伺服焊槍的精度與電極力控制特性分析

張旭強(qiáng)，石強(qiáng)，張延松

(1.中國石油大學(xué) (華東)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島266580;2.上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海 200030)

0 前言

電阻點(diǎn)焊技術(shù)以其低成本，易實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)的特點(diǎn)，是白車身焊接裝配的主要連接方法。目前各大汽車公司主要應(yīng)用的是氣動焊槍點(diǎn)焊技術(shù)，隨著汽車安全性與輕量化要求的提高，各種新型輕質(zhì)高強(qiáng)度材料如鍍鋅鋼板、鋁合金板等逐漸應(yīng)用于汽車生產(chǎn)中，但這類材料焊接性較差、焊點(diǎn)質(zhì)量不穩(wěn)定［1－2］，加上氣動焊槍控制本身的局限性，對柔性焊接件的沖擊較大、與機(jī)器人的集成度較低，已經(jīng)不太適應(yīng)現(xiàn)代汽車工業(yè)的發(fā)展要求［3］。

伺服焊槍是最近發(fā)展起來的一種新型焊槍，采用伺服電機(jī)作為動力裝置［4］，由伺服控制器實(shí)現(xiàn)對伺服電機(jī)的高效、準(zhǔn)確控制，易于與機(jī)器人控制器接口有效集成，從而實(shí)現(xiàn)對電極的高精度定位與柔性焊接控制，在焊槍的發(fā)展里程上相當(dāng)于機(jī)床行業(yè)里實(shí)現(xiàn)由普通機(jī)床到數(shù)控機(jī)床的飛躍。隨著汽車生產(chǎn)的高度自動化以及對焊接質(zhì)量要求的不斷提高，伺服焊槍具有廣闊的應(yīng)用前景，為此，本文作者對伺服焊槍的精度特性與電極力控制特性進(jìn)行分析，以促進(jìn)伺服焊槍在車身制造中的進(jìn)一步應(yīng)用。

1 伺服焊槍的精度特性分析

實(shí)驗(yàn)所用伺服焊槍是AC型伺服焊槍，主要由伺服電機(jī)、編碼器、傳動裝置、上下電極以及焊接變壓器等組成，上電極作為機(jī)器人的第七運(yùn)動控制軸，機(jī)器人控制器發(fā)出指令脈沖，伺服電極將接收的指令脈沖轉(zhuǎn)化為機(jī)械運(yùn)動，控制上電極按照既定的位移、速度運(yùn)動，而電極的位移變化，在編碼器中實(shí)時在線反饋。相比較氣動焊槍而言，伺服焊槍的最大變化是以伺服裝置代替氣動裝置，控制伺服電機(jī)按照既定的速度、位移進(jìn)給。

伺服焊槍可以通過編碼器實(shí)時反饋電極的位移狀況，因此可用來在線測量焊點(diǎn)壓痕深度及工件厚度，對電極磨損進(jìn)行在線檢測補(bǔ)償。焊槍本身傳動精度對在線檢測具有較大影響，為此，首先對焊槍的傳動精度、回程誤差等精度特性進(jìn)行分析，以確認(rèn)伺服焊槍在精度方面能否滿足實(shí)際檢測要求。傳動精度的驗(yàn)證采用激光位移傳感器進(jìn)行校驗(yàn)，測量精度為0.25 μm。位移傳感器固定于下電極，激光反射板固定于上電極，隨上電極同步移動。伺服焊槍傳動精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，根據(jù)試驗(yàn)樣本測定取均值，激光傳感器測得的焊槍實(shí)際位移量為254 μm/100脈沖，伺服電機(jī)理論位移值應(yīng)該為260 μm/100脈沖，傳動裝置誤差為:6 μm/100脈沖。傳動誤差為2.3%，能夠滿足電極位移實(shí)時檢測要求。

圖1 伺服焊槍的傳動精度

由于傳動裝置存在間隙，當(dāng)電極由進(jìn)給運(yùn)動轉(zhuǎn)為回程運(yùn)動時，焊槍會存在回程誤差?；爻陶`差會影響編碼器對電極位移的在線反饋，進(jìn)而影響與電極軸向位移信息相關(guān)的電極軸向磨損、壓痕深度與熱膨脹位移檢測。因此分析回程誤差大小，以便對編碼器反饋數(shù)值進(jìn)行補(bǔ)償。圖2是焊槍回程誤差測量的試驗(yàn)結(jié)果，從圖2可以看出，當(dāng)電極上升返回時，并不能返回到初始出發(fā)對應(yīng)點(diǎn)，兩點(diǎn)之間差值就是回程誤差，約為5 μm，在后續(xù)的位移反饋測量中進(jìn)行相應(yīng)的位移補(bǔ)償即可減小回程誤差造成的影響。

圖2 伺服焊槍回程誤差

由于伺服焊槍是與機(jī)器人集成控制，為了提高車身焊接裝配效率，機(jī)器人手臂的運(yùn)動速度以及焊槍電極的運(yùn)動速度均比氣動焊槍要高，同時對電極的定位精度要求也比較高。為此，分析電極運(yùn)動速度對定位精度的影響，在保持相同的運(yùn)動位移量前提下，對焊槍上電極施加不同速度指令，分析不同運(yùn)行速度對定位精度影響，結(jié)果如圖3所示，焊槍電極運(yùn)動速度對定位精度沒有影響，這主要是因?yàn)樗欧笜尣捎盟欧笜屪鲵?qū)動裝置，可實(shí)現(xiàn)對電極加減速的精確控制。

圖3 電極進(jìn)給速度對定位精度的影響

利用伺服焊槍與激光位移傳感器進(jìn)行壓痕深度測量實(shí)驗(yàn)，綜合驗(yàn)證分析伺服焊槍精度對電極位移信息在線反饋精度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，傳感器所測得的壓痕深度約為76 μm，焊槍所測得的壓痕深度為72 μm，誤差率為5.2%，伺服焊槍精度滿足在線檢測要求。

圖4 伺服焊槍在線測量壓痕深度

2 伺服焊槍的電極力控制特性

相比較于氣動焊槍焊接過程中的電極力響應(yīng)時間長、不可調(diào)，伺服焊槍點(diǎn)焊過程的電極力反映靈敏。電阻點(diǎn)焊的通電焊接時間只有約10個周波 (0.2 s)，氣動焊槍響應(yīng)時間慢的特性限制了其無法實(shí)現(xiàn)在通電焊接過程中進(jìn)行變電極力控制，而伺服焊槍由于采用伺服控制裝置，其電極力控制響應(yīng)時間約為2個周波(0.04 s)，從技術(shù)角度完全可以實(shí)現(xiàn)焊接過程中對電極力的控制，使基于熱電極力控制的焊點(diǎn)質(zhì)量在線檢測成為可能，且不需要額外安裝傳感器。此外，電極力變化對焊接過程中的飛濺、電極磨損、熔核形成具有重要的影響［5］，因此，對電極力控制的研究具有較大意義，而伺服焊槍靈敏的電極力控制特性使研究成為可能。

2.1 預(yù)壓階段電極力控制特性

伺服焊槍在電極接觸工件，與工件產(chǎn)生壓力的瞬間，對工件不可避免的要產(chǎn)生沖擊，對工件沖擊的力學(xué)特性一般在0～0.05 s時間段內(nèi)完成。對工件的沖擊力特性對比如圖5所示，由圖5可以看出，氣動焊槍對電極與工件沖擊力較大。氣動焊槍在接近工件時，由于氣動裝置的技術(shù)特性制約，依然保持較大的速度，對工件沖擊力較大，加劇工件變形，影響電極使用壽命與定位精度。伺服焊槍由于采用伺服電極做驅(qū)動，具有良好的加減速控制，開始以較高的速度運(yùn)動，在接近工件時改以較低的爬行速度運(yùn)動，沖擊力很小，實(shí)現(xiàn)對工件“軟接觸”。提高電極使用壽命，減小對工件沖擊變形。

圖5 伺服焊槍與氣動焊槍電極力沖擊特性

在點(diǎn)焊過程的4個階段中，焊接、保持、休止這3個階段對兩種類型焊槍來說，所用時間基本上差不多，可壓縮空間不大，預(yù)壓階段相對來說是一個焊接周期中最長的階段，氣動焊槍的預(yù)壓時間一般是20～40個周波。設(shè)定相同的預(yù)壓力，對比分析伺服焊槍與氣動焊槍達(dá)到預(yù)壓力時的特性，兩種焊槍的預(yù)壓力控制特性如圖6所示，氣動焊槍達(dá)到預(yù)壓力的時間為30個周波，而伺服焊槍則只用了10個周波就達(dá)到了既定預(yù)壓力，大大縮短了點(diǎn)焊時間。由于伺服焊槍靈敏的電極力控制特性，使預(yù)壓階段時間大大縮短，相比較于氣動焊槍，伺服焊槍完成一個焊點(diǎn)就可節(jié)省約0.4 s。相對于一臺轎車的4 000多個焊點(diǎn)，0.4 s對整個車身生產(chǎn)率的提高就非常重要。

圖6 伺服焊槍與氣動焊槍預(yù)壓力特性

2.2 焊接階段電極力控制特性

點(diǎn)焊過程中電極力的改變對接觸電阻具有較大的影響，隨著電極預(yù)壓力的增大，接觸電阻逐漸減小，接觸電阻對熔核的初期產(chǎn)熱有較大影響，較小預(yù)壓力下的接觸電阻會產(chǎn)生更多的熱量，利于熔核的形成［2］。通電焊接后期，在熔核結(jié)晶冷卻階段，較大電極力作用下的熔核冷卻結(jié)晶會得到比較好的熔核質(zhì)量，減少結(jié)晶冷卻過程中氣孔與裂紋的產(chǎn)生［2，6］。因此，通電焊接過程中的電極力控制方案如圖7所示，在焊接初期保持較小的漸進(jìn)電極力，利于熔核的晰熱與生成，在焊接后期熔核結(jié)晶階段，保持較大的電極壓力利用熔核的形成。由于通電焊接過程時間很短，氣動焊槍很難在如此短的時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)變電極力控制，而伺服焊槍靈敏的電極力控制響應(yīng)特性，使焊接過程變電極力控制成為可能?；谒欧笜岆姌O力控制的焊接工藝規(guī)范，可提高鍍鋅板的焊接性能與焊接質(zhì)量，減小電極磨損。

圖7 焊接階段電極力控制方案

焊接過程中由于熔核的受熱膨脹，產(chǎn)生熱膨脹力。熱膨脹力反映了熔核的形成過程特點(diǎn)，在一定程度上反映熔核的質(zhì)量，兩種焊槍受熱膨脹力的特性如圖8所示。

圖8 伺服焊槍與氣動焊槍電極熱膨脹力

由圖可知，伺服焊槍具有更精確的電極力控制能力，并且熱膨脹力波動幅度較小。伺服焊槍對電極力的控制實(shí)行力矩環(huán)控制，在上電極運(yùn)動到工件焊接位置開始預(yù)壓時，此時對電極的運(yùn)動控制轉(zhuǎn)為力矩環(huán)控制，使電極下移，直至達(dá)到預(yù)定壓力。在焊接過程中，由于熔核的熱膨脹，使作用于電極上的力增大，此時通過力矩環(huán)電流減少，使上電極隨動上移，保持電極力穩(wěn)定，當(dāng)熔核冷卻收縮時，作用于電極的力減少，此時通過力矩環(huán)的電流增大，使上電極隨動下移，保持熔核冷卻結(jié)晶需要的電極力，因此使伺服焊槍具有更精確的電極力控制能力，利于熔核的形成，提高焊點(diǎn)質(zhì)量。

3 結(jié)論

通過對伺服焊槍精度特性與電極力控制特性研究分析，主要結(jié)論如下:

(1)伺服焊槍傳動誤差為2.3%，能夠滿足電極位移實(shí)時檢測要求;回程誤差約為5 μm，補(bǔ)償后可降低對位移反饋精度影響，焊槍與電極移動速度對電極的定位精度沒有影響。

(2)對預(yù)壓階段的電極力特性分析表明，相比較于氣動焊槍，伺服焊槍對工件的沖擊力較小，達(dá)到預(yù)壓力時間大大縮短。

(3)在通電焊接階段，伺服焊槍熱膨脹力波動較小，具有更準(zhǔn)確的電極力控制能力，利于熔核的形成。

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