點焊機器人氣動槍與伺服槍優劣分析

韋子堅，楊本周，倪炳林，溫柳川，趙繼太

（柳州五菱汽車工業有限公司，廣西柳州545007）

點焊機器人氣動槍與伺服槍優劣分析

韋子堅，楊本周，倪炳林，溫柳川，趙繼太

（柳州五菱汽車工業有限公司，廣西柳州545007）

在自動化焊接線中，點焊機器人所使用的焊槍按工作方式分為氣動焊槍與伺服焊槍，兩種焊槍在使用與維修中各有優缺點。由于結構的不同在維修與控制中有著很大的差別，影響設備利用率。了解兩種焊接設備的原理及差異，是分析、解決問題的關鍵。

電阻焊；伺服焊槍；氣動焊槍

點焊是將被焊工件壓緊于兩電極之間，并通以電流，利用電流通過接頭流經工件接觸面及附近區域產生的電阻熱效應將工件加熱到熔化狀態，使兩工件形成金屬結合的應用方式。現代汽車制造業，零部件下車體焊接、車身焊接的設備主要為氣動點焊槍。隨著氣動點焊技術的不斷改進、發展，氣動槍在技術上已經趨于成熟，焊接的質量和效率得到很大的提高。但是隨著汽車行業對焊接要求的提高，傳統的氣動槍無論怎么優化還是暴露出許多的問題，如：無法控制焊接沖力、無法控制電極磨損量、焊接效率低下、脫焊漏焊等質量問題經常發生，也無法跟上汽車自動化生產線的發展需求[1]。因此誕生了伺服控制系統控制的伺服焊槍，它具有較高的焊接效率、焊接質量、電極定位、焊接板件沖力小等特點，成為汽車行業點焊中大家爭先使用的設備，也是焊接發展的一個趨勢。

1 機器人氣動焊槍與伺服焊槍結構分析

1.1 氣動焊槍結構與伺服焊槍結構

圖1 氣動焊槍結構

圖2 伺服焊槍結構

1.2 氣動焊槍焊接控制過程

點焊是板件組合后通過焊槍電極頭對其施加壓力，使被焊板件緊密有效地接觸并形成回路，通過合適的焊接電流，在板件電阻的作用下產生電阻熱，使接觸部分熔化，讓板件能夠牢固的焊接在一起。整個點焊的工藝過程可以分為預壓、通電、斷電鍛壓三個階段，板件接觸部位通電時產生的熱量由Q=I2Rt來決定。式中的I為焊接通電電流；R為板件電阻；t為導電時間。通過上式可以看出，焊接通電電流、板件間的電阻、導電時間是決定焊接質量的關鍵因素，板件的電阻即兩層或多層板接觸部分的電阻，接觸部分又是由電極加壓壓力來決定的。所以說點焊的三大要素可以歸結為：焊接電流、加壓壓力、焊接時間。想要達到最好的焊接質量，就要調試出最佳的焊接參數，這與工件表面的熱處理、焊機電流、電極壓力與焊機通電時間都有著莫大的關系[2]。

既然焊槍的壓力大小決定了焊接的質量，那么焊接過程中焊槍壓力的控制成為機器人點焊的關鍵部分，如圖3所示。

圖3 氣動槍壓力控制系統

圖3 中為氣動點焊槍的加壓控制系統，在焊接過程中根據機器人內部設定與反饋的焊接參數的不同，機器人控制單元向比例閥加壓控制單元輸出一個壓力輸出信號，并根據設定的具體壓力數值控制比例閥的開度。加壓壓力控制單元主要由氣動比例閥和換向閥組成，根據輸入不同大小的壓力信號成比例地向加壓氣缸提供相應壓力大小的壓縮空氣。加壓氣缸有一定壓力后通過活塞連桿帶動焊槍電極上下移動，對需要焊接的板件施加設定的壓力。

氣動焊接控制柜和機器人控制裝置，使用DeviceNet I/O通信，進行焊接使能信號、焊接完成信號、焊接故障異常信號等的收發。如圖4所示。

圖4 機器人與焊機連接圖

焊槍加壓與電流需要焊接控制器發出焊接開始信號，在加壓完成之后PLC會反饋給焊接控制柜，此時焊接控制柜會發出焊接指令，讓接觸器吸合，電流通過變壓器進行放大之后傳到接觸好的工件產生熱量使兩層板件被焊接在一起。

1.3 伺服焊槍焊接控制過程

7.D 提示:0.98gCu(OH)2的物質的量為0.01 mol,若全部生成CuO,則質量為0.01mol×80g·mol-1=0.80g,所以a點對應的物質是CuO;若全部生成Cu2O,則質量為0.005mol×144g·mol-1=0.72g,所以b點對應的物質是Cu2O,A項錯誤。根據化學方程式可知,生成水的物質的量為0.01mol,質量為0.01mol×18g·mol-1=0.18g,B項錯誤。CuO和其中所含Cu元素的質量關系(以CuO的質量為10g計算)為:

伺服焊槍的焊接過程可以分為漸進、加壓、通電、保持、焊接完成五個階段。

（1）漸進階段伺服控制單元將電極速度、運動大小通過編碼器傳給伺服電機，然后焊槍開始根據脈沖量進行運動，上電極臂剛開始以較快的漸進速度往下工件分析運動，在快接近工件時，脈沖量發生變化，此時電極將降為較低的前進速度運動。

（2）加壓階段安裝在機器人六軸手臂上的伺服焊槍，能夠實現和機器人的有效集成，電機軸可成為連接在機器人伺服放大器上的第七軸，通過齒輪齒條等傳動機構控制著上電極臂（動臂）往靜臂的運動，動靜臂的對中良好，在與工件接觸時，根據編寫好的有效程序指令控制焊槍的運動軌跡，焊機控制柜通過以太網將焊接壓力參數信號傳給機器人控制柜，使焊槍在合理電極壓力下保持良好的接觸。

（3）通電焊接階段當動靜臂與工件完美的接觸并達到焊機設定的壓力參數后，焊接控制柜通電接通進行焊接。在焊接初期，電極接觸部分的板件受熱膨脹，產生熱膨脹力，伺服焊槍通過伺服電機對電極力進行精確控制，焊接保持后期，受熱區逐漸冷卻電極受力減小，電極下移，使受熱區能夠較好的結晶。

（4）保持與結束階段在焊接開始后，焊接控制柜會根據預設定的焊接時間計算焊接時序，會根據設定值給反饋一個保持時間的信號。焊接結束后，焊機會給機器人控制柜發送焊接完成信號，最后結束焊接過程。如圖5所示。

圖5 伺服槍控制圖

2 氣動槍與伺服槍優劣分析

2.1 安裝方面

氣動槍需要連接水單元和氣單元，而伺服槍只需安裝進出水單元。伺服槍在安裝管線包時要加入伺服放大器到伺服電機端的電源線與編碼線，氣動焊槍只需直接連接變壓器、氣缸。由于伺服焊槍相當于添加的機器人外部軸，需要用到而外的伺服放大器（六軸之外），因此安裝時需要考慮接入線路的可靠性與有效性，氣動槍安裝時則不用考慮和機器人控制柜的通信。

2.2 焊接加壓階段

氣動槍加壓漸進階段，是由比例閥氣壓量來決定，無法具體的控制加壓的速度。而伺服焊槍通過機器人伺服系統有效地控制焊槍的加減速，實現與工件的良好接觸，減小焊槍閉合過程對電極頭與工件的損傷，延長電極頭使用時間，節約成本。下圖為氣動槍和伺服槍的預壓速度分析圖，從圖6、7中可以看出，氣動槍的閉合速度較快難以控制，容易對板件產生較大損壞，而伺服槍有良好的速度變化過程，對電極頭損傷較小。

圖6 伺服焊槍漸進速度

圖7 氣動焊槍漸進速度

兩種焊槍在焊接相同狀態的工件時，在加壓階段接近工件的行程方式也有很大的不同，伺服槍有編碼器的存在，能夠靈活的檢測被焊工件在動靜臂之間的位置，并且進行合理的調整。而氣動槍的行程確定則是由大開小開行程開關決定的，在過程中是不可更改的。

2.3 壓緊階段

在加壓完成之后電極剛接觸工件產生壓力的瞬間，都會不可避免的對工件產生作用力，兩種焊槍的電極力比較如圖8所示。從圖中可以看出，由于氣動焊槍的加壓過程是不可控的，在接近工件的時候依然保持較大的速度，對工件的沖擊力較大，嚴重縮短了電極使用壽命。而伺服焊槍是在編碼器高精度下控制其加壓過程，有很好的加減速控制，在接近工件時速度較小，對板件沖擊力不大，大大提高了使用壽命。

圖8 兩種焊槍接觸電極力大小

2.4 電極磨損補償特性

電極頭磨損量補償是這樣一種功能，它相對基于焊接和電極頭修磨等伺服焊槍的電極頭的磨損，在執行點焊指令和加壓指令時進行電極頭前端位置的補償，該功能是伺服焊槍的特有功能。電極磨損量對焊接質量有很大的影響，電極帽使用過多后，端面的錐度會減小，此時進行焊接時流過端面的電流會比較分散，使得接觸位置變大，受熱不均勻，會出現邊緣焊、脫焊等問題，因此快速的監測與補償電極磨損量是極為重要的。通過試驗分析，在焊接普通的鋼板時，伺服槍磨損率為0.5 mm/500點上下，當焊接達到預設好的點數之后，動靜臂會閉合，編碼器將計算出的當前中心位置和最初的值進行比較，得出差值之后進行軸向補償，以減小換新電極頭前對焊接質量造成的影響[3]。

2.5 其他比較

對于焊接質量的控制，氣動焊槍只能通過改變氣壓大小、電流大小來控制，這種方式在很多時候效果不大理想且更改較為麻煩。伺服焊槍則是通過伺服電機電流的調整改變電機扭矩和電極壓力，只需調整電極壓力便可以有效地控制焊接質量，比起氣動焊槍來更加的有效和快捷。

伺服焊槍還有重力補償功能與溫度補償功能。重力補償功能：根據焊接姿勢，伺服焊槍的電極頭前端和驅動系統會受到焊槍可動部重力的影響，因而實際壓力會相對所期望的壓力而發生變動。點焊中，壓力的變動會導致焊接剝落和飛濺，對焊接質量產生不良影響。重力補償功能可根據焊接姿勢來抑制因焊槍可動部的重力造成的壓力變動，可以使得與焊接質量相關的實際壓力靠近壓力指令值。C鉗和X鉗可使用重力補償功能。

溫度補償功能，可以減緩因伺服焊槍驅動用電機的溫度變化而引起的壓力變動。

3 結束語

通過本文的分析可以看出，伺服焊槍在很多方面，如：預壓壓力的控制、前進速度的控制、焊接時間的控制等方面都是優于氣動焊槍的。在企業核心競爭力中，質量是關鍵因素。因此，為了保證產品的質量，使用伺服焊槍來進行點焊，而不是全部使用氣動焊槍，是提高產品質量及企業競爭力的重要措施。

[1]張旭強，陳關龍.電阻點焊的伺服焊槍技術特性分析[J].焊接學報，2005（6）：60-64.

[2]劉躍敏，韓建海，趙書尙.點焊機器人焊槍加壓控制系統設計[J]．煤礦機械，2009（2）：38-39.

[3]謝誠侃．淺談氣動焊槍與伺服焊槍在實際使用及維護中的優卻劣比較[J]．中國新技術新產品，2013，33（1）：1-6.

Analysis of Popularity of Spot Welding Machine and Servo Gun

WEI Zi-jian，YANG Ben-zhou，NI Bing-lin，WEN Liu-chuan，ZHAO Ji-tai
（Liuzhou Wuling Motors Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545007，China）

In automatic welding line，the spot welding robot use can be divided into pneumatic welding torch and servo gun，two kinds of welding torch each have advantages and disadvantages in the use and maintenance.Due to the different structure has a very big difference in the maintenance and control，affect the utilization rate of equipment.Understand the principle and the difference of two kinds of welding equipment，is the key to analysis，solve the welding problem.

resistance welding；the servo gun；pneumatic welding torch

TG43

A

1672-545X（2016）11-0170-04

2016-08-12

韋子堅（1974-），男，廣西人，工程師，本科，研究方向為設備技術及維修。