摘 要：汽車車身零件幾乎都是采用電阻點(diǎn)焊連接裝配，近年來(lái)已經(jīng)成為最普遍的加工方式。為了保證車身的質(zhì)量問(wèn)題，在此提出一種基于氣動(dòng)伺服控制系統(tǒng)的氣伺服焊鉗。它主要由：伺服控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（氣缸、氣動(dòng)伺服閥和負(fù)荷等）、位置傳感器、壓力傳感器等組成。它具有體積小、快響應(yīng)、大輸出的特點(diǎn)，能夠改善對(duì)焊槍的高精度定位和柔性的焊接控制，并且價(jià)格實(shí)惠。

關(guān)鍵詞：氣伺服；氣缸；氣動(dòng)伺服閥；焊鉗

福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目（編號(hào)：JB14117）和石獅市科技計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)： 14KYS053）研究成果

汽車車身工程是目前世界汽車工業(yè)中研究最活躍、發(fā)展最迅速的一個(gè)領(lǐng)域，而在車身制造中大量采用點(diǎn)焊工藝。作為點(diǎn)焊機(jī).器人其主要功能是，按預(yù)先編制好的焊接程序操縱焊鉗自動(dòng)完成工件的點(diǎn)焊工作。焊鉗作為機(jī)器人操縱的工具，對(duì)機(jī)器人的使用有很大的約束力，若結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，將直接影響機(jī)器人的效率和接近性，同時(shí)對(duì)機(jī)器人運(yùn)行中的安全有很大的威脅。點(diǎn)焊焊鉗的設(shè)計(jì)必須從機(jī)器人操作特點(diǎn)出發(fā)，功能上要具備適于機(jī)器人使用的特殊功能，結(jié)構(gòu)上要滿足機(jī)器人的要求。目前常用點(diǎn)焊焊鉗為電動(dòng)伺服式焊鉗，雖動(dòng)作精度較高，但是同時(shí)也存在著傳感難、成本高等一系列難題。故在此以氣伺服系統(tǒng)代替電動(dòng)伺服系統(tǒng)，以更穩(wěn)定的焊接質(zhì)量，更簡(jiǎn)單的傳動(dòng)方式，更方便的感應(yīng)反饋，更低廉的制造成本去實(shí)現(xiàn)白車身的點(diǎn)焊工藝

1 焊鉗（電極）結(jié)構(gòu)

針對(duì)焊接工藝和伺服控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，再結(jié)合實(shí)際焊接生產(chǎn)中常用焊鉗的結(jié)構(gòu)，我們?cè)O(shè)想兩種焊鉗結(jié)構(gòu)如圖1-1。

方案A：采用C型結(jié)構(gòu)，其中一端固定，而另一端與伺服氣缸連接帶動(dòng)電極前后移動(dòng)。該方案僅需要一個(gè)伺服氣缸即單極運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單有較好的穩(wěn)定性，但焊接范圍較為局限，難以進(jìn)行跨越式焊接，對(duì)被焊接件的位置要求較高。

方案B：采用X型結(jié)構(gòu)，兩端均為可以移動(dòng)端，一端連接主氣缸，而另一端連接平衡氣缸。雙極同時(shí)運(yùn)動(dòng)，焊接范圍較廣，可進(jìn)行跨越式焊接，允許在一定的傾斜條件下焊接，對(duì)被焊接件的位置要求較低。

2 氣伺服系統(tǒng)

氣動(dòng)伺服系統(tǒng)控制精度高的核心是對(duì)控制物理量的測(cè)量和控制。氣動(dòng)系統(tǒng)的重要部件——?dú)鈩?dòng)伺服閥的存在，使得氣體的輸入壓力能夠得到控制?？刂崎y的靜態(tài)特性可用穩(wěn)態(tài)時(shí)氣體流經(jīng)控制口的流量與壓力以及閥的輸入位移之間的關(guān)系即壓力一流量特性來(lái)描述。通過(guò)對(duì)控制閥的壓力、流量特性的測(cè)量以及相應(yīng)輸出控制即可實(shí)現(xiàn)對(duì)氣動(dòng)系統(tǒng)相應(yīng)特性的控制。

2.1 伺服氣缸

實(shí)際為伺服氣缸其上面設(shè)有壓力及位置傳感器，并依靠不同的傳感器形成兩套閉環(huán)控制如圖2-2。常用氣缸參數(shù)如表2-1。

2.2 比例伺服閥

MPYE比例伺服閥根據(jù)輸入信號(hào)成比例輸出流量，但實(shí)際上比例于輸入信號(hào)的是閥開(kāi)口的有效截面積的大小，為使有效截面積成比例變化，大多數(shù)比例閥使用滑閥的主閥結(jié)構(gòu)，用來(lái)控制主氣缸位置/輸出力的控制。內(nèi)部采用硬密封，能快速響應(yīng)電信號(hào)。

MPYD位于控制閥塊上，通過(guò)控制器對(duì)其切換，可以控制平衡缸的前后腔壓力差，來(lái)平衡整個(gè)焊槍的重量

2.3 伺服控制器

伺服控制器分別由壓力控制模塊和位置控制模塊兩部分組成。詳細(xì)功能如圖2-3所示。

3 氣伺服控制氣路

3.1 氣路主要元件功能

1）主氣缸：給焊槍電極提供一定的焊接壓力，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，快速定位到某一焊接位置，縮短焊接節(jié)拍。

2）平衡缸：平衡焊槍自重，自動(dòng)補(bǔ)償電極與焊件之間的偏差，柔性接觸。

3）快排閥：兩個(gè)快排閥位于主缸輔助回路氣塊。 當(dāng)氣源接入控制閥塊后，快排閥立即切換（氣控），且在整個(gè)工作過(guò)程中保持。當(dāng)外部氣源突然斷掉或者客戶切斷氣源后，快排閥自動(dòng)復(fù)位，并將主氣缸中的壓力空氣迅速排空，起到安全保護(hù)的作用。

4）鎖定功能閥：兩個(gè)鎖定功能閥位于主缸輔助回路氣塊。在使能閥不動(dòng)作的情況下，它由主氣源的壓力自動(dòng)切換（氣控）。并將MPYE至主氣缸的氣路隔斷，防止因?yàn)镸PYE的泄漏而造成主氣缸的誤動(dòng)作。

5）氣源關(guān)斷閥V0：位于控制閥塊上。通過(guò)切換，可以控制給MPYE，MPYD的供氣，在焊槍空閑狀態(tài)下，可以節(jié)省因?yàn)橛裁芊庠斐傻男孤约胺乐箽飧子捎谛孤┰斐傻恼`動(dòng)作。

6）使能閥V1：位于控制閥塊上。通過(guò)切換，可以讓MPYE供給主氣缸的氣路導(dǎo)通。焊槍電極可以工作。

3.2 氣路工作過(guò)程

Step1：氣源接入，V0和V1不動(dòng)作，快排閥和鎖定功能閥切換（氣控）。主氣缸被鎖住。

Step2：V0動(dòng)作，空氣供給MPYE和MPYD，此時(shí)可控制平衡缸將焊槍鎖定。焊槍移動(dòng)至焊接工位。

Step3：V1動(dòng)作，鎖定功能閥復(fù)位。MPYE可以控制主氣缸以一定的速度，壓力將焊接件夾緊。MPYD可以控制平衡氣缸進(jìn)行一定的位置補(bǔ)償，使焊鉗平穩(wěn)地接觸工件。

Step4：焊接結(jié)束，電極復(fù)位V1復(fù)位，鎖定功能閥切換（氣控），主氣缸被鎖定，MPY將焊槍鎖定。焊槍運(yùn)動(dòng)至下個(gè)焊接工位。

4 應(yīng)用分析

4.1 應(yīng)用特點(diǎn)

首先，考慮到氣體的泄露以及空氣體積的變動(dòng)，實(shí)際工作過(guò)程氣缸的移動(dòng)與電極的存在著較大差異。但通過(guò)大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)兩者雖然不成正比，但是依然存在著一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，所以我們可以通過(guò)多點(diǎn)校核建立對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型從而建立實(shí)際電極與氣缸位置的數(shù)學(xué)關(guān)系，最終也可以達(dá)到我們給定的電極位置確保焊接正常進(jìn)行。因此，氣伺服控制在電極移動(dòng)精度上相比電動(dòng)伺服控制也同樣可以達(dá)到焊接精度要求。圖4-1為電極與氣缸的多點(diǎn)校核。

其次，不管是氣伺服控制還是電動(dòng)伺服控制電極在使用過(guò)程中必然存在著損耗那么實(shí)際電極位置是漸變的，這樣就導(dǎo)致氣缸達(dá)到預(yù)定的位置隨著電極的損耗而受到影響。因此，我們也需要研究電極的損耗模型，以提高定位精度。通過(guò)試驗(yàn)我們得到在受電極損耗時(shí)氣缸的位置如圖4-2。最終我們可以對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償以進(jìn)一步提高焊鉗的定位精度。

最后，焊鉗作為機(jī)器人的第7軸來(lái)定位運(yùn)動(dòng)，當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的時(shí)候就能夠完成焊槍的打開(kāi)與閉合，節(jié)約整個(gè)節(jié)拍50 %的時(shí)間，運(yùn)用第7軸相比傳統(tǒng)的順序控制焊槍方式，可以增加15-20 % 的生產(chǎn)速率，槍的運(yùn)動(dòng)類似于其他軸，是由機(jī)器人軟件控制的。 機(jī)器人能在一個(gè)插補(bǔ)周期中（12ms）將位置設(shè)定值送到焊槍控制器中。氣伺服焊槍能像電伺服焊槍一樣運(yùn)行，輪廓追蹤錯(cuò)誤能降到最小。在第7軸模式下實(shí)現(xiàn)高的動(dòng)態(tài)性能。對(duì)于操作者，能夠簡(jiǎn)單地進(jìn)行避障定位，碰撞現(xiàn)象減少如圖4-3。

4.2 應(yīng)用范圍

本產(chǎn)品主要針對(duì)于汽車焊接過(guò)程的運(yùn)動(dòng)控制部分，不涉及具體焊點(diǎn)質(zhì)量，屬于次級(jí)終端產(chǎn)品。是一款主要以提高汽車零部件焊接中的位置精度、壓力精度、工作效率、安全性以及經(jīng)濟(jì)性為目的伺服機(jī)構(gòu)。后期配合機(jī)器人補(bǔ)償，進(jìn)一步提高產(chǎn)品的定位精度和定位效率，以期取代目前市場(chǎng)主流的的電動(dòng)伺服控制系統(tǒng)為主導(dǎo)的汽車焊接工藝。

5 結(jié)論

氣伺服焊鉗是基于氣伺服系統(tǒng)控制的可針對(duì)汽車零件焊接工藝進(jìn)行自動(dòng)化加工設(shè)備，是一款可以取代電動(dòng)伺服焊鉗的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、生產(chǎn)效率較高且可控的焊槍。

參考文獻(xiàn)

[1]王波.電阻點(diǎn)焊氣動(dòng)伺服系統(tǒng)力/位置復(fù)合控制關(guān)鍵技術(shù)研究[D] 北京理工大學(xué)2015

[2]謝朝夕.氣動(dòng)伺服定位系統(tǒng)的理論研究與應(yīng)用[D] 重慶大學(xué) 2005

作者簡(jiǎn)介

許劍楓（1987-），男，福建漳州人，學(xué)士，閩南理工學(xué)院，講師，主要從事機(jī)電技術(shù)研究。