CN116532774A - 对焊枪移动电极进行自适应控制的方法 - Google Patents

Abstract

要求保护的是一种用于对C型、X型或夹紧型点焊枪的移动电极进行自适应控制的方法。根据该方法，焊枪的移动电极在执行焊接(工作)周期时以速度(V₀)移动，并在点处切换到速度(V₁)，该点的坐标是基于在工作周期之前执行的配置周期中获得的电极坐标的接触点来计算的。该方法允许减少焊接周期时间。

Description

对焊枪移动电极进行自适应控制的方法

技术领域

本发明涉及电阻点焊领域，并且更具体地，涉及一种用于对点焊系统的C型、X型或夹管型焊枪的移动电极进行自适应控制的方法。

背景技术

电阻点焊在工业上应用广泛。例如，点焊用于连接车辆的金属车身部件。对于这种用点焊枪进行的焊接，通常具有移动电极(traveling electrode)和固定电极，将两个或更多个叠置的待焊接部件夹持在所述电极之间，以及然后电流穿过电极和部件。电流导致在部件的夹持区域处的金属的局部加热和熔化，这形成焊核。在不再供应焊接电流之后，金属在焊核处冷却并硬化，并且部件被连接在一起。

需要减小焊接周期以增加利用点焊的加工线的输出能力。关于车辆工厂，焊接周期的减小允许提高车身焊接线和焊接单元的性能，其中焊接单元指的是用于使用电阻点焊制造汽车车身的部件连接操作发生的区域。

EP0278185公开了一种用于电阻点焊的方法，该方法包括通过机电致动器(在下文中被称为EMA，electromechanical actuator)执行焊枪移动电极的移动。EMA包括同步电动机和滚柱丝杠驱动件。焊枪被固定在工业机械手(机器人)的可移动臂上。EMA由控制系统控制，该控制系统可以是变频器和控制器(尤其是集成到变频器中的控制器)。在焊接周期期间，机器人将焊枪带到待焊接的部件处，使得所述部件位于移动电极与固定电极之间，并且固定电极接触待焊接的部件之一。然后，EMA使移动电极移动，直到移动电极接触到另一个待焊接的部件，并且作用在待焊接的部件上的压缩力增强到适合焊接的力。

图1示出了在焊接周期中用于焊枪的传统压缩周期期间EMA速度与力的关系。响应于来自控制系统的命令，EMA通过使移动电极移动来执行焊接周期：首先，移动电极在自由移动部分内(在电极不接触待焊接的部件的情况下)以高速(V₀)移动，例如，高速(V₀)等于最高EMA速度。然后速度降低到低速(V₁)，并且在坐标(SV₁)(开始以速度(V₁)移动的点)处移动电极以速度(V₁)移动并且在点(S_cont)(移动电极与待焊接的部件的实际接触的点)处接触待焊接的部件。焊枪开始压缩部件，并且压缩力增大直到压缩力达到与电极坐标(S_trg)相对应的目标力(F_trg)，((F_trg)是目标力，焊枪用该目标力压缩待焊接的部件并且部件用该目标力进行焊接)。在(S_trg)坐标处电极停止移动((V₁)下降到0)，并且电极占据用于焊接的位置。(S_trg)坐标取决于带有EMA的焊枪的刚度，因为刚度影响焊枪在要被电极焊接的部件的压缩期间变形的程度。移动电极的位置由控制系统使用布置在EMA中的位置传感器进行跟踪。

移动电极的移动与电极上的力之间的对应关系在焊枪校准期间通过对由布置在电极之间的力传感器测量的力与从位置传感器接收的电极位置进行比较来确定。通常，为了减少焊接周期时间并且增大焊接单元的能力以及相应地增大包括焊接单元的生产线的能力，在自由移动部分内，电极以EMA可以发展的最大速度或接近最大速度移动。在将焊枪的臂关闭并且达到目标力(F_trg)以后，焊接控制器通过安装在焊枪上的变压器向电极发送焊接电流(焊接电流未在图中示出)，从而对安装在电极的端部处的帽件与部件之间的接触区域中的金属进行加热和熔化。这样，就形成了焊核，并且在金属冷却并硬化以后，部件在焊核中连接在一起。焊枪的臂打开，并且机器人将它们带到下一个焊点(焊枪开口部分未在图中示出)。

当电极接触待焊接的部件时，由于电极以一定的速度与部件碰撞，会发生力的波动(振动)。这些是衰减的波动。如果在压缩之前，由于部件的不规则性和它们相对于彼此的固定方法，部件之间存在间隙，则振动会加剧。部件之间的间隙降低了它们的整体刚度。在已知的电流模式焊枪控制方法中，力波动可能在达到待焊接的部件的目标力时引起误差，并且由于需要对力波动进行阻尼而可能发生额外的时间损失。它增加了总焊接周期时间并降低了装备(焊接单元)的能力。为了减小波动的幅度和波动衰减的持续时间，以及它们对达到焊接力的速率的影响，电极在电极接触待焊接的部件之前减速一定距离。在电极的端部处的帽件在焊接周期期间经历磨损，因为它们被加热到高温，并且材料被从其表面逐渐地去除，并且因为帽件被部件压缩力挤压。磨损会导致焊帽件长度和接触面积的大小发生变化，从而影响接触电阻、焊接区域的温度以及对应的焊接质量。

应该注意的是，基于平均磨损以一定的时间间隔(根据时间表)执行恢复帽件形状的程序，即，帽件锐化(尖端修整)，因为在焊点处根据待焊接的部件的厚度和其材料的等级而可以使用各种力和焊接电流，这意味着帽件在这样的焊点上具有不同的磨损。帽件的形状可以通过任何其他已知的方法恢复。当焊接周期被配置时，减速点(SV₁)是基于帽件的最大初始尺寸来选择的，以及因此，在帽件磨损的情况下，直到电极接触到对应部件的电极行程会增大，这导致时间进一步流失。应该注意的是，待焊接的部件的厚度可以在公差范围内变化。由于待焊接的部件表面不平整，因此待焊接的部件之间可能存在间隙，其中该间隙在不同的周期中可以从零到最大值变化。通常，电极开始减速的距离肯定大于部件的最大厚度和它们之间的间隙，以避免移动电极高速碰撞部件而损坏部件。因此，移动电极以速度(V₁)通过足够长的距离，这增加了焊接周期持续时间。为了减少焊接周期持续时间，应该将移动电极的速度降低到尽可能靠近接触点的速度(V₁)。然而，由于帽件的磨损、部件之间存在间隙、待焊接的部件的厚度在公差范围内的偏差，接触点可能会发生偏移。因此，为了确保电极开始以速度(V₁)移动的距离在每个周期之间是恒定的，应该在每个焊接周期之前确定测量该距离的点。所述点可以被称为(S_cont)。

US8426761B2公开了一种基于由EMA电动机消耗的电流的强度(由EMA生成的扭矩)开始变化的时间点、以及基于所消耗的电流的变化量来确定电极接触点的方法。移动电极在接触部件之前通过的路径部分(自由移动部分)处消耗的电流在一定范围内变化。电流波动尤其是由于具有转子和永磁体的EMA同步电动机具有由齿槽扭矩引起的扭矩脉冲的事实。此外，电流波动是由EMA部件之间的不同摩擦引起的，例如，用于通过移动电极行程的长度将EMA转子的旋转运动转换为EMA轴以及轴的引导件的平移运动的机构部件之间的摩擦，或防旋转组件的部件之间的摩擦，这是需要的，因为EMA轴倾向于与EMA转子一起旋转，该EMA轴具有用于将转子的旋转运动转换为螺杆和螺母型轴、滚珠丝杠驱动件或滚柱丝杠驱动件的平移运动的齿轮。这种防旋转组件被安装在EMA内部，但它可以以安装在焊枪上的引导件形式提供，并且具有联接到EMA轴或焊枪移动电极的托架，并且被配置为沿引导件移动。部件之间的摩擦不一致是由于接触部件的形状缺陷造成的，这是由它们的制造公差、在其表面上不规则分布的润滑剂以及其他因素引起的。此外，待焊接的部件可能彼此无法紧密配合，这导致周期与周期之间接触点的确定不一致——电极与部件碰撞时发生的波动幅度及其衰减时间在有间隙时比没有间隙时大。在移动电极接触部件时消耗的电流也会振荡，并且根据间隙的大小具有不同的幅度，这可能导致电极与待焊接的部件接触以后电流在距接触点的不同距离处发生预定量的变化。因此，根据该方法确定的接触点将在周期与周期之间与实际接触点的距离不同。

结果，已知方法的缺点是确定接触点的一致性低，以及因此，在使用接触点作为点(S_cont)时效率低下，在离点(S_cont)一定距离处，在点(SV₁)处，移动电极开始以速度(V₁)移动，因为为了避免错误确定接触点，电流变化值(基于该值将确定电极与待焊接的部件的接触)应该被设置得足够高，特别是高于电流波动的幅度。将电流变化值设置得高于电流波动幅度会导致实际接触将远早于根据已知方法确定接触点，这就需要从低速移动开始点到电级接触点的距离增大接触点确定的潜在误差值，以避免电极在高速下与待焊接的部件碰撞并且防止电极损坏。

US8983786B2公开了一种通过确定时间跟踪误差函数的直线与零跟踪误差水平的交点坐标来确定焊枪电极与待焊接的部件之间的接触点的方法。由于以下的事实：时间跟踪误差函数的直线被建立在几个点上、周期与周期之间的波动是随机的并且取决于在操作期间变化的众多因素，因此该方法的一致性和可重复性较低。这些因素影响使电极移动所必需的电动机消耗的电流、以及影响跟踪误差水平的对应控制电路(诸如位置电路)的操作。这些因素是电动机温度、润滑剂的状况、机构可移动元件的磨损量。点的波动导致通过这些点绘制的直线在不同的点处与零跟踪误差水平相交，以及因此，电极与待焊接的部件之间的接触点被确定为具有误差。在接触待焊接的部件之前、接触瞬间和在力构建过程期间，电极以一定的速度运动，因此跟踪误差不可能为零。因此，时间跟踪误差函数的直线与零跟踪误差水平的交点将相对于移动电极接触部件的时刻之前存在的跟踪误差线与跟踪误差水平的交点而移位。应该注意的是，为了确定在移动电极接触待焊接的部件之前跟踪误差为零(或具有不同的恒定值)，电极需要以恒定速度移动一定时间直到与部件接触的时刻，这会增加焊接周期的持续时间。

为了减少接触点确定误差，可以在焊枪上安装力传感器，该力传感器被配置成对与焊枪电极上的力成比例的力进行控制。例如，力传感器可以被定位在EMA中或焊枪上。在本申请的下文中，力传感器上的力取为与电极上的力成比例的力，其中该比例可以通过已知方法确定，诸如通过焊枪校准确定，其中焊枪压缩位于电极之间的另一力传感器，并且确定焊枪力传感器上的力与位于电极之间的力传感器上的力之间的对应关系。当力传感器存在时，焊枪上的力在电极运动期间和其与待焊接的部件接触期间被控制，并且基于力传感器上的力开始增大的时刻确定接触点。应该注意的是，力传感器在接近零的测量区中通常具有死区或增大的误差区，这降低了接触点确定的准确性。为了避免这种情况，力传感器可以位于EMA中，并且力传感器可以由EMA结构元件进行初步压缩，使得力传感器上的力不为零，以及因此力传感器信号不为零。另一个不利因素是当电极与待焊接的部件碰撞时发生的力波动，如上所述。力波动也会被力传感器感测到，并且与实际电极接触点对应的力值将以降低的精度确定，因为由于波动，错误的坐标将与力开始增大的点相关联。应该注意的是，在电极开始压缩待焊接的部件的点处，首先不仅部件之间的间隙被填满，而且焊枪可移动元件(诸如引导件与移动电极的铰接件)的接头中的间隙也被填满，以及EMA齿轮中的间隙也被填满。除其他外，它导致部件压缩开始以后力变化与由电极覆盖的路径之间的比率是非线性的(图1中力增大的非线性部分)。力增大的非线性也是由以下事实造成的：在电极接触待焊接的部件以后立即朝向彼此移动，从而纠正通常比焊枪刚性低得多的部件的不均匀性，这种不均匀性使它们无法紧密贴合。因此，将相对较大的力值设置为达到电极与部件之间接触点的标准，避免了错误的接触点确定，这导致大多数情况下，实际的电极接触点早于该点，该点被认为是根据所公开的方法的电极接触点。同时，取决于间隙的大小的、在力变化与所覆盖的路径之间的比率的非线性性质在周期与周期之间不相同，这不允许当待焊接的部件被压缩时，基于力变化量的变化确定一致的接触点(通过将力变化与所覆盖的路径之间的比率与预定的值进行比较，该预定的值可以被设置为电极与待焊接的部件之间接触的标准)。因此，根据所公开的方法，在低速移动开始的点与电极接触点之间的距离增大了电极接触点确定误差的值，这增大了焊接周期的持续时间。在待焊接的部件彼此接触并紧密配合以后，它们的刚度对压缩力几乎没有影响，并且线性增长周期开始(图1)。

应该注意的是，为了减少焊接周期的持续时间，将电极与部件的接触点设置为电极以低速(V₁)开始移动的点是最有利的。在这种情况下，已知的方法不能防止电极与部件以高速(V₀)碰撞，因此，所述方法不可能使用电极与部件的接触点作为电极以低速(V₁)开始移动的点来减少焊接周期的持续时间。

因此，需要一种用于控制点焊枪的方法，该方法将允许减少焊接周期的持续时间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于对点焊枪的移动电极进行自适应控制的方法，该方法可以减少焊接周期时间，并且避免损坏待焊接的部件和焊枪。

为实现上述目的，提出了一种用于对点焊枪的移动电极进行自适应控制的方法，该焊枪包括：

成对的电极，所述成对的电极中的至少一个电极为移动电极；

用于所述移动电极的线性致动器，所述线性致动器被布置成使移动电极朝向成对的电极中的另一电极线性移动；

位置传感器，该位置传感器被布置成对移动电极的位置进行感测；

力传感器，该力传感器被布置成对作用在移动电极上的力进行感测；

用于工作参数输入的输入/输出装置；

控制器，该控制器被配置成：经由输入/输出装置接收数据以及从位置传感器和力传感器接收数据，以用于对所述数据进行存储和处理并且用于输出控制信号来对移动电极的线性致动器进行控制；

其中，根据该方法：

执行焊枪配置的周期，其中，该周期包括：

设置工作参数，这些工作参数包括：移动电极移动的速度(V₀)的值和移动电极移动的速度(V₁)的值；电极的第一压缩力(F₁)和第二压缩力(F₂)；目标力(F_trg)；距离A，该距离A等于待焊接的部件的最大厚度，该最大厚度包括公差，其中，第二压缩力(F₂)小于目标力(F_trg)，在目标力下执行待焊接的部件的焊接，以及其中，第一压缩力(F₁)大于由电极彼此接触引起的力波动完成时的力；

将移动电极以速度(V₁)带到成对的电极中的另一电极，而不使电极彼此接触；

使电极彼此接触并且进一步使电极朝向彼此移动以达到第一压缩力(F₁)；

通过以速度(V₁)使移动电极移动来建立压缩力，直到达到第二压缩力(F₂)，此后使移动电极的移动速度降低；

使移动电极的移动速度降低，直到达到目标力(F_trg)，

该方法的特征在于：

在达到第二压缩力(F₂)以后，将电极彼此接触的基点(S_base)的坐标确定为具有零压缩力水平的线性函数的交点，所述线性函数在从第一压缩力(F₁)到第二压缩力(F₂)的力建立期间对电极压缩力与移动电极的坐标之间的对应关系进行限定；

其中，该方法还包括：

当待焊接的部件被定位在焊枪的电极之间时，执行焊枪压缩的工作周期，所述工作周期包括：

将移动电极以速度(V₀)带到待焊接的部件，而不使电极与部件接触；

使移动电极移动的速度从速度(V₀)降低；

使移动电极与最近的待焊接的部件接触；

在距电极彼此接触的基点(S_base)距离A处，将移动电极移动的速度降低到预设速度(V₁)；

达到第一压缩力(F₁)；

随着移动电极以速度(V₁)移动而建立部件压缩力，以达到第二压缩力(F₂)，此后使移动电极移动的速度降低；

使移动电极的速度降低，直到达到目标力(F_trg)；

在达到第二压缩力(F₂)以后，将移动电极接触待焊接的部件的点(S_touch)的坐标确定为具有零压缩力水平的线性函数的交点，所述线性函数在从第一压缩力(F₁)到第二压缩力(F₂)的力建立期间对部件压缩力与移动电极的坐标之间的对应关系进行限定，以及

设置移动电极在下一压缩的工作周期期间开始以速度(V₁)移动的点的坐标，所述坐标等于在所执行的焊枪压缩的工作周期期间确定的移动电极接触待焊接的部件的点(S_touch)的坐标。

使电极在工作压缩周期中开始以速度(V₁)移动的点的坐标等于电极的接触点的坐标，这在其确定中是显著一致的，因为电极的接触点的坐标是基于超过由电极与待焊接的部件碰撞引起的力波动结束时的力的力而进行计算的，减少了移动电极以低速(V₁)移动的持续时间，增加了移动电极以最大速度(V₀)移动的持续时间，以及因此减少了焊接周期的持续时间并增大了焊接单元的能力，同时消除了电极以最大速度(V₀)与部件碰撞的风险。

使电极在当前的工作压缩周期中以速度(V₁)开始移动的点的坐标等于在先前的焊接周期中确定的电极的接触点的坐标，允许在操作期间为焊枪机构和EMA参数变化(例如，由加热导致的刚度的变化)做出最大的规定。

使用表示焊枪刚度的线性函数，而不是被确定为在焊枪弹性变形期间力与移动电极的对应运动的比率的刚度，提高了接触参考点确定的准确性，因为线性函数意味着对从压缩力(F₁)到力(F₂)的一部分的力的值和移动的值进行平均，从而对力测量误差进行部分地补偿。

此外，该方法可以避免焊接错误的部件的数量，例如，少于工艺过程中预定的数量，这可能发生在半自动生产线上。在这样的生产线上，人工供应待焊接的部件，例如，将待焊接的部件放入对部件进行固定以进行后续焊接的工具中。由于在供应焊接电流之前可以将电极在先前的焊接周期中接触部件的点的坐标可以与电极在当前的焊接周期中接触部件的点的坐标进行比较，因此可以确定坐标之间的差大于预测值，诸如预测的帽件磨损值，并且停止焊接周期。与已知的接触点确定方法相比，通过更准确的接触点确定可以降低错误确定待焊接的部件的数量的风险。因此，降低了制造有缺陷产品的风险。

重要的是，如果使用具有死区或接近零力的误差增大区的力传感器进行确定，则由于基于力值来确定参考电极接触点，该力值大于由电极与待焊接的部件碰撞引起的力波动结束时的力，该值通常大于力传感器死区的力，建议的方法可以高度一致地确定移动电极开始以速度(V₁)移动的点。

所建议的方法允许当帽件的长度减少时通过对电极接触点坐标的变化值进行控制来确定帽件的磨损率，对电极接触点在当前的焊接周期后的后续周期中的位置进行预测，以及在随后的焊接周期中将低速(V₁)开始移动设置在与预测的参考电极接触点的固定距离处，从而使以速度(V₁)移动的持续时间保持最小。

根据一个实施方式，焊枪(1)配置的周期还包括：

在设置工作参数之前对成对的电极(2、3)的接触点进行确定，其中，在电极(2、3)彼此接触之前，该方法还包括：

基于电极(2、3)彼此接触的点的数据来对点(SV₁)进行确定，该点(SV₁)为移动电极(3)移动的速度(V₀)下降到移动电极(3)移动的速度(V₁)的点；

将移动电极(3)以速度(V₀)带到成对的电极(2、3)中的另一电极(2)，而不使电极(2、3)彼此接触；

将移动电极(3)移动的速度降低到速度(V₁)。

根据一个实施方式，从电极彼此接触的基点(S_base)到移动电极以速度(V₁)开始移动的点的坐标的距离还包括：与待焊接的部件沿移动电级的轴线的最大位移相等的距离，这防止移动电极以可能导致对部件的表面的损坏的速度接触部件中的一个部件。

根据一个实施方式，从电极彼此接触的基点(S_base)到移动电极以速度(V₁)开始移动的点的坐标的距离还包括：与各个待焊接的部件之间的最大可能间隙相等的距离，这可以防止移动电极以会损坏部件、EMA和/或焊枪的速度接触部件中的一个部件。

根据一个实施方式，从电极彼此接触的基点(S_base)到移动电极以速度(V₁)开始移动的点的坐标的距离还包括：与适于安装在工具中的待焊接的部件的最大可能厚度相等的距离，如果在焊接期间操作员将额外的部件放入对部件进行保持的工具中，则这可以防止损坏部件。

根据一个实施方式，在工作周期期间对第一压缩力(F₁)进行校正，以确保第一压缩力(F₁)大于力增长的非线性部分完成时的力，以增大移动电极开始以速度(V₁)移动的点的确定的一致性。

根据一个实施方式，在焊枪校准期间对第一压缩力(F₁)和第二压缩力(F₂)进行预设，这有利地结合了焊枪配置和力(F₁)和(F₂)的确定，因为焊枪校准需要在任何情况下以焊枪或此类焊枪的最大操作力对焊枪进行压缩。因此，减少了焊枪配置的持续时间。

根据一个实施方式，速度(V₀)等于焊枪的移动电极的线性致动器的最大速度，这减少了焊接周期持续时间。

根据一个实施方式，在移动电极接触待焊接的部件处的点(S_touch)的坐标的限制值是根据最大允许帽件磨损来设置的，这允许对应该执行帽件形状恢复程序的时刻进行确定和预测。

根据一个实施方式，移动电极的线性致动器被实施为具有滚柱丝杠驱动件或滚珠丝杠驱动件的机电致动器。

根据一个实施方式，移动电极的线性致动器被实现为线性电动机。

根据一个实施方式，位置传感器被实现为编码器或解析器。

根据一个实施方式，控制器被布置在机电致动器中。

根据一个实施方式，焊枪包括另外的力传感器，该另外的力传感器被配置成：对在电极上产生的力进行感测。

附图说明

图1示出了根据现有技术方法在焊接周期中在移动电极以速度(V₀)、以速度(V₁)移动、以及执行电极的压缩到达目标力的部分处的力和速度相对于位置的曲线图。

图2示意性地示出了焊枪。

图3示意性地示出了具有工业机械手和固定到工业机械手上的焊枪的机器人焊接单元。

图4示出了在配置周期和工作周期中移动电极以速度(V₁)移动、电极的压缩以及保持目标力的部分处的力和速度相对于位置的曲线图。

图5示出了根据所提出的方法和现有技术方法的在焊接周期中力和速度相对于位置的曲线图。

具体实施方式

图2示出了可以由所提出的方法控制的C型焊枪1。例如，EP1221351A1中描述了类似的C型焊枪。焊枪1包括固定电极2和移动电极3。变压器4被安装在焊枪上，以为电极2和3供应焊接用电流。移动电极线性位移机构，诸如具有滚柱丝杠驱动件的机电致动器(EMA)5，被固定地安装在焊枪1上以使电极3移动。类似的EMA在US9520756B2中被描述。电极3被固定在轴6上。EMA 5包括具有转子和定子(未示出)的电动机(未示出)、位置传感器7、力传感器8以及用于将转子的旋转运动转换为轴6的平移运动的机构–滚柱丝杠驱动件，但是所提议的方法可以通过与滚珠丝杠驱动件一起使用的EMA 5或任何其他已知的将转子的旋转运动转变为轴的平移运动的机构来实施。为了防止轴6和电极3在滚珠丝杠操作期间与EMA 5转子一起旋转，EMA 5设置有防旋转组件以减轻焊枪1的质量和尺寸。代替集成的防旋转组件，例如，焊枪可以设置有以引导件(未示出)的形式的防旋转组件。应该注意的是，除了所公开的示例之外，EMA 5可以被提供为线性电动机，该线性电动机不需要用于将旋转运动转换为轴的平移运动的机构或任何其他已知的EMA 5配置。EMA 5包含用于控制EMA5的控制器9。控制器9包括处理单元(未示出)以处理从不同传感器接收的数据，例如来自力传感器8的力数据和来自位置传感器7的位置数据，以计算根据本发明进一步描述的电极3的运动参数(坐标、速度和力)。位置传感器7可以是联接到EMA 5转子的编码器或解析器，并且使控制器9能够跟踪移动电极3的位置。在其他实施方式中，控制器9可以被定位为单独的单元，或者控制器9可以与用于控制机器人11的机器人控制器10进行组合。然而，将控制器9定位在EMA 5内有益地减少了在机器人11上放置电源和通信线路时用于电气安装的导体的数量，因为不需要在机器人11上放置用于力传感器8的线缆，并且在焊枪的其他实施方式中，也不需要在机器人11上放置用于力传感器12的线缆。

图3示意性地示出了机器人的焊接单元(在下文中被称为焊接单元)，机器人的焊接单元包括具有6个自由度的机器人1(工业机械手)和固定在机器人的最后一个可移动臂上的焊枪1。焊接单元还包括用于控制变压器4的焊接控制器13，以为电极2和3供应焊接电流。控制器9、机器人控制器10以及焊接控制器13通过通信线路(未示出)互连，以交换“准备操作”信号、操作开始命令和操作完成命令。机器人11移动焊枪1，从而将固定电极2带到待焊接的部件14。机器人11带来焊枪1，使得固定电极2以直角接触固定在工具15中的部件14中的一个部件。待焊接的部件14可以是物品的至少两个金属部件(例如，车辆车身的部件)的形式。根据产品的构造，可以有两个或更多个部件14。响应于来自控制器9的命令，EMA5将电极3朝向部件14移动(即，焊枪1关闭)并且以预定的力压缩电极2与电极3之间的部件14。应该注意的是，响应于来自机器人控制器10的命令，机器人11在部件14被压缩时移动焊枪1，并且移动的距离等于焊枪1的弹性变形量，该弹性变形量对应于预定的力，以避免部件14变形。换句话说，机器人执行均衡——均衡两个电极上的力的过程。在实施方式中，EMA(未示出)位于机器人11的可移动臂与焊枪1之间，其中EMA轴线(未示出)与电极2和3的轴线重合。EMA被固定在机器人11的臂上，并且EMA的轴被紧固至焊枪，例如，被紧固至焊枪的框架。EMA使焊枪1移动等于焊枪1的弹性变形的距离，使得机器人11不必移动等于焊枪1的弹性变形的距离。在均衡期间焊枪移动的速度应该与速度(V₁)一致。在均衡期间经过的距离被称为均衡量。均衡有助于加快焊接周期，因为由于响应时间短得多，所以所述EMA比机器人11操作得更快。为了提高均衡精度，力传感器12可以被安装在焊枪1的固定电极上。在这种情况下，焊枪1可以被移动直到力传感器8上的力和力传感器12上的力相等的时刻。在部件14被压缩以后，焊接控制器13通过安装在焊枪1上的变压器4向电极2和3供应焊接电流，并且焊接电流使电极2和3的接触区域的部件14的金属熔化以及形成焊核(未示出)。在EMA 3不再供应焊接电流以后，焊核冷却下来并且部件14被接合。然后，EMA 5沿远离部件14的方向移动电极3(即，焊枪打开)，并且机器人11将焊枪1移动到下一个焊点。在焊接单元的实施方式中，焊枪1被固定地联接在例如地板上，并且机器人1具有用于捕获部件14的装置并且被配置为使部件7移动以将它们定位在电极5与电极6之间。焊接周期以与上述公开的相同的顺序执行，不同之处在于机器人1而不是焊枪1使部件14移动。

图4示出了在没有焊枪1开口部分的焊接周期中力和速度相对于移动电极3的位置的曲线图，因为本发明不涉及焊接周期的这一部分。重要的是，为了初步确定电极2和3接触点的接触点，距在包括部件14的焊接(见下文)的第一工作周期中以低速开始移动的点的某个距离处，执行焊枪1配置周期(configuration cycle)。在焊枪配置周期之前，电极3移动的限制坐标被确定。电极3的当前坐标是基于位置传感器7的信号来确定的。关闭限制坐标被定义为电极2和电极3接触而不产生力的点坐标加上一定位移而得到的坐标。当通过假定的帽件磨损值和一些必要的余量在电极2与电极3之间产生力时，这个位移超过了焊枪1的假定曲率(变形)，因为焊枪1的曲率在每个部件中都由于制造公差而略有不同。因此，在不施加任何力的情况下，关闭限制坐标超出电极2和3的接触点。如果例如帽件(未示出)从电极2或3上脱落(例如，因为保留锥体在电极2和3上的磨损导致其配合松动)，则必须确定限制坐标以使控制器9能够使焊接周期停止，并且这些电极在彼此碰撞之前将移动比预期更长的距离。在不施加任何力的情况下电极的接触点由操作者使用输入/输出装置(诸如示教器)或通过控制器9的另一已知人机界面(HMI)以较低的速度使电极3移动直到电极彼此接触来确定。在电极接触以后，操作员将当前坐标假定为操作员稍后设置速度应该降低到配置周期中的速度(V₁)的距离的点。这个距离取决于在不产生力的情况下电极2和3的接触点的确定精度，并且从接触点的坐标中减去它。因此，确定点(SV₁)(在焊枪配置周期中速度降低到较低速度(V₁)的点)的坐标，其中当在控制器9的HMI中输入电极未受力的接触点和具体的移位值时，控制器9自动计算点(SV₁)的坐标。然后，通过将该坐标(该坐标可以通过电极3的最大行程来限制)输入控制器9的HMI，设定焊枪1的最大开度的坐标。该坐标可以通过沿远离电极2的方向移动电极3直到电极3到达其末端位置来确定，或者该坐标可以根据焊枪1的特性来确定。注意的是，可以自动地确定限制坐标，诸如通过控制器9来确定，控制器9移动电极3以打开和关闭焊枪，直到超过消耗电流或达到特定力值。然后，操作者用控制器9的HMI设置速度(V₀)和(V₁)的最大值，之后执行配置周期。速度(V₀)值取决于焊枪1的打开距离。例如，将速度(V₀)设置为等于在小距离内的EMA的最大速度是没有意义的，因为EMA不会在这个距离内建立这个速度。因此，速度(V₀)值可以等于速度(V₁)。速度(V₀)可以由控制器9基于电极3将被移动的距离和基于电极3的加速度增大和减小来自动地计算。

然后，执行配置周期，其中电极3被EMA朝向电极2移动，即，焊枪1以速度(V₀)关闭，该速度优选地等于EMA的最大速度，以及然后，从点(SV₁)开始，以速度(V₁)关闭，或如果该距离对于达到速度(V₀)而言太小，电极3以速度(V₁)移动整个焊枪1关闭距离。

速度在点(SV₁)被降低以后，电极2和3在点(S_cont)(在配置周期中电极2和3的实际接触点)接触，之后，在电极上产生电极2和3的压缩力。电极上的力增大，直到该力达到目标力(F_trg)。当电极2和3被压缩时，力值逐渐达到值(F₁)(与电极的接触变形相关的波动停止时的力)以及(F₂)(接近目标力(F_trg)时的力并且速度(V₁)开始降低)，直到达到目标力(F_trg)，其中电极在达到力(F₂)之前的部分中以恒定速度(V₁)移动。

在配置周期中，相应地为预设力(F₁)和(F₂)确定坐标S(F₁)、S(F₂)。力是由力传感器8控制的。力(F₁)和(F₂)的选择基于分析力建立开始部分——力波动的持续时间——以及达到目标力(F_trg)时的过渡过程部分——接近力(F_trg)的持续时间。力(F₁)应该大于由电极2和3接触引起的力波动在点(S_cont1)结束时的力。当电极3上的力开始变化时，可以基于由控制器9接收到的位置传感器7的信号来确定点(S_cont1)的坐标。重要的是力(F₁)结束，该力(F₁)也大于力的非线性部分由于电极3的移动而改变时的力，该部分由部件14之间的间隙引起。选择力(F₂)，使得在坐标S(F₁)与S(F₂)之间存在以恒定速度(V₁)移动的一部分。为了获得用于分析的第一数据，可以在设置力(F₁)和(F₂)之前执行焊枪1的压缩到力(F_trg)的周期。操作者将力(F₁)和(F₂)输入到控制器9中。基于由电极3和电极2碰撞引起的力波动的持续时间，以及基于接近目标力(F_trg)的持续时间，速度(V₁)相对于为第一次压缩设置的速度被校正，如果需要这样的校正。还选择了速度(V₁)，使得在电极3与电级2压缩步骤中存在线性部分，该线性部分不受力波动的影响，在该部分可以为力(F₁)和(F₂)确定坐标S(F₁)和S(F₂)。此外，速度(V₁)应小于电极碰撞可能导致焊枪1或EMA 5损坏(例如，电极2和3变形)的速度。速度(V₁)越高，电极3接触部件14以后力波动衰减的时间越长，并且在达到目标力(F_trg)之前需要越早减速。应该注意的是，力(F₁)、(F₂)以及速度(V₁)可以由控制器9基于对力波动的持续时间的自动分析以及通过估计连续的力数据并将连续的力数据相对于彼此和相对于目标力分散来接近目标力(F_trg)的自动分析而自动计算。

此外，作为配置周期的一部分，确定线性函数，其中线性函数表示当移动电极的坐标从S(F₁)改变为S(F₂)时在部件压缩力从力(F₁)到力(F₂)的建立过程期间的力变化(在下文中称为线性函数)。应该注意的是，力数据的接收相对于与该力相对应的坐标的确定具有延迟，即，例如，关于力(F₁)的数据实际上是相对于接收到坐标S(F₁)的数据的时刻具有一定的时间偏移(延迟)而被实际接收的。在从力(F₁)到力(F₂)的过渡部分，电极3以恒定速度(V₁)移动，使得所述偏移在点S(F₁)和点S(F₂)处相同，这允许降低线性函数限定误差。对与力(F_trg)的水平相交之前的线性函数进行线性外推，即，确定坐标(S_trg1)，该坐标是在配置周期中达到目标力(F_trg)的坐标。在力(F₂)之后，电极3在达到目标力(F_trg)(在下文中称为力(F_trg))时以其速度降低到零的方式移动。应该注意的是，电极3的加速度和减速度的值被选择为避免焊枪1和机器人11的可移动臂的不期望的尺寸波动。为了使压缩力建立的持续时间最小化，重要的是电极3在焊枪1压缩直到坐标(S_trg1)的过程中不停止。在达到力(F₂)以后，控制器9对线性函数执行线性外推，直到与零力水平相交，并且在配置周期中电极接触点被假定为外推线性函数与零力水平之间的交点(S_base)。为了方便起见，在下文中将配置周期中的电极接触点称为(S_base)。然后，电极3远离电极2移动到其初始位置，即，焊枪1打开。

在第一工作周期中，电极3开始以速度(V₁)移动的点由控制器9设置在距(S_base)的距离A处(即，从(S_base)坐标减去值A)。在工作焊接周期中，该点被称为接触点(S_touch)(在下文中被称为点(S_touch))。点(S_touch)被表征为极端可能的坐标，其中电极的速度可以超过速度(V₁)。点(S_base)与(S_touch)之间的距离A由操作员设置为不小于部件14的组合厚度，该组合厚度包括公差。此外，如果考虑到特殊的美学要求而需要对部件14进行焊接，并且需要降低电极3接触部件14的速度以避免其表面产生凹痕，则可以将所有部件14之间的最大间隙和对部件14进行空间布置的公差添加到距离A中。部件布置公差还应该添加到距离A以防止电极3以会损坏部件或者损坏EMA 5和/或焊枪1的速度接触部件14。这将防止电极3以接近最大速度(V₀)的速度与部件14发生碰撞。由于电极3在点(S_touch)减速到速度(V₁)，电极3与部件14碰撞的能量可以减少并且避免损坏部件14。如果可以放置比特定焊接周期内的技术过程所设想的更多的部件14，以防止电极3以接近最大速度(V₀)的速度与部件14碰撞，则点(S_touch)与(S_base)之间的距离应该由可能过大的部件14的整体厚度来增大。初步确定点(S_base)、(S_touch)、力(F₁)和(F₂)(焊枪1配置)的操作可以与焊枪1校准进行结合，以降低配置的劳动强度。焊枪1校准通常包括确定由位于EMA 3中的力传感器(未示出)测量的力与由位于电极2和3之间的校准力传感器(未示出)测量的力之间的比率。从力传感器和校准力传感器得到的力被馈送到控制器9。力传感器的刚度明显大于焊枪1的刚度，以及因此对点(S_base)计算精度影响不大。如果焊枪1配置与其校准相结合，则力传感器的厚度应该从距离A减去，即，考虑到部件的厚度、间隙、位置公差(如果它们需要考虑)，力传感器的厚度应该添加到点(S_touch)。为了焊接部件14，机器人11移动焊枪1，使得电极3接触部件14。在第一工作周期中(如图4所示)，焊枪1以速度(V₀)关闭，该速度是基于配置的加速度和减速度以及到以速度(V₁)开始移动的点(S_touch)的行程来选择的。电极3与部件14的中一个部件的实际接触(在下文中被称为电极3与部件14的接触)第一工作周期中以从(V₁)到(V₀)的速度发生在(S_cont2)点中。(S_cont2)点的坐标可以与(S_cont1)点以相同的方式确定。在第一工作周期中以及在配置周期中的速度(V₀)可以等于EMA 3的最大速度以减少焊接周期持续时间，并且可以由控制器9自动计算。从点(S_touch)开始，电极3以速度(V₁)移动，直到达到力(F₂)的时刻。开始降低电极3的速度不早于达到力(F₂)。线性函数以与配置周期中相同的方式确定，但是将理解的是，新坐标S(F₁)′和S(F₂)′被确定，因为有部件14位于电极2和3之间。根据来自力传感器8的信号，控制器9检查力(F₁)是否大于由于电极3和部件12的碰撞而发生力波动处的力，并且大于由于电极3的位置而导致力变化的非线性部分结束处的力。如果错误，力(F₁)增大，则再次确定S(F₁)′的坐标。在以下具有相同部件14厚度和(F_trg)力值的焊接周期中，力(F₁)保持不变。在线性函数与力水平(F_trg)相交之前对线性函数进行线性外推，即，确定坐标(S_trg2)((S_trg2)是电极3的坐标，其中(F_trg)力在工作周期中达到)。电极3停止在对应于力(F_trg)的坐标(S_trg2)处。点(S_touch)是基于参数S(F₁)′、S(F₂)′计算的，参数S(F₁)′、S(F₂)′是在力波动以后电极以恒定速度(V₁)移动的部分处确定的，这提高了点(S_touch)计算的精度。其中，点(S_touch)计算可以由控制器9与焊接过程同时进行，而不是在此之前进行，因此力(F₁)的变化不会导致焊接周期持续时间的增加。应注意的是，在所公开的工作焊接周期期间，由于在加热和压靠部件14的过程中从其与部件14接触的端部去除材料，电极2和3上的帽件被缩短。在每个焊接周期中，控制器9再次计算点(S_touch)，并且将电极3在下一个焊接周期中开始以速度(V₁)移动的点的坐标设置为等于所计算的点(S_touch)的坐标，这减少了低速移动的持续时间和焊接周期的持续时间，而与帽件的长度无关。应该注意的是，在相邻的焊接周期中点(S_touch)的坐标之间的差异不仅包括电极2和3的帽件的磨损，还包括部件14的厚度变化。但是，在经过几个周期以后，例如，对于在这几个配置周期和焊接周期中点(S_touch)的坐标的平均差异超过板材厚度公差的周期次数，在当前的工作周期中点(S_touch)的坐标之间的差异以及第一工作周期可以指示它们之间的帽件磨损的程度。重要的是，考虑到磨损，在当前的焊接周期和第一个接周期中的点(S_touch)的坐标在配置以后与部件14的相同标称厚度进行比较。所述差异被记录在存储器中(诸如EEPROM或快闪存储器)，例如，该存储器可以被布置在控制器9内，并且控制器9将结果值与预定的允许帽件磨损值进行比较。当达到预定的磨损值时，将例如通过锐化、模制或更换帽件而关于恢复形状(纵向截面轮廓)的必要性(由EMA 5或机器人11的控制系统之一)生成信号。同时，可以预测需要恢复帽件形状的焊接周期次数。

图5示出了根据要求保护的方法(底部)和根据现有技术已知的方法(顶部)的焊接周期的曲线图，假设焊接周期使用相同的设备(即，焊枪1、EMA 5和焊接单元的其余元件保持不变)来执行。因此，力(F_trg*)、对应于该力的坐标(S_trg*)、速度(V_0*)和(V_1*)在两个焊接周期中具有相同的值。因此，在两种方法之间电极3以速度(V_0*)移动的距离的差异是明显的。在所要求的方法中，通过将以速度(V_1*)开始移动的点设置在点(S_touch*)处，可以增大电极3以速度(V_0*)移动的距离，这显然，减少了焊接周期的持续时间。与确定点(S_touch*)的已知方法相比，通过线性函数确定点(S_touch*)允许以高度一致性确定该点并且消除了由于低误差而将电极3的速度降低到点(S_touch*)之前的速度(V_1*)的需要。

应该注意的是，该方法适用于控制包括EMA的焊枪移动电极，该EMA可以是任何已知形式的EMA构造。例如，它可以被设置为线性电动机，该线性电动机的输出连杆是轴。轴与由定子生成的磁场相互作用并平移。此外，EMA可以作为旋转EMA提供，该旋转EMA包括电动机和减速器，旋转EMA的输入连杆固定联接到电动机转子，并且臂固定连接到旋转EMA的输出连杆，该臂用作EMA输出连杆。焊枪移动电极联接到EMA的输出连杆，使得它们相对彼此不能移动。这种构造的焊枪在专利DE102011054376A1中公开。在这种焊枪配置中，当EMA包括被配置为臂的输出连杆时，移动电极被固定在所述臂的端部上。重要的是要注意，在这种配置中，可以提供扭矩传感器而不是力传感器来确定移动电极上的力。

Claims (14)

1.一种用于对点焊枪的移动电极进行自适应控制的方法，所述方法包括：

提供焊枪(1)，所述焊枪(1)包括：

成对的电极(2、3)，所述成对的电极(2、3)中的至少一个电极为移动电极(3)；

用于所述移动电极(3)的线性致动器(5)，所述线性致动器(5)被布置成使所述移动电极(3)朝向所述成对的电极中的另一电极(2)线性移动；

位置传感器(7)，所述位置传感器(7)被布置成对所述移动电极(3)的位置进行感测；

力传感器(8)，所述力传感器(8)被布置成对作用在所述移动电极(3)上的力进行感测；

用于工作参数输入的输入/输出装置；

控制器(9)，所述控制器(9)被配置成：经由所述输入/输出装置接收数据以及从所述位置传感器(7)和所述力传感器(8)接收数据，以用于对所述数据进行存储和处理并且用于输出控制信号来对所述移动电极的线性致动器(5)进行控制；

执行焊枪配置的周期，其中，所述周期包括：

设置工作参数，所述工作参数包括：所述移动电极(3)移动的速度(V₀)的值和所述移动电极(3)移动的速度(V₁)的值；所述电极的第一压缩力(F₁)和第二压缩力(F₂)；目标力(F_trg)；距离A，所述距离A等于待焊接的部件的最大厚度，所述最大厚度包括公差，其中，所述第二压缩力(F₂)小于所述目标力(F_trg)，在所述目标力(F_trg)下执行所述待焊接的部件的焊接，以及其中，所述第一压缩力(F₁)大于由所述电极彼此接触引起的力波动完成时的力；

将所述移动电极(3)以速度(V₁)带到所述成对的电极(2、3)中的另一电极(2)，而不使所述电极彼此接触；

使所述电极彼此接触并且进一步使所述电极朝向彼此移动以达到所述第一压缩力(F₁)；

通过以速度(V₁)使所述移动电极(3)移动来建立所述压缩力，直到达到所述第二压缩力(F₂)，此后使所述移动电极的移动速度降低；

使所述移动电极的所述移动速度降低，直到达到所述目标力(F_trg)，

所述方法的特征在于：

在达到所述第二压缩力(F₂)以后，将所述电极彼此接触的基点(S_base)的坐标确定为具有零压缩力水平的线性函数的交点，所述线性函数在从所述第一压缩力(F₁)到所述第二压缩力(F₂)的力建立期间对所述电极压缩力与所述移动电极的坐标之间的对应关系进行限定；

其中，所述方法还包括：

当所述待焊接的部件被定位在所述焊枪的所述电极之间时，执行焊枪压缩的工作周期，所述工作周期包括：

将所述移动电极(3)以速度(V₀)带到所述待焊接的部件，而不使所述电极与所述部件接触；

使所述移动电极移动的速度从速度(V₀)降低；

使所述移动电极(3)与最近的待焊接的部件接触；

在距所述电极彼此接触的基点(S_base)距离A处，将所述移动电极(3)移动的速度降低到预设速度(V₁)；

达到所述第一压缩力(F₁)；

随着所述移动电极以速度(V₁)移动而建立部件压缩力，以达到所述第二压缩力(F₂)，此后使所述移动电极(3)移动的速度降低；

使所述移动电极的速度降低，直到达到所述目标力(F_trg)；

在达到所述第二压缩力(F₂)以后，将所述移动电极接触所述待焊接的部件的点(S_touch)的坐标确定为具有零压缩力水平的线性函数的交点，所述线性函数在从所述第一压缩力(F₁)到所述第二压缩力(F₂)的力建立期间对所述部件压缩力与所述移动电极的坐标之间的对应关系进行限定，以及

设置所述移动电极在下一压缩的工作周期期间开始以速度(V₁)移动的点的坐标，所述坐标等于在所执行的焊枪压缩的工作周期期间确定的所述移动电极接触所述待焊接的部件的所述点(S_touch)的坐标。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，

所述焊枪(1)配置的周期还包括：

在设置所述工作参数之前对所述成对的电极(2、3)的接触点进行确定，其中，在所述电极(2、3)彼此接触之前，所述方法还包括：

基于所述电极(2、3)彼此接触的点的数据来对点(SV₁)进行确定，所述点(SV₁)为所述移动电极(3)移动的速度(V₀)下降到所述移动电极(3)移动的速度(V₁)的点；

将所述移动电极(3)以速度(V₀)带到所述成对的电极(2、3)中的另一电极(2)，而不使所述电极(2、3)彼此接触；

将所述移动电极(3)移动的速度降低到速度(V₁)。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，从所述电极(2、3)彼此接触的所述基点(S_base)到所述移动电极(3)以速度(V₁)开始移动的点的坐标的所述距离A还包括：与各个所述待焊接的部件(14)之间的最大可能间隙相等的距离。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，从所述电极(2、3)彼此接触的所述基点(S_base)到所述移动电极(3)以速度(V₁)开始移动的点的坐标的所述距离A还包括：与所述待焊接的部件(14)沿所述移动电极(3)的轴线的最大位移相等的距离。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，从所述电极(2、3)彼此接触的所述基点(S_base)到所述移动电极(3)以速度(V₁)开始移动的点的坐标的所述距离A还包括：与所述待焊接的部件(14)的最大可能厚度相等的距离，所述待焊接的部件(14)适于安装在工具(15)中，所述工具(15)在焊接期间对所述待焊接的部件(14)进行保持。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述工作周期期间对所述第一压缩力(F₁)进行校正。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述焊枪(1)校准期间对所述第一压缩力(F₁)和所述第二压缩力(F₂)进行预设。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述速度(V₀)等于所述焊枪的所述移动电极的所述线性致动器(5)的最大速度。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述移动电极(3)接触所述待焊接的部件(14)处的所述点(S_touch)的坐标的限制值是根据最大允许帽件磨损来设置的。

10.根据权利要求1至9中的任一项所述的方法，其中，所述移动电极的所述线性致动器(5)被实施为具有滚柱丝杠驱动件或滚珠丝杠驱动件的机电致动器。

11.根据权利要求1至9中的任一项所述的方法，其中，所述移动电极的所述线性致动器(5)被实施为线性电动机。

12.根据权利要求1至9中的任一项所述的方法，其中，所述位置传感器(7)被实施为编码器或解析器。

13.根据权利要求10或11所述的方法，其中，所述控制器(9)被布置在机电致动器中。

14.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述焊枪包括另外的力传感器(12)，所述另外的力传感器(12)被配置成：对在所述电极(2、3)上产生的力进行感测。