气动伺服焊枪的离线测试

董 敏

(SAR自动化(上海)有限公司，上海 200030)

气动伺服焊枪的离线测试

董 敏

(SAR自动化(上海)有限公司，上海 200030)

根据气动伺服焊枪的性能特点，介绍了一套基于PLC控制器的伺服气动焊枪离线检测机构的原理和组成。系统从机械性能、电气性能、气密水密性、焊接压力、电流、CMK指数等方面评估了被检测焊枪的性能。实际证明，系统可以满足大部分用户检测和维护的需要。

气动伺服焊枪；离线检测；电阻焊

0 前言

目前电阻点焊已广泛应用于轿车白车身装配工艺中，它是复杂的电、热、力等因素综合作用的结果。影响点焊质量的原因很多，焊接电流、焊接时间、电极力是其主要原因。焊接电流和时间由焊接控制器来调节，通常采用恒流控制法。

在传统的气动焊枪中电极力是由气缸来控制，由于普通气压系统固有的缺陷，无法保证电极力的稳定性。新型的伺服焊枪采用伺服机构来控制，能准确控制电极速度、位置、压力，从而提高焊点质量；由于焊接电极与工件是弹性接触，伺服焊枪能够明显提高电极寿命。

1 伺服焊枪

1.1 电动伺服焊枪

电动伺服焊枪是最常见的实现焊枪焊接压力、焊接位置伺服控制的形式。伺服焊枪在车身生产线应用时，被集成在专门的焊接机器人上，由机器人驱动。焊枪上的伺服电机被视为焊接机器人的附加轴，由机器人控制器中专门的伺服单元来控制，机器人控制器上的安装点焊软件包，能够实现焊枪定位、与工件软接触、预压、焊接、保压以及电极轴向磨损检测和补偿等功能。

1.2 气动伺服焊枪控制系统

由于电动伺服焊枪需要配备专用的伺服电机、控制器和传动机构，因而体积庞大且造价较高。另外，由于传统的焊枪多由气缸驱动，如采用电动伺服焊枪，则需要对焊接系统以及配套的机器人、PLC系统做较大的技术更新，不利于保护原有的设备投资。

气动伺服焊枪是另一种实现焊枪伺服驱动的方式。它采用伺服气缸实现焊枪电极臂的控制，控制目标可以是位移，也可以是电极力。由伺服气缸取代原有的双位置气缸，节省了焊枪的体积且保留原有的焊接控制器。机器人系统无需做太大改动，只需将原有由气缸位置的控制换成对伺服气缸的位移输出即可。另外，集成式的气动伺服单元还可以实现气压和电极力的自动比例调节，达到预设的电极力，有助于提高焊接质量。

与电动伺服焊枪相比，气动伺服焊枪在造价上更便宜，有助于大规模地推广使用。

1.2.1 焊接控制器

焊接控制器是实现焊接电流输出，焊接时间控制的关键设备。在此以BOSCH PSI 6000系列的焊接控制器为例，介绍伺服焊枪系统中焊枪控制器的使用。BOSCH提供了BOS6000软件对焊接过程中主要参数，如预压、焊接、保持等时间进行设定，目标电流值，电流控制方式的设定。对于电流控制方式，可以采用恒流(PHA)模式，也可以采用热控制模式(KSR)。本系统采用PHA模式。

1.2.2 伺服气缸

伺服气缸是实现电极臂位移控制和力控制的主要设备。在此对应的焊枪是采用FESTO的带有SPC－WELD－SA控制模组的伺服气缸。FESTO提供了WinSPAS软件可以对焊枪的力控制，位移控制控制调节参数进行标定。

2 气动伺服焊枪测试

2.1 测试系统原理

一套焊枪测试站的测试系统实物如图1所示。它可以对普通气动焊枪和伺服气动焊枪进行测试。

图1 伺服焊枪测试系统实物

该焊枪测试系统的基本组成如图2所示，由配电柜、焊枪控制柜、焊枪适配单元组成。系统的核心部分为一套Siemens的S7－400的PLC，通过现场总线Interbus与焊枪气缸控制器进行通信。西门子的另一种工业以太网则用来与Bosch焊枪控制器和分布式IO的通信。系统有Siemens 15时的工业触摸屏来处理人机界面。另外还有一台打印机可供打印测试报告。

图2 测试系统基本组成

对于每一把测试的焊枪，在测试前只需要把气、水回路，控制总线(在此为Interbus)以及焊接电缆接好就可以开始测试。

PL2的普通气动焊枪水测试回路如图3所示。PL6的为伺服气动焊枪的水测试回路。它包括有进回水阀、温度传感器、压力传感器和流量计，以及相应的快速接头。

图3 PL2普通气动焊枪的水测试回路

PL2的普通气动焊枪气测试回路如图4所示。PL6的为伺服气动焊枪的气测试回路。它包括有压力传感器和相应的快速接头。

2.2 测试内容

2.2.1 气密性和水密性

气密性和水密性是焊枪正常工作的必要条件。

焊枪使用高压空气来驱动电极臂。如果枪有漏气，则无法达到规定的电极压力，影响焊接质量。

焊枪的冷却水回路将焊接时产生的热量带走，如果漏水，一方面影响焊接的环境，造成电气方面的不安全。另一方面影响流速，造成焊接系统过热，导致焊接质量不稳定。

对于气密性的测试，所采用的工作原理就是关断进出的气阀回路，形成相对的静压。然后利用压力传感器的反馈值观察压降，当30s内压降小于1%，则认为没有漏气。对于水密性的测试采用了同样的测试原理和测试标准。

图4 PL2的普通气动焊枪的气测试回路

2.2.2 机械电气响应特性

焊枪机械电气响应特性主要包括电极臂开关动作的时间。一个合理的动作时间对于繁忙的白车身焊接作业工序时间来说非常重要。本系统将建立每把焊枪的数据库，记录有各焊枪在出厂时所测试记录有的焊枪电极臂动作时间。以后的测试将以此为标准，误差不允许超过10%，否则视为检测失败。

2.2.3 平衡气缸的压力

平衡气缸提供了与动作气缸相反的压力。用于提供当焊枪接近工件时，提供一定的适配空间，以防止刚性接触引起的导致焊枪或工件损坏。

2.2.4 电极力

电极力是焊枪最主要的性能参数。焊枪能否达到额定的电极力直接决定了焊点质量的好坏。电极力的好坏不仅取决于最终能否达到设定的力。由于气缸动作总是需要一定时间，达到额定压力的时间和力的变化曲线也对于焊接操作具有相当的影响。

现场使用的电极力为2.0～4.0 kN。所以对电极力的测试，选用了用 2.0 kN，2.5 kN，3.0 kN，3.5 kN，4.0 kN作为了压力测试标准。采用Kistler压力传感器，记录在这些设定的额定压力下电极压力的变化，从开始加压到压力到达额定值的变化曲线如图5所示。

2.2.5 设备能力指数CMK

设备能力指数CMK是德国汽车行业常采用的参数，称为临界机器能力指数，它仅考虑设备本身的影响，同时考虑分布的平均值与规范中心值的偏移。

式中 Min为最小值；USL为上公差界限；UCL为下公差界限；为总体平均值＝average(A1:100)；S为样本标准偏差＝stdev(A1:A100)，S＝

图5 电极压力变化曲线

统计了焊枪最重要的性能指标——电极压力。在3 kN的标准压力设定下，根据一定规模的统计取样。USL 和 UCL 分别设成 5%，分别为 3.15 和 2.85。根据CMK公式计算出来的值应该大于1.66。值越大，表示测试结果越类似，焊枪的越趋于稳定工作。

2.2.6 焊接电流

焊接电流是焊接过程中非常重要的另一性能参数。焊接电流是影响焊接质量和生产率的主要因素。电流过大，金属熔化快，熔深大，同时金属飞溅也大，易产生烧穿、咬边等缺陷；电流过小，易产生未焊透、夹渣等缺陷，且生产率低。

对于焊接电流的测试，采用Miyachi的MM 370 A的电流测试仪来监视记录电流反馈值。在实际测试中，先通过Bosch的焊接控制器中设定一组电流参数(从 6.0 kA 到 12.0 kA)，然后从小到大依次进行焊接，并监视记录Miyachi的电流测量结果。当各组实测值和反馈值相差不大于5%时，就可以认为焊枪可以保证焊接电流的稳定性。

2.2.7 检测报告

当进行了上面所有的测试项后，用户需要出具一份规定格式的检测报告。报告从机械性能、电气性能、气密水密性、焊接压力、电流、CMK指数等各方面评估了被检测焊枪的性能。并出具标称值和实测值，可供广大用户作为定期检测报告，也可作为焊枪维护保养、更换的依据。

3 结论

焊枪是汽车白车身车间应用最广泛的设备之一。对焊枪的离线检测，对于广大汽车厂焊接车间来说，是十分重要且繁重的工作。本焊枪测试系统从机械性能、电气性能、气密水密性、焊接压力、电流、CMK指数各方面评估了被检测焊枪的性能。给维护人员提供一套实用的检测工具。

Offline test of the servo-pneumatic welding gun

DONG Min
(SAR Automation(Shanghai)Co.，Ltd.，Shanghai 200030，China)

This document introduced the theory and components of an offline test system using PLC controller base on the characteristic of the servo-pneumatic welding gun.The system can evaluate a servo-penumatic gun from the each aspects of mechanical and eletrical performance，the leak of the air and water，electrode force，welding current，and the CMK index.The system has been proved that it can meet the most of requirment of the users.

pneumatic servo gun；offline test；spot welding

TG438.2

A

1001－2303(2011)03－0032－03

2010－04－21；

2010－12－16

董 敏(1976—)，男，上海人，学士，主要从事自动化方面的研究与应用工作。