伺服焊枪的精度与电极力控制特性分析

张旭强，石强，张延松

(1.中国石油大学 (华东)机电工程学院，山东青岛266580;2.上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200030)

0 前言

电阻点焊技术以其低成本，易实现自动化生产的特点，是白车身焊接装配的主要连接方法。目前各大汽车公司主要应用的是气动焊枪点焊技术，随着汽车安全性与轻量化要求的提高，各种新型轻质高强度材料如镀锌钢板、铝合金板等逐渐应用于汽车生产中，但这类材料焊接性较差、焊点质量不稳定［1－2］，加上气动焊枪控制本身的局限性，对柔性焊接件的冲击较大、与机器人的集成度较低，已经不太适应现代汽车工业的发展要求［3］。

伺服焊枪是最近发展起来的一种新型焊枪，采用伺服电机作为动力装置［4］，由伺服控制器实现对伺服电机的高效、准确控制，易于与机器人控制器接口有效集成，从而实现对电极的高精度定位与柔性焊接控制，在焊枪的发展里程上相当于机床行业里实现由普通机床到数控机床的飞跃。随着汽车生产的高度自动化以及对焊接质量要求的不断提高，伺服焊枪具有广阔的应用前景，为此，本文作者对伺服焊枪的精度特性与电极力控制特性进行分析，以促进伺服焊枪在车身制造中的进一步应用。

1 伺服焊枪的精度特性分析

实验所用伺服焊枪是AC型伺服焊枪，主要由伺服电机、编码器、传动装置、上下电极以及焊接变压器等组成，上电极作为机器人的第七运动控制轴，机器人控制器发出指令脉冲，伺服电极将接收的指令脉冲转化为机械运动，控制上电极按照既定的位移、速度运动，而电极的位移变化，在编码器中实时在线反馈。相比较气动焊枪而言，伺服焊枪的最大变化是以伺服装置代替气动装置，控制伺服电机按照既定的速度、位移进给。

伺服焊枪可以通过编码器实时反馈电极的位移状况，因此可用来在线测量焊点压痕深度及工件厚度，对电极磨损进行在线检测补偿。焊枪本身传动精度对在线检测具有较大影响，为此，首先对焊枪的传动精度、回程误差等精度特性进行分析，以确认伺服焊枪在精度方面能否满足实际检测要求。传动精度的验证采用激光位移传感器进行校验，测量精度为0.25 μm。位移传感器固定于下电极，激光反射板固定于上电极，随上电极同步移动。伺服焊枪传动精度实验结果如图1所示，根据试验样本测定取均值，激光传感器测得的焊枪实际位移量为254 μm/100脉冲，伺服电机理论位移值应该为260 μm/100脉冲，传动装置误差为:6 μm/100脉冲。传动误差为2.3%，能够满足电极位移实时检测要求。

图1 伺服焊枪的传动精度

由于传动装置存在间隙，当电极由进给运动转为回程运动时，焊枪会存在回程误差。回程误差会影响编码器对电极位移的在线反馈，进而影响与电极轴向位移信息相关的电极轴向磨损、压痕深度与热膨胀位移检测。因此分析回程误差大小，以便对编码器反馈数值进行补偿。图2是焊枪回程误差测量的试验结果，从图2可以看出，当电极上升返回时，并不能返回到初始出发对应点，两点之间差值就是回程误差，约为5 μm，在后续的位移反馈测量中进行相应的位移补偿即可减小回程误差造成的影响。

图2 伺服焊枪回程误差

由于伺服焊枪是与机器人集成控制，为了提高车身焊接装配效率，机器人手臂的运动速度以及焊枪电极的运动速度均比气动焊枪要高，同时对电极的定位精度要求也比较高。为此，分析电极运动速度对定位精度的影响，在保持相同的运动位移量前提下，对焊枪上电极施加不同速度指令，分析不同运行速度对定位精度影响，结果如图3所示，焊枪电极运动速度对定位精度没有影响，这主要是因为伺服焊枪采用伺服焊枪做驱动装置，可实现对电极加减速的精确控制。

图3 电极进给速度对定位精度的影响

利用伺服焊枪与激光位移传感器进行压痕深度测量实验，综合验证分析伺服焊枪精度对电极位移信息在线反馈精度的影响。实验结果如图4所示，传感器所测得的压痕深度约为76 μm，焊枪所测得的压痕深度为72 μm，误差率为5.2%，伺服焊枪精度满足在线检测要求。

图4 伺服焊枪在线测量压痕深度

2 伺服焊枪的电极力控制特性

相比较于气动焊枪焊接过程中的电极力响应时间长、不可调，伺服焊枪点焊过程的电极力反映灵敏。电阻点焊的通电焊接时间只有约10个周波 (0.2 s)，气动焊枪响应时间慢的特性限制了其无法实现在通电焊接过程中进行变电极力控制，而伺服焊枪由于采用伺服控制装置，其电极力控制响应时间约为2个周波(0.04 s)，从技术角度完全可以实现焊接过程中对电极力的控制，使基于热电极力控制的焊点质量在线检测成为可能，且不需要额外安装传感器。此外，电极力变化对焊接过程中的飞溅、电极磨损、熔核形成具有重要的影响［5］，因此，对电极力控制的研究具有较大意义，而伺服焊枪灵敏的电极力控制特性使研究成为可能。

2.1 预压阶段电极力控制特性

伺服焊枪在电极接触工件，与工件产生压力的瞬间，对工件不可避免的要产生冲击，对工件冲击的力学特性一般在0～0.05 s时间段内完成。对工件的冲击力特性对比如图5所示，由图5可以看出，气动焊枪对电极与工件冲击力较大。气动焊枪在接近工件时，由于气动装置的技术特性制约，依然保持较大的速度，对工件冲击力较大，加剧工件变形，影响电极使用寿命与定位精度。伺服焊枪由于采用伺服电极做驱动，具有良好的加减速控制，开始以较高的速度运动，在接近工件时改以较低的爬行速度运动，冲击力很小，实现对工件“软接触”。提高电极使用寿命，减小对工件冲击变形。

图5 伺服焊枪与气动焊枪电极力冲击特性

在点焊过程的4个阶段中，焊接、保持、休止这3个阶段对两种类型焊枪来说，所用时间基本上差不多，可压缩空间不大，预压阶段相对来说是一个焊接周期中最长的阶段，气动焊枪的预压时间一般是20～40个周波。设定相同的预压力，对比分析伺服焊枪与气动焊枪达到预压力时的特性，两种焊枪的预压力控制特性如图6所示，气动焊枪达到预压力的时间为30个周波，而伺服焊枪则只用了10个周波就达到了既定预压力，大大缩短了点焊时间。由于伺服焊枪灵敏的电极力控制特性，使预压阶段时间大大缩短，相比较于气动焊枪，伺服焊枪完成一个焊点就可节省约0.4 s。相对于一台轿车的4 000多个焊点，0.4 s对整个车身生产率的提高就非常重要。

图6 伺服焊枪与气动焊枪预压力特性

2.2 焊接阶段电极力控制特性

点焊过程中电极力的改变对接触电阻具有较大的影响，随着电极预压力的增大，接触电阻逐渐减小，接触电阻对熔核的初期产热有较大影响，较小预压力下的接触电阻会产生更多的热量，利于熔核的形成［2］。通电焊接后期，在熔核结晶冷却阶段，较大电极力作用下的熔核冷却结晶会得到比较好的熔核质量，减少结晶冷却过程中气孔与裂纹的产生［2，6］。因此，通电焊接过程中的电极力控制方案如图7所示，在焊接初期保持较小的渐进电极力，利于熔核的晰热与生成，在焊接后期熔核结晶阶段，保持较大的电极压力利用熔核的形成。由于通电焊接过程时间很短，气动焊枪很难在如此短的时间内实现变电极力控制，而伺服焊枪灵敏的电极力控制响应特性，使焊接过程变电极力控制成为可能。基于伺服焊枪电极力控制的焊接工艺规范，可提高镀锌板的焊接性能与焊接质量，减小电极磨损。

图7 焊接阶段电极力控制方案

焊接过程中由于熔核的受热膨胀，产生热膨胀力。热膨胀力反映了熔核的形成过程特点，在一定程度上反映熔核的质量，两种焊枪受热膨胀力的特性如图8所示。

图8 伺服焊枪与气动焊枪电极热膨胀力

由图可知，伺服焊枪具有更精确的电极力控制能力，并且热膨胀力波动幅度较小。伺服焊枪对电极力的控制实行力矩环控制，在上电极运动到工件焊接位置开始预压时，此时对电极的运动控制转为力矩环控制，使电极下移，直至达到预定压力。在焊接过程中，由于熔核的热膨胀，使作用于电极上的力增大，此时通过力矩环电流减少，使上电极随动上移，保持电极力稳定，当熔核冷却收缩时，作用于电极的力减少，此时通过力矩环的电流增大，使上电极随动下移，保持熔核冷却结晶需要的电极力，因此使伺服焊枪具有更精确的电极力控制能力，利于熔核的形成，提高焊点质量。

3 结论

通过对伺服焊枪精度特性与电极力控制特性研究分析，主要结论如下:

(1)伺服焊枪传动误差为2.3%，能够满足电极位移实时检测要求;回程误差约为5 μm，补偿后可降低对位移反馈精度影响，焊枪与电极移动速度对电极的定位精度没有影响。

(2)对预压阶段的电极力特性分析表明，相比较于气动焊枪，伺服焊枪对工件的冲击力较小，达到预压力时间大大缩短。

(3)在通电焊接阶段，伺服焊枪热膨胀力波动较小，具有更准确的电极力控制能力，利于熔核的形成。

［1］ZHANG X Y，CHEN G L，ZHANG Y S.Improvement of Resistance Spot Weld Ability for Dual-phase(DP600)Steels Using Servo Gun［J］.Journal of Materials Processing Technology，2009，209(5):2671－2675.

［2］张旭强，张延松，陈关龙.热镀锌高强钢电阻点焊的点蚀对熔核形成的影响［J］.焊接学报，2009，30(5):17－20.

［3］ TANG He.Machine Mechanical Characteristics and Their Influences on Resistance Spot Welding Quality［D］.University of Michigan，2000.

［4］ABB.ABB Flexible Automation for Savings With Servo Guns［Z］.ABB Corporation，2002.

［5］ SENKARA J，ZHANG H，HU S J.Expulsion Prediction in Resistance Spot Welding［J］.Welding Journal，2004(5):123－132.

［6］MEI D S，LI D Q，ZHANG Z D，et al.On-line Monitoring Method for Electrode Invalidation During Spot Welding of Zinc-coated Steel［J］.Materials Science and Engineering A，2009，499:279－281.