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工業機器人點焊應用—焊鉗的該如何選呢?

1.焊鉗的種類

(1)從阻焊變壓器與焊鉗的結構關係上可將焊鉗分為分離式、內藏式和一體式。

1) 分離式焊鉗 該焊鉗的特點是阻焊變壓器與鉗體相分離, 鉗體安裝在機器人手臂上, 而焊接變壓器懸掛在機器人的上方, 可在軌道上沿著機器人手腕移動的方向移動, 二者之間用二次電纜相連, 如圖1所示。 其優點是減小了機器人的負載, 運動速度高, 價格便宜。

圖1

分離式焊鉗的主要缺點是需要大容量的焊接變壓器, 電力損耗較大, 能源利用率低。 此外, 粗大的二次電纜在焊鉗上引起的拉伸力和扭轉力作用于機器人的手臂上, 限制了點焊工作區間與焊接位置的選擇。

分離式焊鉗可採用普通的懸掛式焊鉗及阻焊變壓器。 但二次電纜需要特殊製造, 一般將兩條導線做在一起, 中間用絕緣層分開, 每條導線還要做成空心的, 以便通水冷卻。 此外, 電纜還要有一定的柔性。

2) 內藏式焊鉗 這種結構是將阻焊變壓器安放到機器人手臂內, 使其盡可能地接近鉗體, 變壓器的二次電纜可以在內部移動, 如圖2所示。

當採用這種形式的焊鉗時, 必須同機器人本體統一設計。 其優點是二次電纜較短, 變壓器的容量可以減小, 但是使機器人本體的設計變得複雜。

圖2

3) 一體式焊鉗 所謂一體式就是將阻焊變壓器和鉗體安裝在一起, 然後共同固定在機器人手臂末端的法蘭盤上, 如圖3所示。

其主要優點是省掉了粗大的二次電纜及懸掛變壓器的工作架, 直接將焊接變壓器的輸出端連到焊鉗的上下機臂上, 另一個優點是節省能量。 例如, 輸出電流12000A, 分離式焊鉗需75kVA的變壓器, 而一體式焊鉗只需25kVA。

一體式焊鉗的缺點是焊鉗重量顯著增大, 體積也變大, 要求機器人本體的承載能力大於60kg。 此外, 焊鉗重量在機器人活動手腕上產生慣性力易於引起超載, 這就要求在設計時, 儘量減小焊鉗重心與機器人手臂軸心線間的距離。

圖3

(2) 點焊機器人焊鉗從用途上可分為X形和C形兩種,

如圖4所示。

圖4

X形焊鉗則主要用於點焊水準及近于水準傾斜位置的焊縫;C形焊鉗用於點焊垂直及近於垂直傾斜位置的焊縫。

(3) 按焊鉗的行程, 焊鉗可以分為單行程和雙行程。

(4) 按加壓的驅動方式, 焊鉗可以分為氣動焊鉗和電動焊鉗。

(5) 按焊鉗變壓器的種類, 焊鉗可以分為工頻焊鉗和中頻焊鉗。

(6) 按焊鉗的加壓力大小, 焊鉗可以分為輕型焊鉗和重型焊鉗, 一般地, 電極加壓力在450kg以上的焊鉗稱為重型焊鉗, 450kg以下的焊鉗稱為輕型焊鉗。

2.焊鉗的結構

點焊機器人用的焊鉗都是所謂的“一體式”焊鉗。 這樣的焊鉗, 無論是C型還是X型, 在結構上大致都可分為:焊臂、變壓器、氣缸或伺服電機、機架、浮動機構等。

C型焊鉗結構及部件名稱圖如圖5所示。

X型焊鉗結構及部件名稱圖如圖6所示。

(1) 焊臂點焊機器人焊鉗的焊臂按照使用材質分類主要有鑄造焊臂、鉻鎬銅焊臂和鋁合金焊臂三種形式。 由於材質的不同, 所以相應的結構形式也有所區別。

(2) 變壓器與焊接機器人連接的焊鉗, 按照焊鉗的變壓器形式, 可分為中頻焊鉗和工頻焊鉗。 中頻焊鉗是利用逆變技術將工頻電轉化為1000Hz的中頻電。 這兩種焊鉗最主要的區別就是變壓器本身, 焊鉗的機械結構原理完全相同。

(3) 電極臂按電極臂驅動形式的不同, 可分為“氣動”和“電機伺服驅動”。

圖5

圖6

“氣動”是使用壓縮空氣驅動加壓氣缸活塞,然後由活塞的連杆驅動相應的傳遞機構帶動兩電極臂閉合或張開。

“電機伺服驅動”的焊鉗簡稱為“伺服焊鉗”,是利用伺服電機替代壓縮空氣作為動力源的一種焊鉗。焊鉗的張開和閉合由伺服電機驅動,脈衝碼盤回饋,這種焊鉗的張開度可以根據實際需要任意選定並預置,而且電極間的壓緊力也可以無極調節,是一種可提高焊點品質、性能較高的機器人用焊鉗。

電機伺服點焊鉗具有如下優點:

1) 提高工件的表面品質 伺服焊鉗由於採用的是伺服電機,電極的動作速度在接觸到工件前,可由高速準確調整到低速。這樣就可以形成電極對工件軟接觸,減輕電極衝擊所造成的壓痕,從而也減輕了後續工件表面修磨處理量,提高了工件的表面品質。而且,利用伺服控制技術可以對焊接參數進行數位化控制管理,可以保證提供最合適的焊接參數資料,確保焊接品質。

2) 提高生產效率 伺服焊鉗的加壓、開放動作由機器人來自動控制,每個焊點的焊接週期可大幅度降低。機器人在點與點之間的移動過程中,焊鉗就開始閉合,在焊完一點後,焊鉗一邊張開,機器人一邊位移,不必等機器人到位後焊鉗才閉合或焊鉗完全張開後機器人再移動。與氣動焊鉗相比,伺服焊鉗的移動路徑可以控制到最短化,縮短生產節拍,在最短的焊接迴圈時間建立一致性的電極間壓力。由於在焊接迴圈中省去了預壓時間,該焊鉗比氣動加壓快5倍,提高了生產率。

3) 改善工作環境 焊鉗閉合加壓時,不僅壓力大小可以調節,而且在閉合時兩電極是輕輕閉合,電極對工件是軟接觸,對工件無衝擊,減少了撞擊變形,平穩接觸工件無雜訊,更不會出現在使用氣動加壓焊鉗時的排氣雜訊。因此,該焊鉗清潔、安靜,改善了操作環境。

3.焊鉗的選擇

無論是手工懸掛點焊鉗或是機器人點焊鉗,必須與點焊工件所要求的焊接規範相適應,基本原則是:

(1) 根據工件的材質和板厚,確定焊鉗電極的最大短路電流和最大加壓力。

(2) 根據工件的形狀和焊點在工件上的位置,確定焊鉗鉗體的喉深、喉寬、電極握杆、最大行程、工作行程等。

(3) 綜合工件上所有焊點的位置分佈情況,確定選擇何種焊鉗,通常有四種焊鉗比較普遍,即:C型單行程焊鉗、C型雙行程焊鉗、X型單行程焊鉗、X型雙行程焊鉗。

(4) 在滿足以上條件的情況下,盡可能地減小焊鉗的重量。對懸掛點焊來說,可以減輕操作者的勞動強度,對機器人而言,可以選擇低負載的機器人,並可提高生產效率。

如圖7所示,提供了焊鉗選擇時的一些要點。

圖7

4.機器人與焊鉗的聯接

(1)氣動焊鉗機器人與氣動焊鉗的聯接如圖8所示。

(2) 電動焊鉗機器人與電動焊鉗的聯接如圖9所示。

圖8

圖9

圖5

圖6

“氣動”是使用壓縮空氣驅動加壓氣缸活塞,然後由活塞的連杆驅動相應的傳遞機構帶動兩電極臂閉合或張開。

“電機伺服驅動”的焊鉗簡稱為“伺服焊鉗”,是利用伺服電機替代壓縮空氣作為動力源的一種焊鉗。焊鉗的張開和閉合由伺服電機驅動,脈衝碼盤回饋,這種焊鉗的張開度可以根據實際需要任意選定並預置,而且電極間的壓緊力也可以無極調節,是一種可提高焊點品質、性能較高的機器人用焊鉗。

電機伺服點焊鉗具有如下優點:

1) 提高工件的表面品質 伺服焊鉗由於採用的是伺服電機,電極的動作速度在接觸到工件前,可由高速準確調整到低速。這樣就可以形成電極對工件軟接觸,減輕電極衝擊所造成的壓痕,從而也減輕了後續工件表面修磨處理量,提高了工件的表面品質。而且,利用伺服控制技術可以對焊接參數進行數位化控制管理,可以保證提供最合適的焊接參數資料,確保焊接品質。

2) 提高生產效率 伺服焊鉗的加壓、開放動作由機器人來自動控制,每個焊點的焊接週期可大幅度降低。機器人在點與點之間的移動過程中,焊鉗就開始閉合,在焊完一點後,焊鉗一邊張開,機器人一邊位移,不必等機器人到位後焊鉗才閉合或焊鉗完全張開後機器人再移動。與氣動焊鉗相比,伺服焊鉗的移動路徑可以控制到最短化,縮短生產節拍,在最短的焊接迴圈時間建立一致性的電極間壓力。由於在焊接迴圈中省去了預壓時間,該焊鉗比氣動加壓快5倍,提高了生產率。

3) 改善工作環境 焊鉗閉合加壓時,不僅壓力大小可以調節,而且在閉合時兩電極是輕輕閉合,電極對工件是軟接觸,對工件無衝擊,減少了撞擊變形,平穩接觸工件無雜訊,更不會出現在使用氣動加壓焊鉗時的排氣雜訊。因此,該焊鉗清潔、安靜,改善了操作環境。

3.焊鉗的選擇

無論是手工懸掛點焊鉗或是機器人點焊鉗,必須與點焊工件所要求的焊接規範相適應,基本原則是:

(1) 根據工件的材質和板厚,確定焊鉗電極的最大短路電流和最大加壓力。

(2) 根據工件的形狀和焊點在工件上的位置,確定焊鉗鉗體的喉深、喉寬、電極握杆、最大行程、工作行程等。

(3) 綜合工件上所有焊點的位置分佈情況,確定選擇何種焊鉗,通常有四種焊鉗比較普遍,即:C型單行程焊鉗、C型雙行程焊鉗、X型單行程焊鉗、X型雙行程焊鉗。

(4) 在滿足以上條件的情況下,盡可能地減小焊鉗的重量。對懸掛點焊來說,可以減輕操作者的勞動強度,對機器人而言,可以選擇低負載的機器人,並可提高生產效率。

如圖7所示,提供了焊鉗選擇時的一些要點。

圖7

4.機器人與焊鉗的聯接

(1)氣動焊鉗機器人與氣動焊鉗的聯接如圖8所示。

(2) 電動焊鉗機器人與電動焊鉗的聯接如圖9所示。

圖8

圖9

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