1）節能，與傳統焊接產品對比，節能達40%以上；2）焊接過程基本無飛濺，焊核質量好，汽車安全性提高；3）三相電網平衡，焊接端為直流，因此對電網沖擊很小，功率因數高。經過中頻點焊和工頻點焊焊接比對得出，在相同的焊接要求下，三相中頻逆變直流焊接一次端電流很小，從電流波形可以看出，三相中頻逆變直流焊接明顯對電網的沖擊更小。

下面是詳細說明：

1）節能：三相中頻逆變直流焊接輸入端為三相380V，工作時功率因數＞0.9。用戶中90%的點焊機是單相380V交流焊機，單相380V交流點焊機依靠控制可控硅導通角大小來實現控制電壓的目的，因此存在空區。三相中頻逆變直流點焊機因其三相用電平衡、直流逆變技術不存在電流空區、工作時功率因數＞0.9而以節能著稱。在焊裝車間（轎車為主），常用設備為DN3-160、DN3-200單相工頻交流懸掛式點焊機，如果使用三相中頻逆變直流一體式點焊機只需85kVA以下就可以達到同等效果。

2）焊接質量高：中頻點焊電流集中，焊接電流沒有空區，所以焊接時間短、電極發熱量小，增加了電極的使用壽命。中頻點焊頻率高達1000Hz以上，次級電流輸出能力強，波形平直，幾乎不產生飛濺，焊點表面質量好。經試驗，在單相工頻交流焊機焊接100點情況下，三相中頻逆變直流點焊機可以達到普通焊機的兩倍以上；焊接有鍍層的板材，三相中頻逆變直流點焊機可以達到普通焊機的3倍以上，三相中頻逆變直流點焊機工作更穩定，焊接效果更好。

3）焊接變壓器更輕：智能中頻逆變伺服機器人焊接系統的鉗體、焊接變壓器、次級整流部分為一體式，與單相工頻交流焊機重量相比較：智能中頻逆變伺服機器人焊接系統的鉗體、焊接變壓器、次級整流部分重量為單相工頻交流焊機的1/2，設計工藝好的廠家可以達到1/3甚至更低。

4）可焊接材料更廣：三相中頻逆變直流點焊機工作頻率在1000HZ以上，加上直流焊接方式，所以焊接時熱效率遠高于工頻交流點焊機，三相中頻逆變直流點焊機具有對普通低碳鋼板、鋁、鍍鋅鋼板、高強度鋼板、多層板焊接、非常薄的材料等進行組合焊接的特性。

5）控制精度更高：三相中頻逆變直流點焊機響應時間為單相工頻交流焊機的1/20，電流上升時間更快，時間控制精度更高。

3　機器人點焊焊鉗

目前中國市場上機器人點焊焊接中使用的點焊焊鉗分為：氣動點焊焊鉗和伺服點焊焊鉗。

3.1氣動點焊焊鉗

有控制容易、結構簡單、易維護保養等優點，占據著大部分市場。缺點主要集中在浪費能源、焊接效果不理想、需要提供穩定氣源、焊接壓力不能精確控制等問題，下面是主要缺點說明：

工作時焊接接壓力控制精度不夠，焊接壓力只能為固定值，不能實時控制。

工作時不能有效控制電極桿的移動速度，對被焊件沖擊力大，對非常薄的材料等進行焊接時工件容易產生變形。

工作時噪音大，工頻焊接變壓器工作時噪音大。工作時焊點易產生飛濺，操作工人隨時都有被燙傷的危險。

氣動焊鉗需要提供氣源。

安全系數低，工作時焊點易產生飛濺，操作工人隨時都有被燙傷的危險。

3.2伺服點焊焊鉗

在中國伺服控制技術的快速發展，伺服控制技術用在點焊焊鉗上已成為必然趨勢。伺服點焊焊鉗由：伺服電機、中頻點焊變壓器、次級整流器、點焊焊鉗等構成。伺服電機用來控制電極桿行走，用來代替氣動點焊焊鉗的氣缸。伺服電極用來實現工作過程中電極桿的直線運動，由機器人控制系統直接控制，是機器人本體的最后一個控制關節，伺服電機要與機器人本體伺服電機品牌一致，要與機器人控制系統兼容。也就是說電極頭的直線運動全由機器人控制系統直接控制，精度更高。

1）伺服點焊焊鉗優點

焊接質量高：點焊焊接過程中焊接壓力的高低對焊接影響非常大，在工作時焊接壓力的實時控制，是最大的難題，也是決定焊接質量的重要環節。就伺服點焊焊鉗而言，最大的特點就是實現了工作時焊接壓力的實時控制，解決了最大的難題，伺服點焊焊鉗能精確控制每個焊點在焊接時的電極頭壓力值，消除了因電極壓力因素造成的點焊質量影響。伺服點焊焊鉗可以將電極頭運動過程分解成多時段控制，加壓曲線能達到最好，有效地控制了焊接飛濺問題。另外，在電極頭直線運動過程中，不僅可以多時段控制電極壓力，還可以實現電極頭軟閉合，就是在電極頭接觸到被焊工件時實現無沖擊加壓，沒有了對工件的沖擊，工件不會產生變形，間接提高了焊接質量。

2）電極頭使用壽命更長久

通過實驗可以得到電極頭的磨損數據，另外伺服點焊焊鉗在工作時通過編碼器的反饋信息，可以計算出上下電極接觸焊接時的間距。利用以上數據可以計算出焊核的直徑，再與原始焊核的直徑進行對比，再根據比對結果自動補償焊接電流的大小和上下電極接觸焊接時的間距，進而保證了焊接質量、提高了電極的使用壽命、降低了電極的更換次數。

3）工作效率高

伺服點焊焊鉗在點焊機器人點焊位置移動過程中同時進行電極頭的直線運動，實現同步運動，這樣就縮短了連續工作的周期，電極頭在當前焊點與下一個焊點之間的移動過程中電極頭就可以開始直線運動，在焊完當前焊點電極頭分離開的同時，點焊機器人就可以帶動伺服點焊焊鉗向下一焊點位移，因同步移動降低了工作時間，工作節拍更快，電極頭張開的位置可以根據被焊工件的不同任意調整，在不與被焊工件發生干涉或碰撞的前提下減少電極頭張開距離，縮短了工作時間，提高了工作效率。

4）安全

伺服點焊焊鉗點焊焊接時無焊接飛濺，周圍變得更安全。沒有了對工件的沖擊，降低了工作噪音。

4　市場前景

技術改變命運，新老交替是必然，落后技術終究會被市場所淘汰，我相信智能中頻逆變伺服機器人焊接系統在中國會得到更大的市場。

5　結論

中頻伺服機器人焊鉗是先進焊接技術的綜合產物。伺服焊鉗的優勢使其正在逐步替代氣動焊鉗，使其更廣泛的應用在點焊機器人系統中。作為技術人員，我們要加大研究自動先進的焊接技術，為國家做出貢獻。

中圖分類號TP3

文獻標識碼A

文章編號1674-6708（2015）155-0067-01