一種單邊伺服點焊機器人集成工作臺

韋加業

（東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545007）

0 前言

在汽車白車身焊接過程中，很多零部件是由內外板組成，需同時滿足內板保持強度、外板保持平整、美觀的要求，這樣就需要在內外板總成內側形成焊點焊核，外側外板不形成焊點焊核的工藝要求；分析白車身開合件現有的生產方式，主要存在的問題點是如何使工件在不運動、有夾具固定、保證精度情況下完成方便、直接、可控、完整的電阻點焊過程，同時保證開合件的美觀、強度、精度均達到要求。目前，使用包邊或者機器人滾邊生產制造白車身開合件（主要包括汽車四門兩蓋）之后，采用拼臺引出焊接，拼臺工裝夾具固定住板件，由安裝在拼臺上角度固定的焊鉗進行一次電流焊接，但是這種生產方式容易受到工裝變異的影響，從而造成焊接質量下降，美觀性下降等諸多問題；拼臺引出焊，比較于機器人單邊點焊，突出了拼臺引出焊的高成本、柔性低、工裝復雜、笨重的缺點；機器人單邊焊在工件不運動，有夾具固定，保證精度的情況下，利用機器人的精確控制，準確找到焊點位置，完成方便、直接、可控、完整的電阻點焊過程，保證開合件的美觀、強度和精度要求，有效減少焊槍尺寸。

1 單邊焊槍的基本結構及工作原理

伺服單邊焊槍主要結構如圖1所示，主要由伺服電機、變壓器、槍體框架組件、彈簧組件、導軌支架組件、軟連接、動電極桿、銅編織塊等組成，其工作原理如圖2所示。

圖1 單邊焊焊槍結構

圖2 焊接原理

（1）焊接過程：板件就位以后，機器人通過控制焊槍伺服電機使銅編織塊與工件接觸，同時驅動動電極桿對工件進行加壓、焊機根據設定好的參數輸出電流，在焊接力與電阻熱效應的作用下，工件在與動電極桿接觸處形成熔核（外板表面不形成焊核），原本分離的工件被焊合在一起，焊接完成后，機器人回到集成工作臺進行電極帽磨損檢測，進行電極帽磨損補償并將此補償應用到后續焊接過程[1]；

（2）自動修模過程：利用集成工作臺模擬靜電極進行修模，修模完成后在集成工作臺上進行電極帽檢測；

（3）壓力標定過程：利用集成臺上方的壓力標定塊，結合壓力檢測設備進行每組壓力標定并生成壓力曲線；

（4）焊槍伺服電機自整定過程：在集成臺焊槍零點標定位置與區域進行零點核對后，在該區域內進行電機自整定操作；

（5）空打測試焊接電流：利用集成工作臺上的導電板，在焊槍零點標定位置進行焊接參數空打測試，應用于核對焊接參數以及故障排除。

由于機器人單邊伺服焊槍一端帶有電極帽，另一端為銅編織，位于相互平行的方向上，無法像普通焊槍一樣能夠使本身動、靜臂相互貼合完成加壓動作，借助集成工作臺可完成正常作業。

2 普通焊槍的基本結構及工作原理

普通伺服焊槍和單邊伺服焊槍焊接相比，基本原理一致，只是結構有所差別，其結構如圖3所示。

圖3 普通焊槍結構

普通伺服焊槍主要由伺服電機、變壓器、槍體框架組件、導軌支架組件、電極臂、動電極、靜電極桿等組成，其工作過程如下：

（1）焊接過程：板件就位以后，機器人通過控制焊槍伺服電機使靜電極與工件接觸，同時驅動動電極對工件進行加壓，焊機根據設定好的參數輸出電流，在焊接力與電阻熱效應的作用下，工件在動靜電極間形成熔核，焊接完成后，機器人回到設定點使動靜電極帽加壓進行電極帽磨損檢測，進行電極帽磨損補償并將此補償應用到后續焊接過程；

（2）電極帽修模過程：直接在修模器上進行修模，修模完成后關槍使自身動靜電極帽貼合進行電極帽檢測；

（3）壓力標定過程：可直接利用壓力檢測設備在HOME位進行每組壓力標定并生成壓力曲線；

（4）焊槍伺服電機自整定過程：可直接在HOME位進行電機自整定操作；

（5）空打測試焊接電流過程：可直接在HOME位進行焊接參數空打測試，應用于核對焊接參數以及故障排除。

綜上分析，普通C型伺服焊槍工作過程相對獨立，而單邊伺服焊槍在整個工作過程中需要借助集成臺才能更好的進行工作。

3 伺服單邊點焊機器人集成工作臺結構

集成工作臺結構如圖4所示。

圖4 集成工作臺

為實現伺服單邊點焊機器人能夠高效工作，集成工作臺在結構上做了各項優化，新增改進點有：

（1）為了方便進行焊槍零點標定以及電極帽磨損補償，在工作臺上安裝了高強度的鋼結構平面；

（2）為了方便進行焊槍壓力標定以及進行伺服電機自整定，結合壓力設備結構，布置了壓力檢測塊，由于受力部位，特意安裝在了立柱上方，提高整個集成臺的穩定性；

（3）為了能夠進行日常焊接參數檢測以及設備故障時的排除，在立柱上方安裝一塊導電板，連通空打時銅編織與動電極；

（4）為了保證修模時動電極與刀片的同心度，在刀片正上方增加一個圓形導向；

（5）為了模擬靜電極，在集成臺上增加了一個模擬靜臂。

4 集成工作臺設計開發要點

集成工作臺設計開發的要點如下：

（1）確保用于零點標定以及磨損補償的鋼結構的平面度、硬度以及耐磨性能；

（2）壓力檢測塊的安裝位置，需考慮焊槍施加壓力的大小與方向，確保整個集成臺的穩定性，同時需要確保高度的耐磨性能以及抗打擊能力；

（3）導電板兩端鏈接處的安裝形式、材料選擇，需確保導電性能；

（4）圓形導向的安裝形式，需是X方向與Y方向均可調節的；

（5）模擬靜電極的安裝及要求，電極錐度匹配所使用的電極帽并強度高于電極帽材質，靜電極與圓形導向的距離要合理，確保能夠方便進行電極帽更換操作。

5 機器人修模可行性簡易分析

以品牌型號為SGWA-059E的RAVITEX修磨器為例，機器人修模壓力為1 200 N，修磨器本身緩沖彈簧最大力F1≈300 N，設伺服電機輸出的壓力為F2，焊槍綜合阻力為Fz，隨著電極的往下施壓，修模器產生形變，反作用力在刀片中心產生了橫向的分力Fx，電極的垂直力Fy，模擬靜臂電極承受壓力F3；普通伺服焊槍修模，通過上下電極帽貼合加壓，受力如圖5所示[2]：

圖5 普通焊槍修磨受力

式中，f 2為靜電極帽給刀片的反作用力。

單邊伺服焊槍修模時，由于刀片下部無支撐，刀片受力傾斜如圖6所示。

圖6 單邊焊修磨傾斜受力

由于此時f 2=0 N，可知F 2遠大于F 2′，是達不到修模所需壓力的，同時Fx cosβ的橫向力作用于刀片傳動機構上，將加速傳動機構的損壞；因此，增加集成工作臺，模擬靜臂充當普通伺服焊槍靜電極帽端，受力如圖7所示：

圖7 單邊焊在集成臺上修磨受力

因為F 3≈ f 2，所以F 2=F 2″，即通過集成臺，可將單邊伺服焊槍修模轉換為普通伺服焊槍修模方式，解決修模壓力不足以及質量、刀片壽命問題。

6 性能檢驗

與本集成工作臺配合的是R2000IB/210F/R-30IA發那科機器人，已成功在集成工作臺上進行焊槍零點設定、焊槍伺服電機自整定、壓力標定、空打電流測試等功能應用，伺服單邊焊槍壓力標定數值如表1所示，生成相應的壓力曲線如圖8所示。

表1 壓力標定

圖8 壓力曲線

焊槍成功自整定畫面如圖9所示。

圖9 焊槍自整定

單邊伺服點焊機器人工作集成臺，已成功應用于現有車型某汽車公司尾門自動化線上，從現場安裝、調試到后期維護、車間運營生產，都得到了良好的口碑，使用效果良好，運行穩定。

7 結束語

本文通過介紹機器人伺服單邊焊槍，引入新的單邊焊機器人集成工作機構。重點介紹了機器人伺服單邊焊的焊接原理以及集成工作臺的設計要點，得出集成工作臺在確保焊接質量、修模質量、過程維護中發揮的重要作用，已成功應用于車身自動化門蓋線，效果良好，可以積極推廣在機器人單邊伺服焊接中的應用。

[1]曾東建.汽車制造工藝學[M].北京：機械工業出版社，2005.

[2]機械設計手冊（第三卷）[M].北京：機械工業出版社，1995.