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摘要：伺服焊枪使用带有数字控制的伺服电机，它是应用在焊机上的最新技术。伺服焊枪无法在实际生产中得到广泛的应用，主要的原因是对伺服焊枪的经济利益和成本效率缺少足够的论证。本文就伺服焊枪的新特征和对焊接过程的影响从生产率和技术效益几个方面与气动焊机进行了对比分析。结果表明：伺服焊枪有着传统气动焊机所无法具有的优点，是值得信赖的。它的特征和优点决定了伺服焊枪是未来车身装配生产线上主要的点焊连接设备。
关键词：伺服焊枪 成本效益 生产率 技术效益 车身装配
1 前言
电阻点焊是一种主要的薄板连接方法，广泛应用于汽车及航空等工业部门。自从1933 年第一辆主要由点焊连接完成的汽车下线以来，电阻点焊的应用近年来获得了突飞猛进的发展。目前，平均一辆轿车白车身大约由4000～5000 个焊点。因此，电阻点焊已经成为轿车白车身装配的重要连接方法。
电阻点焊机用以实现所选用的焊接方法及工艺参数，焊接质量的好坏多由焊机决定。
最常用的类型是气动焊机，这种类型的焊机如今被广泛地应用在汽车工业中，将气动和液动技术同时应用的增强型气动焊机有了更多的功能，但由于焊机的价格和保养等问题，此类型焊机并没有在汽车工业中得到很好的应用。
伺服焊枪使用带有数字控制的伺服电机，它是应用在焊机上的最新技术。在伺服焊枪的动作中，伺服电机的轴间角、旋转速度和转矩由一个精确的PLC 控制。由于伺服焊枪是靠电驱动的，就可以实现运动过程的精确控制。同时伺服焊枪的可焊范围也很大，以前气动焊机焊不到的位置现都可以由伺服焊枪来实现。这种伺服焊枪对于汽车车身装配生产线来说相对较新[1,2]。最近几年，在日本大约有500 个伺服焊枪被应用到汽车车身装配生产线上，而美国只有几十个伺服焊枪被应用。电伺服焊枪无法在实际生产中得到广泛的应用，主要的原因是对伺服焊枪的经济利益和成本效率缺少足够的论证。
本文就伺服焊枪的新特征和对焊接过程的影响从生产率和技术效益几个方面与气动焊机进行了对比分析，结果表明：伺服焊枪有着传统气动焊机所无法具有的优点，是值得信赖的。它的特征和优点决定了伺服焊枪是未来汽车装配生产线上主要的点焊连接设备。
2 伺服焊枪在焊接过程中的新特征
本文主要是对点焊过程中伺服焊枪的生产效率进行了分析。一般来说，点焊过程主要由四个阶段组成：预压、焊接、保持和休止。然而，在电极接触工件之前的动作会影响生产效率，这同时也是在实际生产中应该关心的主要问题。因此，有必要定义一个新的阶段——电极接触工件前的渐进阶段。本文对伺服焊枪的研究是基于渐进、预压、焊接、保持和休止五个阶段进行展开研究的，具体如图1 所示。 （图片） 在这五个阶段中，焊接和保持阶段的持续时间对气动焊机和伺服焊枪都是一致的，因而，这两个阶段对点焊效率的影响也一致。另外，由于实际生产的连续性，休止时间对生产率影响也很小。因此，相比较可以看出：渐进和预压过程是影响焊接效率的两个重要阶段。
2.1 电极力的接触特性
对于气动焊机，电极的运动由气缸来控制，电极运动速率很难控制，由于电极运动的高速率，会造成电极与工件接触时的冲击很大，致使电极力会发生短时间的振荡，从而影响电极寿命。而对于伺服焊枪，电极的运动由伺服电机控制，能够很好地控制电极运动速率，电极与工件接触时的冲击很小，这可提高电极寿命。气动焊机和伺服焊枪的电极力变化如图2 所示。（图片）
图2 气动焊机和伺服焊枪电极接触时力的变化曲线 2.2 电极力和电极位移控制特性
在焊接过程中，尤其是焊接通电阶段，电极的控制模式是焊机的一个重要特征。因为通电过程中焊接区金属受热、膨胀，无法实现同时将电极力和电极位移作为常量进行控制。对于气动焊机，电极力由气压调节阀进行控制，并使其在焊接过程中保持常量。而伺服焊枪的电极力则由伺服电机进行精确的调节和控制。图3 为0.7mm 和1.7mm 钢板在通电阶段电极力的变化曲线。0.7mm 钢板的焊接规范定为：焊接电流5.8kA、电极力3.4kN、焊接时间12 周波（1 个周波为0.02s ）；1.7mm 钢板的焊接规范为：焊接电流7.8kA、电极力4.2kN、焊接时间12 周波。为了减少噪声干扰，电极力曲线用一个指数模型来表示[3]。从图中的对比可以看出：伺服焊枪的电极力更能得到精确地控制，这归功于伺服电机高控制精度和运动时较小的摩擦力。与电极力不同，伺服焊枪和气动焊机在焊接过程中的电极位移变化趋势和位移量则基本一致，如图4所示。（图片）
图3 通电阶段时电极力的变化比较 （图片）
图4 通电阶段时电极位移的变化比较 3 生产率分析
点焊的生产能力是目前车身装配中要考虑的一个主要问题。在点焊过程的五个阶段中，预压阶段相对来说是最长的阶段，气动焊机的预压时间一般是20～40 个周波左右，但也随气缸的类型的不同而有所变化。
如要提高点焊生产率，就应将预压时间尽可能地缩短。为了比较不同焊机的点焊生产率，将所有进行研究的焊机的下落时间、焊接时间、维持时间和休止时间分别设定为5，10，10 和5 个周波。
图5 列出了不同焊机在焊接过程中电极力的变化。其中，气动焊机的预压时间大约为30 个周波（0.6秒），而伺服焊枪则只用了8 个周波（0.16 秒）预压时间就达到了95％预压力。总体来看，伺服焊枪完成一个焊点所用的焊接时间为38 个周波（0.76 秒），气动焊机则需60 个周波(1.2 秒)。换句话说，用伺服焊枪完成一个焊点要节省0.44 秒的焊接时间。相对于一台轿车的几千个焊点，节省0.44 秒的焊接时间对装配过程生产率的提高就非常重要，轿车车身装配线的生产能力就可以大大提高。（图片）
图5 气动焊机和伺服焊枪的预压时间对比 4 技术效益分析
伺服电机技术给电阻点焊机和焊接过程带来了新的特征，特征的大部分是伺服电机和相应控制技术的固有特性。伺服焊枪和常规的气动焊机之间的主要差别在于它们的输入量和相应的控制模型，对于气动焊机是恒定的气压，而对于伺服焊枪则是恒定的电流（或转矩）。从控制的观点来看：气动焊机是开环控制，伺服焊枪则是具有反馈的闭环控制。相应地，伺服焊枪电极的运动和力就可以得到更加精确的控制。
这些新的技术特点和功能可以使焊接过程更易控制，焊机更易操作，并且提高焊点质量。表1 概括了这些新的技术特点和功能。表1 伺服焊枪的功能和特点
（图片）正如前面所讨论的情况，通过缩短预压时间，伺服焊枪可显著提高点焊生产率，而且，可编程电极行程和速度也可以缩短同一工位上多个焊点的预压持续时间，这也可以提高焊接生产率。焊接过程的可控性要归功于伺服电机和它的控制技术。由于可以容易地改变电极压力，锻压力的得到就变得可能。伺服电机转矩和速度作为电机控制器的输出量，其变化量可以容易地转变为电极力和电极位置的变化，并且使电极力和电极位移信号的在线实时监控变得可行，电极位置、在线失效探测和电极补偿的准确测量也就变得更容易。
由于电极行程的可控性，电极与工件将会“软”接触。而气动焊机的电极与工件接触时会发生碰撞，电极力将发生剧烈振荡，接触时会产生很大的噪声。两者相比，“软”接触由于冲击小、噪声小可改善工作环境。Slavick[4]研究表明噪声可从96.0dB 减小到74.6dB。另外，冲击小也可以提高电极寿命。
总之，这些新的技术特征和功能对于点焊生产率提高、点焊过程最优控制和良好的工作环境都很重要。
5 结论
本文就伺服焊枪的新特征和对焊接过程的影响与气动焊机进行了对比分析，结果表明：伺服焊枪的优势是显而易见的。
首先，伺服焊枪能够提高焊接过程的生产率。其次，由于焊接过程参数，例如电极力和电极位移可从伺服电机中获得，伺服焊枪为过程监控、诊断和补偿提供了新的可能。第三，伺服焊枪可以得到焊接过程中所需的锻压力，从而可以提高焊点质量。第四，由于电极运动的可控性，电极与工件接触时冲击小，噪声低，有助于改善工作环境，提高电极寿命。
虽然包括电机控制器和软件的伺服焊枪元件价格较昂贵，然而，从长远的眼光出发，伺服焊枪有着传统气动焊机所无法具有的优点，是值得信赖的。伺服焊枪的特征和优点决定了伺服焊枪能极好地替代现有点焊机，并是未来汽车装配生产线上主要的点焊连接设备。
参考文献
1 Luthardt, C., Gilbert, M., and Mizuta, T.. Servo Controlled Spot welding Gun. Robot. Jan, 1997：31～34
2 Slavick, S.A. and Garza, F. J.. Overview of Servo-Driven Resistance Weldguns in Robotic Applications, Proceedings of the ASW 8th Sheet Metal Welding Conference, Detroit, Oct., 1998
3 Tang H., Hou W., Hu S.J., Zhang H. Force characteristics of resistance spot welding of steels, Welding Journal, 2000, 79(7): 175S～183S
4 Slavick, S.A. Using Servoguns for Automated Resistance Welding. welding journal, July, 1999：29～33
5/12/2005
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