《工业机器人工作站系统集成》 单元三点焊工作站点焊系统的设计.

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1 《工业机器人工作站系统集成》 单元三点焊工作站点焊系统的设计

2 点焊机器人系统的主要选择指标在点焊设备。点焊设备由电源及控制装置（点焊控制器）、能量装换装置（焊接变压器）和焊接执行机构（点焊钳）三大部分组成。

3 知识准备 一、点焊控制器的选型 点焊控制器是点焊机器人附助设备中最重要的设备。 1．点焊控制器的定义
焊接用控制装置是合理控制时间、电流、加压力这三大焊接条件的装置，综合了机械的各种动作的控制、时间的控制以及电流调整的功能。点焊设备的主回路结构示意图如图3-18所示。 图3-18 点焊设备主回路结构示意图

4 知识准备 a) 单脉冲通电 b) 电流缓升·下降控制 图3-19 点焊通电模式 (1) 动作以及时间的控制
焊接工序如图3-19通电模式中所示，由启动开关（启动）→加压时间（电极加压）→焊接时间（通电）→保持时间→结束时间（电极打开）构成。 a) 单脉冲通电 b) 电流缓升·下降控制 图3-19 点焊通电模式

5 知识准备 控制装置具备控制上述一系列动作顺序（序列）的功能之外，还具备控制时间（计时器）的功能。
在控制焊接时间时，对焊接电流进行“通、断”控制的装置叫做开关（开闭器），现在通常使用可控硅（半导体元件）。 控制装置将设定的时间和信号传递给可控硅，在此期间，主回路一次侧处于导电状态，可以获得焊接电流。 (2) 焊接电流的控制 安装在焊接变压器一次侧的可控硅，除了用于控制电流的“通、断”以外，还可被用于控制一次输入电压的相位以及调整电流。 除此以外，电流调整的方法还有更改焊接变压器的一次线卷的匝数（分支切换）的方法。但是由于此方法无法简单的实现自动切换（调整），因此除了特别要求的特殊焊机以外，一般都不常使用。 2．点焊控制器的种类 点焊控制器的主要功能是完成点焊时的焊接参数输入，点焊程序控制，焊接电流控制、及焊接系统故障自诊断，并实现与机器人控制器的通讯联系。

6 知识准备 a）交流式焊接电源 b）大容量电容储能式 a）交流式焊接电源 b）大容量电容储能式 图3-20 各种电阻焊机的主电路
(1) 按供能方式分 按焊接变压器供能方式分，有交流式工频焊机、大电容储能式焊机和逆变式焊机等。主电路如图3-20所示。 a）交流式焊接电源 b）大容量电容储能式 a）交流式焊接电源 b）大容量电容储能式 图3-20 各种电阻焊机的主电路

7 知识准备 目前产量最多、应用最广泛的是交流式焊接电源，其使用容易，价格便宜，但负载功率因数低，输入功率大，不适合超精密焊接。近年来逐渐发展了逆变式电阻焊机，成为今后发展的主流。 (2) 按通信方式分 点焊控制器与机器人控制器的通讯方式主要有二种结构形式。 1) 中央结构型 它将焊接控制部分作为一个模块与机器人本体控制部分共同安装在一个控制柜内，由主计算机统一管理并为焊接模块提供数据，焊接过程控制由焊接模块完成。其优点是设备集成度高，便于统一管理。 2) 分散结构型 点焊控制器与机器人本体控制柜分开，二者通过应答通讯联系，机器人控制柜给出焊接信号后，其焊接过程由点焊控制器自行控制，焊接结束后给机器人发出结束信号，以便机器人控制柜控制机器人移动。这种结构优点是调试灵活，焊接系统可单独使用，但需要一定距离的通讯，集成度不如中央结构型高。

8 知识准备 3．点焊控制器的选择 (1) 按焊接材料选择
1) 黑色金属工件的焊接 一般选用交流点焊机。因为交流点焊机是采用交流电放电焊接，特别适合电阻值较大的材料，同时交流点焊机可通过运用单脉冲、多脉冲信号、周波、时间、电压、电流、程序各项控制方法，对被焊工件实施单点、双点连续、自动控制、人为控制焊接。适用于钨、钼、铁、镍、不锈钢等多种金属的片、棒、丝料的焊接。 其优点是： ① 综合效益较好性价比较高； ② 焊接条件范围大； ③ 焊接回路小型轻量化； ④ 可以广泛点焊异种金属。 其缺点是： ① 受电网电压波动影响较大，即交流点焊机焊接电流会随电网电压波动而波动，从而影响焊接的一致性。 ② 交流点焊机焊接放电时间最短通常为1/2周波即0.01秒，不适合一些特殊合金材料的高标准焊接。

9 知识准备 2) 有色金属工件的焊接 一般选用储能点焊机。因为储能点焊机是利用储能电容放电焊接，具有对电网冲击小、焊接电流集中、释放速度快、穿透力强、热影响区域小等特点。广泛适合于银、铜、铝、不锈钢等各类金属的片棒丝的焊接加工。 其优点是： ① 电流输出更精确、稳定，效率更高； ② 焊接热影响区更小； ③ 较交流点焊机更节约能耗； 其缺点是： ① 设备造价较高。 ② 储能点焊机焊接放电时间受储能量和焊接变压器影响，设备定型后，放电时间不可调整。 ③ 储能点焊机的放电电容经过长期使用会自动衰减，需要更换。 3) 需要高精度高标准焊接的特殊合金材料可选择中频逆变点焊机。

10 知识准备 (2) 按焊机的技术参数选择 ① 电源额定电压、电网频率、一次电流、焊接电流、短路电流、连续焊接电流和额定功率。
② 最大、最小及额定电极压力或顶锻压力、夹紧力。 ③ 额定最大、最小臂伸和臂间开度。 ④ 短路时的最大功率及最大允许功率，额定级数下的短路功率因数。 ⑤ 冷却水及压缩空气耗量。 ⑥ 适用的焊件材料、厚度或断面尺寸。 ⑦ 额定负载持续率。 ⑧ 焊机重量、焊机生产率、可靠性指标、寿命及噪声等。

11 知识准备 表3-10 IWC5-10136C电阻焊接控制装置技术参数 二、电阻焊接控制装置IWC5-10136C
额定电压及周波数 额定电压 3φ AC380V、400V、415V、440V、480V±15% 焊接电源周波数 50Hz/60Hz（自动切换） 控制电源 在控制器内部从焊接电源引出 消耗功率 约80VA（无动作时） 冷却条件 本体 强制式空气冷却 IGBT 单元 水冷式，给水侧温度 30℃以下 冷却水量5升/分以上 冷却水压300kPa以下 电阻率5000Ωcm以上

12 知识准备 表3-10 IWC5-10136C电阻焊接控制装置技术参数（续） 控制主电路 IGBT 集电极-发射极间电压 1200V
集电极电流 400A 适用焊接变压器 逆变式直流变压器 控制方式 IGBT 采用桥式PWM逆变控制 逆变周波数 700～1800Hz （从700、1000、1200、1500、1800Hz 中选择一种进行控制） 焊接电流控制方式 额定电流控制 一次电流循环反馈方式控制 设定精度 ±3％或300A以内。 重复精度 在焊接电源电压及负荷变动±10％以内时， ±2％或300A以内，上升及下降周期除外。 存储数据的保存 数据保存电源 超电容或锂电池（选配件） 程序数据保存期限 半永久 监控数据保存期限 电源切断后、保存15天以上，加装锂电池时保存10年 异常历史数据保存期限 电源切断后、保存15天以上 加装锂电池时保存10年 数据写擦次数 闪存10万次 控制范围 一次电流控制范围 50～400A （根据使用率的情况有限制） 二次电流控制范围 2.0～25.5kA 焊接变压器卷数比 4.0～200.0 加圧力控制范围 100～800kPa（使用加压力控制选配件时） 使用率 400A 10%以下

13 知识准备 直流逆变式电阻焊接装置与传统的交流工频电阻焊机相比具有以下突出优势。
2．IWC5焊接电源的优点 IWC C电阻焊接装置的主回路结构和焊机电流波形如图3-21所示。 图3-21 主回路结构图以及焊接电流波形 直流逆变式电阻焊接装置与传统的交流工频电阻焊机相比具有以下突出优势。 1) 直流焊接 逆变式焊机一般采用1kHz左右逆变中频电源，经变压器次级整流，可提供连续的直流焊接电流，电流单方向加热工件，热效率提高；无输出感抗影响，大大提高焊接质量。

14 知识准备 2) 焊接变压器小型化 焊接变压器的铁芯截面积与输入交流频率成反比，故中频输入可减小变压器铁芯截面积，减小了变压器的体积和重量。尤其适合点焊机器人的配套需要，焊机轻量化，减小机器人的驱动功率，提高性价比。 3) 电流控制相应速度提高 1kHz左右频率电流控制响应速度为1ms，比工频电阻焊机响应速度提高20倍，从而可以方便地实现焊接电流实时控制，形成多种焊接电流波形，适合各种焊接工艺需要，飞溅减少，电极寿命提高，焊点质量稳定。 4) 三相电源输入，三相负载平衡，功率因数高，输入功率减少，节能效果好。 由于逆变式电阻焊接控制装置的优越性能，在用普通工频焊机焊接难度加大甚至焊接质量无法保证的场合，如焊接铝合金、钛合金、镁合金等导热性好的金属焊接，异种金属材料焊接，高强度钢板焊接，多层板、厚钢板焊接中独具优势。

15 知识准备 3．焊接过程 点焊的焊接过程一般由四个基本阶段构成一个循环。
1) 预压阶段 电极下降到电流接通阶段，确保电极压紧工件，使工件间有适当压力。 2) 焊接时间 焊接电流通过工件，产热形成熔核。 3) 维持时间 切断焊接电流，电极压力继续维持至熔核凝固到足够强度。 4) 休止时间 电极开始提起到电极再次开始下降，开始下一个焊接循环。 焊接基本动作时序如图3-22所示。图中所示为脉冲波动次数1次的情况，实际焊接时按设定的脉冲波动次数反复运行CT1、W2。 图3-22 焊接基本动作时序

16 知识准备 图3-22 焊接基本动作时序 S0：预加压时间； S1：加压时间； S2：加压力稳定时间； US：上升周期； W1：通电时间1；
CT1：冷却时间1； W2：通电时间2； CT2：冷却时间2； W3：通电时间3； DS：下降周期； H：保持时间； WCD：焊接完成延迟时间； 上升时间过程初期电流值为I1×1/2，最终电流值为I1；下降时间过程初期电流值为I3，最终电流值为I3×1/2，焊接电流为I2。

17 知识准备 4．步增机能 随着电极帽的损耗，增加电流，可以延长焊接打点的寿命。通过最终步增信号输出和步增完了信号的输出，也可以了解到电极帽研磨和更换的时期。 步增机能的动作分阶梯式升级和线性上升两种，分别见图3-23、3-24所示。 图3-23 阶梯式升级

18 知识准备 图3-24 线性上升

19 知识准备 5．电流控制方式 (1) 焊接电流变动原因 导致焊接电流变动的主要原因有一下几种。 ① 供电电源电压变动；
② 电阻负荷的变动（由于焊接部发热而造成电阻负荷变动，由于被焊接物电阻率不同而导致电阻负荷变动等）； ③ 电抗的变动（当各种大小的磁性被焊接物进入焊机的悬臂内时，造成电抗变动）。 (2) 电流控制方式 1) 定电流控制 测定1次电流并基于此数值计算控制使实际通过的电流接近指定电流值，对电源电压的变动和负载的变动进行高速应答。使用此种方式，不论输入电源的电压变动如何，也不论由于电阻负荷的变动或者电抗的变动造成二次侧负荷如何改变，只要焊接变压器还有余量，就能够控制几乎完全相同的电流。 随着点焊的焊接数量的增加，电极顶端直径也在扩大，但是由于电流固定不变，会造成电流密度的降低，由此会导致焊接缺陷。但与步增机能相结合，会减少焊接缺陷。

20 知识准备 2) 恒定热量控制 在点焊中，随着焊点数的增加，电极顶端的直径就会增大，以及电极的氧化，导致电极间的电压下降。通过恒定热量控制，使焊接电流随着电极的损耗而逐步加大，保证两者乘积也就是功率的值不变。 恒定热量控制与定电流控制相比，其优点是发生的飞溅比较少。但是恒定热量控制方式无法像定电流控制方式一样直接设定焊接电流，因此使用比较麻烦。 6．IWC5焊接电源系统连接 (1) IWC5焊接电源的配线 IWC5焊接电源的配线如图3-25所示。 a）正面 b）背面 图3-25 IWC5焊接电源的配线

21 知识准备 在焊接电源的背面设有“焊接电源用”、“焊接变压器用”和“信号线用”的配线方孔。“焊接电源用”为焊接电源进线孔；“焊接变压器用”为焊接变压器一次侧电源输出孔；“信号线用”为各种外部控制信号线进线孔。 IWC5焊接电源设有多种与外部设备的通信接口，包括离散式接口、DeviceNet接口和EtherNet接口。 离散式接口的输入信号电源可使用焊接电源基板的内部电源，也可选择外部电源。当使用内部电源时，将带有[INTERNAL ROWER]标贴接头连接到输入电路电源切换接头上；当使用外部电源时，将带有[EXTERNAL ROWER]标贴接头连接输入电路电源切换接头上。如图3-26所示。 图3-26 输入信号电源的切换

22 知识准备 (2) 离散式输入信号端口的配线 共有14点离散式输入信号，各信号端的功能见表3-11。 表3-11 离散式输入信号功能 端子号
名称 功能 规格 DI2 启动（焊接条件）1 8个启动（焊接条件）信号，单独有效时，启动相应的焊接程序； 可组合选择128个焊接程序，利用多个启动信号时，信号必须同时开启，不能有偏差，否则将接受第一个启动信号，或发生启动输入异常。 DC24V 10mA DI3 启动（焊接条件）2 DI4 启动（焊接条件）4 DI5 启动（焊接条件）8 DI7 启动（焊接条件）16 DI8 启动（焊接条件）32 DI9 启动（焊接条件）64 DI10 启动（焊接条件）128 DI12 焊接/试验 ON时为焊接动作状态，OFF时为试验动作状态 DI13 异常复位 收到异常复位信号后，将异常输出关闭，为下一次启动做好准备。 DI14 步增复位 对步增进行复位。 DI15 通电许可输入 用于焊接电源内部的继电器控制输入。输入信号ON时，继电器ON，输入信号OFF时，继电器OFF。 继电器为可选择件，无继电器时，信号必须常置为ON。 IC 输入公共端 E24N 外接电源- 外部DC24V电源连接端。若使用内部电源，不需要接线。 E24P 外接电源+

23 知识准备 离散式输入信号接线方式如图3-27所示。公共端IC与DC24V电源的0V端等电位。 (3) 离散式输出信号端口的配线
图3-27 采用内部电源离散式输入信号接线图 (3) 离散式输出信号端口的配线 共有7点离散式输入信号，各信号端的功能见表3-12。 表3-12 离散式输出信号功能 端子号 名称 功能 规格 DO2 焊接完成 焊接动作完成时处于ON状态，启动信号OFF时切换到OFF状态。 最大负荷DC30V 100mA DO3 异常 当发生异常时，该信号切换至ON状态。当异常复位输入信号ON时，该信号输出OFF。 DO4 报警 当发生报警时，该信号切换至ON状态，但对焊接动作无影响。 DO5 准备完成 具备以下条件时，该信号处于ON状态，可以开始焊接，以防止试验状态下控制器误识别为正常焊接而进入之后的一次焊接。 1）未发生异常； 2）焊接/试验输入信号处于ON状态； 3）连接状态下的编程器处于焊接模式； DO7 步增完成 步增系列完成时，输出约为6个周期的脉冲信号。 DO8 最终步增中 步增系列达到最终步增等级时，输出约为6个周期的脉冲信号。 DO9 加压开放 保压时间结束时，切换至ON状态，焊接完成信号OFF时。切换至OFF状态。 DOC 输出公共端

24 知识准备 离散式输出信号接线方式如图3-28所示。 三、机器人焊钳的选型 1．焊钳的种类
图3-28 离散式输出信号接线图 三、机器人焊钳的选型 1．焊钳的种类 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。 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，而焊接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，如图3-29所示。其优点是减小了机器人的负载，运动速度高，价格便宜。

25 任务实施 图3-29 分离式焊钳点焊机器人 分离式焊钳的主要缺点是需要大容量的焊接变压器，电力损耗较大，能源利用率低。此外，粗大的二次电缆在焊钳上引起的拉伸力和扭转力作用于机器人的手臂上，限制了点焊工作区间与焊接位置的选择。 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，一般将两条导线做在一起，中间用绝缘层分开，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。

26 任务实施 2) 内藏式焊钳 这种结构是将阻焊变压器安放到机器人手臂内，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，如图3-30所示。 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3-30 内藏式焊钳点焊机器人 3) 一体式焊钳 所谓一体式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，如图3-31所示。 其主要优点是省掉了粗大的二次电缆及悬挂变压器的工作架，直接将焊接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。例如，输出电流12000A，分离式焊钳需75kVA的变压器，而一体式焊钳只需25kVA。 一体式焊钳的缺点是焊钳重量显著增大，体积也变大，要求机器人本体的承载能力大于60kg。此外，焊钳重量在机器人活动手腕上产生惯性力易于引起过载，这就要求在设计时，尽量减小焊钳重心与机器人手臂轴心线间的距离。

27 任务实施 (2) 点焊机器人焊钳从用途上可分为X形和C形两种，如图3-32所示。 图3-31 一体式焊钳点焊机器人
a）X形焊钳 b）C形焊钳 图3-32 机器人一体式焊钳

28 任务实施 X形焊钳则主要用于点焊水平及近于水平倾斜位置的焊缝；C形焊钳用于点焊垂直及近于垂直倾斜位置的焊缝。
(3) 按焊钳的行程，焊钳可以分为单行程和双行程。 (4) 按加压的驱动方式，焊钳可以分为气动焊钳和电动焊钳。 (5) 按焊钳变压器的种类，焊钳可以分为工频焊钳和中频焊钳。 (6) 按焊钳的加压力大小，焊钳可以分为轻型焊钳和重型焊钳，一般地，电极加压力在450kg以上的焊钳称为重型焊钳，450kg以下的焊钳称为轻型焊钳。 2．焊钳的结构 点焊机器人用的焊钳都是所谓的“一体式”焊钳。这样的焊钳，无论是C型还是X型，在结构上大致都可分为：焊臂、变压器、气缸或伺服电机、机架、浮动机构等。 C型焊钳结构及部件名称图如图3-33所示。 X型焊钳结构及部件名称图如图3-34所示。 (1) 焊臂 点焊机器人焊钳的焊臂按照使用材质分类主要有铸造焊臂、铬镐铜焊臂和铝合金焊臂三种形式。由于材质的不同，所以相应的结构形式也有所区别。

29 任务实施 (2) 变压器 与焊接机器人连接的焊钳，按照焊钳的变压器形式，可分为中频焊钳和工频焊钳。中频焊钳是利用逆变技术将工频电转化为1000Hz的中频电。这两种焊钳最主要的区别就是变压器本身，焊钳的机械结构原理完全相同。 (3) 电极臂 按电极臂驱动形式的不同，可分为“气动”和“电机伺服驱动”。 图3-33 C型焊钳结构及部件名称图

30 任务实施 “气动”是使用压缩空气驱动加压气缸活塞，然后由活塞的连杆驱动相应的传递机构带动两电极臂闭合或张开。
图3-34 X型焊钳结构及部件名称图 “气动”是使用压缩空气驱动加压气缸活塞，然后由活塞的连杆驱动相应的传递机构带动两电极臂闭合或张开。 “电机伺服驱动”的焊钳简称为“伺服焊钳”，是利用伺服电机替代压缩空气作为动力源的一种焊钳。焊钳的张开和闭合由伺服电机驱动，脉冲码盘反馈，这种焊钳的张开度可以根据实际需要任意选定并预置，而且电极间的压紧力也可以无极调节，是一种可提高焊点质量、性能较高的机器人用焊钳。

31 任务实施 电机伺服点焊钳具有如下优点： 1) 提高工件的表面质量 伺服焊钳由于采用的是伺服电机，电极的动作速度在接触到工件前，可由高速准确调整到低速。这样就可以形成电极对工件软接触，减轻电极冲击所造成的压痕，从而也减轻了后续工件表面修磨处理量，提高了工件的表面质量。而且，利用伺服控制技术可以对焊接参数进行数字化控制管理，可以保证提供最合适的焊接参数数据，确保焊接质量。 2) 提高生产效率 伺服焊钳的加压、开放动作由机器人来自动控制，每个焊点的焊接周期可大幅度降低。机器人在点与点之间的移动过程中，焊钳就开始闭合，在焊完一点后，焊钳一边张开，机器人一边位移，不必等机器人到位后焊钳才闭合或焊钳完全张开后机器人再移动。与气动焊钳相比，伺服焊钳的动作路径可以控制到最短化，缩短生产节拍，在最短的焊接循环时间建立一致性的电极间压力。由于在焊接循环中省去了预压时间，该焊钳比气动加压快5倍，提高了生产率。 3) 改善工作环境 焊钳闭合加压时，不仅压力大小可以调节，而且在闭合时两电极是轻轻闭合，电极对工件是软接触，对工件无冲击，减少了撞击变形，平稳接触工件无噪声，更不会出现在使用气动加压焊钳时的排气噪声。因此，该焊钳清洁、安静，改善了操作环境。

32 任务实施 3．焊钳的选择 无论是手工悬挂点焊钳或是机器人点焊钳,必须与点焊工件所要求的焊接规范相适应,基本原则是：
(1) 根据工件的材质和板厚，确定焊钳电极的最大短路电流和最大加压力。 (2) 根据工件的形状和焊点在工件上的位置，确定焊钳钳体的喉深、喉宽、电极握杆、最大行程、工作行程等。 (3) 综合工件上所有焊点的位置分布情况，确定选择何种焊钳，通常有四种焊钳比较普遍，即：C型单行程焊钳、C型双行程焊钳、X型单行程焊钳、X型双行程焊钳。 (4) 在满足以上条件的情况下，尽可能地减小焊钳的重量。对悬挂点焊来说，可以减轻操作者的劳动强度，对机器人而言，可以选择低负载的机器人，并可提高生产效率。 如图3-35所示，提供了焊钳选择时的一些要点。

33 图3-35 焊钳选择的要点

34 气动焊钳 机器人与气动焊钳的联接如图3-36所示。 (2) 电动焊钳 机器人与电动焊钳的联接如图3-37所示。
4．机器人与焊钳的联接 气动焊钳 机器人与气动焊钳的联接如图3-36所示。 (2) 电动焊钳 机器人与电动焊钳的联接如图3-37所示。 图3-36 机器人与气动焊钳的联接图 机器人与电动焊钳的联接

35 谢谢！