阻焊过程中力的测量

随着动态电极力测量技术的发展，通过定期检测点焊机器人和在线测量监测点焊过程，来消除次品和节省成本变得越来越普及。奇石乐公司生产的变送器可对阻焊过程中的力进行有效监控，并且在众多汽车制造企业内得到广泛应用。

随着竞争的不断加剧，汽车制造企业不得不在阻焊中寻求更短的循环时间，以及更可靠的能够用特定工艺参数来表现的焊接操作。无论是气动还是电动电极，夹紧力都是一个重要的参数，因此为了得到更加可靠的产品，人们必须关注整个点焊过程精确的电极夹紧力。

对于现代机器人控制系统中作为第七轴由伺服电机驱动的电极夹，在线（on-line）电极力的测量不仅用于监测，而且用于控制。阻焊中如果不能及时监控电极夹紧力，将导致生产浪费或次品增加。为弥补此缺陷，通常人们要进行不定期的检查。随着动态电极力测量技术的发展，通过定期检测点焊机器人和在线测量监测点焊过程，来消除次品和节省成本变得越来越普及，尤其是在电极夹的电驱动系统中。焊接机器人力测量系统如图1所示。

图1  焊接机器人力测量系统举例

过程参数

焊接过程中重要的参数是时间、电流和焊接力。为优化点焊效果，在电流打开时达到要求的焊接力被理解成电极夹紧力。如果电流开启过早，如在力值达到其最优值的 90%之前开启，则焊溅（Welding Spatter）和电极磨损（Electrode Wear）就可能产生；另一方面，电流必须尽早开启以使循环时间减少。

通过经验可以得知，电焊力每次都不同，主要原因是电极磨损导致电极夹紧力逐渐减少。过大的偏差可能由多种原因引起，如板材进给不正确、厚度不对、变形以及部件相互放置不齐等。

直接或间接（Indirect）测力非常适合于监测，也可用于控制和调节电焊力，具体方式为：

1、通过用一个力传感器或一个装有力传感器的实验台进行定期的直接测量（离线）。

2、焊接时，间接在线测量焊接力，如将应变传感器装于机架或电极适配器上。

3、点焊时，直接在线测量焊接力，如将传感器装在机构上或装在驱动马达上。

离线监控

1、定期标定

焊接机器人或机器上的焊接力可以定期标定、数据存档，奇石乐公司（KISTLER）生产的9831A/B电焊力标定变送器可用于该用途。与点焊力监控器 5825A2一同使用，9831A/B 可以记录电流开启时的力值和点焊时的其他特征值（如图2所示），并可直接检验夹紧力在电流开启时是否达到理想水平（通常为最大力值的90%）。这里最重要的是使被测力的电极间隙尽可能小（如实际电焊时一样）。在这方面，9831A/B具有极大的优越性，该传感器可测到最小间隙为3.5mm的电极力。

图2  带5825A电焊监控器的焊接力标定变送器9831A/B

变送器由两个钢片中夹一个传感器构成。电极适配器可用于对不同型号的电极作用力作用进行优化。

2、定期监控

另外一种可能是在生产过程中定期监控点焊力。为此，可以将奇石乐公司9833A变送器装在一个固定测试位置（如焊接头的加工台上）。在车身制造时，通常 400～500 个点焊后，电极需要打磨，这时需要中断生产，同时检查电极夹。在碾磨台电极电流和电极力得到了检测（如图3所示）。联到带过程参数的系统，通过测量点焊力，以下的过程参数都可得到核实：

□ 在给定公差内（如10%）比较最大电极力和目标电极力；

□ 在大于目标电极力的90%时的开启电流；

□ 电极夹的“咔嗒”（chatter）行为；

□用控制系统内的值比较力—时间曲线；

□ 空气压力是否正常。

图3  用于BMW 的9833A 集成于机器台面上的焊接力变送器

在线监控

在线监控能够在焊接过程中直接得出结论，比如一个伺服系统电极夹力的特性曲线，且可用于过程控制（如调整电极力和电极位置）。一般来说，将传感器装在电极或电极支架上是不可能的，并会干涉到电焊过程。所以，为实现在线检测的目的，传感器安装于机器的承载机构上。对于电极夹，传感器装在电极夹支架或直接在驱动机构上。

1、阻焊机上力的监控

焊接力的间接测量特别适合于C型结构的焊机，焊接力机器结构或电极夹上会产生微小但极易测量的应变，奇石乐高灵敏度应变传感器 9232A、应变变送器 9234A等可以用于该用途。应变传感器用M6的螺钉固定在机构上，安装只需一个精整的小平面即可，位置在应变大（越远越好）且和焊接力线性相关的部位。图4(a)为C形机架上的 9232A（位置2 和3）安装的传感器，为了对比，在电极上也安装了该设备（位置1）。图4(b)显示出两个传感器（1和2）测出的电极力原始信号比较。由于安装位置的不同，应变传感器显示出对焊接力不同的灵敏度，传感器1（直接安装在电极上）明显比传感器2（在机体上）更加灵敏。此外，两个应变信号为反相，传感器1是拉伸应变，传感器2为压缩应变。不过，焊接力（焊接过程）可以非常好地用应变传感器来表现。

图4  阻焊机上安装的应变传感器及其测量结果

2、机器人焊夹上力的测量

上述介绍的用于间接测力的应变传感器、变送器，和内置于驱动机构或驱动马达上的直接测力传感器一样，也可用于机器人焊夹上力的测量。以一个气动C型夹为例，进行比较测量：一个是电极上的应变，一个是活塞杆上的力传感器，在一个在线焊接力的监控中，应变信号和直接测力的信号显示出了非常好的一致性。由于电极上的传感器在生产环境下不能进行充分有效的保护，所以在实际解决方案中传感器内置在活塞杆上。图5（左）显示了一台现代伺服焊夹装有9234A应变变送器内置于一个集成电器内，集成电器回路有一个可调的放大器，允许传感器优化调节焊接力和焊接过程。应用应变传感器或应变变送器的优点是简化安装，特别体现在对已有的焊机或焊夹进行整修和改造中。图5（右）显示了一个力的变送器内置于一个球轴承的直接测力（作为伺服电夹的典型应用）。这种形式的直接测力用于监控或用于电焊机伺服电夹定常力的校准，还可用于优化实际电焊过程的时间和用于焊接连接件的调整。带电驱动电夹及力传感器的机器人如图6所示。

图5  在伺服电动焊夹上装有应变传感器（左）；在伺服电动焊夹的球轴承上装有力传感器（右）

3、内置于驱动马达中的力传感器

对于电驱动焊接夹理想的解决方案是，直接内置一个力传感器于驱动马达内。图7给出了一个内置力传感器测量轴向力Fz的线性马达，Fz同焊接力成比例关系。这种测量已被研发并且成功通过了在工具定子上的测试。

结语

综上所述，文中提供的在线、离线标定和监测系统对所有阻焊过程均能给出可靠的信号。同时，这些传感器具有极高的响应速度，可提供精确的焊接力曲线记录，哪怕是在最短的循环时间内。此外，由于其自然特性（石英压电传感器），不会受到电磁场影响，产生的信号可靠、清晰、易于处理。奇石乐石英压电传感器还具有极高的过载量，坚固耐用，且使用寿命极长，因此特别适合于长期监测。