CN100420535C - 伺服点焊控制系统和焊接工件的方法 - Google Patents

Abstract

一种伺服点焊控制系统(10)和将一对工件(12)有效焊接在一起的方法。该系统包括可在工件(12)周围移动的机械手(14)、焊枪(22)、伺服电机(30、32)、变压器(46)和控制器(48)。焊枪(22)安装于机械手(14)上，并包括至少两对电极(24)。每对电极(24)包括一固定电极(26)和一活动电极(28)。伺服电机(30、32)可操作地连接在活动电极(28)上。控制器(48)驱动机械手(14)将其移动到位。控制器(48)也驱动伺服电机(30、32)来夹持工件(12)，且有选择地排序来自变压器(46)的电流，以在工件(12)上形成复合点焊。

Description

伺服点焊控制系统和焊接工件的方法

技术领域

本发明涉及一种包括机械手和多个电极以有效地将一对工件焊接在一起的伺服点焊控制系统。本发明还涉及将一对工件焊接在一起的方法。

背景技术

在焊接领域公知有多种焊接控制系统。美国第5111019号专利公开了一种焊接控制系统的例子。更具体地说，第5111019号专利公开一种用于电阻点焊的焊接控制系统。一对变压器和一对点焊枪连接到机械手的机械腕上。每个焊枪有一对电极，包括一固定电极和一活动电极。一流体驱动气缸，例如空气气缸，用来在焊接过程中驱动活动电极的移动。

第5111019号专利没有公开使用伺服电机驱动活动电极。由于多种原因伺服电机比气缸更理想。首先，工件压力可被更精确地控制，使焊接质量更高，损坏工件更少。此外，伺服电机通常比气缸操作更快，这降低了总的循环周期。另一个原因是伺服电机没有连接气动排气装置，因而比气缸更安静。第5111019号专利也没有公开使用单个变压器和控制器来排序在电极之间的电流。单个变压器减少机械手臂的重量并减少整个系统的成本。

美国第5313040号专利公开了焊接控制系统的另一个例子。第5313040号专利也公开了一种用于电阻点焊的焊接控制系统。多个焊枪安装在固定位置上，同一时刻只能进行一次焊接。第5313040号专利没有公开具有多个电极并安装到可在许多不同位置和方向上控制并操作的机械手上的焊枪。与在固定位置安装多个焊枪相比，在机械手上安装焊枪提供了更大的灵活性。

美国第5340960号专利公开了焊接控制系统的最后一个例子。第5340960号专利也公开了一种用于电阻点焊的伺服焊接控制系统。该系统包括机械手、焊枪、机械手控制器和伺服电机。焊枪具有单对电极，一固定电极和一活动电极。伺服电机驱动唯一的活动电极。第5340960号专利没有公开焊枪或控制器上的多对电极以及为多对电极上的电流排序的方法。具有多对电极可以改善循环周期，因为机械手不需要经常移动就可完成多点焊接。另外，焊枪上具有多对电极可以降低在单一位置处对多点焊接控制系统的依赖性。

由于上述焊接控制系统所存在的缺陷，可引入一种具有更快循环周期、更少设备成本、更大灵活性、改进的焊接质量和减少对工件损坏的焊接控制系统。

发明内容

本发明提供一种伺服点焊控制系统及将一对工件有效焊接在一起的方法。该系统包括机械手和焊枪。焊枪可在工件周围移动，并且安装在机械手上。焊枪包括至少两对电极，每对电极包括一固定电极和一活动电极。第一伺服电机可操作地连接到一活动电极上，第二伺服电机可操作地连接到另一活动电极上。这种配置允许单独控制每个活动电极。第一伺服电机在一对电极之间夹持工件，第二伺服电机在另一对电极之间夹持工件。系统还包括变压器。变压器提供流经电极对的电流，来将工件焊接在一起。该系统还包括控制器，来排序电极对之间的电流。

本发明的方法利用该伺服点焊控制系统将工件焊接在一起。该方法包括移动机械手将焊枪置于工件周围的步骤。电流由变压器供给第一和第二活动电极。工件夹在焊枪上的第一对电极之间。这使得电流流经第一活动电极、工件和第一固定电极来形成第一次点焊。工件从第一对电极的夹持下释放出来。释放过程中，电流不能流过。工件夹在焊枪上的第二对电极之间。在第二对电极之间夹持工件时不需要机械手额外移动。于是夹持使电流流经第二活动电极、工件和第二固定电极。结果形成了第二次点焊，然后工件从第二对电极的夹持中释放以阻止电流流动。应当理解，机械手能够在第一次点焊和第二次点焊之间轻微移动焊枪。例如，这可出现在焊接弯曲工件时。

本发明的伺服点焊控制系统和方法与相关技术相比，具有多个优势。该系统和方法提供了比安装在机械手上并只有一对电极的伺服焊枪更快的循环周期。能取得更快的循环周期是由于机械手在每次独立点焊之间无需重新定位。该系统和方法也提供了更小的设备成本。本领域的技术人员将会理解，在规定的循环周期内完成点焊通常需要两个完整的现有点焊系统、两个机械手并且每个机械手具有一对电极。在本发明中，只需一个伺服点焊控制系统就可完成与现有技术的两个系统完成的相同数量的点焊。该系统和方法还改进了焊接质量并减少了工件损坏。驱动电极的伺服电机对工件施加非常精确和受控的压力。这和流体驱动气缸驱动的电极提供的点焊相比，会得到更好的点焊质量。另外，驱动电极的伺服电机可以提供位置和压力反馈、机械手的同步运动和完整的电极运动范围。最后，由单一变压器给多个电极提供电流，降低了机械手的负载，使机械手能在点焊之间以更快的加速度移动。这些更快的加速度允许更短的循环周期，以获得更好的生产率。

附图说明

通过参考下面的详细描述并结合附图，将易于更好理解本发明的其他优点。

图1是本发明伺服点焊控制系统的透视图；

图2A是具有两对电极的焊枪和与电极电连接的变压器的透视图；

图2B是图2A中两对电极的放大透视图；

图2C是具有两对电极的焊枪和将电流导向其中一对电极的开关的透视图；

图2D是具有两对电极的焊枪和与两对电极电连接的变压器的透视图；

图3A是控制器、两个伺服电机、两对电极和一对工件的示意图；

图3B是图3A所示的夹持工件的一对电极的示意图；

图4A是控制器、两个伺服电机、两对电极、引导电流的开关和一对工件的示意图；

图4B是图4A所示的夹持工件的两对电极的示意图，电流只通过其中一对电极；

图5A是一个焊枪的示意图，一固定电极已损耗且和工件不接触；

图5B是一个焊枪的示意图，一固定电极已损耗且焊枪位置已调整以使两个固定电极都能和工件接触；和

图6是具有三对电极的焊枪透视图。

具体实施方式

参考附图，在所有几幅图中相同的数字表示相同或相应的部分，伺服点焊控制系统通常用10表示。本发明的焊接控制系统10用于有效地将一对工件12焊接在一起。

参考附图1，焊接控制系统10包括机械手14。机械手14可在工件12附近移动。优选机械手14有一基座16、可操作地连接在基座16上的许多臂18和可操作地连接在臂18上的腕20。然而，应当理解，不包括所有这些部件的替代性机械手，也可以和本发明焊接控制系统10结合使用。

焊接控制系统10还包括焊枪22。焊枪22安装在机械手14上。优选地，焊枪22安装在机械手14的腕20上。然而，应当理解，在其他实施例中焊枪22可被安装在机械手14上的替代部件上。

现在参考图2A，焊枪22包括至少两对电极24。每对电极24包括一固定电极26和一活动电极28。第一伺服电机30可操作地连接到其中一个活动电极28上，用以在其中一对电极24之间夹持工件12(未在图2A示出)。第二伺服电机32可操作地连接到另一活动电极28上，用以在另一对电极24之间夹持工件12。优选第一伺服电机30和第二伺服电机32安装在焊枪22上。然而，应当理解，在其他实施方式中第一和第二伺服电机30、32可安装在替代位置，包括不在机械手14上的位置。

焊枪22更具体地在图2B中示出。现在参考图2B，至少两对电极24进一步定义为第一对电极34和第二对电极36。第一对电极34包括第一活动电极38和第一固定电极40。第二对电极36包括第二活动电极42和第二固定电极44。第一伺服电机30可操作地连接到第一活动电极40上，用以夹持在第一对电极34之间的工件12，第二伺服电机32可操作地连接到第二活动电极42上，用以夹持在第二对电极36之间的工件12。伺服电机30、32可以相互独立操作。

再次参考图2A，变压器46用来给电极对24提供电流。在本发明中，变压器46和两对电极24电连接。因此，即使本发明的焊枪22引入多对电极24，也只需要一个变压器。优选变压器46是降压型变压器，即变压器46降低电压并提高供给它的电流强度。这就导致电流强度很高。这种电流适合于点焊。电流流经电极对24将工件12焊接在一起。优选变压器46安装在焊枪22上。然而，应当理解，变压器46也可安装在远离焊枪22的替代位置。参考图2D，也应理解，至少另一个变压器47可以用来为电极对24提供电流。在这种情况下，每对电极24将由各自的变压器46、47提供电流。

再次参考图1，系统10进一步包括控制器48。控制器48为各对电极24之间的电流排序。因此，每次电流仅流过一对电极24并且每对电极24可以独立控制。

为说明目的，电流排序用两个实施例来说明。参考图3A，电流存在于所有的活动电极38、42内。然而，直到其中一个活动电极38、42夹持工件12从而形成一个完整的回路时，电流才能通过。为了实现这个目标，可操作地连接到第一和第二伺服电机30、32上的控制器48选择驱动第一和第二伺服电机30、32。这夹持了任一个活动电极38、42，以有选择地转换电极对24之间的电流。

现在参考图3B，为说明这个过程，如果在焊枪22的一个位置需要两次焊接，第一伺服电机30驱动第一活动电极38来夹持工件12，这样允许电流通过并形成一次焊接。接着，控制器48驱动第一伺服电机30来缩回第一活动电极38。这就切断了电流。接着，第二伺服电机32驱动第二活动电极42夹持工件12，这样允许电流通过并形成另一次焊接。最后，控制器48驱动第二伺服电机32来缩回第二活动电极42。

参考图4A，在第二实施例中，开关50可操作地和控制器48相连。开关50置于变压器46和电极34、36之间，用来有选择地在每对电极34、36之间切换电流。如图4B所示，当开关50引导电流到第一对电极34或第二对电极36时，两对电极34、36可以同时夹紧。因此，当第一对电极34焊接工件12时，第二对电极36可以夹持工件12，反之亦然。

现在回到图1，最优选控制器48进一步限定为机械手控制器52和独立于机械手控制器52的焊接控制器54。机械手控制器52可操作地连接到机械手14上并专门用于在工件12附近移动机械手14。机械手控制器52也可操作地连接到伺服电机30、32上，用于伸出或缩回活动焊头。参考图4A和4B，机械手控制器52还可以与至少两个压力传感器64可操作地连接，用来传感每对电极24之间的夹紧压力。优选至少两个压力传感器64置于活动电极28内，然而，应当理解，至少两个压力传感器64也可置于不同位置。机械手控制器52还可以与至少一个电流传感器68可操作地连接，用来传感流经每对电极24的电流。优选至少一个电流传感器68置于变压器46的高电位第二终端。然而，本领域技术人员将会理解，至少一个电流传感器68也可安置在几个其他位置，包括变压器的初级端。机械手控制器52还可以与至少一个电压传感器可操作地连接，用来传感电极对24之间的电压。优选至少一个电压传感器从活动电极28和固定电极26得到读数。然而，本领域技术人员将会理解，在其他位置得到电压读数也是可以接受的。机械手控制器52还可以与至少一个位移传感器可操作地连接，至少一个位移传感器能够在点焊过程中测量活动电极28相对工件12的移动。

焊接控制器54和变压器46电气连接并专用于为变压器46提供电流。尽管最优选具有两个控制器48、机械手控制器52和与机械手控制器52分离的焊接控制器54，可以理解，控制器48可与机械手14、伺服电机30、32、至少两个压力传感器64、至少一个电流传感器68、至少一个电压传感器、至少一个位移传感器和变压器46电气连接来完成所有必需的功能。

机械手控制器52包括可编程软件来控制机械手14和第一及第二伺服电机30、32的运动。软件可以基于电极24的损耗程度自动调整机械手14和第一及第二伺服电机30、32的运动。如图5A中定向的焊枪22，左侧的固定电极26正常而右侧的固定电极26已损耗。这就导致一种不希望有的情况，即一个固定电极26和工件12相接触而另一个固定电极26和工件12不接触。如果右侧活动电极28在这个方向被驱动，活动电极28将弯曲并损坏工件12，现在参考图5B，软件已对焊枪22的位置和方向进行了自动调整，这些调整使两个固定电极26都能和工件12相接触。另外，软件还调整活动电极28的运动以维持工件12上适当的压力。

本领域技术人员熟知软件的另一方面是“均衡”。均衡的过程确保焊头对24在工件12两侧产生的压力相等。如图5B所示，即使当焊枪已为不平整的焊头损耗作过自动调整，本发明的软件还提供了均衡的方法。

另外，软件可以使用代表来自至少两个压力传感器64的夹紧压力的信号。软件基于这些信号自动调整每对电极24之间的夹紧压力。

软件也可以使用代表来自至少一个电流传感器68的电流的信号。电流传感器68对该领域技术人员也是公知的，如电流互感器，“CT”，环形线圈或环形室。为了提供改进的点焊，软件自动调整供给电极对24的电流量。另外，本领域技术人员可以理解，也许需要安装如上述的电压或位移传感器的附加传感器来测量其他特征，特征包括但不局限于电压和位移。从这些传感器来的信号和来自电流传感器的信号结合使用可使焊接时间自动调整。

特别需要注意进行点焊时不合适的夹紧压力和不合适的电流量所造成的后果。如果夹紧压力太低，电极对24将不能限制熔融金属。结果，熔融金属的“喷溅”将会发生，造成劣质点焊。严重情况下，喷溅将导致工件12穿孔。点焊产生过多热量时也会发生喷溅。过热通常是由于供给了电极24太多的电流。当供给工件12过大压力或过少电流时会产生点焊时热量不够。当热量不足时，工件12之间就形成虚焊。

应当理解，焊枪22上可以有多于两对的电极24。参考图6，至少两对电极24进一步限定为包括具有第三活动电极58和第三固定电极60的第三对电极56。第三伺服电机62可操作地与第三活动电极58连接，用以夹持第三对电极56之间的工件12(未在图6示出)。控制器48(未在图6示出)可操作地与第一、第二和第三伺服电机30、32、62相连来驱动第一、第二和第三伺服电机30、32、62。在一个实施例中，通过一次只夹持工件12附近的一对电极24，控制器12有选择地排序每对电极34、36、58之间的电流。在另一个实施例中，多个开关可操作地与控制器12相连并电气配置在变压器46和电极24之间，用以选择转换在每对电极24之间的电流。优选第一、第二和第三伺服电机30、32、62安装在焊枪22上。然而，应当理解，在其他实施例中，第一、第二和第三伺服电机30、32、62也可安装在替代位置。

如同常规的伺服控制点焊枪，该系统也包括利用传感器和软件来控制流过电极对24的电流，电流分布曲线作为时间和/或压力的函数。这种控制可以确保焊接过程得到优化以产生坚固的点焊，并使之具有最好的强度特性和可靠性。

很明显，根据上述教导本发明可进行许多修改和变形。在所附权利要求范围内的具体描述之外，也可实施本发明。

Claims (32)

1. 一种伺服点焊控制系统，用以有效地将一对工件焊接在一起，所述系统包括：

在工件周围移动的机械手；

安装在所述机械手上的焊枪，所述焊枪包括至少两对电极，每对电极包括一固定电极和一活动电极；

可操作地连接到一所述活动电极的第一伺服电机，用以夹持一对所述电极之间的工件；

可操作地连接到另一所述活动电极的第二伺服电机，用以夹持另一对所述电极之间的工件；

变压器，用以提供流经所述电极对来将工件焊接在一起的电流；和

控制器，排序所述电极对之间的电流。

2. 如前述权利要求1的系统，其中所述控制器可操作地连接到所述第一和第二伺服电机，以驱动所述第一和第二伺服电机并有选择地在每个所述电极对之间切换电流。

3. 如前述如权利要求1的系统，还包括一开关，可操作地连接到所述控制器并置于所述变压器和所述电极对之间，以有选择地在每个所述电极对之间切换电流。

4. 如前述权利要求1的系统，其中所述第一伺服电机和所述第二伺服电机安装在所述焊枪上。

5. 如前述权利要求1的系统，其中所述变压器安装在所述焊枪上。

6. 如前述权利要求1的系统，其中所述机械手具有基座、可操作地连接到所述基座上的多个臂和可操作地连接到所述臂上的腕，其中所述焊枪安装在所述腕上。

7. 如前述权利要求1的系统，其中所述控制器进一步限定为机械手控制器和独立于机械手控制器的焊接控制器，其中所述机械手控制器可操作地连接到所述机械手上，用以在工件周围移动所述机械手并可操作地连接到所述伺服电机上，用以伸出或缩回活动焊头，所述焊接控制器与所述变压器电气连接，来为所述变压器提供电流。

8. 如前述权利要求1的系统，其中所述至少两对电极进一步限定为第一对电极和第二对电极，其中所述第一对电极包括第一固定电极和第一活动电极，所述第二对电极包括第二固定电极和第二活动电极。

9. 如前述权利要求8的系统，其中所述第一伺服电机可操作地连接到所述第一活动电极，用以夹持所述第一对电极之间的工件，所述第二伺服电机可操作地连接到所述第二活动电极，用以夹持所述第二对电极之间的工件。

10. 如前述权利要求9的系统，其中所述至少两对电极进一步限定为包括具有第三活动电极和第三固定电极的第三对电极。

11. 如前述权利要求10的系统，进一步包括可操作地连接到所述第三活动电极上的第三伺服电机，用以夹持所述第三对电极之间的工件。

12. 如前述权利要求11的系统，其中所述控制器可操作地连接到所述第一、第二和第三伺服电机，以驱动所述第一、第二和第三伺服电机并有选择地在每个所述电极对之间切换电流。

13. 如前述权利要求10的系统，还包括多个开关，可操作地连接到所述控制器上并置于所述变压器和所述电极之间，用以有选择地在每个所述电极对之间切换电流。

14. 如前述权利要求11的系统，其中所述第一、第二和第三伺服电机安装在所述焊枪上。

15. 如前述权利要求7的系统，其中所述机械手控制器包括可编程软件，用以控制所述机械手与所述第一和第二伺服电机的运动。

16. 如前述权利要求15的系统，其中基于所述至少两对电极的损耗程度，所述软件自动调整所述机械手与所述第一和第二伺服电机的运动。

17. 如前述权利要求15的系统，还包括至少两个压力传感器，用来传感每对电极之间的夹持压力。

18. 如前述权利要求17的系统，其中所述机械手控制器与所述至少两个压力传感器可操作地连接，并且所述可编程软件调整夹持压力以提供改进的点焊。

19. 如前述权利要求15的系统，还包括至少一个电流传感器，用来传感流经所述电极对的电流。

20. 如前述权利要求19的系统，其中所述机械手控制器与所述至少一个电流传感器可操作地连接，并且所述可编程软件调整电流量以提供改进的点焊。

21. 如前述权利要求1的系统，还包括至少一个附加变压器，使所述至少两对电极中的每对电极从独立的变压器中获得电流。

22. 一种将一对工件焊接在一起的方法，采用一种伺服点焊控制系统，所述系统包括：机械手、第一伺服电机、第二伺服电机、变压器、控制器和安装在机械手上的焊枪，焊枪包括第一对和第二对电极，第一对电极包括第一固定电极和第一活动电极，第二对电极包括第二固定电极和第二活动电极，所述方法包括步骤：

移动机械手将焊枪置于待焊接工件周围；

由变压器为第一和第二活动电极提供电流；

在焊枪上的第一对电极之间夹持工件，以允许电流通过第一活动电极、工件和第一固定电极，形成第一次点焊；

将工件从第一对电极的夹持中释放以切断电流；

不需要机械手额外移动地在焊枪上的第二对电极之间夹持工件，其中所述夹持允许电流通过第二活动电极、工件和第二固定电极，以形成第二次点焊；和

将工件从第二对电极的夹持中释放以切断电流。

23. 如前述权利要求22的方法，其中移动机械手的步骤进一步限定为由于第一和第二固定电极的损耗而自动调整焊枪方向。

24. 如前述权利要求22的方法，其中在第一对电极之间夹持工件的步骤进一步限定为驱动第一伺服电机来伸出第一活动电极并在工件上施加压力。

25. 如前述权利要求24的方法，其中驱动第一伺服电机的步骤进一步限定为由于第一固定电极的损耗而自动调整第一活动电极的伸出。

26. 如前述权利要求24的方法，其中伺服点焊控制系统还包括可操作地连接到控制器的第一压力传感器，驱动第一伺服电机的步骤进一步限定为基于第一压力传感器测量的夹持压力，自动调整第一活动电极的伸出。

27. 如前述权利要求22的方法，其中在第二对电极之间夹持工件的步骤进一步限定为驱动第二伺服电机来伸出第二活动电极并在工件上施加压力。

28. 如前述权利要求27的方法，其中驱动第二伺服电机的步骤进一步限定为由于第二固定电极的损耗，通过软件自动调整第二活动电极的伸出。

29. 如前述权利要求24的方法，其中伺服点焊控制系统还包括可操作地连接到控制器的第二压力传感器，驱动第二伺服电机的步骤进一步限定为基于第二压力传感器测量的夹持压力自动调整第二活动电极的伸出。

30. 如前述权利要求22的方法，其中将工件从第一对电极的夹持中释放的步骤进一步限定为驱动第一伺服电机来缩回第一活动电极。

31. 如前述权利要求22的方法，其中将工件从第二对电极的夹持中释放的步骤进一步限定为驱动第二伺服电机来缩回第二活动电极。

32. 如前述权利要求22的方法，其中伺服点焊控制系统还包括电流传感器，所述方法进一步包括基于电流传感器测量的电流，自动调整焊接时间的步骤。

Images