潘 濤

（上汽通用五菱汽車股份有限公司整車制造部，廣西柳州545007）

SGMW焊槍自動化應用對比分析

潘 濤

（上汽通用五菱汽車股份有限公司整車制造部，廣西柳州545007）

分析了氣動焊槍和伺服焊槍在SGMW重慶工廠的大量應用情況，對比分析了兩種自動化焊槍的原理及實際使用中差異。

氣動焊槍；伺服焊槍；機器人

隨著國內(nèi)汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車生產(chǎn)線的自動化程度越來越高，各種國外先進設(shè)備、先進技術(shù)的引進大大提升了各廠商的生產(chǎn)效率。汽車車身是汽車的主要部件，其生產(chǎn)以焊接工藝為主?，F(xiàn)在較多汽車生產(chǎn)的車身焊接仍以點焊為主，少部分無法點焊完成的地方使用電弧焊。人工操作焊接車間工作環(huán)境差、工人勞動強度高、可達性低、焊接質(zhì)量難保證等，使用機器人焊接優(yōu)勢明顯。由于同一條生產(chǎn)線車型較多，柔性化生產(chǎn)需求更高，同時由于人工成本的增加，通過機器人的大量使用，生產(chǎn)線的車型管理系統(tǒng)控制，很容易解決多品種生產(chǎn)的焊接問題。

上汽通用五菱汽車股份有限公司（SGMW）重慶車身車間補焊線及下車體機器人工位是本公司在重慶工廠大批量使用機器人焊接的乘用車生產(chǎn)線，可實現(xiàn)多種車型切換生產(chǎn)的焊裝線，其設(shè)計凈產(chǎn)能為40JPH/H.其中機器人60臺，全部為發(fā)那科機器人，其中補焊線40臺使用小原伺服焊槍，下車體20臺使用小原氣動焊槍。

該補焊線符合多車型共線生產(chǎn)要求，車間車型識別AVI系統(tǒng)，通過工業(yè)Ethernet網(wǎng)絡(luò)，將過線白車身數(shù)據(jù)實時傳送給機運夾具系統(tǒng)和機器人系統(tǒng)，配合高速滾床和多車型柔性夾具，機器人系統(tǒng)可以實現(xiàn)多車型共線生產(chǎn)，如圖1所示。

圖1 機器人焊槍現(xiàn)場應用

為了保證機器人工藝布局的合理性、焊槍設(shè)計與產(chǎn)品設(shè)計的相配性，以及如何在有限的空間內(nèi)合理地布置機器人的位置和高度，使機器人的動作最優(yōu)化，本項目前期設(shè)計中采用ROBOGUIDE軟件做了建模仿真，多次做優(yōu)化設(shè)計，使得機器人單元能充分利用生產(chǎn)節(jié)拍時間盡可能地焊接更加多的點。如圖2所示。

圖2 仿真環(huán)境

下車體10臺機器人做了兩個版本的仿真分析，一個是用氣動焊槍模擬方針，一個是用伺服焊槍模擬仿真，通過仿真對比，在同樣的工藝布局及選擇相同槍型的焊槍情況下，伺服焊槍的布局空間更加寬敞，氣動槍狹小(氣動結(jié)構(gòu)偏大)，同為40節(jié)拍時，氣動槍的每臺機器人焊點數(shù)為21~23點，伺服槍的每臺機器人焊點數(shù)為25~28點。為進一步實踐認證，最終下車體10臺機器人選擇了氣動焊槍。通過近1年時間的生產(chǎn)驗證，得出了伺服焊槍在生產(chǎn)節(jié)拍，運行維修等各方面是遠好于氣動焊槍了。本文也結(jié)合實際生產(chǎn)對兩種焊槍作了進一步的比較，為后續(xù)項目選型提供了一定的參考。

1 焊槍基本原理分析

目前點焊以費用低、應用范圍廣等在汽車生產(chǎn)行業(yè)得到了廣泛的使用。點焊大部分還是使用氣動焊槍，雖然經(jīng)過多年的改進，傳統(tǒng)氣動焊槍已經(jīng)相對可靠穩(wěn)定，但技術(shù)的不斷發(fā)展，設(shè)備廠家間激烈的競爭促使各廠家對點焊質(zhì)量和效率的要求不斷提高，即要減少組裝，調(diào)試，維修時間，降低費用，縮小體積，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，實現(xiàn)與機器人系統(tǒng)的有效集成。這有效改進了新的焊槍驅(qū)動技術(shù)。其中由伺服電機驅(qū)動的伺服焊槍能使焊槍電極高精度定位和柔性焊接控制。

1.1 點焊基本原理

用尖端適當成型的電極將重疊的原材料夾住，將電流及加壓力集中在比較小的部分，局部加熱，同時用電極加壓的電阻焊接稱為點焊。一般包含：預壓、焊接、保持和休止四個主要程序，某些特殊情況可添加附加程序。點焊過程中焊件局部受壓會產(chǎn)生一些的形變，焊件間局部電流密度高，達到熔化形成焊點的目的。

1.2 氣動點焊焊槍原理

氣動焊槍，如圖3所示，主要由氣缸、變壓器、電磁閥、支軸、電極臂等組成，多使用電磁換向閥控制氣缸的前進和后退動作，電極的動作速度由節(jié)流閥控制。節(jié)流閥安裝于氣缸的進出氣口處，電極壓力由輸入氣源壓力控制，單向節(jié)流閥串接在氣路中，控制活塞的所有動作，使得氣缸腔體內(nèi)的氣壓升降及電極動作時間都會增加，這大大影響了焊接效率。如果調(diào)大節(jié)流閥出氣量從而提高電極運動速度，會引起電極對板件沖擊太大造成板件變形的缺點；如果使用帶緩沖結(jié)構(gòu)氣缸，比較組裝復雜，緩沖區(qū)的尺寸裝配要精準，還要防止緩沖過快造成的高壓沖擊損壞氣缸，但是在運動末端減速，可減少對板件沖擊。

圖3 氣動焊槍

1.3 伺服點焊焊槍原理

伺服機器人焊槍，如圖4所示，不是用以前的汽缸，而是用AC伺服馬達、滾珠絲杠來控制加壓力、電極打開間隔的焊槍，通過程序設(shè)定電極壓力、速度、偏移量，轉(zhuǎn)化為電機轉(zhuǎn)矩、頻率及脈沖數(shù)控制電機旋轉(zhuǎn)動作，電機的旋轉(zhuǎn)運動通過滾珠絲杠轉(zhuǎn)換為直線導軌的直線運動[1]。

圖4 伺服焊槍

2 焊槍本體對比

2.1 驅(qū)動比較

氣動焊槍焊接壓力由發(fā)那科機器人驅(qū)動SMC比例閥控制出氣量大小控制壓力。由焊接指令輸出信號給SMC電磁閥動作控制焊槍執(zhí)行動作。

伺服焊槍是作為發(fā)那科機器人的附加軸集成于機器人系統(tǒng)中，以TOLOMATIC伺服電機總成替換氣動機構(gòu)，在機器人系統(tǒng)中設(shè)定邏輯指令控制伺服控制器發(fā)出指令，控制伺服電機按照設(shè)定的位移量和速度動作。

在焊接中，氣缸驅(qū)動氣動槍，氣動槍必須先執(zhí)行關(guān)閉動作，收到行程開關(guān)反饋的關(guān)閉到位信號后才可以執(zhí)行焊接動作，行程開關(guān)每次焊接都要有信號通斷，長時間的動作容易失效，需要定期點檢更換，而伺服焊槍是由發(fā)那科機器人附加軸伺服控制器控制，不會受開關(guān)等設(shè)備影響，減少了常規(guī)停機時間。但伺服焊槍如果報故障，故障類別較為復雜，程序參數(shù)設(shè)定、電機、編碼器、電纜線，伺服控制器都可能是問題點[2]。

2.2 結(jié)構(gòu)比較

基本焊槍總成主要由驅(qū)動單元（產(chǎn)生加壓力的單元）、電極臂（把從變壓器過來的電流輸送到連接塊）、零件安裝板（固定電極臂、驅(qū)動單元、變壓器。另外，托架也安裝在這個部位）、電極柄（螺紋接頭到電極帽的電氣通道）、軟連接（可動性二次導體，從變壓器到下一個電氣回路的電氣通道）、變壓器（轉(zhuǎn)化來自控制箱的電流，變壓器把交流轉(zhuǎn)化為直流）、電極握桿（與連接塊相連，向電極帽輸送電流）和電極帽（向工件施壓并提供電流）組成。

氣動槍與伺服槍驅(qū)動部分與槍體的連接安裝有很大的區(qū)別，一種為氣缸連接，一種為伺服電機連接。氣動槍氣缸與槍體的連接相對簡單，拆裝便捷些。氣動與伺服焊槍，如電極桿，軟連接更換都不復雜，伺服槍的電機更換就繁瑣的多，每次更換往往需要2 h以上。變壓器的安裝根據(jù)槍型不同，也有所區(qū)別。

3 實際應用對比

穩(wěn)定。氣缸動作只能在焊槍到達焊點上方后才能動作，不能提前動作[3]。

伺服焊槍的機械結(jié)構(gòu)并不復雜，但是其主要的優(yōu)勢是在它的可控制性。在啟動時伺服電機比氣缸更快地達到所需的速度，并且速度可以保證。在接近板件的過程中，可以很容易地減速，來減低對工件的沖擊。伺服槍可實現(xiàn)工件厚度檢查功能，檢查工件存在的同時并避免錯誤工件的焊接。當然此功能要保證有效，必須：（1）需進行伺服槍的自動調(diào)節(jié)應用；（2）齒輪比必須正確；（3）調(diào)試位置正確及電極帽在接觸工件時沒有間隙。由于伺服電機屬于機器人的附加軸，運動時可以和機器人其

他軸一起動作，從而進一步減少焊接時間。

3.3 其他對比

伺服電機輸出的穩(wěn)定，受外部電壓變化影響小，而氣壓受輸入氣壓的變化影響波動大，對于不同的材料及板件厚度在焊接過程中優(yōu)勢明顯，相比較伺服槍用電量要低的多，能源損失小。

對于多品種的柔性生產(chǎn)線，機器人自動換槍運用廣泛，換槍過程相對復雜，機器人需要對新焊槍進行參數(shù)切換與記憶，頻繁切換、設(shè)備磨損等時間長后會引起伺服焊槍故障，復位過程較復雜，處理時間長。對于使用人員在機器人操作上有非常高的要求。

從成本上比較，前期投入每把伺服焊槍要比氣動焊槍貴1.5萬元，但從后期長時間的運行成本、能源損耗、備件費用等考慮，伺服焊槍每把要比氣動焊槍的總體費用要少的多。如表1所示。

3.1 預壓時間對比

從實際生產(chǎn)中測量發(fā)現(xiàn)，氣動焊槍的預壓時間大約為0.6 s，而伺服焊槍則僅用了0.2 s預壓時間。伺服焊槍完成一個焊點就可以快0.4 s.相對于一臺車的幾千個焊點，每個焊點節(jié)省0.4 s的焊接時間對過程生產(chǎn)率的提高就非常重要，另外可編程電極行程和速度也可以縮短多個焊點的預壓時間，這也可以提高焊接利用率。

3.2 可控性對比

氣動焊槍一旦氣缸開始運動，電極運動的速度是不可控的。其速度和氣路大小，焊槍構(gòu)造等都有直接關(guān)系。運動的速度太快，對板件的沖擊的力量也很大，電極帽磨損也越大，很容易造成機械結(jié)構(gòu)的提早老化。氣缸要消除這個狀況，一般可以使用軟接觸的方式來解決，但是因為沒有速度控制，效果并不是很

表1 氣動焊槍和伺服焊槍的其他對比

4 結(jié)束語

本文就SGMW在用的機器人氣動焊槍和伺服焊槍進行了對比分析，結(jié)果表明：伺服焊槍的優(yōu)勢明顯。伺服焊槍能夠提高焊接的生產(chǎn)率，也為過程監(jiān)控、診斷和補償提供了很好的幫助。伺服焊槍可以得到焊接過程中所需的鍛壓力，可提高焊點質(zhì)量，有利于改善工作環(huán)境。其故障率低，大大降低了設(shè)備維修費用及減少停線時間。雖然伺服焊槍元件價格較高，然而從長遠的眼光出發(fā)，伺服焊槍優(yōu)點更加突出，是值得信賴的。

[1]張延松.伺服焊槍技術(shù)在汽車車身制造中的應用研究[D].上海：上海交通大學，2013.

[2]謝誠侃.淺談氣動焊槍與伺服焊槍在實際使用及維護中的優(yōu)缺劣比較[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2013（10）：29-30.

[3]蘇國強.氣動點焊伺服焊槍故障模式及對策研究[D].南京：南京理工大學，2012.

Analysis and Application of Gun Automatic Contrast in SGMW

PAN Tao
（SAIC GM Wuling Automobile Limited by Share Ltd Vehicle Manufacturing Department，Liuzhou Guangxi 545007，China）

Introduced the air gun and servo gun in a wide range of application of SGMW chongqing factory，comparison and analysis the principle of two kinds of automatic welding torch and differences in practical use.

air gun；servo gun；robot

TP23

B

1672-545X（2016）11-0185-03

2016-08-14

潘濤（1982-），男，廣西桂林人，本科，工程師，研究方向為汽車生產(chǎn)線自動化設(shè)備控制技術(shù)研究。