中频点焊及伺服焊枪控制技术

ABBChongqingSeminar4/29/2020王华东ABB新技术交流会重庆2008.09中频点焊及伺服焊枪控制技术©ABBRobotics-2点焊在汽车生产中的应用•发动机•变速箱•车桥•车架•车身•车厢汽车的六大总成都离不开焊接技术的应用：在上述六大总成的各种焊接方法投资费用中，点焊约占75％，其他焊接方法只占25％。其中车身作为点焊应用最重要的总成件，点焊设备更是占其全部电阻焊设备的90％以上。©ABBRobotics-3全球经济对汽车设计及制造提出了新的要求一项研究数据表明：燃油消耗的50%是由汽车的重量引起，当整车质量减轻10%，汽车的燃油经济性可提高3.8%，CO2排放量减少4.5%。车身的轻量化技术是现代汽车技术发展的一大主流。另一项研究项目表明：使用轻质高强材料可以将车身减重25%。目前，高强钢的使用约占车身总用钢量的30%左右，而这个比例还将进一步扩大。新型高强度材料的应用虽然降低了汽车自重，但是也给连接技术及质量控制技术带来了一系列问题。而新型的伺服焊枪和中频逆变直流控制器能够很好的解决这个问题。伴随全球环境和能源危机的日益加剧，新一代汽车设计及制造面临的重要问题是：节能减排©ABBRobotics-4ChallengebyNewMaterials新材料的挑战•Zinc-coatedsteel涂锌钢板•Aluminium铝合金•High-strengthsteel高强度钢板•Copperandsteel铜和钢•3-4sheets多层焊•Projectionsonsheet凸焊...howcantheybewelded?怎样才能完美地焊接？©ABBRobotics-5ChallengebyNewMaterials新材料的挑战Highenergyinput高能量输入Parameterswithinsmalltoleranceband小的参数公差Electrodewear电极磨损要求？Currentsourcewith电流源Higherpower更高的能量Exactadjustmentofparameters精确的参数调整Dynamicalregulation可以动态调整Decreasethermalandmechanicalstressofelectrodes减少电极的热量和机械压力解决之道:Servo&MediumFrequency伺服中频©ABBRobotics-6Othervariantdrivingforces其他不同的驱动因素Layout,cycletimeandproductionoutput平面布置，生产节拍和产量要求：机器人小型化，焊钳轻量化，焊接节拍及效率提高解决途径：伺服中频焊钳的使用©ABBRobotics-7伺服焊接及中频逆变控制技术的市场占有P+AC60%P+MFDC6%E+AC7%E+MFDC27%在欧洲，中频点焊机器人使用量早已超过40%，而在中国，这个比例也在逐年稳步提高。从ABB的业务市场可以看到，截至目前，中频逆变控制技术占机器人点焊总使用量33％，伺服焊接技术占34％左右©ABBRobotics-8SpotWeldingapplication–Processdemand点焊应用-工艺要求•Typeofsheet板材类型•Numberofsheets板层数•Processneed工艺要求•Force压力•Current电流•Dutycycle负载•Weldingtechnique焊接方法Whyvariantswithinoffer?同一个订单多种焊钳•ACwelding•MFDCwelding©ABBRobotics-9Solutionfor应用于：•Galvanizedsheets镀锌板•High-strengthsteel高强度钢板•Aluminium铝合金板•3-sheetwelding3层板焊接•Weldinggunswithwidethroat大喉宽焊钳•ACwelding交流焊接•MFDCwelding中频直流焊接•“Continius“energyapplied持续高能量•Transformersaresmallerandlighter变压器更小更轻•Thecurrentregulationisfasterandmoreaccurate电流调整更快更精确SpotWeldingapplication–MFDCWeldingtechnique点焊应用-中频焊接方法©ABBRobotics-10MFDCWeldingTheory中频焊接原理•MainssymmetricalLoad负载均匀•Transformerweightanddimensions变压器体积小©ABBRobotics-11MFDCWeldingTheory中频焊接原理•Compactpulseform紧凑的脉冲形式•Nocurrentpeaks没有电流峰值•Noinductivelosses没有感应损耗•Nounnecessarycooltimes没有多余的冷却时间•Regulationwithin1msec调整小于1毫秒©ABBRobotics-12MFDCWeldingBenefits中频焊接优点•Compactpulseform紧凑的脉冲形式•Noinductivelosses没有感应损耗•Regulationwithin1msec小于1毫秒的调整•Nocurrentpeaks没有电流峰值•Nounnecessarycooltimes没有多余的冷却时间Higherpower更高的能量Dynamicalregulation动态调整Decreasethermalandmechanicalstressofelectrodes减少电极的热量和机械压力MF/DCWeldinghelpstocut:减少􀁺OperationCost操作成本􀁺InvestmentCost投资成本􀁺QualityCost质量成本©ABBRobotics-13MF/DCWelding:OperationCost操作成本•Reductionofthermalandmechanicalstressofelectrodes减少电极的热量和机械压力•Nocurrentpeaks没有电流峰值•Noalternatingmagneticalfield没有交互磁场Electrodelifeisincreasedby30...50%电极寿命增加30–50%•Higherefficiencyofcomponents更高的设备效率•HigherefficiencyofMFtransformerMF变压器效率更高•Noreactivelossesofsecondarycircuit没有次级电路的电抗损耗Energysavingby25...32%节能©ABBRobotics-14MF/DCWelding:EnergyConsumption能耗•能耗：W=U*I*t=P*t©ABBRobotics-15MF/DCWelding:EnergyConsumption能耗•能耗：W=U*I*t=P*t©ABBRobotics-16MF/DCWelding:WeldTime焊接时间•能耗：W=U*I*t=P*t©ABBRobotics-17MF/DCWelding:EnergyBalance能量对比•能耗：W=U*I*t=P*t©ABBRobotics-18MF/DCWelding:EnergyBalance能量对比Consumption次级100%68...75%如果考虑功率因素，在初级的能量利用率，交流为逆变技术的60%，交流实际耗电为9.63*10-3kVAh，所以在初级的节能效果将为5.392*10-3kVAh©ABBRobotics-19MF/DCWelding:EnergySaving节能Energysavingperspot:每点节能5.392*10-3kVAh20.000spots/day点数/天6days/week天数/星期48weeks/year星期数/年Energysavingperyear:每年节能31058kVAhRMB0.65perkVAhSavingofenergycost:节省的能源消耗20187RMBForeveryweldingstationperyear每年每焊接工位©ABBRobotics-20MF/DCWelding:InvestmentCost投资成本•Currentconsumption2,7timeslessperphase电流消耗每相少2.7倍Smallercablesrequired较细的电缆Nominalpowerofsupplycanbereduced减少电源的功率•Symmetrical3phaseloadofmains对称的初级三相负载Nocompensationequipmentrequired不需要补偿设备•Transformerweightanddimensionsreducedby60%变压器的重量和尺寸减少60%•Transformercanbesituatednexttoelectrodes变压器可以和电极连成一体Nosecondarycablesrequired不要求次级电缆•Reductionofgunweight减少焊枪重量Smallerrobotcanbeused可使用较小的机器人©ABBRobotics-21MF/DCWelding:QualityCost质量成本•Exactadjustmentofweldingparameters焊接参数的精确调整•Dynamicalregulation动态调整(20timesfasterthanwith50Hz)•Adaptiveregulation自适应的调整Betterspotquality更佳的焊点质量•Nooverheatofmaterial没有材料过热•Lessspatter较少的飞溅Nocleaningafterweldrequired焊接后不需清理©ABBRobotics-22新材料的挑战－－先进高强钢在车身中的应用2005年先进高强钢在汽车工业用钢中的比例为12%，预计2015年这一比例将增至50%。在某轻量化项目PNGV（PartnerShipforaNewGenerationofVehicles）中，车身质量减少了40%，平均每百公里油耗可由9L降至3L。在超轻车体中，双相钢（DP）占了车体总质量的74.3%，总计162.25kg。在日本，2003年双相钢已占汽车用钢总量的45%以上，预计到2008年可达60%。以热镀锌双相高强钢为代表的先进高强钢已成为汽车制造中应用前景最为看好的轻量化材料之一。©ABBRobotics-23新材料的挑战－－先进高强钢在车身中的应用先进高强钢中碳与微量元素的含量低，一般不产生淬火组织或夹杂物，由于双相钢的高强度性能使塑性温度区间变窄，为获得同样的塑性变形需要较大的电极压力，这导致合适的焊接工艺范围变窄。而且，由于钢板内部组织特性，电阻点焊过程中焊点内部冷却速度的不均会产生气孔等缺陷，从而导致焊点熔核区强度低于母材强度，出现焊点熔核界面的断裂。其次，生产中双相钢点焊常采用强规范，电极磨损因此加快，还容易发生飞溅和压痕过深，造成焊接质量的不稳定。针对上述质量问题，基于伺服焊枪的高强钢点焊质量控制方法目前有两种伺服驱动系统应用于点焊枪上：气动伺服和电动伺服。©ABBRobotics-24Servogunbasics电动伺服焊钳基本特点Hi-liftworkstrokeF(weld)F(t)vel.(t)gunclosingtimeel.forcebuild-upweldingtimesqueezetimeSynchronizerobotandgunmovement机器人与焊钳同步协调运动，大大提高生产节拍Synchronizeforcebuildupandheatduringweldprocess焊接中压力与热量同步增长，更可靠保证焊