氣動(dòng)伺服焊槍的離線測試

董 敏

(SAR自動(dòng)化(上海)有限公司，上海 200030)

氣動(dòng)伺服焊槍的離線測試

董 敏

(SAR自動(dòng)化(上海)有限公司，上海 200030)

根據(jù)氣動(dòng)伺服焊槍的性能特點(diǎn)，介紹了一套基于PLC控制器的伺服氣動(dòng)焊槍離線檢測機(jī)構(gòu)的原理和組成。系統(tǒng)從機(jī)械性能、電氣性能、氣密水密性、焊接壓力、電流、CMK指數(shù)等方面評(píng)估了被檢測焊槍的性能。實(shí)際證明，系統(tǒng)可以滿足大部分用戶檢測和維護(hù)的需要。

氣動(dòng)伺服焊槍；離線檢測；電阻焊

0 前言

目前電阻點(diǎn)焊已廣泛應(yīng)用于轎車白車身裝配工藝中，它是復(fù)雜的電、熱、力等因素綜合作用的結(jié)果。影響點(diǎn)焊質(zhì)量的原因很多，焊接電流、焊接時(shí)間、電極力是其主要原因。焊接電流和時(shí)間由焊接控制器來調(diào)節(jié)，通常采用恒流控制法。

在傳統(tǒng)的氣動(dòng)焊槍中電極力是由氣缸來控制，由于普通氣壓系統(tǒng)固有的缺陷，無法保證電極力的穩(wěn)定性。新型的伺服焊槍采用伺服機(jī)構(gòu)來控制，能準(zhǔn)確控制電極速度、位置、壓力，從而提高焊點(diǎn)質(zhì)量；由于焊接電極與工件是彈性接觸，伺服焊槍能夠明顯提高電極壽命。

1 伺服焊槍

1.1 電動(dòng)伺服焊槍

電動(dòng)伺服焊槍是最常見的實(shí)現(xiàn)焊槍焊接壓力、焊接位置伺服控制的形式。伺服焊槍在車身生產(chǎn)線應(yīng)用時(shí)，被集成在專門的焊接機(jī)器人上，由機(jī)器人驅(qū)動(dòng)。焊槍上的伺服電機(jī)被視為焊接機(jī)器人的附加軸，由機(jī)器人控制器中專門的伺服單元來控制，機(jī)器人控制器上的安裝點(diǎn)焊軟件包，能夠?qū)崿F(xiàn)焊槍定位、與工件軟接觸、預(yù)壓、焊接、保壓以及電極軸向磨損檢測和補(bǔ)償?shù)裙δ堋?/p>

1.2 氣動(dòng)伺服焊槍控制系統(tǒng)

由于電動(dòng)伺服焊槍需要配備專用的伺服電機(jī)、控制器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，因而體積龐大且造價(jià)較高。另外，由于傳統(tǒng)的焊槍多由氣缸驅(qū)動(dòng)，如采用電動(dòng)伺服焊槍，則需要對(duì)焊接系統(tǒng)以及配套的機(jī)器人、PLC系統(tǒng)做較大的技術(shù)更新，不利于保護(hù)原有的設(shè)備投資。

氣動(dòng)伺服焊槍是另一種實(shí)現(xiàn)焊槍伺服驅(qū)動(dòng)的方式。它采用伺服氣缸實(shí)現(xiàn)焊槍電極臂的控制，控制目標(biāo)可以是位移，也可以是電極力。由伺服氣缸取代原有的雙位置氣缸，節(jié)省了焊槍的體積且保留原有的焊接控制器。機(jī)器人系統(tǒng)無需做太大改動(dòng)，只需將原有由氣缸位置的控制換成對(duì)伺服氣缸的位移輸出即可。另外，集成式的氣動(dòng)伺服單元還可以實(shí)現(xiàn)氣壓和電極力的自動(dòng)比例調(diào)節(jié)，達(dá)到預(yù)設(shè)的電極力，有助于提高焊接質(zhì)量。

與電動(dòng)伺服焊槍相比，氣動(dòng)伺服焊槍在造價(jià)上更便宜，有助于大規(guī)模地推廣使用。

1.2.1 焊接控制器

焊接控制器是實(shí)現(xiàn)焊接電流輸出，焊接時(shí)間控制的關(guān)鍵設(shè)備。在此以BOSCH PSI 6000系列的焊接控制器為例，介紹伺服焊槍系統(tǒng)中焊槍控制器的使用。BOSCH提供了BOS6000軟件對(duì)焊接過程中主要參數(shù)，如預(yù)壓、焊接、保持等時(shí)間進(jìn)行設(shè)定，目標(biāo)電流值，電流控制方式的設(shè)定。對(duì)于電流控制方式，可以采用恒流(PHA)模式，也可以采用熱控制模式(KSR)。本系統(tǒng)采用PHA模式。

1.2.2 伺服氣缸

伺服氣缸是實(shí)現(xiàn)電極臂位移控制和力控制的主要設(shè)備。在此對(duì)應(yīng)的焊槍是采用FESTO的帶有SPC－WELD－SA控制模組的伺服氣缸。FESTO提供了WinSPAS軟件可以對(duì)焊槍的力控制，位移控制控制調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。

2 氣動(dòng)伺服焊槍測試

2.1 測試系統(tǒng)原理

一套焊槍測試站的測試系統(tǒng)實(shí)物如圖1所示。它可以對(duì)普通氣動(dòng)焊槍和伺服氣動(dòng)焊槍進(jìn)行測試。

圖1 伺服焊槍測試系統(tǒng)實(shí)物

該焊槍測試系統(tǒng)的基本組成如圖2所示，由配電柜、焊槍控制柜、焊槍適配單元組成。系統(tǒng)的核心部分為一套Siemens的S7－400的PLC，通過現(xiàn)場總線Interbus與焊槍氣缸控制器進(jìn)行通信。西門子的另一種工業(yè)以太網(wǎng)則用來與Bosch焊槍控制器和分布式IO的通信。系統(tǒng)有Siemens 15時(shí)的工業(yè)觸摸屏來處理人機(jī)界面。另外還有一臺(tái)打印機(jī)可供打印測試報(bào)告。

圖2 測試系統(tǒng)基本組成

對(duì)于每一把測試的焊槍，在測試前只需要把氣、水回路，控制總線(在此為Interbus)以及焊接電纜接好就可以開始測試。

PL2的普通氣動(dòng)焊槍水測試回路如圖3所示。PL6的為伺服氣動(dòng)焊槍的水測試回路。它包括有進(jìn)回水閥、溫度傳感器、壓力傳感器和流量計(jì)，以及相應(yīng)的快速接頭。

圖3 PL2普通氣動(dòng)焊槍的水測試回路

PL2的普通氣動(dòng)焊槍氣測試回路如圖4所示。PL6的為伺服氣動(dòng)焊槍的氣測試回路。它包括有壓力傳感器和相應(yīng)的快速接頭。

2.2 測試內(nèi)容

2.2.1 氣密性和水密性

氣密性和水密性是焊槍正常工作的必要條件。

焊槍使用高壓空氣來驅(qū)動(dòng)電極臂。如果槍有漏氣，則無法達(dá)到規(guī)定的電極壓力，影響焊接質(zhì)量。

焊槍的冷卻水回路將焊接時(shí)產(chǎn)生的熱量帶走，如果漏水，一方面影響焊接的環(huán)境，造成電氣方面的不安全。另一方面影響流速，造成焊接系統(tǒng)過熱，導(dǎo)致焊接質(zhì)量不穩(wěn)定。

對(duì)于氣密性的測試，所采用的工作原理就是關(guān)斷進(jìn)出的氣閥回路，形成相對(duì)的靜壓。然后利用壓力傳感器的反饋值觀察壓降，當(dāng)30s內(nèi)壓降小于1%，則認(rèn)為沒有漏氣。對(duì)于水密性的測試采用了同樣的測試原理和測試標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 PL2的普通氣動(dòng)焊槍的氣測試回路

2.2.2 機(jī)械電氣響應(yīng)特性

焊槍機(jī)械電氣響應(yīng)特性主要包括電極臂開關(guān)動(dòng)作的時(shí)間。一個(gè)合理的動(dòng)作時(shí)間對(duì)于繁忙的白車身焊接作業(yè)工序時(shí)間來說非常重要。本系統(tǒng)將建立每把焊槍的數(shù)據(jù)庫，記錄有各焊槍在出廠時(shí)所測試記錄有的焊槍電極臂動(dòng)作時(shí)間。以后的測試將以此為標(biāo)準(zhǔn)，誤差不允許超過10%，否則視為檢測失敗。

2.2.3 平衡氣缸的壓力

平衡氣缸提供了與動(dòng)作氣缸相反的壓力。用于提供當(dāng)焊槍接近工件時(shí)，提供一定的適配空間，以防止剛性接觸引起的導(dǎo)致焊槍或工件損壞。

2.2.4 電極力

電極力是焊槍最主要的性能參數(shù)。焊槍能否達(dá)到額定的電極力直接決定了焊點(diǎn)質(zhì)量的好壞。電極力的好壞不僅取決于最終能否達(dá)到設(shè)定的力。由于氣缸動(dòng)作總是需要一定時(shí)間，達(dá)到額定壓力的時(shí)間和力的變化曲線也對(duì)于焊接操作具有相當(dāng)?shù)挠绊憽?/p>

現(xiàn)場使用的電極力為2.0～4.0 kN。所以對(duì)電極力的測試，選用了用 2.0 kN，2.5 kN，3.0 kN，3.5 kN，4.0 kN作為了壓力測試標(biāo)準(zhǔn)。采用Kistler壓力傳感器，記錄在這些設(shè)定的額定壓力下電極壓力的變化，從開始加壓到壓力到達(dá)額定值的變化曲線如圖5所示。

2.2.5 設(shè)備能力指數(shù)CMK

設(shè)備能力指數(shù)CMK是德國汽車行業(yè)常采用的參數(shù)，稱為臨界機(jī)器能力指數(shù)，它僅考慮設(shè)備本身的影響，同時(shí)考慮分布的平均值與規(guī)范中心值的偏移。

式中 Min為最小值；USL為上公差界限；UCL為下公差界限；為總體平均值＝average(A1:100)；S為樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差＝stdev(A1:A100)，S＝

圖5 電極壓力變化曲線

統(tǒng)計(jì)了焊槍最重要的性能指標(biāo)——電極壓力。在3 kN的標(biāo)準(zhǔn)壓力設(shè)定下，根據(jù)一定規(guī)模的統(tǒng)計(jì)取樣。USL 和 UCL 分別設(shè)成 5%，分別為 3.15 和 2.85。根據(jù)CMK公式計(jì)算出來的值應(yīng)該大于1.66。值越大，表示測試結(jié)果越類似，焊槍的越趨于穩(wěn)定工作。

2.2.6 焊接電流

焊接電流是焊接過程中非常重要的另一性能參數(shù)。焊接電流是影響焊接質(zhì)量和生產(chǎn)率的主要因素。電流過大，金屬熔化快，熔深大，同時(shí)金屬飛濺也大，易產(chǎn)生燒穿、咬邊等缺陷；電流過小，易產(chǎn)生未焊透、夾渣等缺陷，且生產(chǎn)率低。

對(duì)于焊接電流的測試，采用Miyachi的MM 370 A的電流測試儀來監(jiān)視記錄電流反饋值。在實(shí)際測試中，先通過Bosch的焊接控制器中設(shè)定一組電流參數(shù)(從 6.0 kA 到 12.0 kA)，然后從小到大依次進(jìn)行焊接，并監(jiān)視記錄Miyachi的電流測量結(jié)果。當(dāng)各組實(shí)測值和反饋值相差不大于5%時(shí)，就可以認(rèn)為焊槍可以保證焊接電流的穩(wěn)定性。

2.2.7 檢測報(bào)告

當(dāng)進(jìn)行了上面所有的測試項(xiàng)后，用戶需要出具一份規(guī)定格式的檢測報(bào)告。報(bào)告從機(jī)械性能、電氣性能、氣密水密性、焊接壓力、電流、CMK指數(shù)等各方面評(píng)估了被檢測焊槍的性能。并出具標(biāo)稱值和實(shí)測值，可供廣大用戶作為定期檢測報(bào)告，也可作為焊槍維護(hù)保養(yǎng)、更換的依據(jù)。

3 結(jié)論

焊槍是汽車白車身車間應(yīng)用最廣泛的設(shè)備之一。對(duì)焊槍的離線檢測，對(duì)于廣大汽車廠焊接車間來說，是十分重要且繁重的工作。本焊槍測試系統(tǒng)從機(jī)械性能、電氣性能、氣密水密性、焊接壓力、電流、CMK指數(shù)各方面評(píng)估了被檢測焊槍的性能。給維護(hù)人員提供一套實(shí)用的檢測工具。

Offline test of the servo-pneumatic welding gun

DONG Min
(SAR Automation(Shanghai)Co.，Ltd.，Shanghai 200030，China)

This document introduced the theory and components of an offline test system using PLC controller base on the characteristic of the servo-pneumatic welding gun.The system can evaluate a servo-penumatic gun from the each aspects of mechanical and eletrical performance，the leak of the air and water，electrode force，welding current，and the CMK index.The system has been proved that it can meet the most of requirment of the users.

pneumatic servo gun；offline test；spot welding

TG438.2

A

1001－2303(2011)03－0032－03

2010－04－21；

2010－12－16

董 敏(1976—)，男，上海人，學(xué)士，主要從事自動(dòng)化方面的研究與應(yīng)用工作。