国产工业机器人的伺服焊枪应用研究

摘 要：本文介绍了伺服焊枪在埃夫特机器人上的应用方法、步骤和注意事项，并详细讲解了伺服焊枪的命令实现和修模后的补偿原理。补偿采用简单新颖的方法实现，无需修改机器人插补算法，通过补偿工具坐标系直接实现。通过现场应用，与气动焊枪进行了优点比较。

关键词：伺服焊枪；工业机器人；补偿

中图分类号：TP242.2 文献标识码：A

一、概述

伺服焊枪是采用带有数字控制的交流伺服电机控制，其电极速度、位置、压力都可以精确控制的焊接设备。主要应用在汽车制造白车身焊接工艺中。因其与气动焊枪相比能够大幅度提高焊点质量，有气动焊枪无法比拟的优点，目前国外的一些汽车制造厂商如丰田、本田、宝马、福特等公司已经将伺服焊枪全面应用于生产线上进行车身的点焊焊接。国内的汽车厂商近几年已经逐步的将气动焊枪替换为伺服焊枪，如奇瑞、江淮。

伺服焊枪应用的主要形式是作为点焊机器人的附加轴（即第七轴），由机器人控制器对伺服焊枪进行速度、位置、压力的精确控制。但所使用的机器人绝大多数都是应用国外的机器人，如KUKA，FANUC，MOTOMAN等，使用国产机器人的寥寥无几。国产工业机器人目前尚在发展阶段，其功能性和稳定性正在逐步的完善。本文所述的国产机器人是由安徽埃夫特智能装备有限公司自主研发生产的ER165C-C10型工业机器人，伺服焊枪应用的是由日本小原公司定制。伺服焊枪在机器人应用上的关键是电极帽修模后的补偿功能，本文采用一种新颖简单的方法实现补偿功能，无需更改机器人的运动学算法。

二、伺服焊枪配置

伺服焊枪的作为ER165C-C10的附加轴进行控制，附加轴类型设置外部直线型。外部直线型的意义是附加轴的位置表示是长度的形式，其运动关系与机器人自身的六个轴只有时间上的插补，即同时启动和同时到达，没有运动学关系上的插补。伺服焊枪安装完成后，主要配置以下几个参数，见图1。

Position scaling 位置比例（减速比）

SW limit negative 负限位

SW limit positive 正限位

Max velocity 最大速度

Max acceleration 最大加速度

Max deceleration 最大减速度

三、命令介绍

在ER165C-C10机器人系统中编程新增三条关于伺服焊枪的命令，即Spot、Compensate和Weld，见图2，以下详细介绍。

Spot 命令格式为

Spot（pressure ： REAL， thickness ： REAL）

Spot 命令的功能是实现伺服焊枪的闭合加压，Spot首先将伺服焊枪动电极臂运动至板厚（thickness）位置，再进行加压，将焊枪两电极臂之间的压力加到指定压力值（pressure）。

加压过程为电极一直运动，实时采集电机的扭矩值（即压力值）若达到指定压力，停止电极运动。压力值与电机扭矩的对应关系是通过压力表多点采集压力扭矩曲线得到的，与国外机器人伺服焊枪压力标定方法一致，这里不再叙述。

Compensate命令格式为

Compensate（pressure ： REAL， maxDist ： REAL）

Compensate命令的功能是对焊枪的电机帽磨损量进行补偿。（补偿原理下一节介绍）同样分为两个步骤，首先将伺服焊枪动电极臂运动至零点位置，再进行加压将焊枪两电极臂之间的压力加到指定压力值（pressure）。此时计算磨损量进行补偿，补偿后加载新的工具坐标系。

Weld命令格式为

Weld（TimerSeries ： DINT，GroupNO ： DINT）

Weld命令的功能是向焊接控制器发送焊接规范好和组号，TimerSeries为焊接规范号，GroupNO为组号。规范号和组号都是只有16个，即0～15。Weld命令中不包含等待焊接完成的操作，用户需要自行编写等待焊接完成信号的程序。当用户输入不在0～15范围内时，此命令不执行，TimerSeries、GroupNO都为初始值0。

四、补偿原理

ER165C-C10机器人的伺服焊枪补偿功能是通过补偿工具坐标系实现的。在焊枪工具坐标系建立完成后，将七轴运行至设定补偿的压力值（pressure）位置，采集出七轴当前位置值，当前位置值就是上下电极帽的磨损量之和（offset），默认两个电机帽的修磨量相同。将offset加到Spot命令的板厚上，使七轴在电机帽修磨后多运行offset，另外将offset/2加到工具坐标系电机杆所对应的方向（假设为Z方向），然后加载新的工具坐标系，使机器人沿工具坐标系Z方向多运行offset/2。 这样就实现了电极帽磨损后，仍然可以保证静电极臂始终贴着板件，动电极臂Spot时始终运行的真实的板厚位置，实现补偿。如图3所示。

五、实现步骤与注意事项

1 实现步骤（见图4）

2 注意事项

（1）制作焊枪零点、示教修改机器人位置时必须更换为新电极帽。

（2）示教机器人记录位置点必须在DefaultTool工具坐标系下。

（3）示教机器人焊接程序，示教记录点时Spot命令前一个位置数据必须采用cp类型即CARTPOS类型，只有CARTPOS类型的点才能实现补偿功能。插补方式可以应用PTP或者Line都可以。

（4）制作焊枪零点时，请设置板厚为3mm或更大，避免电极帽过长，使焊枪过载。

（5）更换电极帽后，使用Spot命令加压压紧电极帽，避免人工安装电极帽不紧。

（6）若加压过程较慢，可能电极帽长度不一，需重新制作零点。

（7）修磨电极帽时，请设置事宜的压力和板厚，板厚不宜过小，比修磨器刀口厚度大1mm为宜。

六、结论

通过客户现场的实际应用，相比气动焊枪，伺服焊枪的主要差别在于输入量和相应的控制模型是恒定转矩。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，并可提高焊点质量。总结起来，伺服焊枪与气动焊枪相比有以下四点优势：

1 电极运动速率控制精确

气动焊枪的电极运动靠气缸来控制，这使电极运动速率很难精确控制，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，使电极与工件接触时的冲击很小，从而提高电极寿命。

2 点焊生产率大大提高

伺服焊枪完成一个焊点所用的焊接时间为0.86秒，气动焊机则需1.3秒，也就是说用伺服焊枪完成一个焊点要节省0.44秒的焊接时间。相对于一个焊件的几千个焊点，每个焊点节省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。另外，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。

3 锻压力的获得

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，焊接过程中锻压力的获得就变得可能。

4 电极力和电极位移的获得

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比气动焊机更容易。

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