一种单边伺服点焊机器人集成工作台

韦加业

（东风柳州汽车有限公司，广西 柳州 545007）

0 前言

在汽车白车身焊接过程中，很多零部件是由内外板组成，需同时满足内板保持强度、外板保持平整、美观的要求，这样就需要在内外板总成内侧形成焊点焊核，外侧外板不形成焊点焊核的工艺要求；分析白车身开合件现有的生产方式，主要存在的问题点是如何使工件在不运动、有夹具固定、保证精度情况下完成方便、直接、可控、完整的电阻点焊过程，同时保证开合件的美观、强度、精度均达到要求。目前，使用包边或者机器人滚边生产制造白车身开合件（主要包括汽车四门两盖）之后，采用拼台引出焊接，拼台工装夹具固定住板件，由安装在拼台上角度固定的焊钳进行一次电流焊接，但是这种生产方式容易受到工装变异的影响，从而造成焊接质量下降，美观性下降等诸多问题；拼台引出焊，比较于机器人单边点焊，突出了拼台引出焊的高成本、柔性低、工装复杂、笨重的缺点；机器人单边焊在工件不运动，有夹具固定，保证精度的情况下，利用机器人的精确控制，准确找到焊点位置，完成方便、直接、可控、完整的电阻点焊过程，保证开合件的美观、强度和精度要求，有效减少焊枪尺寸。

1 单边焊枪的基本结构及工作原理

伺服单边焊枪主要结构如图1所示，主要由伺服电机、变压器、枪体框架组件、弹簧组件、导轨支架组件、软连接、动电极杆、铜编织块等组成，其工作原理如图2所示。

图1 单边焊焊枪结构

图2 焊接原理

（1）焊接过程：板件就位以后，机器人通过控制焊枪伺服电机使铜编织块与工件接触，同时驱动动电极杆对工件进行加压、焊机根据设定好的参数输出电流，在焊接力与电阻热效应的作用下，工件在与动电极杆接触处形成熔核（外板表面不形成焊核），原本分离的工件被焊合在一起，焊接完成后，机器人回到集成工作台进行电极帽磨损检测，进行电极帽磨损补偿并将此补偿应用到后续焊接过程[1]；

（2）自动修模过程：利用集成工作台模拟静电极进行修模，修模完成后在集成工作台上进行电极帽检测；

（3）压力标定过程：利用集成台上方的压力标定块，结合压力检测设备进行每组压力标定并生成压力曲线；

（4）焊枪伺服电机自整定过程：在集成台焊枪零点标定位置与区域进行零点核对后，在该区域内进行电机自整定操作；

（5）空打测试焊接电流：利用集成工作台上的导电板，在焊枪零点标定位置进行焊接参数空打测试，应用于核对焊接参数以及故障排除。

由于机器人单边伺服焊枪一端带有电极帽，另一端为铜编织，位于相互平行的方向上，无法像普通焊枪一样能够使本身动、静臂相互贴合完成加压动作，借助集成工作台可完成正常作业。

2 普通焊枪的基本结构及工作原理

普通伺服焊枪和单边伺服焊枪焊接相比，基本原理一致，只是结构有所差别，其结构如图3所示。

图3 普通焊枪结构

普通伺服焊枪主要由伺服电机、变压器、枪体框架组件、导轨支架组件、电极臂、动电极、静电极杆等组成，其工作过程如下：

（1）焊接过程：板件就位以后，机器人通过控制焊枪伺服电机使静电极与工件接触，同时驱动动电极对工件进行加压，焊机根据设定好的参数输出电流，在焊接力与电阻热效应的作用下，工件在动静电极间形成熔核，焊接完成后，机器人回到设定点使动静电极帽加压进行电极帽磨损检测，进行电极帽磨损补偿并将此补偿应用到后续焊接过程；

（2）电极帽修模过程：直接在修模器上进行修模，修模完成后关枪使自身动静电极帽贴合进行电极帽检测；

（3）压力标定过程：可直接利用压力检测设备在HOME位进行每组压力标定并生成压力曲线；

（4）焊枪伺服电机自整定过程：可直接在HOME位进行电机自整定操作；

（5）空打测试焊接电流过程：可直接在HOME位进行焊接参数空打测试，应用于核对焊接参数以及故障排除。

综上分析，普通C型伺服焊枪工作过程相对独立，而单边伺服焊枪在整个工作过程中需要借助集成台才能更好的进行工作。

3 伺服单边点焊机器人集成工作台结构

集成工作台结构如图4所示。

图4 集成工作台

为实现伺服单边点焊机器人能够高效工作，集成工作台在结构上做了各项优化，新增改进点有：

（1）为了方便进行焊枪零点标定以及电极帽磨损补偿，在工作台上安装了高强度的钢结构平面；

（2）为了方便进行焊枪压力标定以及进行伺服电机自整定，结合压力设备结构，布置了压力检测块，由于受力部位，特意安装在了立柱上方，提高整个集成台的稳定性；

（3）为了能够进行日常焊接参数检测以及设备故障时的排除，在立柱上方安装一块导电板，连通空打时铜编织与动电极；

（4）为了保证修模时动电极与刀片的同心度，在刀片正上方增加一个圆形导向；

（5）为了模拟静电极，在集成台上增加了一个模拟静臂。

4 集成工作台设计开发要点

集成工作台设计开发的要点如下：

（1）确保用于零点标定以及磨损补偿的钢结构的平面度、硬度以及耐磨性能；

（2）压力检测块的安装位置，需考虑焊枪施加压力的大小与方向，确保整个集成台的稳定性，同时需要确保高度的耐磨性能以及抗打击能力；

（3）导电板两端链接处的安装形式、材料选择，需确保导电性能；

（4）圆形导向的安装形式，需是X方向与Y方向均可调节的；

（5）模拟静电极的安装及要求，电极锥度匹配所使用的电极帽并强度高于电极帽材质，静电极与圆形导向的距离要合理，确保能够方便进行电极帽更换操作。

5 机器人修模可行性简易分析

以品牌型号为SGWA-059E的RAVITEX修磨器为例，机器人修模压力为1 200 N，修磨器本身缓冲弹簧最大力F1≈300 N，设伺服电机输出的压力为F2，焊枪综合阻力为Fz，随着电极的往下施压，修模器产生形变，反作用力在刀片中心产生了横向的分力Fx，电极的垂直力Fy，模拟静臂电极承受压力F3；普通伺服焊枪修模，通过上下电极帽贴合加压，受力如图5所示[2]：

图5 普通焊枪修磨受力

式中，f 2为静电极帽给刀片的反作用力。

单边伺服焊枪修模时，由于刀片下部无支撑，刀片受力倾斜如图6所示。

图6 单边焊修磨倾斜受力

由于此时f 2=0 N，可知F 2远大于F 2′，是达不到修模所需压力的，同时Fx cosβ的横向力作用于刀片传动机构上，将加速传动机构的损坏；因此，增加集成工作台，模拟静臂充当普通伺服焊枪静电极帽端，受力如图7所示：

图7 单边焊在集成台上修磨受力

因为F 3≈ f 2，所以F 2=F 2″，即通过集成台，可将单边伺服焊枪修模转换为普通伺服焊枪修模方式，解决修模压力不足以及质量、刀片寿命问题。

6 性能检验

与本集成工作台配合的是R2000IB/210F/R-30IA发那科机器人，已成功在集成工作台上进行焊枪零点设定、焊枪伺服电机自整定、压力标定、空打电流测试等功能应用，伺服单边焊枪压力标定数值如表1所示，生成相应的压力曲线如图8所示。

表1 压力标定

图8 压力曲线

焊枪成功自整定画面如图9所示。

图9 焊枪自整定

单边伺服点焊机器人工作集成台，已成功应用于现有车型某汽车公司尾门自动化线上，从现场安装、调试到后期维护、车间运营生产，都得到了良好的口碑，使用效果良好，运行稳定。

7 结束语

本文通过介绍机器人伺服单边焊枪，引入新的单边焊机器人集成工作机构。重点介绍了机器人伺服单边焊的焊接原理以及集成工作台的设计要点，得出集成工作台在确保焊接质量、修模质量、过程维护中发挥的重要作用，已成功应用于车身自动化门盖线，效果良好，可以积极推广在机器人单边伺服焊接中的应用。

[1]曾东建.汽车制造工艺学[M].北京：机械工业出版社，2005.

[2]机械设计手册（第三卷）[M].北京：机械工业出版社，1995.