（机械制造及其自动化专业论文）气动点焊伺服焊枪故障模式及对策研究.pdf

硕十论文气动点焊伺服焊枪故障模式及对策研究 摘要 必燃y 2 0 6 0 7 0 5 目前，传统的气动点焊焊枪已经无法很好地满足汽车焊装生产中的高效、高质量要 求，正被气动点焊伺服焊枪逐步取代。但气动点焊伺服焊枪技术复杂、集成度高，在工 作过程中一旦出现故障，对故障的检查和排除十分困难。随着气动点焊伺服焊枪在汽车 生产线上应用越来越广泛，迫切需要对其故障模式和对策进行深入的研究，为焊装生产 线的快速故障排查提供技术、方法和依据，保证整条汽车生产线的正常运行。针对这一 实际需求，论文从以下方面进行了研究： 1 ) 分析了气动点焊伺服焊枪的控制原理和主要功能，在此基础上，研究设计了气 动点焊伺服焊枪模拟实验平台，该平台可以实现气动点焊伺服焊枪的位置伺服、缓冲控 制、焊接力伺服控制等主要功能，为下一步故障的分析和对策研究提供了硬件基础。 2 ) 基于气动点焊伺服焊枪模拟实验平台，通过不同故障点位设置的实验，分析了 主要部件的工作状态对系统运行的影响，得出了气动点焊伺服焊枪的主要故障模式，研 究了同一故障因素对不同故障模式的影响。在实验数据的基础上，结合实际焊接过程中 出现的常见故障，对引起故障的原因进行综合分析，得出了主要故障模式的影响因素。 3 ) 利用故障树分析法，建立了主要故障模式的故障树，以此作为故障快速处理的 一种对策；同时，通过f u s s e n 下行法得出了故障树底事件的最小割集。另外，采用蒙 特卡洛法，对故障树定量分析进行了研究，并利用m a t l a b 软件编制了故障树定量分析 程序，得出了气动点焊伺服焊枪各个组成部件的模式重要度以及平均故障间隔时间。 4 ) 研究了气动点焊伺服焊枪故障快速排查技术，提出了主要故障模式的快速处理 对策。另外，为了实现伺服阀的品质性能检测和失效原因分析，设计了电气伺服阀性能 测试平台，编制了l a b v i e w 软件程序。该平台可以实现伺服阀的流量特性、压力特性以 及外泄漏检测。通过此平台对比例流量阀性能进行了检测，实验结果表明该阀的品质性 能良好，与其技术参数相吻合。 关键字：气动点焊伺服焊枪，位置伺服控制，焊接力伺服控制，故障模式，故障树 硕上论文 墨垫皇堡堡竖生笙垫堕堡壅垒盟丝塑窒 _ - _ - - _ _ - _ _ 一一一一 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t t l e 枷i t i o n a lp n e u i m t i cs p o tw e l d i n gg 吼h a sb e e nu n a b l et 0s a t i s 母t h e r e q u n m e 鹏o fa u t o m o b i l ew e l d i n g1 i n ew i t hh i 曲e m c i e n c y 觚dh i 曲一q u a l i 劬i tw i l l b e 伊a d u a l l yr e l ) l a c e db yp n e 啪a t i cs e r v os p o tw e l d i n gg u n d u et 0m ec o m p l e xt e c 1 1 1 0 l o g ya n d h i g l li n t e 伊撕0 no fp n e u m a t i cs p o tw e l d i n gs e r v og u n w h i c hi n c o 印o r a t e sw i t hm ea u t o m a t l o n p r o d u c t i o nl i n e 嬲aw h o l e ，i ti sd i 伍c u l tt 0s o l v et h ef i a u l tw h e ni to c c 硼r e si nt h ec o u r s eo f w o 幽n g w i t hm ew i d e 印p l i c a t i o no fp n e u m a t i cs p o tw e l d i n gg u n i nm ea u t o m o b i l ew e l 咖g l i n e ，i ti su r g e n tt h a tt h em o r o u 曲r e s e a r c ho fi t sf a i l u r em o d ea n dc o u n t e m e a s u r e ss h o u m b e c o n d u c t e d ，a i l dt op r o v i d ef a s t 打o u b l e s h o o t i n gt e c l l n i q u e s ，m e m o d s a n db a s i st ot h e 仃o u b l e s h 0 0 t i n gi st h eg u a m t e e w h i c he n s u r e st h en o 册a l0 p e r a t i o no fm ee n t i r ea u t o m o b i l e p r o d u c t i o nl i n e a i m i n ga tm i ss i t u a t i o n ，m em a i nw o r ka n da c h i e v e m e n t s a r ea sf o l l o w s ： 1 ) t h ec o n 仃o lp m c i p l e sa n dm a i n 向n c t i o no ft h ep n e u m 撕c s e r v os p o tw e l d i n gg u l la r e a n a l v z e d ，a n d0 n “sb a s i s ，m ek e yt c c h n o l o g ys i m u l a t i o ne x p e r i m e n tp l a t f o 衄i sb u i l t ，w h i c h c 锄a c h i e v em a i n 劬c t i o no fp n e u m a t i es p o tw e l d i n gs e og 吼，i n c l u d i n gp o s i t i o ns e r v o c o n 仃0 l b u 仃e rc o n 仃o l ，f o r c es e r v oc o n 仃o l 觚de m e 玛e n c ys t 叩，锄dp r o v i d e s ah a r d 、v a r e f o u n d a 血o nf 0 rm es t u d yo fn e x tf a i h l r ea n a l y s i s 加ds n a t e g ys t u d y 2 ) p o t e n t i a lf a i l u r em o d e sa r es t u d i e db ym ee x p e r i m e n to fd i f l b r e n tf i a u l tp o i m ss e t t i n g o nt h ep n e 啪a t i cs e r v os p o tw e l d i n gg u ns i m u l a t i o np l a t f o n n a tt h es a m et i m e s ，t h ei m p a c t o fm a i nc o m p o n e n t sw o 幽n gs t a t u so ns y s t e mo p e r a t i o ni sa r 吼l y s e d i na d d i t i o n ，b a s e do nt h e a b o v ee x p e r i l n e n tr e s u l t s ，锄dc o n l b i n e dw i t hm ea c t l l a lw e l d i n gf l a u l ti nt h ep r o c e s so ft h e w o r kt l l ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so fm ee a c hf a i l u r em o d e sc a u s e si ss t u d i e d ，粕dm ei m p a c t o fm a i nf a i l u r em o d e si so b t a i n e d 3 ) t h ef a u h 仃e em e o 巧( f 1 a ) i su s e dt oa n a l y s i st h em a i nf a i l u r em o d e 硒ar 印i d 仃o u b l e s h 0 0 t i n gs 仃a t e 卧a tm es 锄et i m e ，f a u l t 骶em i n i m a lc u ts e t sa r ed e t e m i n e d b a s e d 0 nt h ef u s s e l l st o p d o 、nw a y i na d d i t i o n ，妞胛删枷v ea n a l y s i so f t h ef a u l t 仃e ei ss t u d i e d b vm em e t h o do fm o n t ec a r l o ，锄di t sp r o c e d u r e sa r ec o m p l i e db yu s i n gt h es o f 呐a r eo f m a t l a b a tt h el a s t ，t h em t b fo fs y s t e ma n dm ed e g r e eo fi m p o r t a n c eo fm ew o r k i n gm o d e l i ne v e 巧m a i np a r ta r eo b t a i n e d 4 ) t h e 仃d u b l e s h o o t i n gc o u n t e 册e a s u r ea b o u t t l l ep n e u m a t i cs e r v os p o tw e l d i l l g 母ml s s t u d i e d a i l dt h es o l u t i o no fm a i nf a u l tm o d ei sp r o p o s e d i na d d i t i o n ，i no r d e rt oa n a l y s et h e s e ov a l v ef a i l u r e ，a n dt ot e s ti t sq u a l 埘p e r f o 彻a n c e ，t h ee l e c t r i c a ls e r v o v a l v ep e r f o 咖a n c e t e s t i n g p l a t f o 肌i sd e s i g i l e d ，a n dt h ec o n 仃o lp r o c e d w e s 盯ec o m p l i e db yu s i n gt h es o 脚a r e o f a b s t 阳c t 硕士论文 l a b v i e w t h ep l a t f 0 mc 龃 d e t e c tt h er v ov a l v e sn o wc h a r a c t e r i s t i c s ，p r e s s u r e c h a r a c t e r i s t i c s ，a i l de x t e m a l l e a kd e t e c t i o n n 们u 曲t h i sp l a t f o m ，t l l ep e r f - o r i i l a n c eo f 山e p r o p o r t i o n a ln o wv a l v e i sd e t e c t e d ，a n dt 1 1 er e s u l t ss h o wm a tt t l eq u a l i 哆o ft h ev a l v e p e r f 0 r n l a n c ei sc o n s i s t e n tw i t l li t st e c l l l l i c a lp a r a m e t e r s k e y w o r d ：p n e u m 撕cs e n ，os p o t w e l d i n gg u n ，p o s i t i o ns e oc o n 仃d l ，w e l d i i l gf o r c es e r v o c o n 仃o l ，f a i l u r em o d e ，f a u l ta n a l y s i st r e e i v 硕上论文 气动点焊伺服焊枪故障模式及对策研究 l 绪论 1 1 课题研究的背景和意义 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 存在的缺吲1 1 ，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，已经不能满足现代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【川。 虽然电动点焊伺服焊枪市场推出时间要早于气动点焊伺服焊枪，但由于价格昂贵、 体积大、质量重，使其发展和应用前景受到一定程度的限制。2 l 世纪初，电动点焊伺服 焊枪的国外市场占有量不足2 0 的份额【3 】。在日本只有丰田等少数公司将电动点焊伺服 焊枪应用到汽车车身装配生产线上，而美国大约有2 0 0 只电动点焊伺服焊枪被应用【l j 。 鉴于传统气动点焊焊枪的缺点，以及电动点焊伺服焊枪的价格高昂，气动点焊伺服 焊枪点正以其独特的优势，不断地发展和广泛地应用，将逐步取代以上两种类型焊枪。 气动点焊伺服焊枪具有诸多优势，例如，电极力可变可控、焊接速度快、焊接周期短、 工艺参数编程容易简单、可适应不同工况焊接生产等。并且，可以实现焊接质量实时在 线检测，有效避免焊接板材破坏性试验分析，提高生产效率，减低生产成本。同时，焊 接时电极与工件的柔性接触，伺服焊枪能明显提高电极寿命，减小焊接噪音小【4 j 。 目前，气动点焊伺服焊枪在国内外已经大量的应用，南京某汽车公司新建的三条汽 车生产线，全部采用了气动点焊伺服焊枪，数量在2 0 0 台以上，这在国内属于首次应用。 随着汽车焊装生产线的不断改进，气动点焊伺服焊枪的应用量不断增加，将逐步取代传 统气动点焊焊枪。 气动点焊伺服焊枪系统设计技术复杂，自动化集成度高，各阀体与控制器为集成一 体式；另外，气动点焊伺服焊枪的工作均由机器人控制。这对其应用过程中的维护和及 时故障分析、排除带来了不便。特别是随着气动点焊伺服焊枪大规模的在汽车焊装生产 线上应用，对于在工作过程中出现的突发故障，进行迅速排查和及时处理将尤为重要， 若其中一台伺服焊枪出现故障，将直接影响焊接的生产节拍和流程，给生产和焊件质量 产生重大影响，从而造成严重的经济损失。 目前，国内外对新型气动点焊伺服焊枪的故障研究较少，缺乏相关故障排查处理的 技术资料。因此，对气动点焊伺服焊枪进行故障模式和故障快速处理技术的研究，对于 】 1 绪论硕士论文 保证汽车高效、高质量生产至关重要，有着重要的应用价值和研究意义。 1 2 气动点焊伺服焊枪及故障模式研究现状 1 2 1 气动点焊伺服焊枪发展与研究 气动点焊伺服焊枪是在传统气动焊枪的基础上发展而来的。现代汽车工业竞争不断 加剧，为了迎合消费市场，新车型更新换代日益频繁。因此，汽车焊装生产线自动化程 度越来越高，传统气动点焊焊枪自动化集成度低，在焊接过程中存在电极力不可调、不 能适应多车系、不同厚度板材、不同金属材质的高效率焊接，且又存在焊接周期过长、 焊接质量不稳定以及电极磨损过快等缺点，其已经成为焊装生产线效率突破的最大障 碍，严重阻碍了汽车工业的发展。 因此，世界汽车工业强国都在不断地研发新型焊枪伺服焊枪。在2 0 0 1 年，德国 举办的焊接与切割展览会，电动点焊伺服焊枪首次展出；由于其突出的优点，受到了越 来越多的公司的青睐和关注【3 】。但由于价格昂贵，只有较少的汽车制造商安装了少量的 电动伺服焊枪。随着现代控制理论与气动技术的不断发展，气动位置伺服控制与气动力 伺服控制技术得到了巨大提高，可以实现任意位置和伺服力精确控制。因此，将气动伺 服控制技术应用到点焊焊枪中，成为点焊焊枪发展的主流。气动点焊伺服焊枪具有与电 动点焊伺服焊枪同等的优点，并且还具有自身独特的优势，例如价格低廉、体积小重量 轻、采用空气作为动力源，干净无污染；另外，可以实现对传统气动焊枪的改造，节省 汽车公司成本支出。气动点焊伺服焊枪组成结构如图1 1 所示。 图1 1 气动点焊伺服焊枪匀【成结构 由于气动点焊伺服焊枪诸多的优点，发达国家都在积极的进行研发和生产。目前为 止，世界上已有两家公司推出了气动点焊伺服焊枪，分别是诺冠公司与s m c 公司。在 2 0 0 9 年6 月2 日，上海新国际博览中心举办的第十四届北京埃森焊接与切割展览会上， 诺冠公司( n o 曙r e n ) 和德国尼玛克公司推出了共同开发的气动点焊伺服焊枪，成为了 硕士论文气动点焊伺服焊枪故障模式及对策研究 展会的一个亮点，作为此次展会中唯一一家推出该项技术的公司，展会上引起了中外客 商的浓厚兴趣。在2 0 1 0 年中旬，s m c 公司研发的气动点焊伺服焊枪，成功地应用在南 京某汽车公司焊装生产线上。 目前，以上国外两家企业在此领域的研究比较成熟，国内对气动点焊伺服焊枪的研 究较少。上海交通大学李锐华对气动点焊伺服焊枪的控制系统进行了研究，建立了比例 压力伺服系统模型，采用滑模控制方法，实现了较好的加载力控制【5 】。同时，上海交通 大学赵卫等人【4 】采用基于反馈的鲁棒h 控制策略对气动伺服焊枪的控制系统进行了研 究和仿真，获得了良好的控制性能。为了让传统机器人气动焊枪适应不同板材焊接需求， 文献 6 】对传统气动焊枪的加压系统做了改进，利用电气比例压力阀控制电极力，可以实 现根据不同的板材厚度调整对应的要求焊接力，取得了良好的效果。但对于气动点焊伺 服焊枪多点位位置控制技术，以及电极接近焊点时高速衰减稳定性问题方面，未进行研 究。 1 2 2 点焊焊枪故障模式研究现状 目前为止，在涉及点焊焊枪故障模式的研究文献中，多数针对传统气动点焊焊枪发 热进行剖析，对由焊枪组成部件失效引起的故障模式分析极为少见。例如，文献【7 9 】 简述了传统点焊焊枪发热故障以及解决策略；文献【1 0 】将f t a 理论引入到点焊电极帽粘 结、脱落故障模式的原因分析中；文献【1 1 】将b i 心神经网络引入到点焊焊枪的故障诊断 中，但缺乏实验验证，同时b r 卧附方法存在一定的缺陷，可以实现故障检测，却无法 进行故障分离。现在国内外多数以伺服焊枪为载体，进行在线焊接质量检测与分析研究， 对于气动点焊伺服焊枪，以及电动点焊伺服焊枪故障研究的内容相当缺乏，文献 1 2 】对 气动点焊伺服焊枪的可靠性能离线检测设备进行了研究。但到目前为止，鲜有文献涉及 到气动点焊伺服焊枪故障方面的研究。 1 3 气动系统故障诊断技术研究现状 气动系统故障诊断技术主要为逻辑诊断法、传感器监控、人工智能诊断三种形式。 逻辑诊断法，是依据故障表象，基于人工实践经验，按照一定的逻辑推理( 故障树f t a 等分析法) ，分析解决故障。逻辑诊断法简单实用、不用拘泥于诊断测量仪器与传感器 等设备，可以实现故障的快速排除。目前，自动化生产设备可以实现对生产过程的检测 与显示，逻辑诊断法可以与自动化传感反馈网络相结合，更好的实现故障的排除。 电磁阀在气动回路中应用中占有重要的席位，且动作频繁，出现故障概率最高，它 作为气动回路中的运转指挥中心，其可靠性是气动回路正常运行的重要保证。电磁换向 阀的故障模式主要为在阀芯卡死、换向不到位、外泄漏以及线圈断路、短路等失效情况。 针对电磁阀的阀芯卡死故障模式，文献【1 3 提出了通过检测电磁阀在启动或者复位运动 3 1 绪论硕士论文 状态过程中电流的变化曲线特征，分析正常工作与故障状态时电流变化的差异，以此实 现判断阀芯有无行驶到位或者卡死。本实验室黄小平硕士，提出了电磁阀阀芯位置状态 检测技术 1 4 】，将传感器置于电磁阀内部，用以实现无线远程对电磁换向阀的阀芯动作不 到位的检测。另外，文献【1 5 提出利用视觉传感器，进行故障诊断检测的方法，即将c c d 摄像头安装在各个气动元气件周围，通过对动态图像识别分析处理，实现气动系统故障 诊断。此类以传感器作为载体的故障诊断技术，可以有效快捷实现故障诊断，但对于大 型自动化生产线，需要安装大量传感器，存在成本过高、技术复杂，适用性不强的缺点。 人工智能( a n i f i c i a l i m e l l i g e n c e ，a i ) 故障诊断技术已经成为国内外热门研究领域， 此种故障诊断技术总体包括：专家系统故障诊断方法、神经网络故障诊断方法、模糊逻 辑故障诊断方法等，其已经在航空、电力、核能、化工等各个工业领域大量成熟的应用。 专家智能故障诊断技术的前提是建立专家知识和经验的数据库( 故障模式、历史失效数 据以及故障机理等) ，根据提取的故障特征信号，通过逻辑推理形式查找故障的方式， 专家故障诊断系统如图1 2 所示。神经网络故障诊断方法是建立在基于信号处理的方法 上，弥补了基于信号故障诊断方法的不足；神经网络作为故障分类器【1 6 1 ，根据在线监测 的故障特征信号，自动匹配相应的故障模式，同时其还具有很强的学习功能，在故障模 式诊断中，在无相似故障模式匹配时，可以自动生成一个模式数据库。模糊逻辑故障诊 断法是采用“很底 、“较低”、“较高”、“很高”等度量词对研究对象进行评价，弥补故 障诊断时对精确值的要求。现在模糊逻辑故障诊断法常与故障树分析法相结合，即模糊 故障树诊断技术，在实际应用中，两者结合能取得良好的诊断效果。 图1 2 专家故障诊断系统 在气动故障诊断领域，人工智能诊断技术正在不断地渗透。文献 1 7 阐述了气动系 统专家智能故障诊断的建造( 规则库、接口、推理机) ，由于气动系统固有的缺陷( 非 线性、可压缩性、时变脉动等特性) ，传统的专家智能诊断技术还存在不足之处，针对 以上缺陷，文献 1 8 将神经网络技术引入到智能专家故障诊断技术中，通过两者结合， 提高智能诊断的准确性和可靠性。同时，人工智能故障诊断技术，已经在液压伺服控制 系统和电机伺服控制系统中得到很好的应用，若能成功应用于气动伺服控制系统故障诊 4 硕十论文气动点焊伺服焊枪故障模式及对策研究 断中，将会成为气动系统故障诊断技术发展的助推器。 1 4 本文主要研究内容 本论文研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 气动点焊伺服焊枪模拟实验平台研究 由于新型气动点焊伺服焊枪系统涉及的技术很复杂，是集气动伺服元件、管路通道、 控制器于一体，并且焊枪的运动及参数设置均通过机器人控制器操纵，在实际应用现场， 无法进行在线故障模拟实验。因此，为了预先研究气动点焊伺服焊枪的潜在故障模式和 故障快速处理对策，搭建一个模拟控制实验平台回路，实现气动点焊伺服焊枪的主要功 能。基于此平台，通过不同故障点位设置，观测系统运行，寻找系统潜在的故障模式。 ( 2 ) 故障模式及原因分析 基于气动点焊伺服焊枪模拟实验平台，通过进行不同故障点位设置的实验，以及基 于对气动点焊伺服焊枪的组成结构和控制原理的研究，重点分析气动点焊伺服焊枪主要 故障模式以及引起故障的根本原因，并附以现场故障案例进行说明。 ( 3 ) 故障树分析 在对气动点焊伺服焊枪故障模式以及原因分析的基础上，利用故障树分析法f t a ( f a u nt r e ea n a l v s i s ) ，建立气动点焊伺服焊枪主要故障模式故障树，以此作为故障处理 的一种对策。并对故障树进行定性分析，寻找影响故障树顶事件的最小故障模式集合。 同时，研究故障树定量分析法，编制定量仿真程序，分析气动点焊伺服焊枪系统的可靠 度。 ( 4 ) 故障快速处理对策 分析气动点焊伺服焊枪故障快速查找方法和途径，以及主要故障模式的处理对策。 另外，电气伺服阀性能品质性能决定了气动伺服系统运行的可靠性；因此，有必要对电 气伺服阀性能测试平台进行研究，用以分析电气伺服阀的品质性能以及失效模式，为故 障查找积累数据资料。 s 硕上论文气动点焊伺服焊枪故障模式及对策研究 2 气动点焊伺服焊枪模拟实验平台研究 在焊接过程中，气动点焊伺服焊枪可以根据每个焊点焊接工艺要求以及现场焊接工 况条件，合理的选择焊接力、平衡力以及焊枪开口大小，具有焊接效率高、灵活等优点； 另外，焊接力采用伺服控制，精度高，容易调节。但由于气动点焊伺服焊枪技术复杂， 在实际应用现场，无法进行在线故障模拟实验，为了实现对工作过程中出现的突发故障 地快速查找与排除，需要预先研究该气动伺服系统存在的潜在故障模式和故障快速处理 技术，为此需要建立该伺服焊枪系统的关键技术模拟实验平台，进行相关技术的故障模 拟，预先积累系统的主要故障模式及故障原因。 2 1 气动点焊伺服焊枪控制系统及硬件组成 2 1 1 气动点焊伺服焊枪控制系统 新型气动点焊伺服焊枪集气动伺服元件、管路通道、控制器于一体，包括焊枪电极 运动伺服控制系统和焊枪平衡控制系统。焊枪运动控制程序嵌入在机器人控制器中，由 机器人控制器负责焊枪运动的信号处理及运动指令的发送，焊枪控制器只作为焊枪执行 器件和机器人控制器之间通信的媒介，负责信息的收集、发送与反馈以及提供各个执行 器件的供电电源。伺服焊枪与机器人控制器之间的通信通过i n t e r b u s s 总线形式实现， 焊枪控制器是总线通信的最底层“i n t e r b u s 远程总线设备终端”。气动点焊伺服焊 枪控制系统示意图如图2 1 所示。 1 7 ，胃f l 感器 紧急停止阀比例压力i j = i j 图2 1 气动点焊伺服焊枪控制系统示意图 集成 7c 缸 2 气动点焊伺服焊枪模拟实验平台研究硕士论文 新型气动点焊伺服焊枪具有以下优点： 1 ) 快速位置定位，缩短焊接周期； 2 ) 焊枪重力平衡，提高焊接质量； 3 ) 利用压缩空气驱动，节省能源； 4 ) 具有一定故障诊断与自我保护功能； 5 ) 可以实现气动力与位置伺服控制，以及活塞运动速度可调； 6 ) 易于维护和元器件更换，且无需任何软件初始化设置； 7 ) 可以实现焊接电极与焊接板材之间软接触，提高了焊枪的使用寿命； 8 ) 通过机器人控制器操作面板v k c r ，即可实现对气动点焊伺服焊枪运动控制， 无需安装任何软件。 2 1 2 气动点焊伺服焊枪硬件组成 气动点焊伺服焊枪硬件主要是由伺服集成模块、集成气缸、平衡气缸组成。伺服集 成模块是将伺服阀、比例压力阀、紧急停止阀( e s t o p 阀) 、焊枪控制器、管路通道集成 于一体，伺服集成模块如图2 2 所示。 图2 21 叫服集成模块 ( 1 ) 伺服阀 伺服阀作为焊枪伺服控制系统中的重要核心部件，是一个转换放大器件，它将电信 号转换为气动流量能量，负责电极位置定位和焊接力的实现。伺服阀为三位三通中封类 型，其插装在伺服集成模块上，伺服阀与模块通道之间采用橡胶密封。通过改变伺服阀 阀口开度大小调整气缸腔气体的压力与流量，从而实现焊接力和气缸位置伺服控制。伺 服阀型号共分为a 型、b 型、c 型三种，适配与不同的气缸缸径。伺服阀型号必须与对 应缸径的气缸严格相配，否则会引起焊接力不足、位置定位不精确以及运动速度方面的 故障问题。 ( 2 ) 电气比例j 玉力阀 电气比例j 玉力阀用于控制平衡气缸动作，其输出压力随着控制信号( 电流和电压) 的变化而成比例的变化，可以实现压力的无级调节。s m c 公司的i t v 系列电气比例阀 囤 硕士论文气动点焊伺服焊枪故障模式及对策研究 属于高速开关电磁阀，这种比例阀结构紧凑， 为满值的0 5 ，重复性为满值的o 5 ) ， 在0 0 5 0 9 m p a 之间 捌。 ( 3 ) 焊枪控制器 稳定性高( 直线性为满值的1 ，迟滞 响应快( 无负载时0 1 s ) ，压力输出范围 焊枪控制器是伺服焊枪的核心部件，作为总线的最低层终端设备，负责信息采集、 反馈和参数设置等功能，它接受位移传感器反馈的气缸位置模拟量信号以及气缸两腔压 力传感器反馈的模拟量信号，并将以上信号以数字量形式传输给机器人控制器，机器人 控制器根据以上数字信号产生相应的控制信号，实现伺服控制以及重力平衡控制。同时， 焊枪控制器提供了焊枪主要组成部件以及总线通信的工作状态指示灯，通过指示灯信号 可以对故障原因大致判断。另外，焊枪控制器还负责部分参数的设置，主要包括焊枪位 置伺服控制精度、焊接力伺服控制精度、总线通信波特率以及焊枪号设置。 ( 4 ) 集成气缸 集成气缸是将位置传感器、压力传感器、排气阀、截止阀与气缸集成到一体，以上 部件都集成在气缸内部，减小焊枪所占的体积空间。位置传感器用来检测气缸位移，其 安置在气缸杆内部。气缸两腔各有一个压力传感器，用以检测气缸两腔压力，实现焊接 力伺服控制。以上各个传感器检测信号均以模拟量形式反馈至焊枪控制器。 ( 5 ) 管路接口连接板 伺服阀与比例压力阀插装在伺服模块上，模块上的气路通道经精密铸造而成，无需 橡胶管路连接。通过管路接口连接板，实现伺服集成模块与集成气缸、平衡气缸以及气 源的气路连接。 2 1 3 焊枪主要实现功能 ( 1 ) 焊枪电极位置伺服控制 焊枪电极工作位置主要包括r 位、m 位、v 位，三个位置的示意图如图2 3 所示。 接 材 图2 3r 、m 、v 位示意图 图2 3 中，r 位为集成气缸末端的活塞位置，此时焊枪电极处于全开状态。m 位为 焊枪电极在某中间位置停止时，气缸活塞的位置。v 位为焊枪电极与焊件接触时的焊接 位置，此时焊枪电极关闭。焊枪电极位置伺服控制主要是r 位和m 位。焊枪在初始工 9 2 气动点焊伺服焊枪模拟实验平台研究 硕士论文 作时候，只要设定m 位数值即可。 ( 2 ) 焊接力伺服控制 焊接力是由伺服阀控制实现，当焊枪电极运动至焊接位置时，机器人控制器检测到 位置反馈信号后，启动焊接力伺服控制程序，焊接力，经气缸两腔压力传感器检测数值 乘以相应活塞面积后相减得出。气动伺服力稳定性高，响应时间快、重复精度高，且大 小可调。焊接时，每个焊点的焊接力可以自由设定，能够满足不同板材厚度、不同焊接 点位参数的要求。焊接力的伺服控制精度为可以通过焊枪控制器的波段开关设置，最优 控制精度为3 ，伺服焊接力的预压时间一般为1 0 2 0 个周波( 每个周波为0 0 2 s ) ， 即0 2 0 4 秒，传统焊枪预j 玉时间一般为3 0 周波【l 】。 ( 3 ) 紧急停止功能 在焊接过程中，为了防止一些特殊故障和紧急事件对焊枪部件或者人身安全造成重 大伤害，气动点焊伺服焊枪设计了紧急停止功能。例如，焊枪电极温度过高，或者焊接 车间的安全门锁被打开时，必须令伺服焊枪停止工作，避免对伺服焊枪或者人身安全造 成伤害。紧急停止功能由紧急停止阀与截止阀实现。 ( 4 ) 缓冲软接触 由于气体具有可压缩性、负载惯性、高柔度的特点，导致气动控制系统刚性差。特 别是气缸在高速、大负载惯性运动下，当气缸活塞运动至行程末端时会产生的很大冲击 能量，若不能对其进行有效衰减，将引起巨大的冲击力、噪声以及气缸振动，对焊接板 材造成损伤，严重影响焊接电极、气缸等部件的寿命。为了缩短焊接周期，提高焊接效 率，气动点焊焊枪要求较高的运动速度。为此，气动点焊伺服焊枪设计了缓冲软接触功 能，即在焊枪电极运行至接近焊接一定距离时，使排气侧的伺服阀处于中位截止位置， 产生一定背压，延缓活塞运动的速度，使其以缓慢速度行至焊接位置，实现电极与焊件 的软接触，避免由于冲击碰撞对焊件和焊接电极造成损伤【3 2 0 1 。 ( 5 ) 电极修磨与更换 在点焊焊接过程中，电极工作表面必须平整光洁无污物。当连续焊接时，焊接电 极由于热负荷和机械负荷的合成作用，电极或电极帽上会产生相应的介质，这种介质将 随着焊接点数的增加而累积，累积后的介质致使电极出现凹凸不平形成污垢。因此，焊 接一定的次数后，必须对电极帽修整打磨或者更换。为此，气动伺服焊枪系统设 计了“电极修磨与更换”功能。 ( 6 ) 工具坐标定位 工具坐标位置即焊枪电极闭合时，电极接触面中心点的坐标位置。机器人通 过此数值计算得出焊接位置( v 位) 。电极修磨与更换之后，系统的工具坐标位置 发生变化，此时必须重新定位，否则会影响焊接质量。因此，系统设计了“工具坐 标定位 功能，通过此功能系统可以自动识别电极夹紧闭合时的位置，并进行自动 硕士论文 气动点焊伺服焊枪故障模式及对策研究 保存更新。 ( 7 ) 焊枪重力平衡功能 汽车车身焊件均为薄壁板材，刚性差、容易变形，且焊接工件尺寸之间都存在一定 差异性( 尺寸、形状) 。由于以上诸多因素影响，造成焊接位置尺寸与基准位置有一定 的差异性，为了根据焊件的形状差异调整焊接位置，实现焊枪电极在微小区间浮动，弥 补由于焊件尺寸变化而引起的焊接拉伤等问题，焊枪设计了具有自动补偿功能的浮动机 构。气动点焊伺服焊枪的浮动机构，即焊枪重力平衡系统，其由平衡气缸和比例压力阀 组成。浮动机构可以降低对工件定位精度的要求，同时，也是防止点焊时工件产生波浪 变形的重要措施【2 1 2 4 】。 2 2 模拟实验平台系统研究 2 2 1 模拟平台硬件组成及功能 基于对气动点焊伺服焊枪电气控制原理和组成结构研究的基础上，搭建一个元器件 相分离的、离线的、功能相一致的模拟实验平台，实现对点焊焊接过程运动模拟，作为 故障实验分析平台。模拟实验平台电气控制回路如图2 4 所示。 7 8 o _ _ 一一皇_ ：= = ：强西 l 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一j - l l - 1 比例流最阀i2 比例流最阀i l3 截止阀i4 截止阀i i5 气缸6 位移传感器 7 压力传感器i8 压力传感器i i 9 e s t o p 阀 1 0 排气阀i i1 1 排气阀i 图2 4 模拟实验平台电气控制同路 模拟实验平台为电极控制系统，不包含焊枪重力平衡控制系统。基于此平台，通过 对不同故障点位和元器件失效设置，观测系统运行，分析系统潜在的故障模式和原因。 实验平台采用比例流量阀代替实际伺服阀( 伺服阀为三位三通中位截止类型) ，用以控 制气缸运动。气缸采取水平放置，位置传感器用来检测气缸的位移，气缸两腔的压力由 1 】 2 气动点焊伺服焊枪模拟实验甲台研究硕十论文 压力传感器检测。系统利用计算机作为数据处理平台，通过p c i 1 7 1 0 u l 与p c i 一1 7 2 0 u 板 卡实现数据的采集与输出，替代i n t e r b u s s 总线数据传输形式。图2 4 中，实线和虚线表 示气路管路，带箭头的虚线表示为信号线，通过d a 输出控制信号经继电器和经v e a 2 5 0 功率放大器( 以上元器件图中未注出) 放大后，分别驱动e s t o p 阀和比例流量阀。 图2 5 为气动点焊伺服焊枪模拟实验平台实物图，试验台的主要元器件型号及参数 如表2 1 所列。 图2 5 气动点焊伺服焊枪模拟实验平台实物 表2 1 主要元器件型号及参数列表 模拟实验平台的主要实现功能有焊接控制、位置伺服控制、紧急停止等。焊接控制 程序包括电极缓冲软接触和焊接力伺服控制两个程序，位置伺服控制分别包括r 位、m 位、v 位。电极缓冲软接触即在焊枪电极行至接近焊接某一位置时，以缓慢速度行至焊 接位置，实现电极与焊件的软接触，避免由于冲击碰撞对焊件和焊接电极造成损伤。紧 急停止功能是当系统出现突发故障时，立即使e s t o p 阀控制信号置逻辑电平“0 ”，使焊 1 2 硕士论文气动点焊伺服焊枪故障模式及对策研究 枪电极在原位置保持不动。 2 2 2 软件平台及程序结构 实验平台控制程序利用l a b v i e w 软件编制，l a b v i e w 是一种图形化编程软件，又称 为虚拟仪器，其特点是面向对象图形化，人机交互性好，利于程序参数的更改以及检测 信号的可视化2 5 粕】。控制程序之间可以实现并行处理机制，从而提高了数据处理运算速 度。模拟实验平台控制系统的人机化交互界面如图2 6 所示。 鞴指 图2 6 系统控制界面 模拟实验平台控制程序采用模块化方式，主要包括：功能控制程序、信号采集显示 程序、控制系统号输出程序。以上程序分别包含在不同的“w h i l e ”循环语句中，l a b v i e w 软件可以实现多个“w h i l e ”程序之间并行运行，避免程序之间相互嵌套。模拟实验平台 控制程序组织结构框图如图2 7 所示。 一信号采集显示程序一“r m 化”子程序 i 结果显示卜_ 软 一“返同r 位”子程序 件 控 一“行至v 位”子程序 制 一功能控制程序卜 界 一“v m 位”子程序 l 参数设置卜_ 面 一“焊接”子程序 一控制信号输出程序一紧急停i i ：功能 图2 7 程序组织结构框图 功能控制程序包括：“r m 位”子程序( 行至m 位) 、“行至v 位”子程序、“v m 位”子程序( 返回m 位) 、“返回r 位”子程序、“紧急停止功能”以及“焊接”子程 序。系统初始运行时，首先进行参数设置，主要包括m 位、v 位、焊接力以及r 位； 同时，将e s t o p 阀置逻辑电平“l ”，而后选择手动运行模式或者自动运行模式。自动模 拟运行时，系统根据内部事先设定的程序依次执行。每一个子程序执行时，状态指示灯 1 3 2 气动点焊伺服焊枪模拟实验平台研究硕十论文 显示绿色。 2 2 3 关键控制策略研究 2 2 3 1 位置伺服控制策略 气动点焊伺服焊枪位置伺服控制算法，采用常规的p i d 形式。由于气体具有可压缩 性、非线性等固有缺陷，常规的单一参数p i d 控制策略，难以实现活塞不同位置点位、 不同运动方向的精确位置伺服控制【2 7 _ 3 2 1 。因此，气动点焊伺服焊枪根据焊接运动过程， 对位置伺服控制程序模块化处理，设计了三个位置伺服控制子程序：“r m 位 子程 序、“v m 位 子程序、“返回r 位”子程序。每一子程序的p i d 参数相互独立，有效 解决了精确位置伺服控制的难题。 模拟实验平台的位置伺服控制策略，采用了气动点焊伺服焊枪的控制理念，有利于 实现对故障模拟的分析研究。在位置伺服控制系统中，采用两个比例流量阀控制气缸运 动，因此属于多输入单输出控制系统，为了简化伺服系统控制方案【3 3 1 ，采用如下控制形 式： u = u z + u= z u( 2 1 ) 其中，u 为控制器输出电压，u 和以分别是比例流量阀i 与比例流量阀i i 的控制 电压，u 7 和，分别是两个比例流量在各自零位时的控制电压，通过以上方式将系统 简化为单输入输出控制系统。由于两比例流量阀的性能相近，在此控制方案下，气缸进 气侧与排气侧的阀口流通截面积相等。p i d 位置伺服控制系统框图如2 8 图所示。 位置传感器 蒜跏 比侈0 浙e 量阀 - j 一 图2 8p i d 位置伺服控制系统框图 蜥j 为目标位置设定值，气缸位移经位置传感器检测反馈，与目标位置比较得出控制 偏差信号p 伽偏差信号p 经p i d 控制器计算得出控制电压u ，随着位置反馈值与目标 值不断接近，控制电压u 不断减小；当偏差信号p 甜为零时，伺服阀处于零位，气缸停 止运动。 当p i d 控制参数取k 严o 0 1 9 、肛0 0 0 0 l 、k 旷o ，p i d 电压u 输出范围设置为0 o 5 2 v 之间，u ，和，均等于2 8 v ，气源相对压力为0 4 m p a ，活塞起始位置r 位为o m m ， 位数目标值设置为1 2 0 n u n 时，执行“r m 位子程序，实验结果如图2 9 所示。 1 4 硕士论文气动点焊伺服焊枪故障模式及对策研究 重 、_ ， 馋 趔 啪 蜓 图2 9 位置伺服控制实验结果 2 2 3 2 焊接子程序 焊接子程序是控制电极行驶至v 位进行焊接，并在此过程中实现电极与焊接板材之 间的软接触，它包括电极缓冲软接触控制程序与焊接力伺服控制程序。 ( 1 ) 电极缓冲软接触 缓冲实现的途径有两种：一是采用具有内部缓冲装置的气缸，通过气缸本身内部结 构实现有效缓冲；二是采用软件控制策略的途径，控制气缸外围气动元件实现【3 4 1 。气动 点焊伺服焊枪控制系统采用软件控制策略实现缓冲。在焊枪电极行至接近焊接位置一定 距离时，气缸排气侧的伺服阀处于中位截止位置，产生一定背压，延缓活塞运动的速度， 实现电极与焊接板材软接触。 气缸活塞等部件在运动过程中产生的全部机械能为气压能助、惯性动能厶、重力 势能最以及摩擦力产生的能量可1 9 】，以上能量公式计算形式如下所示： 易= 仍4 s l o o( 2 2 ) 式中p 厂一进气腔施加在活塞上的气体绝对压力，单位m p a ； 彳厂一活塞有效面积，单位m 2 ； 西缓冲行程长度，单位m 。 吃= = 净2 ( 2 3 ) 式中r 活塞运动速度，单位“s ； 聍一运动部件总质量，单位k g ； 卜运动部件总重量，单位n ； r 重力加速度，单位1 1 1 s 2 。 乓= g l 墨 ( 2 4 ) 式中g 厂一气缸水平安装时，运动