点焊机器人集成工作站优化方案

1.点焊机器人的分类

点焊机器人要满足点焊工艺的要求：①焊钳要到达每个焊点；②焊接点的质量应达到要求。第一点意味着机器人应有足够的运动自由度和适当的工作范围，第二点要求机器人的焊钳所得的工作电流（对点焊来说是很大的）能安全可靠地到达机器人手臂端部，机器人焊钳的工作压力也要达到要求。对于第一点，只要机器人空间可达性可以满足被焊件的焊点位置分布即可。对于第二点，不同工艺要求决定了焊接系统的不同规格、性能。

1）按阻焊变压器与焊钳的结构关系分

从阻焊变压器与焊钳的结构关系上可将焊钳分为分离式、内藏式和一体式，见表7-1。

表7-1　点焊机器人及焊接系统分类

（1）分离式焊钳。

该焊钳的特点是阻焊变压器与钳体相分离，钳体安装在机器人手臂上（见图7-1），而阻焊变压器悬挂在机器人的上方，可在轨道上沿着机器人手腕移动的方向移动，二者之间用二次电缆相连。其优点是运动速度高，价格低廉；主要缺点是需要大容量的焊接变压器，能源利用率低。分离式焊钳可采用普通的悬挂式焊钳及阻焊变压器，但二次电缆需要特殊制造，一般将两条导线紧连在一起，中间用绝缘层隔开，每条导线还要做成空心的，以便通水冷却。此外，电缆还要有一定的柔性。

图7-1　分离式焊钳结构示意图

（2）内藏式焊钳。

这种结构的焊钳是将阻焊变压器安放到机器人手臂内（见图7-2），使其尽可能地接近钳体，变压器的二次电缆可以在内部移动。当采用这种形式的焊钳时，必须同机器人本体统一设计。其优点是二次电缆较短，变压器的容量可以减小，但是使机器人本体的设计变得复杂。

图7-2　内藏式焊钳结构示意图

（3）一体式焊钳。

如图7-3所示，机器人常用的一体式焊钳就是将阻焊变压器和钳体安装在一起，然后共同固定在机器人手臂末端的法兰盘上。其优点之一是省掉了粗大的二次电缆及悬挂变压器的工作架，直接将阻焊变压器的输出端连到焊钳的上下机臂上，另一个优点是节省能量。此外，焊钳要求在设计时，尽量缩短焊钳重心与机器人手臂轴心线间的距离。

图7-3　一体式焊钳结构示意图

对于分离式焊钳、内藏式焊钳两种形式，所用的钳体与阻焊变压器通过二次电缆相连，电缆一般较粗，且质量大，影响机器人运动的灵活性和范围。这样，阻焊变压器为了补偿二次电缆的导线损耗又必须做得容量较大，致使其能耗大、效率低。这种结构的优点是对机器人的承载能力要求低。20世纪80年代，国际上开始在工业中采用一体式焊钳。这种焊钳除了不影响机器人的运动灵活性和范围外，还有能耗低、效率高的优点。但其对机器人的承载能力要求较高，使机器人的造价较高。在引入点焊机器人时，应考虑以下几个问题：

（1）焊点的位置及数量；

（2）焊钳的结构形式；

（3）工件的焊接工艺要求，如焊接电流、焊点加压保持时间及压力等；

（4）机器人安放点与工件类型及工作时序间的关系；

（5）所需机器人的台数和机器人工作空间的安排。

2）按焊钳用途分

点焊机器人焊钳从用途上可分为X形和C形两种，如图7-4所示。X形焊钳主要用于点焊水平及近于水平倾斜位置的焊缝；C形焊钳则用于点焊垂直及近于垂直倾斜位置的焊缝。

图7-4　X形与C形焊钳

3）按焊钳闭合加压的驱动方式分

按加压的驱动方式，焊钳可以分为气动焊钳和电动焊钳，如图7-5所示。气动焊钳利用汽缸来加压，可具有2～3个行程，能够使电极完成大开、小开和闭合3个动作。其电极压力一旦调顶，则不能随意变化，目前比较常用。电动焊钳采用伺服电机驱动完成焊钳的张开和闭合，焊钳张开度可任意选定并预置且电极间的压紧力可无级调节。

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图7-5　气动焊钳和电动焊钳

点焊机器人的机械结构参数如表7-2所示。图7-6所示为点焊机器人在进行焊接作业的画面。

表7-2　点焊机器人机械结构参数

图7-6　点焊机器人在进行焊接作业

2.点焊机器人集成工作站的硬件系统

点焊机器人集成工作站的硬件系统由主控制器、工业机器人本体、人机界面、点焊系统、电极研磨器、操作台、夹具，以及安全保护装置等组成，其部分组成如图7-7所示。

图7-7　点焊机器人集成工作站的部分组成

下面分别介绍主要组成。

1）主控制器

点焊机器人主控制器根据工艺要求，联动控制机器人控制柜、焊接控制系统、人机界面、夹具、安全保护装置等各个子系统，使得各个子系统相互配合、实现整个工作站的自动化作业。通常采用的主控单元是PLC。

2）工业机器人本体

为了满足生产要求，工业机器人本体一般选用关节式工业机器人，一般具有6个自由度。其中，汽车点焊机器人要求动力强劲，结实可靠，焊枪定位精度在±0.4 mm以下。

3）焊接控制器

焊接控制器能够对电极压力（预压、加压、维持、休止）时间和电极电流（预热、焊接、热处理脉冲）时间进行任意编程，具有电极焊接计数、自动报警、提示修磨电极更换等功能。

4）电极研磨器

电极研磨器的主要工作是修磨焊钳电极，去除电极上的焊渣、氧化层等。

5）安全保护装置

为防止机器人作业时发生伤人事故，采用多重安全防护技术。安全防护包括急停控制回路和安全控制回路。常用的安全保护装置有安全光栅、安全锁、安全继电器、光电开关、安全地毯、安全激光扫描仪等。安全保护的设计采用双通道结构的安全回路，情况严重程度较高的安全信号能令机器人急停，较低的安全信号可令机器人暂停。

6）夹具

在焊接过程中，合理的夹具结构有利于合理安排流水线生产，便于平衡工位，缩短非生产用时。汽车焊接材料主要是薄钢板，刚性差、易变形。在结构上，焊接散件大多数是具有空间曲面的冲压成型件，形状和结构复杂。有些型腔很深的冲压件，除存在因刚性差而引起的变形外，还存在回弹变形。因此，在焊装过程中必须使用多点定位的专用焊装夹具，以保证部件整体的焊接精度。

7）供气系统

供气系统包括气源、水气单元、焊钳进气管等，其中水气单元包括压力开关、电缆、阀门管子、回路连接器和接触点等，提供水气回路。

8）供水系统

供水系统包括冷却水循环装置、焊钳冷水管、焊钳回水管等。由于电焊是低压大电流焊接，在焊接过程中，导体会产生大量热量，因此焊钳、焊钳变压器需要水冷。

9）焊钳

焊钳是指将电焊用的电极、焊枪架和加压装置等集中于一体的焊接装置。

除此之外，点焊机器人集成工作站的组成部分还有点焊机压力测试仪和焊机专用电流表等。