1 前言

　　電阻點焊是一種主要的薄板連接方法，廣泛應(yīng)用于汽車及航空等工業(yè)部門。自從1933 年第一輛主要由點焊連接完成的汽車下線以來，電阻點焊的應(yīng)用近年來獲得了突飛猛進的發(fā)展。目前，平均一輛轎車白車身大約由4000～5000 個焊點。因此，電阻點焊已經(jīng)成為轎車白車身裝配的重要連接方法。

　　電阻點焊機用以實現(xiàn)所選用的焊接方法及工藝參數(shù)，焊接質(zhì)量的好壞多由焊機決定。

　　最常用的類型是氣動焊機，這種類型的焊機如今被廣泛地應(yīng)用在汽車工業(yè)中，將氣動和液動技術(shù)同時應(yīng)用的增強型氣動焊機有了更多的功能，但由于焊機的價格和保養(yǎng)等問題，此類型焊機并沒有在汽車工業(yè)中得到很好的應(yīng)用。

　　伺服焊槍使用帶有數(shù)字控制的伺服電機，它是應(yīng)用在焊機上的最新技術(shù)。在伺服焊槍的動作中，伺服電機的軸間角、旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)矩由一個精確的PLC 控制。由于伺服焊槍是靠電驅(qū)動的，就可以實現(xiàn)運動過程的精確控制。同時伺服焊槍的可焊范圍也很大，以前氣動焊機焊不到的位置現(xiàn)都可以由伺服焊槍來實現(xiàn)。這種伺服焊槍對于汽車車身裝配生產(chǎn)線來說相對較新。最近幾年，在日本大約有500 個伺服焊槍被應(yīng)用到汽車車身裝配生產(chǎn)線上，而美國只有幾十個伺服焊槍被應(yīng)用。電伺服焊槍無法在實際生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用，主要的原因是對伺服焊槍的經(jīng)濟利益和成本效率缺少足夠的論證。

　　本文就伺服焊槍的新特征和對焊接過程的影響從生產(chǎn)率和技術(shù)效益幾個方面與氣動焊機進行了對比分析，結(jié)果表明：伺服焊槍有著傳統(tǒng)氣動焊機所無法具有的優(yōu)點，是值得信賴的。它的特征和優(yōu)點決定了伺服焊槍是未來汽車裝配生產(chǎn)線上主要的點焊連接設(shè)備。

2 伺服焊槍在焊接過程中的新特征

　　本文主要是對點焊過程中伺服焊槍的生產(chǎn)效率進行了分析。一般來說，點焊過程主要由四個階段組成：預(yù)壓、焊接、保持和休止。然而，在電極接觸工件之前的動作會影響生產(chǎn)效率，這同時也是在實際生產(chǎn)中應(yīng)該關(guān)心的主要問題。因此，有必要定義一個新的階段電極接觸工件前的漸進階段。本文對伺服焊槍的研究是基于漸進、預(yù)壓、焊接、保持和休止五個階段進行展開研究的，具體如圖1 所示。

　　在這五個階段中，焊接和保持階段的持續(xù)時間對氣動焊機和伺服焊槍都是一致的，因而，這兩個階段對點焊效率的影響也一致。另外，由于實際生產(chǎn)的連續(xù)性，休止時間對生產(chǎn)率影響也很小。因此，相比較可以看出：漸進和預(yù)壓過程是影響焊接效率的兩個重要階段。

　　2.1 電極力的接觸特性

　　對于氣動焊機，電極的運動由氣缸來控制，電極運動速率很難控制，由于電極運動的高速率，會造成電極與工件接觸時的沖擊很大，致使電極力會發(fā)生短時間的振蕩，從而影響電極壽命。而對于伺服焊槍，電極的運動由伺服電機控制，能夠很好地控制電極運動速率，電極與工件接觸時的沖擊很小，這可提高電極壽命。氣動焊機和伺服焊槍的電極力變化如圖2 所示。

　　2.2 電極力和電極位移控制特性

　　在焊接過程中，尤其是焊接通電階段，電極的控制模式是焊機的一個重要特征。因為通電過程中焊接區(qū)金屬受熱、膨脹，無法實現(xiàn)同時將電極力和電極位移作為常量進行控制。對于氣動焊機，電極力由氣壓調(diào)節(jié)閥進行控制，并使其在焊接過程中保持常量。而伺服焊槍的電極力則由伺服電機進行精確的調(diào)節(jié)和控制。圖3 為0.7mm 和1.7mm 鋼板在通電階段電極力的變化曲線。0.7mm 鋼板的焊接規(guī)范定為：焊接電流5.8kA、電極力3.4kN、焊接時間12 周波(1 個周波為0.02s );1.7mm 鋼板的焊接規(guī)范為：焊接電流7.8kA、電極力4.2kN、焊接時間12 周波。為了減少噪聲干擾，電極力曲線用一個指數(shù)模型來表示[3]。從圖中的對比可以看出：伺服焊槍的電極力更能得到精確地控制，這歸功于伺服電機高控制精度和運動時較小的摩擦力。與電極力不同，伺服焊槍和氣動焊機在焊接過程中的電極位移變化趨勢和位移量則基本一致，如圖4所示。

3 生產(chǎn)率分析

　　點焊的生產(chǎn)能力是目前車身裝配中要考慮的一個主要問題。在點焊過程的五個階段中，預(yù)壓階段相對來說是最長的階段，氣動焊機的預(yù)壓時間一般是20～40 個周波左右，但也隨氣缸的類型的不同而有所變化。

　　如要提高點焊生產(chǎn)率，就應(yīng)將預(yù)壓時間盡可能地縮短。為了比較不同焊機的點焊生產(chǎn)率，將所有進行研究的焊機的下落時間、焊接時間、維持時間和休止時間分別設(shè)定為5，10，10 和5 個周波。

　　圖 5 列出了不同焊機在焊接過程中電極力的變化。其中，氣動焊機的預(yù)壓時間大約為30 個周波(0.6秒)，而伺服焊槍則只用了8 個周波(0.16 秒)預(yù)壓時間就達到了95%預(yù)壓力。總體來看，伺服焊槍完成一個焊點所用的焊接時間為38 個周波(0.76 秒)，氣動焊機則需60 個周波(1.2 秒)。換句話說，用伺服焊槍完成一個焊點要節(jié)省0.44 秒的焊接時間。相對于一臺轎車的幾千個焊點，節(jié)省0.44 秒的焊接時間對裝配過程生產(chǎn)率的提高就非常重要，轎車車身裝配線的生產(chǎn)能力就可以大大提高。

4 技術(shù)效益分析

　　伺服電機技術(shù)給電阻點焊機和焊接過程帶來了新的特征，特征的大部分是伺服電機和相應(yīng)控制技術(shù)的固有特性。伺服焊槍和常規(guī)的氣動焊機之間的主要差別在于它們的輸入量和相應(yīng)的控制模型，對于氣動焊機是恒定的氣壓，而對于伺服焊槍則是恒定的電流(或轉(zhuǎn)矩)。從控制的觀點來看：氣動焊機是開環(huán)控制，伺服焊槍則是具有反饋的閉環(huán)控制。相應(yīng)地，伺服焊槍電極的運動和力就可以得到更加精確的控制。

　　這些新的技術(shù)特點和功能可以使焊接過程更易控制，焊機更易操作，并且提高焊點質(zhì)量。表1 概括了這些新的技術(shù)特點和功能。

　　正如前面所討論的情況，通過縮短預(yù)壓時間，伺服焊槍可顯著提高點焊生產(chǎn)率，而且，可編程電極行程和速度也可以縮短同一工位上多個焊點的預(yù)壓持續(xù)時間，這也可以提高焊接生產(chǎn)率。焊接過程的可控性要歸功于伺服電機和它的控制技術(shù)。由于可以容易地改變電極壓力，鍛壓力的得到就變得可能。伺服電機轉(zhuǎn)矩和速度作為電機控制器的輸出量，其變化量可以容易地轉(zhuǎn)變?yōu)殡姌O力和電極位置的變化，并且使電極力和電極位移信號的在線實時監(jiān)控變得可行，電極位置、在線失效探測和電極補償?shù)臏蚀_測量也就變得更容易。

　　由于電極行程的可控性，電極與工件將會軟接觸。而氣動焊機的電極與工件接觸時會發(fā)生碰撞，電極力將發(fā)生劇烈振蕩，接觸時會產(chǎn)生很大的噪聲。兩者相比，軟接觸由于沖擊小、噪聲小可改善工作環(huán)境。Slavick[4]研究表明噪聲可從96.0dB 減小到74.6dB。另外，沖擊小也可以提高電極壽命。

　　總之，這些新的技術(shù)特征和功能對于點焊生產(chǎn)率提高、點焊過程最優(yōu)控制和良好的工作環(huán)境都很重要。

5 結(jié)論

　　本文就伺服焊槍的新特征和對焊接過程的影響與氣動焊機進行了對比分析，結(jié)果表明：伺服焊槍的優(yōu)勢是顯而易見的。

　　首先，伺服焊槍能夠提高焊接過程的生產(chǎn)率。其次，由于焊接過程參數(shù)，例如電極力和電極位移可從伺服電機中獲得，伺服焊槍為過程監(jiān)控、診斷和補償提供了新的可能。第三，伺服焊槍可以得到焊接過程中所需的鍛壓力，從而可以提高焊點質(zhì)量。第四，由于電極運動的可控性，電極與工件接觸時沖擊小，噪聲低，有助于改善工作環(huán)境，提高電極壽命。

　　雖然包括電機控制器和軟件的伺服焊槍元件價格較昂貴，然而，從長遠的眼光出發(fā)，伺服焊槍有著傳統(tǒng)氣動焊機所無法具有的優(yōu)點，是值得信賴的。伺服焊槍的特征和優(yōu)點決定了伺服焊槍能極好地替代現(xiàn)有點焊機，并是未來汽車裝配生產(chǎn)線上主要的點焊連接設(shè)備。