國產工業機器人的伺服焊槍應用研究

李 勛

（安徽埃夫特智能裝備有限公司，安徽 蕪湖 241007）

一、概述

伺服焊槍是采用帶有數字控制的交流伺服電機控制，其電極速度、位置、壓力都可以精確控制的焊接設備。主要應用在汽車制造白車身焊接工藝中。因其與氣動焊槍相比能夠大幅度提高焊點質量，有氣動焊槍無法比擬的優點，目前國外的一些汽車制造廠商如豐田、本田、寶馬、福特等公司已經將伺服焊槍全面應用于生產線上進行車身的點焊焊接。國內的汽車廠商近幾年已經逐步的將氣動焊槍替換為伺服焊槍，如奇瑞、江淮。

伺服焊槍應用的主要形式是作為點焊機器人的附加軸（即第七軸），由機器人控制器對伺服焊槍進行速度、位置、壓力的精確控制。但所使用的機器人絕大多數都是應用國外的機器人，如KUKA，FANUC，MOTOMAN等，使用國產機器人的寥寥無幾。國產工業機器人目前尚在發展階段，其功能性和穩定性正在逐步的完善。本文所述的國產機器人是由安徽埃夫特智能裝備有限公司自主研發生產的ER165C-C10型工業機器人，伺服焊槍應用的是由日本小原公司定制。伺服焊槍在機器人應用上的關鍵是電極帽修模后的補償功能，本文采用一種新穎簡單的方法實現補償功能，無需更改機器人的運動學算法。

圖1 七軸驅動器參數配置界面

二、伺服焊槍配置

伺服焊槍的作為ER165C-C10的附加軸進行控制，附加軸類型設置外部直線型。外部直線型的意義是附加軸的位置表示是長度的形式，其運動關系與機器人自身的六個軸只有時間上的插補，即同時啟動和同時到達，沒有運動學關系上的插補。伺服焊槍安裝完成后，主要配置以下幾個參數，見圖1。

Position scaling 位置比例（減速比）

SW limit negative 負限位

SW limit positive 正限位

Max velocity 最大速度

Max acceleration 最大加速度

Max deceleration 最大減速度

三、命令介紹

在ER165C-C10機器人系統中編程新增三條關于伺服焊槍的命令，即Spot、Compensate和Weld，見圖2，以下詳細介紹。

在歐美國家，兒童行為性失眠問題已引起社會、家長以及睡眠研究領域的廣泛關注，系列研究顯示，切合不同年齡兒童睡眠特點，開展針對性的行為干預，減少家長在兒童入睡及夜醒時的過度關注和干預，包括鼓勵兒童在自己的小床上單獨入睡，避免入睡時家長在場以及采取喂養、搖晃等干預措施，兒童夜醒后控制離開小床的時間等策略，促進兒童自我安撫、自我入睡能力的發展，能夠持久、經濟、有效的預防并矯正兒童行為性失眠問題，94%的干預研究報道行為干預在矯正兒童行為性失眠上有效，同時80%的研究認為經過行為干預，兒童的睡眠狀況有顯著的改善。

Spot 命令格式為

Spot（pressure : REAL， thickness :REAL）

Spot 命令的功能是實現伺服焊槍的閉合加壓，Spot首先將伺服焊槍動電極臂運動至板厚（thickness）位置，再進行加壓，將焊槍兩電極臂之間的壓力加到指定壓力值（pressure）。

加壓過程為電極一直運動，實時采集電機的扭矩值（即壓力值）若達到指定壓力，停止電極運動。壓力值與電機扭矩的對應關系是通過壓力表多點采集壓力扭矩曲線得到的，與國外機器人伺服焊槍壓力標定方法一致，這里不再敘述。

Compensate命令格式為

Compensate（pressure : REAL，maxDist : REAL）

圖3 伺服焊槍補償原理

Weld命令格式為

Weld（TimerSeries : DINT，GroupNO: DINT）

Weld命令的功能是向焊接控制器發送焊接規范好和組號，TimerSeries為焊接規范號，GroupNO為組號。規范號和組號都是只有16個，即0～15。Weld命令中不包含等待焊接完成的操作，用戶需要自行編寫等待焊接完成信號的程序。當用戶輸入不在0～15范圍內時，此命令不執行，TimerSeries、GroupNO都為初始值0。

四、補償原理

ER165C-C10機器人的伺服焊槍補償功能是通過補償工具坐標系實現的。在焊槍工具坐標系建立完成后，將七軸運行至設定補償的壓力值（pressure）位置，采集出七軸當前位置值，當前位置值就是上下電極帽的磨損量之和（offset），默認兩個電機帽的修磨量相同。將offset加到Spot命令的板厚上，使七軸在電機帽修磨后多運行offset，另外將offset/2加到工具坐標系電機桿所對應的方向（假設為Z方向），然后加載新的工具坐標系，使機器人沿工具坐標系Z方向多運行offset/2。 這樣就實現了電極帽磨損后，仍然可以保證靜電極臂始終貼著板件，動電極臂Spot時始終運行的真實的板厚位置，實現補償。如圖3所示。

五、實現步驟與注意事項

1 實現步驟（見圖4）

圖4

2 注意事項

（1）制作焊槍零點、示教修改機器人位置時必須更換為新電極帽。

（2）示教機器人記錄位置點必須在DefaultTool工具坐標系下。

（3）示教機器人焊接程序，示教記錄點時Spot命令前一個位置數據必須采用cp類型即CARTPOS類型，只有CARTPOS類型的點才能實現補償功能。插補方式可以應用PTP或者Line都可以。

（4）制作焊槍零點時，請設置板厚為3mm或更大，避免電極帽過長，使焊槍過載。

（5）更換電極帽后，使用Spot命令加壓壓緊電極帽，避免人工安裝電極帽不緊。

（6）若加壓過程較慢，可能電極帽長度不一，需重新制作零點。

（7）修磨電極帽時，請設置事宜的壓力和板厚，板厚不宜過小，比修磨器刀口厚度大1mm為宜。

六、結論

通過客戶現場的實際應用，相比氣動焊槍，伺服焊槍的主要差別在于輸入量和相應的控制模型是恒定轉矩。從控制的觀點來看：氣動焊機是開環控制，伺服焊槍則是具有反饋的閉環控制。相應地，伺服焊槍電極的運動和力就可以得到更加精確的控制。這些新的技術特點和功能可以使焊接過程更易控制，焊機更易操作，并可提高焊點質量?？偨Y起來，伺服焊槍與氣動焊槍相比有以下四點優勢：

1 電極運動速率控制精確

氣動焊槍的電極運動靠氣缸來控制，這使電極運動速率很難精確控制，電極運動的高速率，會造成電極與工件接觸時的沖擊很大，致使電極力會發生短時間的振蕩，從而影響電極壽命。而對于伺服焊槍，電極的運動由伺服電機控制，能夠很好地控制電極運動速率，使電極與工件接觸時的沖擊很小，從而提高電極壽命。

2 點焊生產率大大提高

伺服焊槍完成一個焊點所用的焊接時間為0.86秒，氣動焊機則需1.3秒，也就是說用伺服焊槍完成一個焊點要節省0.44秒的焊接時間。相對于一個焊件的幾千個焊點，每個焊點節省0.44秒的焊接時間對裝配過程生產率的提高就非常重要，轎車車身裝配線的生產能力就可以大大提高。另外，可編程電極行程和速度也可以縮短同一工位上多個焊點的預壓持續時間，這也可以提高焊接生產率。

3 鍛壓力的獲得

焊接過程的可控性要歸功于伺服電機和它的控制技術。由于可以容易地改變電極壓力，焊接過程中鍛壓力的獲得就變得可能。

4 電極力和電極位移的獲得

伺服電機轉矩和速度作為電機控制器的輸出量，其變化量可以容易地轉變為電極力和電極位置的變化，并且使電極力和電極位移信號的在線實時監控變得可行，電極位置、在線失效探測和電極補償的準確測量也就比氣動焊機更容易。

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