淺談氣動(dòng)焊槍與伺服焊槍在實(shí)際使用及維護(hù)中的優(yōu)缺劣比較

謝誠(chéng)侃

（上海通用汽車有限公司，上海 201206）

1 概述

隨著汽車工業(yè)飛速發(fā)展，電阻點(diǎn)焊在板金件連接技術(shù)中的應(yīng)用中起了最重要的作用。自從20世紀(jì)30年代第一輛由點(diǎn)焊連接完成的汽車下線以來，電阻點(diǎn)焊的應(yīng)用近年來獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。目前，平均一輛轎車白車身大約有3000~4000個(gè)焊點(diǎn)，電阻點(diǎn)焊已經(jīng)成為轎車白車身裝配的重要連接方法，因而點(diǎn)焊質(zhì)量與焊接效率對(duì)轎車的質(zhì)量與成本有著重要影響。

現(xiàn)代汽車制造工業(yè)中，白車身焊接設(shè)備主要為氣動(dòng)點(diǎn)焊焊槍。經(jīng)過多年發(fā)展和不斷改進(jìn)，氣動(dòng)點(diǎn)焊焊槍在技術(shù)方面已經(jīng)非常成熟，焊接效率與焊接質(zhì)量控制方面有了很大的提高。但隨著汽車工業(yè)對(duì)焊接質(zhì)量與高效的要求，傳統(tǒng)氣動(dòng)點(diǎn)焊焊槍逐漸暴露了自身存在的缺陷，例如，對(duì)焊接板材的沖擊較大、焊接效率比較低、電極磨損嚴(yán)重、與工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)化集成度較低，不能緊跟汽車焊裝生產(chǎn)線的發(fā)展要求。伺服點(diǎn)焊焊槍的誕生正是為了滿足以上工業(yè)自動(dòng)化的要求，它具有焊接效率高、電極任意位置高精度定位、與焊接板材柔性接觸等優(yōu)點(diǎn)，成為汽車焊裝線里程碑式的突破。因此，無論是電動(dòng)驅(qū)動(dòng)還是氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，伺服焊槍無疑是點(diǎn)焊焊槍驅(qū)動(dòng)發(fā)展的方向。

下文主要以工業(yè)機(jī)器人末端工作的自動(dòng)焊槍做比較與分析。

2 焊槍結(jié)構(gòu)比較

以上海某汽車企業(yè)車身車間使用的由OBARA公司集成的焊槍為例，兩種焊槍都基本由槍體（ARM），電極桿，連桿，軟連接，硬連接等組成。氣動(dòng)槍分為C和X型，伺服槍除了C和X型外還分為W型和P型等（從外觀上與氣動(dòng)槍的C型和X型相對(duì)應(yīng)）。如圖1所示

由于兩種焊槍的驅(qū)動(dòng)部分一種是氣缸，一種是伺服電機(jī)。所以驅(qū)動(dòng)部分與槍體的連接安裝有很大的區(qū)別。按照筆者多年實(shí)際拆裝與更換部件的經(jīng)驗(yàn)來講，氣動(dòng)X型焊槍氣缸與槍體的拆裝是最為便捷的，伺服P型槍也比較簡(jiǎn)單，但是使用的工具種類較多。最為復(fù)雜的就是氣動(dòng)C型焊槍，由于此類型焊槍變壓器連接非常復(fù)雜（如圖2所示），在實(shí)際更換維護(hù)中，往往從機(jī)器人上更換整槍更為快捷（如圖3所示）。

圖2 典型的氣動(dòng)焊槍

氣動(dòng)與伺服焊槍，如電極桿，軟連接更換都不復(fù)雜。實(shí)際使用中筆者遇過由于冷卻不佳，使電極桿內(nèi)特氟龍管燒損而引起的更換情況，伺服槍的更換就繁瑣的多，所以保證伺服槍冷卻效果佳，對(duì)設(shè)備維護(hù)上來說更加有必要性。

3 驅(qū)動(dòng)方式比較

氣動(dòng)焊槍有電磁閥動(dòng)作控制焊槍行程與焊接動(dòng)作執(zhí)行，焊接壓力由焊接控制器發(fā)模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)比例閥控制。

相比較氣動(dòng)焊槍而言，伺服焊槍的最大結(jié)構(gòu)變化是以伺服裝置代替氣動(dòng)裝置，按照預(yù)先編制的程序，由伺服控制器發(fā)出指令，控制伺服電機(jī)按照既定的速度、位移進(jìn)給，脈沖指令經(jīng)過編碼器，最后形成電極的位移與速度控制，脈沖的數(shù)量與頻率決定了電極的位移與速度，轉(zhuǎn)矩決定了電極壓力。

在機(jī)器人末端執(zhí)行中，氣動(dòng)槍有氣缸驅(qū)動(dòng)，氣缸通過換向閥動(dòng)作來控制，壓力大小由焊接比例閥模擬量輸出控制。氣動(dòng)槍必須先動(dòng)作行程（Backup），并且到位才可以執(zhí)行焊接動(dòng)作，就使得必須增加行程檢測(cè)傳感器，此傳感器也因各種原因是失效非常高的部件之一，相比較，伺服槍通過工業(yè)機(jī)器人附加軸伺服驅(qū)動(dòng)卡通過伺服編碼器驅(qū)動(dòng)，伺服槍的優(yōu)點(diǎn)就出來了，也不會(huì)受此影響，減少常規(guī)停機(jī)有明顯作用。可伺服焊槍一旦故障，行程報(bào)錯(cuò)。排查故障就比氣動(dòng)焊槍復(fù)雜的多，與機(jī)器人的伺服線，電機(jī)的伺服模塊都可能是引起故障的原因，甚至是機(jī)器人本身設(shè)置故障而引起的。對(duì)于故障排查，目前只能通過經(jīng)驗(yàn)判斷較多。

每次焊接和電極帽切削后電極帽的長(zhǎng)度都會(huì)發(fā)生微小變化，伺服焊槍必須進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)置。

圖3 氣動(dòng)C型焊槍平衡杠連接圖

圖4 伺服X型，P型焊槍伺服馬達(dá)與槍體連接圖

更換下的氣動(dòng)焊槍氣缸可進(jìn)行保養(yǎng)與修復(fù)，而驅(qū)動(dòng)伺服槍的伺服馬達(dá)不可進(jìn)行保養(yǎng)與維修，直接更換。新安裝的伺服槍伺服電機(jī)還必須通過機(jī)器人初始化設(shè)置才可以工作，設(shè)置新安裝的電極帽也必須重新進(jìn)行零位設(shè)置，氣動(dòng)焊槍則不需要額外的設(shè)置，所以伺服焊槍的伺服電機(jī)更換除了維修人員對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的熟悉外，對(duì)機(jī)器人程序和設(shè)置的要求也是非常高的。

很多的學(xué)者對(duì)伺服焊機(jī)或焊槍的關(guān)閉時(shí)間有些意見。主要是認(rèn)為伺服焊機(jī)或焊槍，其閉合時(shí)間較氣缸長(zhǎng)，所以會(huì)減少生產(chǎn)率。

在使用氣缸的焊鉗上，一旦氣缸開始運(yùn)動(dòng)之后，其運(yùn)動(dòng)的速度，是無法控制的。這和氣路充氣的能力，機(jī)械結(jié)構(gòu)，都有直接的關(guān)系。其運(yùn)動(dòng)的速度，確實(shí)是可以做的很快。但是，在接觸工件時(shí)，因?yàn)樗俣群芸?，沖擊的力量也很大。這對(duì)焊頭是有磨損的；同時(shí)，也容易造成機(jī)械結(jié)構(gòu)的提早老化。對(duì)氣缸來說，要消除這個(gè)狀況，不是一件容易的事。一般來說，我們可以使用軟接觸的方式來解決，但是，因?yàn)闆]有速度控制，效果并不是很穩(wěn)定。

大部分的電焊機(jī)和焊槍的應(yīng)用，對(duì)時(shí)間的要求很高。大部分的使用者，只注意到對(duì)時(shí)間上的縮短，而沒有注意到焊接控制器在焊接預(yù)壓時(shí)間的重要性，只是一味地縮短，而不知道縮短后對(duì)工藝上的影響。用氣缸時(shí)，只能用加速來減少時(shí)間。因?yàn)槠渌俣葻o法控制，控制器的適當(dāng)加壓時(shí)間不容易決定。

伺服馬達(dá)在此可以顯出其特點(diǎn)。伺服馬達(dá)的機(jī)械結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，但是其主要的優(yōu)勢(shì)是在它的可控制性。早期的伺服控制，只能做位置及速度控制。在最新的控制器里，不只位置和速度能做精確的控制，對(duì)馬達(dá)的電流，以及扭力，都能做精確地控制，并能夠在位置控制模式和扭力控制模式間自由地轉(zhuǎn)換。

在啟動(dòng)時(shí)，因?yàn)轳R達(dá)控制器有能力檢測(cè)螺桿的動(dòng)作，所以它能夠在啟動(dòng)時(shí)比氣缸更快地達(dá)到所需的速度。在達(dá)到所需的速度后，因?yàn)橥ǔ５膭?dòng)摩擦力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于靜摩擦力，焊鉗的速度可以保證。在接近工件時(shí)，利用軟件，可以很容易地減速，來減低焊鉗和工件的沖擊。在機(jī)器人的應(yīng)用上，焊鉗更可以和機(jī)器人控制器結(jié)合，將機(jī)器人手臂的動(dòng)作集成，成為機(jī)器人的最后的一個(gè)關(guān)節(jié)。運(yùn)動(dòng)時(shí)可和其他的關(guān)節(jié)一起程序，進(jìn)一步減少焊接工件的時(shí)間；比如，機(jī)器人可以控制到在運(yùn)動(dòng)中將焊鉗合上，并在最后的一段動(dòng)作進(jìn)行軟接觸的運(yùn)動(dòng)。在使用氣缸時(shí)，這些控制是很難完成的（如圖4）。

4 其他比較

由于電機(jī)輸出的穩(wěn)定性比氣壓可靠，在焊接工藝方面伺服槍有著非常明顯與氣動(dòng)焊槍的優(yōu)勢(shì)，加上伺服槍不會(huì)因?yàn)闅鈩?dòng)元件與氣管磨損而引起的能源損失。

為了實(shí)現(xiàn)柔性化生產(chǎn)的需求，一條流水線上有多種車型生產(chǎn)，所以一臺(tái)機(jī)器人輪換使用不同形狀焊槍的情況也非常普遍，每次切換焊槍機(jī)器人都需要對(duì)新焊槍進(jìn)行參數(shù)判斷與保留，或由于換槍盤接觸不可靠引起的觸點(diǎn)需接觸，都會(huì)引起伺服焊槍報(bào)出錯(cuò)報(bào)警，復(fù)位過程還可能需要進(jìn)行機(jī)器人斷電重啟的步驟，耗時(shí)非常多。由于伺服焊槍對(duì)于使用人員在機(jī)器人操作上有非常高的要求。在實(shí)際運(yùn)用中，現(xiàn)場(chǎng)維修人員和工程師在項(xiàng)目中都應(yīng)盡量避免機(jī)器人伺服槍換槍的使用。

結(jié)語

氣動(dòng)焊槍與伺服槍在維修維護(hù)方面雖然各有優(yōu)勢(shì)，總體來說無論從焊接工藝還是綜合維護(hù)上考慮，伺服焊槍具有傳統(tǒng)氣動(dòng)焊槍無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)設(shè)備維護(hù)使用人員的要求也更高。

[1]張旭強(qiáng)，陳關(guān)龍，張延松，張小云電阻點(diǎn)焊的伺服焊槍技術(shù)特性分析[J].焊接學(xué)報(bào)，2005.

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[3]陳建平，馮友仁.伺服馬達(dá)和氣缸在電阻焊接應(yīng)用的比較[Z].