1 前言

　　電阻點(diǎn)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(diǎn)焊連接完成的汽車下線以來，電阻點(diǎn)焊的應(yīng)用近年來獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。目前，平均一輛轎車白車身大約由4000～5000 個(gè)焊點(diǎn)。因此，電阻點(diǎn)焊已經(jīng)成為轎車白車身裝配的重要連接方法。

　　電阻點(diǎn)焊機(jī)用以實(shí)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(jī)決定。

　　最常用的類型是氣動(dòng)焊機(jī)，這種類型的焊機(jī)如今被廣泛地應(yīng)用在汽車工業(yè)中，將氣動(dòng)和液動(dòng)技術(shù)同時(shí)應(yīng)用的增強(qiáng)型氣動(dòng)焊機(jī)有了更多的功能，但由于焊機(jī)的價(jià)格和保養(yǎng)等問題，此類型焊機(jī)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(jī)，它是應(yīng)用在焊機(jī)上的最新技術(shù)。在伺服焊槍的動(dòng)作中，伺服電機(jī)的軸間角、旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)矩由一個(gè)精確的PLC 控制。由于伺服焊槍是靠電驅(qū)動(dòng)的，就可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過程的精確控制。同時(shí)伺服焊槍的可焊范圍也很大，以前氣動(dòng)焊機(jī)焊不到的位置現(xiàn)都可以由伺服焊槍來實(shí)現(xiàn)。這種伺服焊槍對(duì)于汽車車身裝配生產(chǎn)線來說相對(duì)較新。最近幾年，在日本大約有500 個(gè)伺服焊槍被應(yīng)用到汽車車身裝配生產(chǎn)線上，而美國(guó)只有幾十個(gè)伺服焊槍被應(yīng)用。電伺服焊槍無法在實(shí)際生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用，主要的原因是對(duì)伺服焊槍的經(jīng)濟(jì)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(duì)焊接過程的影響從生產(chǎn)率和技術(shù)效益幾個(gè)方面與氣動(dòng)焊機(jī)進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明：伺服焊槍有著傳統(tǒng)氣動(dòng)焊機(jī)所無法具有的優(yōu)點(diǎn)，是值得信賴的。它的特征和優(yōu)點(diǎn)決定了伺服焊槍是未來汽車裝配生產(chǎn)線上主要的點(diǎn)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(duì)點(diǎn)焊過程中伺服焊槍的生產(chǎn)效率進(jìn)行了分析。一般來說，點(diǎn)焊過程主要由四個(gè)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(dòng)作會(huì)影響生產(chǎn)效率，這同時(shí)也是在實(shí)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(gè)新的階段電極接觸工件前的漸進(jìn)階段。本文對(duì)伺服焊槍的研究是基于漸進(jìn)、預(yù)壓、焊接、保持和休止五個(gè)階段進(jìn)行展開研究的，具體如圖1 所示。

　　在這五個(gè)階段中，焊接和保持階段的持續(xù)時(shí)間對(duì)氣動(dòng)焊機(jī)和伺服焊槍都是一致的，因而，這兩個(gè)階段對(duì)點(diǎn)焊效率的影響也一致。另外，由于實(shí)際生產(chǎn)的連續(xù)性，休止時(shí)間對(duì)生產(chǎn)率影響也很小。因此，相比較可以看出：漸進(jìn)和預(yù)壓過程是影響焊接效率的兩個(gè)重要階段。

　　2.1 電極力的接觸特性

　　對(duì)于氣動(dòng)焊機(jī)，電極的運(yùn)動(dòng)由氣缸來控制，電極運(yùn)動(dòng)速率很難控制，由于電極運(yùn)動(dòng)的高速率，會(huì)造成電極與工件接觸時(shí)的沖擊很大，致使電極力會(huì)發(fā)生短時(shí)間的振蕩，從而影響電極壽命。而對(duì)于伺服焊槍，電極的運(yùn)動(dòng)由伺服電機(jī)控制，能夠很好地控制電極運(yùn)動(dòng)速率，電極與工件接觸時(shí)的沖擊很小，這可提高電極壽命。氣動(dòng)焊機(jī)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(jī)的一個(gè)重要特征。因?yàn)橥娺^程中焊接區(qū)金屬受熱、膨脹，無法實(shí)現(xiàn)同時(shí)將電極力和電極位移作為常量進(jìn)行控制。對(duì)于氣動(dòng)焊機(jī)，電極力由氣壓調(diào)節(jié)閥進(jìn)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(jī)進(jìn)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(shí)間12 周波(1 個(gè)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(shí)間12 周波。為了減少噪聲干擾，電極力曲線用一個(gè)指數(shù)模型來表示[3]。從圖中的對(duì)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(jī)高控制精度和運(yùn)動(dòng)時(shí)較小的摩擦力。與電極力不同，伺服焊槍和氣動(dòng)焊機(jī)在焊接過程中的電極位移變化趨勢(shì)和位移量則基本一致，如圖4所示。

3 生產(chǎn)率分析

　　點(diǎn)焊的生產(chǎn)能力是目前車身裝配中要考慮的一個(gè)主要問題。在點(diǎn)焊過程的五個(gè)階段中，預(yù)壓階段相對(duì)來說是最長(zhǎng)的階段，氣動(dòng)焊機(jī)的預(yù)壓時(shí)間一般是20～40 個(gè)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(diǎn)焊生產(chǎn)率，就應(yīng)將預(yù)壓時(shí)間盡可能地縮短。為了比較不同焊機(jī)的點(diǎn)焊生產(chǎn)率，將所有進(jìn)行研究的焊機(jī)的下落時(shí)間、焊接時(shí)間、維持時(shí)間和休止時(shí)間分別設(shè)定為5，10，10 和5 個(gè)周波。

　　圖 5 列出了不同焊機(jī)在焊接過程中電極力的變化。其中，氣動(dòng)焊機(jī)的預(yù)壓時(shí)間大約為30 個(gè)周波(0.6秒)，而伺服焊槍則只用了8 個(gè)周波(0.16 秒)預(yù)壓時(shí)間就達(dá)到了95%預(yù)壓力。總體來看，伺服焊槍完成一個(gè)焊點(diǎn)所用的焊接時(shí)間為38 個(gè)周波(0.76 秒)，氣動(dòng)焊機(jī)則需60 個(gè)周波(1.2 秒)。換句話說，用伺服焊槍完成一個(gè)焊點(diǎn)要節(jié)省0.44 秒的焊接時(shí)間。相對(duì)于一臺(tái)轎車的幾千個(gè)焊點(diǎn)，節(jié)省0.44 秒的焊接時(shí)間對(duì)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(jī)技術(shù)給電阻點(diǎn)焊機(jī)和焊接過程帶來了新的特征，特征的大部分是伺服電機(jī)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(dòng)焊機(jī)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(duì)于氣動(dòng)焊機(jī)是恒定的氣壓，而對(duì)于伺服焊槍則是恒定的電流(或轉(zhuǎn)矩)。從控制的觀點(diǎn)來看：氣動(dòng)焊機(jī)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(yùn)動(dòng)和力就可以得到更加精確的控制。

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

　　正如前面所討論的情況，通過縮短預(yù)壓時(shí)間，伺服焊槍可顯著提高點(diǎn)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(gè)焊點(diǎn)的預(yù)壓持續(xù)時(shí)間，這也可以提高焊接生產(chǎn)率。焊接過程的可控性要?dú)w功于伺服電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)矩和速度作為電機(jī)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(hào)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)控變得可行，電極位置、在線失效探測(cè)和電極補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確測(cè)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(huì)軟接觸。而氣動(dòng)焊機(jī)的電極與工件接觸時(shí)會(huì)發(fā)生碰撞，電極力將發(fā)生劇烈振蕩，接觸時(shí)會(huì)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(duì)于點(diǎn)焊生產(chǎn)率提高、點(diǎn)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(duì)焊接過程的影響與氣動(dòng)焊機(jī)進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明：伺服焊槍的優(yōu)勢(shì)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(jī)中獲得，伺服焊槍為過程監(jiān)控、診斷和補(bǔ)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(diǎn)質(zhì)量。第四，由于電極運(yùn)動(dòng)的可控性，電極與工件接觸時(shí)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(jī)控制器和軟件的伺服焊槍元件價(jià)格較昂貴，然而，從長(zhǎng)遠(yuǎn)的眼光出發(fā)，伺服焊槍有著傳統(tǒng)氣動(dòng)焊機(jī)所無法具有的優(yōu)點(diǎn)，是值得信賴的。伺服焊槍的特征和優(yōu)點(diǎn)決定了伺服焊槍能極好地替代現(xiàn)有點(diǎn)焊機(jī)，并是未來汽車裝配生產(chǎn)線上主要的點(diǎn)焊連接設(shè)備。