智能中頻逆變伺服機(jī)器人焊接系統(tǒng)

焦玉平，田紅杰，吳寶舉中國科學(xué)院沈陽自動化研究所義烏中心技術(shù)部，浙江義烏　322000

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智能中頻逆變伺服機(jī)器人焊接系統(tǒng)

焦玉平，田紅杰，吳寶舉
中國科學(xué)院沈陽自動化研究所義烏中心技術(shù)部，浙江義烏322000

摘要智能中頻可編程電阻焊控制器、伺服焊鉗、點(diǎn)焊機(jī)器人（智能中頻逆變伺服機(jī)器人焊接系統(tǒng)）技術(shù)的現(xiàn)狀與未來，此項技術(shù)在提高焊接質(zhì)量、提高工作效率、降低生產(chǎn)成本、提高安全等級、降低工作危害等方面有著重要的作用。此項技術(shù)在點(diǎn)焊焊接工藝中有著越來越廣泛的應(yīng)用，越來越多的科研技術(shù)人員參與到智能中頻逆變伺服機(jī)器人焊接系統(tǒng)研究中來，注定在機(jī)器人伺服點(diǎn)焊領(lǐng)域發(fā)揮出重要作用。

關(guān)鍵詞智能中頻可編程電阻焊控制器；伺服焊鉗；點(diǎn)焊機(jī)器人

1　點(diǎn)焊機(jī)器人

工業(yè)4.0已經(jīng)到來，在中國機(jī)器人必將得到越來越多的市場，根據(jù)機(jī)器人功能及作用的不同，大致分為噴涂機(jī)器人、水下機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、切割機(jī)器人、救援機(jī)器人等；每種機(jī)器人有著六軸、七軸、八軸關(guān)節(jié)數(shù)量的區(qū)分及負(fù)重的不同。

點(diǎn)焊機(jī)器人由智能中頻可編程電阻焊控制器、伺服焊鉗、點(diǎn)焊機(jī)器人、機(jī)器人控制系統(tǒng)等組成，按工藝及動作流程的要求，通過各關(guān)節(jié)的移動，帶動焊鉗，從而達(dá)到焊鉗上的電極對目標(biāo)點(diǎn)焊接的目的。點(diǎn)焊機(jī)器人有速度快、柔性高、精準(zhǔn)等特點(diǎn)，為實現(xiàn)中頻逆變伺服點(diǎn)焊系統(tǒng)提供了良好的基本條件。

2　可編程中頻逆變點(diǎn)焊技術(shù)說明

系統(tǒng)介紹：中頻逆變焊機(jī)把50HZ的交流電整流逆變?yōu)?000Hz的中頻方波經(jīng)中頻變壓器降壓整流為10V左右的低壓直流電，通過一體化伺服點(diǎn)焊鉗對工件進(jìn)行焊接。輸出電流為直流形式，焊接速度更快，而且焊接過程更加穩(wěn)定，電流的調(diào)節(jié)過程更快更準(zhǔn)確。焊接變壓器的體積和重量只有傳統(tǒng)焊接變壓器的40%左右。

2.1產(chǎn)品主要用途

1）普通低碳鋼板；

2）鋁、鍍鋅鋼板、高強(qiáng)度鋼板等；

3）多層板焊接、非常薄的材料的焊接以及精密焊接。

2.2技術(shù)特點(diǎn)

中頻逆變式電阻焊機(jī)主要體現(xiàn)如下優(yōu)點(diǎn)：1）節(jié)能，與傳統(tǒng)焊接產(chǎn)品對比，節(jié)能達(dá)40%以上；2）焊接過程基本無飛濺，焊核質(zhì)量好，汽車安全性提高；3）三相電網(wǎng)平衡，焊接端為直流，因此對電網(wǎng)沖擊很小，功率因數(shù)高。經(jīng)過中頻點(diǎn)焊和工頻點(diǎn)焊焊接比對得出，在相同的焊接要求下，三相中頻逆變直流焊接一次端電流很小，從電流波形可以看出，三相中頻逆變直流焊接明顯對電網(wǎng)的沖擊更小。

下面是詳細(xì)說明：

1）節(jié)能：三相中頻逆變直流焊接輸入端為三相380V，工作時功率因數(shù)＞0.9。用戶中90%的點(diǎn)焊機(jī)是單相380V交流焊機(jī)，單相380V交流點(diǎn)焊機(jī)依靠控制可控硅導(dǎo)通角大小來實現(xiàn)控制電壓的目的，因此存在空區(qū)。三相中頻逆變直流點(diǎn)焊機(jī)因其三相用電平衡、直流逆變技術(shù)不存在電流空區(qū)、工作時功率因數(shù)＞0.9而以節(jié)能著稱。在焊裝車間（轎車為主），常用設(shè)備為DN3-160、DN3-200單相工頻交流懸掛式點(diǎn)焊機(jī)，如果使用三相中頻逆變直流一體式點(diǎn)焊機(jī)只需85kVA以下就可以達(dá)到同等效果。

2）焊接質(zhì)量高：中頻點(diǎn)焊電流集中，焊接電流沒有空區(qū)，所以焊接時間短、電極發(fā)熱量小，增加了電極的使用壽命。中頻點(diǎn)焊頻率高達(dá)1000Hz以上，次級電流輸出能力強(qiáng)，波形平直，幾乎不產(chǎn)生飛濺，焊點(diǎn)表面質(zhì)量好。經(jīng)試驗，在單相工頻交流焊機(jī)焊接100點(diǎn)情況下，三相中頻逆變直流點(diǎn)焊機(jī)可以達(dá)到普通焊機(jī)的兩倍以上；焊接有鍍層的板材，三相中頻逆變直流點(diǎn)焊機(jī)可以達(dá)到普通焊機(jī)的3倍以上，三相中頻逆變直流點(diǎn)焊機(jī)工作更穩(wěn)定，焊接效果更好。

3）焊接變壓器更輕：智能中頻逆變伺服機(jī)器人焊接系統(tǒng)的鉗體、焊接變壓器、次級整流部分為一體式，與單相工頻交流焊機(jī)重量相比較：智能中頻逆變伺服機(jī)器人焊接系統(tǒng)的鉗體、焊接變壓器、次級整流部分重量為單相工頻交流焊機(jī)的1/2，設(shè)計工藝好的廠家可以達(dá)到1/3甚至更低。

4）可焊接材料更廣：三相中頻逆變直流點(diǎn)焊機(jī)工作頻率在1000HZ以上，加上直流焊接方式，所以焊接時熱效率遠(yuǎn)高于工頻交流點(diǎn)焊機(jī)，三相中頻逆變直流點(diǎn)焊機(jī)具有對普通低碳鋼板、鋁、鍍鋅鋼板、高強(qiáng)度鋼板、多層板焊接、非常薄的材料等進(jìn)行組合焊接的特性。

5）控制精度更高：三相中頻逆變直流點(diǎn)焊機(jī)響應(yīng)時間為單相工頻交流焊機(jī)的1/20，電流上升時間更快，時間控制精度更高。

3　機(jī)器人點(diǎn)焊焊鉗

目前中國市場上機(jī)器人點(diǎn)焊焊接中使用的點(diǎn)焊焊鉗分為：氣動點(diǎn)焊焊鉗和伺服點(diǎn)焊焊鉗。

3.1氣動點(diǎn)焊焊鉗

有控制容易、結(jié)構(gòu)簡單、易維護(hù)保養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)，占據(jù)著大部分市場。缺點(diǎn)主要集中在浪費(fèi)能源、焊接效果不理想、需要提供穩(wěn)定氣源、焊接壓力不能精確控制等問題，下面是主要缺點(diǎn)說明：

工作時焊接接壓力控制精度不夠，焊接壓力只能為固定值，不能實時控制。

工作時不能有效控制電極桿的移動速度，對被焊件沖擊力大，對非常薄的材料等進(jìn)行焊接時工件容易產(chǎn)生變形。

工作時噪音大，工頻焊接變壓器工作時噪音大。工作時焊點(diǎn)易產(chǎn)生飛濺，操作工人隨時都有被燙傷的危險。

氣動焊鉗需要提供氣源。

安全系數(shù)低，工作時焊點(diǎn)易產(chǎn)生飛濺，操作工人隨時都有被燙傷的危險。

3.2伺服點(diǎn)焊焊鉗

在中國伺服控制技術(shù)的快速發(fā)展，伺服控制技術(shù)用在點(diǎn)焊焊鉗上已成為必然趨勢。伺服點(diǎn)焊焊鉗由：伺服電機(jī)、中頻點(diǎn)焊變壓器、次級整流器、點(diǎn)焊焊鉗等構(gòu)成。伺服電機(jī)用來控制電極桿行走，用來代替氣動點(diǎn)焊焊鉗的氣缸。伺服電極用來實現(xiàn)工作過程中電極桿的直線運(yùn)動，由機(jī)器人控制系統(tǒng)直接控制，是機(jī)器人本體的最后一個控制關(guān)節(jié)，伺服電機(jī)要與機(jī)器人本體伺服電機(jī)品牌一致，要與機(jī)器人控制系統(tǒng)兼容。也就是說電極頭的直線運(yùn)動全由機(jī)器人控制系統(tǒng)直接控制，精度更高。

1）伺服點(diǎn)焊焊鉗優(yōu)點(diǎn)

焊接質(zhì)量高：點(diǎn)焊焊接過程中焊接壓力的高低對焊接影響非常大，在工作時焊接壓力的實時控制，是最大的難題，也是決定焊接質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。就伺服點(diǎn)焊焊鉗而言，最大的特點(diǎn)就是實現(xiàn)了工作時焊接壓力的實時控制，解決了最大的難題，伺服點(diǎn)焊焊鉗能精確控制每個焊點(diǎn)在焊接時的電極頭壓力值，消除了因電極壓力因素造成的點(diǎn)焊質(zhì)量影響。伺服點(diǎn)焊焊鉗可以將電極頭運(yùn)動過程分解成多時段控制，加壓曲線能達(dá)到最好，有效地控制了焊接飛濺問題。另外，在電極頭直線運(yùn)動過程中，不僅可以多時段控制電極壓力，還可以實現(xiàn)電極頭軟閉合，就是在電極頭接觸到被焊工件時實現(xiàn)無沖擊加壓，沒有了對工件的沖擊，工件不會產(chǎn)生變形，間接提高了焊接質(zhì)量。

2）電極頭使用壽命更長久

通過實驗可以得到電極頭的磨損數(shù)據(jù)，另外伺服點(diǎn)焊焊鉗在工作時通過編碼器的反饋信息，可以計算出上下電極接觸焊接時的間距。利用以上數(shù)據(jù)可以計算出焊核的直徑，再與原始焊核的直徑進(jìn)行對比，再根據(jù)比對結(jié)果自動補(bǔ)償焊接電流的大小和上下電極接觸焊接時的間距，進(jìn)而保證了焊接質(zhì)量、提高了電極的使用壽命、降低了電極的更換次數(shù)。

3）工作效率高

伺服點(diǎn)焊焊鉗在點(diǎn)焊機(jī)器人點(diǎn)焊位置移動過程中同時進(jìn)行電極頭的直線運(yùn)動，實現(xiàn)同步運(yùn)動，這樣就縮短了連續(xù)工作的周期，電極頭在當(dāng)前焊點(diǎn)與下一個焊點(diǎn)之間的移動過程中電極頭就可以開始直線運(yùn)動，在焊完當(dāng)前焊點(diǎn)電極頭分離開的同時，點(diǎn)焊機(jī)器人就可以帶動伺服點(diǎn)焊焊鉗向下一焊點(diǎn)位移，因同步移動降低了工作時間，工作節(jié)拍更快，電極頭張開的位置可以根據(jù)被焊工件的不同任意調(diào)整，在不與被焊工件發(fā)生干涉或碰撞的前提下減少電極頭張開距離，縮短了工作時間，提高了工作效率。

4）安全

伺服點(diǎn)焊焊鉗點(diǎn)焊焊接時無焊接飛濺，周圍變得更安全。沒有了對工件的沖擊，降低了工作噪音。

4　市場前景

技術(shù)改變命運(yùn)，新老交替是必然，落后技術(shù)終究會被市場所淘汰，我相信智能中頻逆變伺服機(jī)器人焊接系統(tǒng)在中國會得到更大的市場。

5　結(jié)論

中頻伺服機(jī)器人焊鉗是先進(jìn)焊接技術(shù)的綜合產(chǎn)物。伺服焊鉗的優(yōu)勢使其正在逐步替代氣動焊鉗，使其更廣泛的應(yīng)用在點(diǎn)焊機(jī)器人系統(tǒng)中。作為技術(shù)人員，我們要加大研究自動先進(jìn)的焊接技術(shù)，為國家做出貢獻(xiàn)。

中圖分類號TP3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1674-6708（2015）155-0067-01