專利名稱：伺服點焊控制系統和焊接工件的方法
背景技術：
1.發明領域本發明涉及一種包括機械手和多個電極以有效地將一對工件焊接在一起的伺服點焊控制系統。本發明還涉及將一對工件焊接在一起的方法。
2.相關技術在焊接領域公知有多種焊接控制系統。美國第5111019號專利公開了一種焊接控制系統的例子。更具體地說，‘019號專利公開一種用于電阻點焊的焊接控制系統。一對變壓器和一對點焊槍連接到機械手的機械腕上。每個焊槍有一對電極，包括一固定電極和一活動電極。一流體驅動氣缸，例如空氣氣缸，用來在焊接過程中驅動活動電極的移動。
‘019號專利沒有公開使用伺服電機驅動活動電極。由于多種原因伺服電機比氣缸更理想。首先，工件壓力可被更精確地控制，使焊接質量更高，損壞工件更少。此外，伺服電機通常比氣缸操作更快，這降低了總的循環周期。另一個原因是伺服電機沒有連接氣動排氣裝置，因而比氣缸更安靜。‘019號專利也沒有公開使用單個變壓器和控制器來排序在電極之間的電流。單個變壓器減少機械手臂的重量并減少整個系統的成本。
美國第5313040號專利公開了焊接控制系統的另一個例子。‘040號專利也公開了一種用于電阻點焊的焊接控制系統。多個焊槍安裝在固定位置上，同一時刻只能進行一次焊接。‘040號專利沒有公開具有多個電極并安裝到可在許多不同位置和方向上控制并操作的機械手上的焊槍。與在固定位置安裝多個焊槍相比，在機械手上安裝焊槍提供了更大的靈活性。
美國第5340960號專利公開了焊接控制系統的最后一個例子。‘960號專利也公開了一種用于電阻點焊的伺服焊接控制系統。該系統包括機械手、焊槍、機械手控制器和伺服電機。焊槍具有單對電極，一固定電極和一活動電極。伺服電機驅動唯一的活動電極。‘960號專利沒有公開焊槍或控制器上的多對電極以及為多對電極上的電流排序的方法。具有多對電極可以改善循環周期，因為機械手不需要經常移動就可完成多點焊接。另外，焊槍上具有多對電極可以降低在單一位置處對多點焊接控制系統的依賴性。
由于上述焊接控制系統所存在的缺陷，可引入一種具有更快循環周期、更少設備成本、更大靈活性、改進的焊接質量和減少對工件損壞的焊接控制系統。
發明概數和有益效果本發明提供一種伺服點焊控制系統及將一對工件有效焊接在一起的方法。該系統包括機械手和焊槍。焊槍可在工件周圍移動，并且安裝在機械手上。焊槍包括至少兩對電極，每對電極包括一固定電極和一活動電極。第一伺服電機可操作地連接到一活動電極上，第二伺服電機可操作地連接到另一活動電極上。這種配置允許單獨控制每個活動電極。第一伺服電機在一對電極之間夾持工件，第二伺服電機在另一對電極之間夾持工件。系統還包括變壓器。變壓器提供流經電極對的電流，來將工件焊接在一起。該系統還包括控制器，來排序電極對之間的電流。
本發明的方法利用該伺服點焊控制系統將工件焊接在一起。該方法包括移動機械手將焊槍置于工件周圍的步驟。電流由變壓器供給第一和第二活動電極。工件夾在焊槍上的第一對電極之間。這使得電流流經第一活動電極、工件和第一固定電極來形成第一次點焊。工件從第一對電極的夾持下釋放出來。釋放過程中，電流不能流過。工件夾在焊槍上的第二對電極之間。在第二對電極之間夾持工件時不需要機械手額外移動。于是夾持使電流流經第二活動電極、工件和第二固定電極。結果形成了第二次點焊，然后工件從第二對電極的夾持中釋放以阻止電流流動。應當理解，機械手能夠在第一次點焊和第二次點焊之間輕微移動焊槍。例如，這可出現在焊接彎曲工件時。
本發明的伺服點焊控制系統和方法與相關技術相比，具有多個優勢。該系統和方法提供了比安裝在機械手上并只有一對電極的伺服焊槍更快的循環周期。能取得更快的循環周期是由于機械手在每次獨立點焊之間無需重新定位。該系統和方法也提供了更小的設備成本。本領域的技術人員將會理解，在規定的循環周期內完成點焊通常需要兩個完整的現有點焊系統、兩個機械手并且每個機械手具有一對電極。在本發明中，只需一個伺服點焊控制系統就可完成與現有技術的兩個系統完成的相同數量的點焊。該系統和方法還改進了焊接質量并減少了工件損壞。驅動電極的伺服電機對工件施加非常精確和受控的壓力。這和流體驅動氣缸驅動的電極提供的點焊相比，會得到更好的點焊質量。另外，驅動電極的伺服電機可以提供位置和壓力反饋、機械手的同步運動和完整的電極運動范圍。最后，由單一變壓器給多個電極提供電流，降低了機械手的負載，使機械手能在點焊之間以更快的加速度移動。這些更快的加速度允許更短的循環周期，以獲得更好的生產率。
附圖簡要說明通過參考下面的詳細描述并結合附圖，將易于更好理解本發明的其他優點。
圖1是本發明伺服點焊控制系統的透視圖；圖2A是具有兩對電極的焊槍和與電極電連接的變壓器的透視圖；圖2B是圖2A中兩對電極的放大透視圖；圖2C是具有兩對電極的焊槍和將電流導向其中一對電極的開關的透視圖；圖2D是具有兩對電極的焊槍和與兩對電極電連接的變壓器的透視圖；圖3A是控制器、兩個伺服電機、兩對電極和一對工件的示意圖；圖3B是圖3A所示的夾持工件的一對電極的示意圖；圖4A是控制器、兩個伺服電機、兩對電極、引導電流的開關和一對工件的示意圖；圖4B是圖4A所示的夾持工件的兩對電極的示意圖，電流只通過其中一對電極；圖5A是一個焊槍的示意圖，一固定電極已損耗且和工件不接觸；圖5B是一個焊槍的示意圖，一固定電極已損耗且焊槍位置已調整以使兩個固定電極都能和工件接觸；和圖6是具有三對電極的焊槍透視圖。
優選實施方式的詳細描述參考附圖，在所有幾幅圖中相同的數字表示相同或相應的部分，伺服點焊控制系統通常用10表示。本發明的焊接控制系統10用于有效地將一對工件12焊接在一起。
參考附圖1，焊接控制系統10包括機械手14。機械手14可在工件12附近移動。優選機械手14有一基座16、可操作地連接在基座16上的許多臂18和可操作地連接在臂18上的腕20。然而，應當理解，不包括所有這些部件的替代性機械手，也可以和本發明焊接控制系統10結合使用。
焊接控制系統10還包括焊槍22。焊槍22安裝在機械手14上。優選地，焊槍22安裝在機械手14的腕20上。然而，應當理解，在其他實施例中焊槍22可被安裝在機械手14上的替代部件上。
現在參考圖2A，焊槍22包括至少兩對電極24。每對電極24包括一固定電極26和一活動電極28。第一伺服電機30可操作地連接到其中一個活動電極28上，用以在其中一對電極24之間夾持工件12(未在圖2A示出)。第二伺服電機32可操作地連接到另一活動電極28上，用以在另一對電極24之間夾持工件12。優選第一伺服電機30和第二伺服電機32安裝在焊槍22上。然而，應當理解，在其他實施方式中第一和第二伺服電機30、32可安裝在替代位置，包括不在機械手14上的位置。
焊槍22更具體地在圖2B中示出。現在參考圖2B，至少兩對電極24進一步定義為第一對電極34和第二對電極36。第一對電極34包括第一活動電極38和第一固定電極40。第二對電極36包括第二活動電極42和第二固定電極44。第一伺服電機30可操作地連接到第一活動電極40上，用以夾持在第一對電極34之間的工件12，第二伺服電機32可操作地連接到第二活動電極42上，用以夾持在第二對電極36之間的工件12。伺服電機30、32可以相互獨立操作。
再次參考圖2A，變壓器46用來給電極對24提供電流。在本發明中，變壓器46和兩對電極24電連接。因此，即使本發明的焊槍22引入多對電極24，也只需要一個變壓器。優選變壓器46是降壓型變壓器，即變壓器46降低電壓并提高供給它的電流強度。這就導致電流強度很高。這種電流適合于點焊。電流流經電極對24將工件12焊接在一起。優選變壓器46安裝在焊槍22上。然而，應當理解，變壓器46也可安裝在遠離焊槍22的替代位置。參考圖2D，也應理解，至少另一個變壓器47可以用來為電極對24提供電流。在這種情況下，每對電極24將由各自的變壓器46、47提供電流。
再次參考圖1，系統10進一步包括控制器48。控制器48為各對電極24之間的電流排序。因此，每次電流僅流過一對電極24并且每對電極24可以獨立控制。
為說明目的，電流排序用兩個實施例來說明。參考圖3A，電流存在于所有的活動電極38、42內。然而，直到其中一個活動電極38、42夾持工件12從而形成一個完整的回路時，電流才能通過。為了實現這個目標，可操作地連接到第一和第二伺服電機30、32上的控制器48選擇驅動第一和第二伺服電機30、32。這夾持了任一個活動電極38、42，以有選擇地轉換電極對24之間的電流。
現在參考圖3B，為說明這個過程，如果在焊槍22的一個位置需要兩次焊接，第一伺服電機30驅動第一活動電極38來夾持工件12，這樣允許電流通過并形成一次焊接。接著，控制器48驅動第一伺服電機30來縮回第一活動電極38。這就切斷了電流。接著，第二伺服電機32驅動第二活動電極42夾持工件12，這樣允許電流通過并形成另一次焊接。最后，控制器48驅動第二伺服電機32來縮回第二活動電極42。
參考圖4A，在第二實施例中，開關50可操作地和控制器48相連。開關50置于變壓器46和電極34、36之間，用來有選擇地在每對電極34、36之間切換電流。如圖4B所示，當開關50引導電流到第一對電極34或第二對電極36時，兩對電極34、36可以同時夾緊。因此，當第一對電極34焊接工件12時，第二對電極36可以夾持工件12，反之亦然。
現在回到圖1，最優選控制器48進一步限定為機械手控制器52和獨立于機械手控制器52的焊接控制器54。機械手控制器52可操作地連接到機械手14上并專門用于在工件12附近移動機械手14。機械手控制器52也可操作地連接到伺服電機30、32上，用于伸出或縮回活動焊頭28。參考圖4A和4B，機械手控制器52還可以與至少兩個壓力傳感器64可操作地連接，用來傳感每對電極24之間的夾緊壓力。優選至少兩個壓力傳感器64置于活動電極28內，然而，應當理解，至少兩個壓力傳感器64也可置于不同位置。機械手控制器52還可以與至少一個電流傳感器64可操作地連接，用來傳感流經每對電極24的電流。優選至少一個電流傳感器64置于變壓器46的高電位第二終端。然而，本領域技術人員將會理解，至少一個電流傳感器64也可安置在幾個其他位置，包括變壓器的初級端。機械手控制器52還可以與至少一個電壓傳感器可操作地連接，用來傳感電極對24之間的電壓。優選至少一個電壓傳感器從活動電極28和固定電極26得到讀數。然而，本領域技術人員將會理解，在其他位置得到電壓讀數也是可以接受的。機械手控制器52還可以與至少一個位移傳感器可操作地連接，至少一個位移傳感器能夠在點焊過程中測量活動電極28相對工件12的移動。
焊接控制器54和變壓器46電氣連接并專用于為變壓器46提供電流。盡管最優選具有兩個控制器48、機械手控制器52和與機械手控制器52分離的焊接控制器54，可以理解，控制器48可與機械手14、伺服電機30、32、至少兩個壓力傳感器64、至少一個電流傳感器68、至少一個電壓傳感器、至少一個位移傳感器和變壓器46電氣連接來完成所有必需的功能。
機械手控制器52包括可編程軟件來控制機械手14和第一及第二伺服電機30、32的運動。軟件可以基于電極24的損耗程度自動調整機械手14和第一及第二伺服電機30、32的運動。如圖5A中定向的焊槍22，左側的固定電極26正常而右側的固定電極26已損耗。這就導致一種不希望有的情況，即一個固定電極26和工件12相接觸而另一個固定電極26和工件12不接觸。如果右側活動電極28在這個方向被驅動，活動電極28將彎曲并損壞工件12，現在參考圖5B，軟件已對焊槍22的位置和方向進行了自動調整，這些調整使兩個固定電極26都能和工件12相接觸。另外，軟件還調整活動電極28的運動以維持工件12上適當的壓力。
本領域技術人員熟知軟件的另一方面是“均衡”。均衡的過程確保焊頭對24在工件12兩側產生的壓力相等。如圖5B所示，即使當焊槍已為不平整的焊頭損耗作過自動調整，本發明的軟件還提供了均衡的方法。
另外，軟件可以使用代表來自至少兩個壓力傳感器64的夾緊壓力的信號。軟件基于這些信號自動調整每對電極24之間的夾緊壓力。
軟件也可以使用代表來自至少一個電流傳感器68的電流的信號。電流傳感器68對該領域技術人員也是公知的，如電流互感器，“CT”，環形線圈或環形室。為了提供改進的點焊，軟件自動調整供給電極對24的電流量。另外，本領域技術人員可以理解，也許需要安裝如上述的電壓或位移傳感器的附加傳感器來測量其他特征，特征包括但不局限于電壓和位移。從這些傳感器來的信號和來自電流傳感器的信號結合使用可使焊接時間自動調整。
特別需要注意進行點焊時不合適的夾緊壓力和不合適的電流量所造成的后果。如果夾緊壓力太低，電極對24將不能限制熔融金屬。結果，熔融金屬的“噴濺”將會發生，造成劣質點焊。嚴重情況下，噴濺將導致工件12穿孔。點焊產生過多熱量時也會發生噴濺。過熱通常是由于供給了電極24太多的電流。當供給工件12過大壓力或過少電流時會產生點焊時熱量不夠。當熱量不足時，工件12之間就形成虛焊。
應當理解，焊槍22上可以有多于兩對的電極24。參考圖6，至少兩對電極24進一步限定為包括具有第三活動電極58和第三固定電極60的第三對電極56。第三伺服電機62可操作地與第三活動電極58連接，用以夾持第三對電極56之間的工件12(未在圖6示出)。控制器48(未在圖6示出)可操作地與第一、第二和第三伺服電機30、32、62相連來驅動第一、第二和第三伺服電機30、32、62。在一個實施例中，通過一次只夾持工件12附近的一對電極24，控制器12有選擇地排序每對電極34、36、58之間的電流。在另一個實施例中，多個開關可操作地與控制器12相連并電氣配置在變壓器46和電極24之間，用以選擇轉換在每對電極24之間的電流。優選第一、第二和第三伺服電機30、32、62安裝在焊槍22上。然而，應當理解，在其他實施例中，第一、第二和第三伺服電機30、32、62也可安裝在替代位置。
如同常規的伺服控制點焊槍，該系統也包括利用傳感器和軟件來控制流過電極對24的電流，電流分布曲線作為時間和/或壓力的函數。這種控制可以確保焊接過程得到優化以產生堅固的點焊，并使之具有最好的強度特性和可靠性。
很明顯，根據上述教導本發明可進行許多修改和變形。在所附權利要求范圍內的具體描述之外，也可實施本發明。
權利要求
1.一種伺服點焊控制系統，用以有效地將一對工件焊接在一起，所述系統包括在工件周圍移動的機械手；安裝在所述機械手上的焊槍，所述焊槍包括至少兩對電極，每對電極包括一固定電極和一活動電極；可操作地連接到一所述活動電極的第一伺服電機，用以夾持一對所述電極之間的工件；可操作地連接到另一所述活動電極的第二伺服電機，用以夾持另一對所述電極之間的工件；變壓器，用以提供流經所述電極對來將工件焊接在一起的電流；和控制器，排序所述電極對之間的電流。
2.如前述權利要求1的系統，其中所述控制器可操作地連接到所述第一和第二伺服電機，以驅動所述第一和第二伺服電機并有選擇地在每個所述電極對之間切換電流。
3.如前述如權利要求1的系統，還包括一開關，可操作地連接到所述控制器并置于所述變壓器和所述電極對之間，以有選擇地在每個所述電極對之間切換電流。
4.如前述權利要求1的系統，其中所述第一伺服電機和所述第二伺服電機安裝在所述焊槍上。
5.如前述權利要求1的系統，其中所述變壓器安裝在所述焊槍上。
6.如前述權利要求1的系統，其中所述機械手具有基座、可操作地連接到所述基座上的多個臂和可操作地連接到所述臂上的腕，其中所述焊槍安裝在所述腕上。
7.如前述權利要求1的系統，其中所述控制器進一步限定為機械手控制器和獨立于機械手控制器的焊接控制器，其中所述機械手控制器可操作地連接到所述機械手上，用以在工件周圍移動所述機械手并可操作地連接到所述伺服電機上，用以伸出或縮回所述活動焊頭，所述焊接控制器與所述變壓器電氣連接，來為所述變壓器提供電流。
8.如前述權利要求1的系統，其中所述至少兩對電極進一步限定為第一對電極和第二對電極，其中所述第一對電極包括第一固定電極和第一活動電極，所述第二對電極包括第二固定電極和第二活動電極。
9.如前述權利要求8的系統，其中所述第一伺服電機可操作地連接到所述第一活動電極，用以夾持所述第一對電極之間的工件，所述第二伺服電機可操作地連接到所述第二活動電極，用以夾持所述第二對電極之間的工件。
10.如前述權利要求9的系統，其中所述至少兩對電極進一步限定為包括具有第三活動電極和第三固定電極的第三對電極。
11.如前述權利要求10的系統，進一步包括可操作地連接到所述第三活動電極上的第三伺服電機，用以夾持所述第三對電極之間的工件。
12.如前述權利要求11的系統，其中所述控制器可操作地連接到所述第一、第二和第三伺服電機，以驅動所述第一、第二和第三伺服電機并有選擇地在每個所述電極對之間切換電流。
13.如前述權利要求10的系統，還包括多個開關，可操作地連接到所述控制器上并置于所述變壓器和所述電極之間，用以有選擇地在每個所述電極對之間切換電流。
14.如前述權利要求11的系統，其中所述第一、第二和第三伺服電機安裝在所述焊槍上。
15.如前述權利要求7的系統，其中所述機械手控制器包括可編程軟件，用以控制所述機械手與所述第一和第二伺服電機的運動。
16.如前述權利要求15的系統，其中基于所述至少兩對電極的損耗程度，所述軟件自動調整所述機械手與所述第一和第二伺服電機的運動。
17.如前述權利要求15的系統，還包括至少兩個壓力傳感器，用來傳感每對電極之間的夾持壓力。
18.如前述權利要求17的系統，，其中所述機械手控制器與所述至少兩個壓力傳感器可操作地連接，并且所述可編程軟件調整夾持壓力以提供改進的點焊。
19.如前述權利要求15的系統，還包括至少一個電流傳感器，用來傳感流經所述電極對的電流。
20.如前述權利要求19的系統，其中所述機械手控制器與所述至少一個電流傳感器可操作地連接，并且所述可編程軟件調整電流量以提供改進的點焊。
21.如前述權利要求1的系統，還包括至少一個附加變壓器，使所述至少兩對電極中的每對電極從獨立的變壓器中獲得電流。
22.一種將一對工件焊接在一起的方法，采用一種伺服點焊控制系統，所述系統包括機械手、第一伺服電機、第二伺服電機、變壓器、控制器和安裝在機械手上的焊槍，焊槍包括第一對和第二對電極，第一對電極包括第一固定電極和第一活動電極，第二對電極包括第二固定電極和第二活動電極，所述方法包括步驟移動機械手將焊槍置于待焊接工件周圍；由變壓器為第一和第二活動電極提供電流；在焊槍上的第一對電極之間夾持工件，以允許電流通過第一活動電極、工件和第一固定電極，形成第一次點焊；將工件從第一對電極的夾持中釋放以切斷電流；不需要機械手額外移動地在焊槍上的第二對電極之間夾持工件，其中所述夾持允許電流通過第二活動電極、工件和第二固定電極，以形成第二二次點焊；和將工件從第二對電極的夾持中釋放以切斷電流。
23.如前述權利要求22的方法，其中移動機械手的步驟進一步限定為由于第一和第二固定電極的損耗而自動調整焊槍方向。
24.如前述權利要求22的方法，其中在第一對電極之間夾持工件的步驟進一步限定為驅動第一伺服電機來伸出第一活動電極并在工件上施加壓力。
25.如前述權利要求24的方法，其中驅動第一伺服電機的步驟進一步限定為由于第一固定電極的損耗而自動調整第一活動電極的伸出。
26.如前述權利要求24的方法，其中伺服點焊控制系統還包括可操作地連接到控制器的第一壓力傳感器，驅動第一伺服電機的步驟進一步限定為基于第一壓力傳感器測量的夾持壓力，自動調整第一活動電極的伸出。
27.如前述權利要求22的方法，其中在第二對電極之間夾持工件的步驟進一步限定為驅動第二伺服電機來伸出第二活動電極并在工件上施加壓力。
28.如前述權利要求27的方法，其中驅動第二伺服電機的步驟進一步限定為由于第二固定電極的損耗，通過軟件自動調整第二活動電極的伸出。
29.如前述權利要求24的方法，其中伺服點焊控制系統還包括可操作地連接到控制器的第二壓力傳感器，驅動第二伺服電機的步驟進一步限定為基于第二壓力傳感器測量的夾持壓力自動調整第二活動電極的伸出。
30.如前述權利要求22的方法，其中將工件從第一對電極的夾持中釋放的步驟進一步限定為驅動第一伺服電機來縮回第一活動電極。
31.如前述權利要求22的方法，其中將工件從第二對電極的夾持中釋放的步驟進一步限定為驅動第二伺服電機來縮回第二活動電極。
32.如前述權利要求22的方法，其中伺服點焊控制系統還包括電流傳感器，所述方法進一步包括基于電流傳感器測量的電流，自動調整焊接時間的步驟。
全文摘要
一種伺服點焊控制系統(10)和將一對工件(12)有效焊接在一起的方法。該系統包括可在工件(12)周圍移動的機械手(14)、焊槍(22)、伺服電機(30、32)、變壓器(46)和控制器(48)。焊槍(22)安裝于機械手(14)上，并包括至少兩對電極(24)。每對電極(24)包括一固定電極(26)和一活動電極(28)。伺服電機(30、32)可操作地連接在活動電極(28)上。控制器(48)驅動機械手(14)將其移動到位。控制器(48)也驅動伺服電機(30、32)來夾持工件(12)，且有選擇地排序來自變壓器(46)的電流，以在工件(12)上形成復合點焊。
文檔編號B23K11/11GK1753754SQ200480001929
公開日2006年3月29日 申請日期2004年1月8日 優先權日2003年1月9日
發明者弗蘭克·加爾扎, 杰森·蔡, 哈迪·A·阿克爾, 布拉德·尼德奎爾 申請人:美國發那科機器人有限公司