【摘要】本文简要介绍了上海大众应用的气伺服焊钳的种类、气伺服系统组成及其基本功能、结构演变以及目前存在的主要问题。

1.前言

随着国内劳动力成本的提高和自动化装备价格的下降，机器人焊钳已经越来越多地应用在白车身生产线上，越来越重要，性能越来越好，种类也在不断增加。根据机器人焊钳的驱动装置不同，目前白车身上在用的机器人焊钳可分为机器人气动焊钳、机器人气动伺服焊钳和机器人电伺服焊钳三种。

迄今为止，上海大众使用过机器人气动焊钳、气伺服焊钳。在 2009 年的途观项目之前，使用的机器人焊钳是气动焊钳；从 2009 年途观项目开始，到 2011 年仪征项目，以气伺服焊钳为主；从2012 年宁波项目开始，伴随着大众 MQB 标准的推行，具有机器人第七轴功能的气伺服焊钳开始应用，并已在后续 MQB 标准的项目中全面应用。

2.大众标准机器人焊钳钳臂的动作浅析

机器人焊钳的钳臂有两个，其中一个动臂，一个静臂，当正常工作时，一个是活动的，一个是相对固定不动的。如果动臂是通过气缸（焊接缸）运动带动的，就是气动焊钳；如果动臂是通过伺

服电机带动的，就是电伺服焊钳。如果焊接缸是气伺服缸，则这种气动焊钳称为气伺服焊钳；如果气伺服缸可以在机器人的轴转动时动作，则称这种焊钳为具备机器人第七轴功能的气伺服焊钳。

2.1 机器人气动焊钳的动作方式

如图 1 所示，机器人气动焊钳动臂的工作位置通常有三个：大开，小开，焊接位置。在焊钳到达零件前，为了避免与零件干涉，焊钳动臂一般要从小开调到大开，到达零件后回到小开，接下去到达焊接位置进行焊接。焊接不同焊点时，动臂一般在焊接位置和小开之间进行切换。焊接完成后，从小开回到大开，离开零件，机器人回到初始位置，动臂回到小开位置。

这种焊钳在焊钳动臂动作时，机器人的轴不能同时转动；同样地，机器人的轴转动时，焊钳动臂也不能动作。这种焊钳的主要缺点是对择接板件的冲击力较大、挥接效率比较低、电极磨损严重以及与机器人集成度较低等[1]。

2.2 机器人气伺服焊钳的动作方式

相比机器人气动焊钳，气伺服焊钳动臂的工作位置可以有很多，根据工况，需要大开口，就设置成大开口；需要小开口，就设置成小开口位置，从而减少了焊接时气缸行走的距离，节省焊接辅助时间，并且对零件的冲击小，对电极帽和电极接杆的冲击小。还能够大幅度减少未熔合、焊核直径不足、剩余板厚不足等焊接缺陷[2]。

与机器人气动焊钳类似地，在气伺服焊钳的焊接缸动作时，机器人的轴不能同时转动；同样地，机器人的轴转动时，焊钳动臂也不能动作。

与电动伺服爆钳相比，气动伺服焊钳零部件更少且无需占用空间安放电控柜，其费用能够大大降低[3]。

2.3 具备机器人第七轴功能气伺服焊钳的动作方式

此种伺服气缸相当于是机器人的第七轴，可以在机器人移动时动作，同步调整到需要的工作位置，进一步节省了时间。

2.4 不同种类的机器人焊钳综合比较

从表1中的比较结果来看，当前情况下，七轴气伺服机器人焊钳相对于其它几种，综合优势明显，因此成为当前大众在用的最主要的机器人焊钳类型。

3.机器人焊钳气伺服系统

目前大众汽车集团许可的气伺服模块供应商有 Festo 和 SMC 两家公司，上海大众应用过的气伺服模块分别来自 Norgren 和 SMC，少量来自 Festo。由于某些原因，Norgren 虽然是最早提供该项技术的供应商，但目前在大众集团范围内几乎已经看不到他们的这个应用了。

3.1 气伺服系统的基本构成

由于目前上海大众在用的不同厂家的气伺服模块相似，以下主要以 Festo 公司的气伺服系统[4][5]为例介绍。

最初的气伺服系统分为执行机构、控制机构和附属机构，详见图 2 所示，其中执行机构包括焊 接气缸和补偿气缸（平衡缸），控制机构由控制阀模块、附加气动开关和焊钳控制器组成，附属机构 包括电缆及气管接头、气管等。

3.2 气伺服系统的基本组成及其功能

焊接气缸直接作用于焊钳的动臂，补偿气缸主要作用于焊钳的静臂。 焊接气缸主要有缸体、压力传感器、位置传感器和电信号接口组成。焊接气缸通过活塞杆的伸缩运动，带动焊钳的动臂，完成对焊接接头的夹紧、打开等动作。 补偿气缸的主要作用是：1）当机器人带动焊钳运动时，固定焊钳，焊钳静臂不能移动，此时不能焊接；2）当焊钳到位焊接时，平衡焊钳自重力，通过静臂适当移动，补偿由于零件位置波动产生 的间隙。

控制阀模块里面主要有压力比例阀（MPYD）、流量比例阀（MPYE）、两位三通阀和底座，各组成模块的主要作用是：

1）MPYD 压力比例阀控制补偿气缸；

2）MPYE 流量比例阀控制主气缸；

3）两位三通阀控制附加气动开关；

4）模块底座内含 5μm 空气过滤芯，对压缩空气进行过滤。

焊钳控制器的主要作用是：

1）实现焊钳电极臂的位置控制和力控制；

2） 通过区域总线与机器人控制器相连接；

3）带诊断系统，通过特定软件，实现功能设定和故障诊断功能。

根据标准的要求，附加气动开关主要是起保护作用的，断电有气时可以锁住焊接气缸； 断压缩气时可释放焊接气缸，使之处于自由状态；防止焊接缸在焊钳移动时的漂移。

3.3 气伺服系统演变

某些组件进行了集成，详见图 2 所示，其中焊接气缸和附加气动开关集成在了一起；控制阀模块和焊钳控制器集成在了一块安装板上。简化了安装、维修的步骤，拆装更加快捷和方便、可靠， 缩小了体积和重量。

3.4 当前气伺服系统存在的主要问题

最近几年，发现的主要问题在焊接缸活塞位置确定上，这与位置传感器有关，其中最为突出的问题是开机位置丢失。其次是由于气源质量不高，过滤不够，导致压力传感器故障。再者有比例阀损坏、呼吸口密封不好进水、平衡缸和焊接缸动作不协调等问题出现。

4.  展望

气伺服技术的应用，在节省了宝贵的时间、提高了焊接质量的同时，也暴露出来了不少问题，如对气源质量要求高，气伺服系统自身故障率较高、调试工作量比较大等，整体系统的稳定性需要进一步优化。当然，对使用者来说，也需要进一步熟悉这种装备的特点，避免犯低级错误。

另外，随着电伺服焊钳价格的下降，对气伺服技术应用的推广构成了越来越大的威胁。目前，上海大众已经开始尝试应用电伺服焊钳了。

5.  参考资料

[1]张旭强、陈关龙、张延松等，电阻点焊的伺服焊枪技术特性分析[J]，焊接学报 2005(6)：60-64

[2]冯晓天、陈云，基于气伺服焊枪的点焊质量控制[J]，热加工工艺，2013，42(5)：197-199

[3]诺冠公司，点焊技术充满活力——气动伺服系统在点焊焊枪领域的优势[J]，现代驱动，2006：66

[4] 费斯托（中国）有限公司，Servo Pneumatic weldgun_en & cn，2012 年 5 月

[5] Festo,  Festo-Servo-P_Workshop_SVW_MQB_CN_V1.3_Gong，2013 年 7 月