浅谈气动焊枪与伺服焊枪在实际使用及维护中的优缺劣比较

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摘 要：整车厂车身车间目前主要的焊枪由工作方式可分为气动焊枪与伺服焊枪。两种焊枪在使用与后期维护过程中各有优缺点。由于结构的不同在维修与控制中有着很大的差别，影响设备利用率。了解两种焊接设备原理及解决办法，是分析、解决问题的关键。

关键词：气动焊枪；伺服焊枪；维修

中图分类号：F40 文献标识码：A

1 概述

随着汽车工业飞速发展，电阻点焊在板金件连接技术中的应用中起了最重要的作用。自从20世纪30年代第一辆由点焊连接完成的汽车下线以来，电阻点焊的应用近年来获得了突飞猛进的发展。目前，平均一辆轿车白车身大约有3000～4000个焊点，电阻点焊已经成为轿车白车身装配的重要连接方法，因而点焊质量与焊接效率对轿车的质量与成本有着重要影响。

现代汽车制造工业中，白车身焊接设备主要为气动点焊焊枪。经过多年发展和不断改进，气动点焊焊枪在技术方面已经非常成熟，焊接效率与焊接质量控制方面有了很大的提高。但随着汽车工业对焊接质量与高效的要求，传统气动点焊焊枪逐渐暴露了自身存在的缺陷，例如，对焊接板材的冲击较大、焊接效率比较低、电极磨损严重、与工业机器人的自动化集成度较低，不能紧跟汽车焊装生产线的发展要求。伺服点焊焊枪的诞生正是为了满足以上工业自动化的要求，它具有焊接效率高、电极任意位置高精度定位、与焊接板材柔性接触等优点，成为汽车焊装线里程碑式的突破。因此，无论是电动驱动还是气动驱动，伺服焊枪无疑是点焊焊枪驱动发展的方向。

下文主要以工业机器人末端工作的自动焊枪做比较与分析。

2 焊枪结构比较

以上海某汽车企业车身车间使用的由OBARA公司集成的焊枪为例，两种焊枪都基本由枪体（ARM），电极杆，连杆，软连接，硬连接等组成。气动枪分为C和X型，伺服枪除了C和X型外还分为W型和P型等（从外观上与气动枪的C型和X型相对应）。如图1所示

由于两种焊枪的驱动部分一种是气缸，一种是伺服电机。所以驱动部分与枪体的连接安装有很大的区别。按照笔者多年实际拆装与更换部件的经验来讲，气动X型焊枪气缸与枪体的拆装是最为便捷的，伺服P型枪也比较简单，但是使用的工具种类较多。最为复杂的就是气动C型焊枪，由于此类型焊枪变压器连接非常复杂（如图2所示），在实际更换维护中，往往从机器人上更换整枪更为快捷（如图3所示）。

气动与伺服焊枪，如电极杆，软连接更换都不复杂。实际使用中笔者遇过由于冷却不佳，使电极杆内特氟龙管烧损而引起的更换情况，伺服枪的更换就繁琐的多，所以保证伺服枪冷却效果佳，对设备维护上来说更加有必要性。

3 驱动方式比较

气动焊枪有电磁阀动作控制焊枪行程与焊接动作执行，焊接压力由焊接控制器发模拟信号驱动比例阀控制。

相比较气动焊枪而言，伺服焊枪的最大结构变化是以伺服装置代替气动装置，按照预先编制的程序，由伺服控制器发出指令，控制伺服电机按照既定的速度、位移进给，脉冲指令经过编码器，最后形成电极的位移与速度控制，脉冲的数量与频率决定了电极的位移与速度，转矩决定了电极压力。

在机器人末端执行中，气动枪有气缸驱动，气缸通过换向阀动作来控制，压力大小由焊接比例阀模拟量输出控制。气动枪必须先动作行程（Backup），并且到位才可以执行焊接动作，就使得必须增加行程检测传感器，此传感器也因各种原因是失效非常高的部件之一，相比较，伺服枪通过工业机器人附加轴伺服驱动卡通过伺服编码器驱动，伺服枪的优点就出来了，也不会受此影响，减少常规停机有明显作用。可伺服焊枪一旦故障，行程报错。排查故障就比气动焊枪复杂的多，与机器人的伺服线，电机的伺服模块都可能是引起故障的原因，甚至是机器人本身设置故障而引起的。对于故障排查，目前只能通过经验判断较多。

每次焊接和电极帽切削后电极帽的长度都会发生微小变化，伺服焊枪必须进行补偿设置。

更换下的气动焊枪气缸可进行保养与修复，而驱动伺服枪的伺服马达不可进行保养与维修，直接更换。新安装的伺服枪伺服电机还必须通过机器人初始化设置才可以工作，设置新安装的电极帽也必须重新进行零位设置，气动焊枪则不需要额外的设置，所以伺服焊枪的伺服电机更换除了维修人员对机械结构的熟悉外，对机器人程序和设置的要求也是非常高的。

很多的学者对伺服焊机或焊枪的关闭时间有些意见。主要是认为伺服焊机或焊枪，其闭合时间较气缸长，所以会减少生产率。

在使用气缸的焊钳上，一旦气缸开始运动之后，其运动的速度，是无法控制的。这和气路充气的能力，机械结构，都有直接的关系。其运动的速度，确实是可以做的很快。但是，在接触工件时，因为速度很快，冲击的力量也很大。这对焊头是有磨损的；同时，也容易造成机械结构的提早老化。对气缸来说，要消除这个状况，不是一件容易的事。一般来说，我们可以使用软接触的方式来解决，但是，因为没有速度控制，效果并不是很稳定。

大部分的电焊机和焊枪的应用，对时间的要求很高。大部分的使用者，只注意到对时间上的缩短，而没有注意到焊接控制器在焊接预压时间的重要性，只是一味地缩短，而不知道缩短后对工艺上的影响。用气缸时，只能用加速来减少时间。因为其速度无法控制，控制器的适当加压时间不容易决定。

伺服马达在此可以显出其特点。伺服马达的机械结构并不复杂，但是其主要的优势是在它的可控制性。早期的伺服控制，只能做位置及速度控制。在最新的控制器里，不只位置和速度能做精确的控制，对马达的电流，以及扭力，都能做精确地控制，并能够在位置控制模式和扭力控制模式间自由地转换。

在启动时，因为马达控制器有能力检测螺杆的动作，所以它能够在启动时比气缸更快地达到所需的速度。在达到所需的速度后，因为通常的动摩擦力都远远小于静摩擦力，焊钳的速度可以保证。在接近工件时，利用软件，可以很容易地减速，来减低焊钳和工件的冲击。在机器人的应用上，焊钳更可以和机器人控制器结合，将机器人手臂的动作集成，成为机器人的最后的一个关节。运动时可和其他的关节一起程序，进一步减少焊接工件的时间；比如，机器人可以控制到在运动中将焊钳合上，并在最后的一段动作进行软接触的运动。在使用气缸时，这些控制是很难完成的（如图4）。

4 其他比较

由于电机输出的稳定性比气压可靠，在焊接工艺方面伺服枪有着非常明显与气动焊枪的优势，加上伺服枪不会因为气动元件与气管磨损而引起的能源损失。

为了实现柔性化生产的需求，一条流水线上有多种车型生产，所以一台机器人轮换使用不同形状焊枪的情况也非常普遍，每次切换焊枪机器人都需要对新焊枪进行参数判断与保留，或由于换枪盘接触不可靠引起的触点需接触，都会引起伺服焊枪报出错报警，复位过程还可能需要进行机器人断电重启的步骤，耗时非常多。由于伺服焊枪对于使用人员在机器人操作上有非常高的要求。在实际运用中，现场维修人员和工程师在项目中都应尽量避免机器人伺服枪换枪的使用。

结语

气动焊枪与伺服枪在维修维护方面虽然各有优势，总体来说无论从焊接工艺还是综合维护上考虑，伺服焊枪具有传统气动焊枪无可比拟的优点，具有广阔的应用前景，对设备维护使用人员的要求也更高。

参考文献

[1]张旭强，陈关龙，张延松，张小云电阻点焊的伺服焊枪技术特性分析[J].焊接学报，2005.

[2]苏国强.气动点焊伺服焊枪故障模式及对策研究[D].南京：南京理工大学，2012.

[3]陈建平，冯友仁.伺服马达和气缸在电阻焊接应用的比较[Z].