汽车车身点焊机器人焊钳分析

24 《机器人技术与应用》双月刊 第1期

机器人技术作为先进制造技术的典型代表和主要技术手段，它在提升企业技术水平，稳定产品质量，提高生产效率，实现文明生产等方面具有重大作用。随着我国汽车工业的迅猛发展，焊接机器人在汽车白车身生产中正得到越来越广泛的应用，特别是电阻点焊机器人的应用越来越多。

1 焊接机器人优点

焊接机器人动作稳定可靠，重复精度高，可代替人的繁重体力劳动，保证产品质量。与人工焊接相比，机器人焊接具有以下优点［1］：

（1）可以提高焊接质量，并保证焊接质量稳定。对于点焊来说，虽然人工焊接时焊接参数已经提前设定，但在人工焊接时，焊点位置与焊钳角度不同会影响焊接质量和焊点均匀性，有时还会错焊、漏焊，焊接空间较小时，焊钳还易碰到工件而打火，采用机器人焊接则可避免这些缺点。

（2）可以提高劳动生产率。机器人没有疲劳，一天可以24小时连续生产，随着高速焊接技术的应用，使用机器人焊接，效率提高会更加明显。

（3）改善工人的劳动条件。采用机器人焊接，工人们远离了焊接弧光、烟雾和飞溅等，不再搬运笨重的手工焊钳，使工人从大强度的体力劳动中解脱出来。

（4）产品周期明确，容易控制产品产量。机器人的生

产节拍是固定的，因此安排生产计划非常明确。

（5）可缩短产品改型换代的周期，减少相应的设备投资；可实现小批量产品的焊接自动化，也可以实现汽车白车身的多车型混流共线生产。

（6）工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），单机价格不断下降。机械结构向模块化、可重构化发展。

2 点焊机器人焊钳

由于点焊机器人的技术优势越来越明显，应用数量也在迅速增加，所以与其相配备的焊钳技术也在不断提高。现在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、汇流排、浮动机构等。具体见图1和图2。

2.1 焊臂

目前点焊机器人焊钳的焊臂按照使用材质分类主要有三种形式。由于材质的不同，所以相应的结构形式也有所区别。

（1）铸造焊臂。如图3所示。焊臂整体为黄铜（H62）铸造而成，焊臂前端为电极接杆，可根据实际情况更换电极接杆长度，满足焊接要求。这种焊臂的优点是焊臂主体一次性铸造成型，再次加工量少，制造周期短，成本较低，适用定型后可进行批量生产。但H62的导电率较低，

[作者简介] 唐立峰（1976-），男，硕士学位，主要从事点焊机器人焊钳和一体化焊钳的研发工作。

汽车车身点焊机器人焊钳分析

唐立峰 胡 敏 王 勇

（天津七所高科技有限公司，天津，300409）

摘 要:本文着重介绍现阶段焊接机器人的优点和机器人焊钳的主要结构形式，并对不同的机器人焊钳的结构进行介绍和分析，指出其优缺点和适用范围。通过多方面分析，本文指出现阶段点焊机器人焊钳采用中频变压器和伺服电机驱动时，焊接质量最好。关键词:机器人；焊钳；点焊机器人；焊臂；变压器

2009年1月30日 《机器人技术与应用》 25

约为22%～28%IACS（注：IACS即国际退火工业纯铜标准。1913年国际电工学会规定，退火工业纯铜在20℃时的电阻率等于0.01724Ω·mm 2/m，为标准导电率，以100%IACS 表示），且这种焊臂的加工灵活性差，一旦定型很难更改，只能更改或重新制造模具。

（2）铬镐铜焊臂。如图1中X型和图2中C型焊臂均为铬镐铜材质。这种焊臂的导电率高（75%～82IACS），可获得较大电流，节省电能，焊臂散热好；经适当热处理，力学性能好；机械加工工艺简单。

（3）铝合金焊臂。如图4所示，焊臂整体为铝合金，焊臂前端连接电极接杆。这种焊臂的优点是质量轻，比较适合应用在机器人焊钳的设计上，尤其是长焊臂的焊钳，因为机器人本身对焊钳质量的要求相对比较严格。这种焊钳直接对电极部分进行水冷却，冷却效果好。

2.2 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。中频焊钳相对于工频焊钳主要有以下优点：

（1）直流焊接。焊机采用1kHz逆变电源，三相交流电经变压器次级整流，可提供出连续的直流焊接电流，从

而提高热效率，消除电流尖峰，增宽焊接电流工艺范围，消除输出极的电感消耗，无“集肤”效应。因此，大大提高了焊接质量。

（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，也就减小了变压器的体积和重量。与同容量的交流焊机相比，采用中频技术的变压器体积可以减少60％。

（3）提高电流控制的响应速度，实现工频电阻焊机无法实现的焊接工艺。以1kHz逆变电源为例，焊钳可实现本周波控制，其电流控制响应速度为1ms（工频焊机的响应速度最快为20ms），从而有利于提高焊接质量，并可以方便地实现焊接电流控制。

（4）三相平衡负载，降低了电网成本。（5）功率因数高，节能效果好。

（6）缩短了焊接时间，降低了电流负载，提高了电极的使用寿命。

2.3 电极臂

按电极臂驱动形式的不同，点焊机器人可分为“气动”和“电机伺服驱动”。“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。［2］“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

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力源的一种焊钳。［3］电机伺服驱动是利用电动机通过相应的力，变换机构带动两电极臂闭合或张开，是一种可提高焊点质量、性能较高的机器人用焊钳。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。

电机伺服点焊钳具有如下优点：

（1）提高工件的表面质量［4］。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，电极对工件是软连接，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。

3 结语

由以上介绍可知，点焊机器人焊钳采用中频变压器和伺服电机驱动时，焊接质量最好，焊接过程易于控制，生产效率最高。但相对于其他机器人焊钳，其造价也相对比较高。

参考文献

［1］林华.汽车车身焊装领域机器人项目管理.现代管理，2007（7）：101-109.

［2］ 卢本.焊接机器人的类型与应用一.现代焊接，2006（6）：11-15.

［3］卢本.焊接机器人的类型与应用一.现代焊接，2006（7）：19-21.

［4］郭勇.焊接机器人的应用与发展——2005’德国埃森焊接与切割展览会观感.现代焊接，2005（5）：5-7

Auto Body spot welding robotic welding gun analysis

Tang Li-feng, Hu Min, Wang Yong

(TianJin 707 Hi-Tech Co., LTD, Tianjin 300409)

Abstract: This paper presents the advantages of current welding robot and the main structure of robotic welding gun. With the comparison and analysis of different robotic welding guns, author describes the advantage and disadvantage of them and the application to Automobile industry. It is carried out that the welding quality is better when the welding gun is drove by servomotor with intermediate-frequency transformer.

Keywords: robot ; welding gun; spot welding robot; welding arm