SGMW焊槍自動(dòng)化應(yīng)用對(duì)比分析

潘 濤

（上汽通用五菱汽車股份有限公司整車制造部，廣西柳州545007）

SGMW焊槍自動(dòng)化應(yīng)用對(duì)比分析

潘 濤

（上汽通用五菱汽車股份有限公司整車制造部，廣西柳州545007）

分析了氣動(dòng)焊槍和伺服焊槍在SGMW重慶工廠的大量應(yīng)用情況，對(duì)比分析了兩種自動(dòng)化焊槍的原理及實(shí)際使用中差異。

氣動(dòng)焊槍；伺服焊槍；機(jī)器人

隨著國內(nèi)汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度越來越高，各種國外先進(jìn)設(shè)備、先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)大大提升了各廠商的生產(chǎn)效率。汽車車身是汽車的主要部件，其生產(chǎn)以焊接工藝為主?，F(xiàn)在較多汽車生產(chǎn)的車身焊接仍以點(diǎn)焊為主，少部分無法點(diǎn)焊完成的地方使用電弧焊。人工操作焊接車間工作環(huán)境差、工人勞動(dòng)強(qiáng)度高、可達(dá)性低、焊接質(zhì)量難保證等，使用機(jī)器人焊接優(yōu)勢明顯。由于同一條生產(chǎn)線車型較多，柔性化生產(chǎn)需求更高，同時(shí)由于人工成本的增加，通過機(jī)器人的大量使用，生產(chǎn)線的車型管理系統(tǒng)控制，很容易解決多品種生產(chǎn)的焊接問題。

上汽通用五菱汽車股份有限公司（SGMW）重慶車身車間補(bǔ)焊線及下車體機(jī)器人工位是本公司在重慶工廠大批量使用機(jī)器人焊接的乘用車生產(chǎn)線，可實(shí)現(xiàn)多種車型切換生產(chǎn)的焊裝線，其設(shè)計(jì)凈產(chǎn)能為40JPH/H.其中機(jī)器人60臺(tái)，全部為發(fā)那科機(jī)器人，其中補(bǔ)焊線40臺(tái)使用小原伺服焊槍，下車體20臺(tái)使用小原氣動(dòng)焊槍。

該補(bǔ)焊線符合多車型共線生產(chǎn)要求，車間車型識(shí)別AVI系統(tǒng)，通過工業(yè)Ethernet網(wǎng)絡(luò)，將過線白車身數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給機(jī)運(yùn)夾具系統(tǒng)和機(jī)器人系統(tǒng)，配合高速滾床和多車型柔性夾具，機(jī)器人系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多車型共線生產(chǎn)，如圖1所示。

圖1 機(jī)器人焊槍現(xiàn)場應(yīng)用

為了保證機(jī)器人工藝布局的合理性、焊槍設(shè)計(jì)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)的相配性，以及如何在有限的空間內(nèi)合理地布置機(jī)器人的位置和高度，使機(jī)器人的動(dòng)作最優(yōu)化，本項(xiàng)目前期設(shè)計(jì)中采用ROBOGUIDE軟件做了建模仿真，多次做優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得機(jī)器人單元能充分利用生產(chǎn)節(jié)拍時(shí)間盡可能地焊接更加多的點(diǎn)。如圖2所示。

圖2 仿真環(huán)境

下車體10臺(tái)機(jī)器人做了兩個(gè)版本的仿真分析，一個(gè)是用氣動(dòng)焊槍模擬方針，一個(gè)是用伺服焊槍模擬仿真，通過仿真對(duì)比，在同樣的工藝布局及選擇相同槍型的焊槍情況下，伺服焊槍的布局空間更加寬敞，氣動(dòng)槍狹小(氣動(dòng)結(jié)構(gòu)偏大)，同為40節(jié)拍時(shí)，氣動(dòng)槍的每臺(tái)機(jī)器人焊點(diǎn)數(shù)為21~23點(diǎn)，伺服槍的每臺(tái)機(jī)器人焊點(diǎn)數(shù)為25~28點(diǎn)。為進(jìn)一步實(shí)踐認(rèn)證，最終下車體10臺(tái)機(jī)器人選擇了氣動(dòng)焊槍。通過近1年時(shí)間的生產(chǎn)驗(yàn)證，得出了伺服焊槍在生產(chǎn)節(jié)拍，運(yùn)行維修等各方面是遠(yuǎn)好于氣動(dòng)焊槍了。本文也結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)對(duì)兩種焊槍作了進(jìn)一步的比較，為后續(xù)項(xiàng)目選型提供了一定的參考。

1 焊槍基本原理分析

目前點(diǎn)焊以費(fèi)用低、應(yīng)用范圍廣等在汽車生產(chǎn)行業(yè)得到了廣泛的使用。點(diǎn)焊大部分還是使用氣動(dòng)焊槍，雖然經(jīng)過多年的改進(jìn)，傳統(tǒng)氣動(dòng)焊槍已經(jīng)相對(duì)可靠穩(wěn)定，但技術(shù)的不斷發(fā)展，設(shè)備廠家間激烈的競爭促使各廠家對(duì)點(diǎn)焊質(zhì)量和效率的要求不斷提高，即要減少組裝，調(diào)試，維修時(shí)間，降低費(fèi)用，縮小體積，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人系統(tǒng)的有效集成。這有效改進(jìn)了新的焊槍驅(qū)動(dòng)技術(shù)。其中由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的伺服焊槍能使焊槍電極高精度定位和柔性焊接控制。

1.1 點(diǎn)焊基本原理

用尖端適當(dāng)成型的電極將重疊的原材料夾住，將電流及加壓力集中在比較小的部分，局部加熱，同時(shí)用電極加壓的電阻焊接稱為點(diǎn)焊。一般包含：預(yù)壓、焊接、保持和休止四個(gè)主要程序，某些特殊情況可添加附加程序。點(diǎn)焊過程中焊件局部受壓會(huì)產(chǎn)生一些的形變，焊件間局部電流密度高，達(dá)到熔化形成焊點(diǎn)的目的。

1.2 氣動(dòng)點(diǎn)焊焊槍原理

氣動(dòng)焊槍，如圖3所示，主要由氣缸、變壓器、電磁閥、支軸、電極臂等組成，多使用電磁換向閥控制氣缸的前進(jìn)和后退動(dòng)作，電極的動(dòng)作速度由節(jié)流閥控制。節(jié)流閥安裝于氣缸的進(jìn)出氣口處，電極壓力由輸入氣源壓力控制，單向節(jié)流閥串接在氣路中，控制活塞的所有動(dòng)作，使得氣缸腔體內(nèi)的氣壓升降及電極動(dòng)作時(shí)間都會(huì)增加，這大大影響了焊接效率。如果調(diào)大節(jié)流閥出氣量從而提高電極運(yùn)動(dòng)速度，會(huì)引起電極對(duì)板件沖擊太大造成板件變形的缺點(diǎn)；如果使用帶緩沖結(jié)構(gòu)氣缸，比較組裝復(fù)雜，緩沖區(qū)的尺寸裝配要精準(zhǔn)，還要防止緩沖過快造成的高壓沖擊損壞氣缸，但是在運(yùn)動(dòng)末端減速，可減少對(duì)板件沖擊。

圖3 氣動(dòng)焊槍

1.3 伺服點(diǎn)焊焊槍原理

伺服機(jī)器人焊槍，如圖4所示，不是用以前的汽缸，而是用AC伺服馬達(dá)、滾珠絲杠來控制加壓力、電極打開間隔的焊槍，通過程序設(shè)定電極壓力、速度、偏移量，轉(zhuǎn)化為電機(jī)轉(zhuǎn)矩、頻率及脈沖數(shù)控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過滾珠絲杠轉(zhuǎn)換為直線導(dǎo)軌的直線運(yùn)動(dòng)[1]。

圖4 伺服焊槍

2 焊槍本體對(duì)比

2.1 驅(qū)動(dòng)比較

氣動(dòng)焊槍焊接壓力由發(fā)那科機(jī)器人驅(qū)動(dòng)SMC比例閥控制出氣量大小控制壓力。由焊接指令輸出信號(hào)給SMC電磁閥動(dòng)作控制焊槍執(zhí)行動(dòng)作。

伺服焊槍是作為發(fā)那科機(jī)器人的附加軸集成于機(jī)器人系統(tǒng)中，以TOLOMATIC伺服電機(jī)總成替換氣動(dòng)機(jī)構(gòu)，在機(jī)器人系統(tǒng)中設(shè)定邏輯指令控制伺服控制器發(fā)出指令，控制伺服電機(jī)按照設(shè)定的位移量和速度動(dòng)作。

在焊接中，氣缸驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)槍，氣動(dòng)槍必須先執(zhí)行關(guān)閉動(dòng)作，收到行程開關(guān)反饋的關(guān)閉到位信號(hào)后才可以執(zhí)行焊接動(dòng)作，行程開關(guān)每次焊接都要有信號(hào)通斷，長時(shí)間的動(dòng)作容易失效，需要定期點(diǎn)檢更換，而伺服焊槍是由發(fā)那科機(jī)器人附加軸伺服控制器控制，不會(huì)受開關(guān)等設(shè)備影響，減少了常規(guī)停機(jī)時(shí)間。但伺服焊槍如果報(bào)故障，故障類別較為復(fù)雜，程序參數(shù)設(shè)定、電機(jī)、編碼器、電纜線，伺服控制器都可能是問題點(diǎn)[2]。

2.2 結(jié)構(gòu)比較

基本焊槍總成主要由驅(qū)動(dòng)單元（產(chǎn)生加壓力的單元）、電極臂（把從變壓器過來的電流輸送到連接塊）、零件安裝板（固定電極臂、驅(qū)動(dòng)單元、變壓器。另外，托架也安裝在這個(gè)部位）、電極柄（螺紋接頭到電極帽的電氣通道）、軟連接（可動(dòng)性二次導(dǎo)體，從變壓器到下一個(gè)電氣回路的電氣通道）、變壓器（轉(zhuǎn)化來自控制箱的電流，變壓器把交流轉(zhuǎn)化為直流）、電極握桿（與連接塊相連，向電極帽輸送電流）和電極帽（向工件施壓并提供電流）組成。

氣動(dòng)槍與伺服槍驅(qū)動(dòng)部分與槍體的連接安裝有很大的區(qū)別，一種為氣缸連接，一種為伺服電機(jī)連接。氣動(dòng)槍氣缸與槍體的連接相對(duì)簡單，拆裝便捷些。氣動(dòng)與伺服焊槍，如電極桿，軟連接更換都不復(fù)雜，伺服槍的電機(jī)更換就繁瑣的多，每次更換往往需要2 h以上。變壓器的安裝根據(jù)槍型不同，也有所區(qū)別。

3 實(shí)際應(yīng)用對(duì)比

穩(wěn)定。氣缸動(dòng)作只能在焊槍到達(dá)焊點(diǎn)上方后才能動(dòng)作，不能提前動(dòng)作[3]。

伺服焊槍的機(jī)械結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，但是其主要的優(yōu)勢是在它的可控制性。在啟動(dòng)時(shí)伺服電機(jī)比氣缸更快地達(dá)到所需的速度，并且速度可以保證。在接近板件的過程中，可以很容易地減速，來減低對(duì)工件的沖擊。伺服槍可實(shí)現(xiàn)工件厚度檢查功能，檢查工件存在的同時(shí)并避免錯(cuò)誤工件的焊接。當(dāng)然此功能要保證有效，必須：（1）需進(jìn)行伺服槍的自動(dòng)調(diào)節(jié)應(yīng)用；（2）齒輪比必須正確；（3）調(diào)試位置正確及電極帽在接觸工件時(shí)沒有間隙。由于伺服電機(jī)屬于機(jī)器人的附加軸，運(yùn)動(dòng)時(shí)可以和機(jī)器人其

他軸一起動(dòng)作，從而進(jìn)一步減少焊接時(shí)間。

3.3 其他對(duì)比

伺服電機(jī)輸出的穩(wěn)定，受外部電壓變化影響小，而氣壓受輸入氣壓的變化影響波動(dòng)大，對(duì)于不同的材料及板件厚度在焊接過程中優(yōu)勢明顯，相比較伺服槍用電量要低的多，能源損失小。

對(duì)于多品種的柔性生產(chǎn)線，機(jī)器人自動(dòng)換槍運(yùn)用廣泛，換槍過程相對(duì)復(fù)雜，機(jī)器人需要對(duì)新焊槍進(jìn)行參數(shù)切換與記憶，頻繁切換、設(shè)備磨損等時(shí)間長后會(huì)引起伺服焊槍故障，復(fù)位過程較復(fù)雜，處理時(shí)間長。對(duì)于使用人員在機(jī)器人操作上有非常高的要求。

從成本上比較，前期投入每把伺服焊槍要比氣動(dòng)焊槍貴1.5萬元，但從后期長時(shí)間的運(yùn)行成本、能源損耗、備件費(fèi)用等考慮，伺服焊槍每把要比氣動(dòng)焊槍的總體費(fèi)用要少的多。如表1所示。

3.1 預(yù)壓時(shí)間對(duì)比

從實(shí)際生產(chǎn)中測量發(fā)現(xiàn)，氣動(dòng)焊槍的預(yù)壓時(shí)間大約為0.6 s，而伺服焊槍則僅用了0.2 s預(yù)壓時(shí)間。伺服焊槍完成一個(gè)焊點(diǎn)就可以快0.4 s.相對(duì)于一臺(tái)車的幾千個(gè)焊點(diǎn)，每個(gè)焊點(diǎn)節(jié)省0.4 s的焊接時(shí)間對(duì)過程生產(chǎn)率的提高就非常重要，另外可編程電極行程和速度也可以縮短多個(gè)焊點(diǎn)的預(yù)壓時(shí)間，這也可以提高焊接利用率。

3.2 可控性對(duì)比

氣動(dòng)焊槍一旦氣缸開始運(yùn)動(dòng)，電極運(yùn)動(dòng)的速度是不可控的。其速度和氣路大小，焊槍構(gòu)造等都有直接關(guān)系。運(yùn)動(dòng)的速度太快，對(duì)板件的沖擊的力量也很大，電極帽磨損也越大，很容易造成機(jī)械結(jié)構(gòu)的提早老化。氣缸要消除這個(gè)狀況，一般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

表1 氣動(dòng)焊槍和伺服焊槍的其他對(duì)比

4 結(jié)束語

本文就SGMW在用的機(jī)器人氣動(dòng)焊槍和伺服焊槍進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明：伺服焊槍的優(yōu)勢明顯。伺服焊槍能夠提高焊接的生產(chǎn)率，也為過程監(jiān)控、診斷和補(bǔ)償提供了很好的幫助。伺服焊槍可以得到焊接過程中所需的鍛壓力，可提高焊點(diǎn)質(zhì)量，有利于改善工作環(huán)境。其故障率低，大大降低了設(shè)備維修費(fèi)用及減少停線時(shí)間。雖然伺服焊槍元件價(jià)格較高，然而從長遠(yuǎn)的眼光出發(fā)，伺服焊槍優(yōu)點(diǎn)更加突出，是值得信賴的。

[1]張延松.伺服焊槍技術(shù)在汽車車身制造中的應(yīng)用研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2013.

[2]謝誠侃.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[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2013（10）：29-30.

[3]蘇國強(qiáng).氣動(dòng)點(diǎn)焊伺服焊槍故障模式及對(duì)策研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2012.

Analysis and Application of Gun Automatic Contrast in SGMW

PAN Tao
（SAIC GM Wuling Automobile Limited by Share Ltd Vehicle Manufacturing Department，Liuzhou Guangxi 545007，China）

Introduced the air gun and servo gun in a wide range of application of SGMW chongqing factory，comparison and analysis the principle of two kinds of automatic welding torch and differences in practical use.

air gun；servo gun；robot

TP23

B

1672-545X（2016）11-0185-03

2016-08-14

潘濤（1982-），男，廣西桂林人，本科，工程師，研究方向?yàn)槠嚿a(chǎn)線自動(dòng)化設(shè)備控制技術(shù)研究。