气动点焊伺服焊枪实验平台及故障模式研究.pdf

机械制造 苏国强， 等 气动点焊伺服焊枪实验平台及故障模式研究 气动点焊 伺服 焊枪实验平 台及故障模式研究 苏国强， 李小宁， 滕燕 南京理工大学 机械工 程学院 ， 江苏 南京 2 1 0 0 9 4 摘要 为 了对某新型 气动点焊伺服 焊枪 系统进 行故障诊 断研 究， 设计 了与其 功能相似 的模拟 实验平 台。通过 对不 同故障点位和元 器件 失效设 置的 实验模 拟 ， 观 测 系统运行 ， 分析 系统潜在 的故 障模 式以及快速处理对策 。最后通过 建 立故障树 的形 式 ， 对 气动 点焊伺服 焊枪 的主要故 障模 式进行 了研 究分析。 关键词 气动点焊伺服焊枪 ； 故障模式 ； 故障树分析 中图分类号 T G 4 3 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 1 - 5 2 7 6 2 0 1 2 0 2 - 0 0 3 7 - 0 4 Re s e a r c h o n Ex p e r i me nt Pl a t f o r m a nd Fa i l ur e M o de o f Pn e uma t i c Sp o t - we l d i ng Se r v e Gu n s u G u o ． q i a n g ，L I Xi a o n i n g。T E NG Ya n S c h o o l o f Me c h a n ic a l E n g i n e e r i n g ，N a n j i n g Un iv e r s it y o f S c ie n c e a n d T e c h n o lo g y ， N a n j i n g 2 1 0 0 9 4 ， Ch i n a Ab s t r a c t I n o r d er t o s t u dy t h e f a i l u r e mo d e o f t h e p ne u ma t i c s er v o s p o t - we l d i n g gu n s y s t e m，t h e ex p e r i me n t pla t f o r m is d e s i g n ed ． By t h e s imu l a t ion o f e xp e r ime n t a l pla t f o r m，t h e an s wer s t o t h e main f a i lur e mo d es a r e f ou n d ou t ．Fi n a l ly，t h is p a p er d es cr i b e s t h e ma i n f a i l u r e mo d e o f t h e pn eu ma t ic s e r v o s p o t we ldi n g gu n s ys t e m ，an d i ll u s t r a t e s t h e b u i ldi n g f a ult t r e e pr o c e s s． Ke y wo r ds pn e u ma t i c s p o t we l d i n g s er v o g u n；f a i l u r e mo d e；f a u n t r ee a na ly s i s 0 前 言 传统气动点焊焊枪是目前汽车车身焊装的主要设备， 但 存在诸多缺点， 例如 焊接循环周期过长， 生产效率难以突破， 不能适应多车系、 不同板材厚度、 不同金属材质的焊接等。 气动点焊伺服焊枪具有电极力可变可控、 焊接周期短以 及电极与焊件之间软接触等优点， 在现代汽车制造工业中应 用越来越多， 将逐步取代传统气动点焊焊枪。但气动点焊伺 服焊枪系统设计复杂， 各阀体与控制器为集成一体式， 这对 其维护和故障分析及排除带来了不便。南京某汽车生产商 新建的汽车生产线， 大约采用了2 0 0多台新型气动点焊伺服 焊枪， 如此大规模的应用， 若其中一台焊枪出现故障， 将直接 影响焊接的生产节拍和流程， 从而造成严重的经济损失。因 此， 进行迅速排查和及时处理工作过程中出现的故障将尤为 重要。 目前国内外对新型焊枪的研究较少 ， 缺乏相关故 障排 查处理的技术资料 ， 因此对气动点焊伺服焊枪进行故障模式 和故障快速处理技术的研究， 对于保证汽车高效、 高品质生 产至关重要， 有着重要的应用价值和研究意义。 1 气动点焊伺服焊枪 新型气动点焊伺服焊枪集气动伺服元件、 管路通道、 控制器于一体， 包括焊枪电极运动伺服控制系统和焊枪平 衡控 制系统 ； 焊枪 的运 动及参数 均 由机 器人 控制器 或者 上位机 P L C 控制和设置。两者通信通过 I n t e r b u sS总 线形式实现， 焊枪的控制器是总线通信的最底层“ I N T E R B U S 远程总线设备终端” 。气动点焊伺服焊枪控制系 统如图 1 所示 ， 主要硬件组 成部 件为伺服阀 、 比例压力 阀 、 集成气缸 内部集成位置传感器、 压力传感器、 排气阀、 截 止阀 、 紧急停止阀 ES t o p阀 、 平衡气缸以及控制器组 成。比例压力阀是用于控制平衡气缸； 伺服阀控制集成气 缸， 实现焊枪电极运动以及伺服焊接力。 位置传感器 紧急停止闷比例压力阀 图 1 气 动点 焊伺服焊枪控制示意 图 2 气动点焊伺服焊枪模 拟实验 平台 2 ． 1 模拟 实验 平台电气 控制 回路 为Tx ,t 气动点焊伺服焊枪的故障模式进行研究， 搭 作者简介 苏 国强 1 9 8 6 ～ ， 男， 山东泰安 人， 硕士硕 究生 ， 研 究方 向为气 动技 术及机 电一体化 。 Ma c h in e B u i l d i n g口 Au t o m a t io n ， a p t 2 0 1 2， 4 1 2 3 7～ 4 D， 6 J 3 7 机械制造 苏国强， 等 气动点焊伺服焊枪实验平台及故障模式研究 建了一个离线的、 功能相似的模拟实验平台， 通过对不同故 障点位和元器件失效设置， 观测系统运行 ， 分析系统潜在的 故障模式以及快速处理对策。模拟实验平台的电气控制 回 路如图2所示； 模拟平台采用比例流量阀代替实际伺服 阀 实际伺服阀为三位三通中位封闭型 ， 信号检测主要为气缸 两腔压力和活塞位移， 经 A ／ D转换后反馈至计算机。 三 三曼 薹薹 簿 l l_ 翊 昏 1 一 比例流量 阀I ； 2 一 比例流量阀Ⅱ； 3 ～ 截止阀 I； 4 ～ 截止 阀 lI； 5 一 气缸 ； 6 一位移传感器 7 一 压力 传感器 I； 8 一 压力传感器 Ⅱ 9 一E S t o p 阀； 1 0 一排气阀Ⅱ； 1 1 一排气阀 I 图 2 模 拟实验平 台电气 控制 回路 2 ． 2主要实现功 能 实验平台的主要实现功能为焊接力伺服控制、 位置伺 服控制、 紧急停止、 缓 冲实验等。位置伺服控制分别包括 R位 焊枪电极缩回时的位置 、 M位 电极 中间停止时的 位置 、 V位 焊 接 时的 位置 ， 如 图 3所 示 。缓 冲实验 即 在焊枪电极行至接近焊接某一位置时， 以缓慢速度行至焊 接位置， 实现电极与焊件的软接触 ， 避免由于冲击碰撞对 焊件 和焊接 电极造 成损 伤 。紧急停止 功能 是 当系统 出现 突发故障时， 立即使焊枪电极在原位置保持不动。 图 3 R， M ， V位示 意图 焊接 板材 实验模拟平台控制程序利用 L a b v i e w软件编制实现， 控制界面如图4所示 ； 内部控制程序 分别包括数据采集 程序、 数据处理程序、 信号输出程序 采用并行机制， 从而 提高了数据处理运算速度。系统焊接力伺服控制与位置 伺服控制算法均采用常规 P I D。 3 8 图 4 系统控制界面 实验 时 ， 通过 “ 手动／自动模 式选 择 ” 按键 选择 运行 模 式， 实现手动运行或系统自动模拟焊接。图 5为所有元器 件在正常工况时 ， “ 手动模式” 下实现四个点位焊接的过 程 系统参数 R位 、 M位 、 V位分 别设置 为 1 0 m m， 1 2 0 m m 和 1 9 5 m m ； 由图可知， 每一焊点焊接完毕后， 气缸的活塞 不必 回到 R位 ， 而是行 至 M位 ， 这样减少气缸 活塞行 程运 动时间， 提高了焊接效率。 g 鲁 糊 妲 20 l 5 l 0 5 4 0 0 3O0 Z 200 100 0 5 O 0 1 00 200 300 400 500 61 5 0 1 0 0 2 0 0 3 O 0 4 0 0 5 0 0 6l 5 t ／ 200ms 图 5 “ 手动模 式” 焊接 过程 3 故 障模式及故 障树分 析 3 ． 1 主要故 障模式 影响气动点焊伺服焊枪正常工作的因素主要有 3类 1 总线通信， 2 焊枪本身元器件， 3 人为因素。例如气 缸速度设置 过快 时 ， 气 缸在运行时会 出现 抖动现象 。由于 以上诸多因素的影响， 对于同一故障现象， 也许故障机理 则不相同。例如在焊接力伺服控制过程中， 如果伺服阀Ⅱ 出现故障 处于左位进气状态 ， 使气缸左腔进气产生一 定的背压 ， 则将导致焊接力无法达到设定值 ， 实验故障现 象如图6所示 ； 若在焊接力加载过程中， 排气阀 Ⅱ出现漏 气或者气缸进气腔外泄漏的故障情况， 也将会引起焊接力 h t t p ／ ／ Z Z HD． c h i n a j o u rna 1 ． n e t ． c n E - ma l l Z Z H Dc h a i n a j o u r n a 1 ． n e t ． e l l 机 械制造与 自动化 ． 机械 制造 - 苏国强 ， 等 气动点 焊伺服 焊枪 实验平 台及故障模式研 究 不足的故障， 实验故障现象如图7所示。 1 5O lo 0 奏 5 0 O 一 5 O l 00 8 O 6 O 端 4 0 2 O 0 0 25 5 0 7 0 1 0 0 1 25 1 5 0 1 7 5 20 0 2 22 f ， 200 m s 图 6 焊接力不足故障现 象一 0 20 4O 6O 8O l 0 0 l 1 8 t ／ 2OOms 图7 焊接力不足故障现象二 通过实验平台故障模拟以及综合焊接现场出现的故 障， 分析得出气动伺服焊枪无法正常工作的主要故障模式 有以下几类 伺服焊枪不工作、 气缸速度变慢或者爬行、 焊 接力不足或者无 焊接力 、 无法 实现 电极缓 冲软接触 、 平 衡 气缸反向动作、 平衡气缸不动作等。 3 ． 2 主要故 障模 式的故障树分析 为 了实现对伺 服焊枪 故障快速高效地排除与处理 ， 利 用故障树的分析方法 ， 对伺服焊枪主要故障模式引起的原 因进行细化逐级分析 ； 故障树分析法 f a u l t t r e e a n a l y s i s ， F T A ， 是一种将系统故障形成的原因由总体至部分按 树状逐级细化的分析方法。美 国故障树分析权威学者福 赛尔 J ． B ． F u s s e l 1 曾经指出， 故障树对确定复杂系统的安 全性和可靠性是极为适用 的 J 。 在建造故障树之前 ， 首先令系统的各个单元部件工作 相互独立， 以及气动管路接口无漏气失效。系统故障树如 图 8所示， 故障树以“ 气动伺服焊枪无法正常工作” 为顶 事件 ， 并 以 T表示 ， ； 顶 事件下一 级事件 为次级故 障模 式 ， 即系统的主要故 障模 式 。图中 ， E为 中间事件 ， X为 不可 再分事件， A为底事件， 具体含义如表 l 、 表2所示。 Ma c h i n e B u i l d i n g 8 Au t o m a ti o n ， ， 2 0 1 2， 4 1 2 3 7～4 0 ， 6 1 图8 气动伺服焊枪无法正常工作故障树 表 1 中间事 件与不可再分事件 表 2 底 事件 3 9 机械制造 苏国强 ， 等 气动点焊伺服焊枪 实验 平 台及故 障模 式研 究 a T 1 为伺服焊枪不工作。焊枪不工作共有两种故 障形式 1 系统通电初始阶段时， 伺服焊枪就不能工作 ； 2 在焊接循环过程 中 ， 系统 运行 某一程 序过 程 中不动作 。 前者引起 的原因 比较 多 ， 比如焊 枪运行 参数 设置 错误 、 系 统电源故障、 阀的故障等等。而后者引起的因素 ， 往往是 焊接过程中出现突发事件或者故障， 例如温度传感器检测 焊枪电极力温度超过工作温度范围， 必须使焊枪停止工 作。此故障树绘制时， 是以焊枪电极不能伸出实现焊接过 程的故障为例。 b T 2为气缸速度变慢或者爬行 。在气动控制系统 中影响气缸运动 速度 的因素大致有气 源压 力、 气缸摩擦力 的变化以及气缸进气流量以及排气节流 V I 面积等等。对 于气动点焊伺 服焊枪而言 ， 影响活塞运动速度 的因素还与 活塞速度设定值 ， 以及焊接钢板板厚数据设置有关。一般 汽车点焊焊接钢板厚度为 0 ． 8 mm， 若将此数值设置错误 设置值远远大于实际板厚 ， 则将导致系统在电极离焊 接位置 较远距离时 ， 就启动 “ 电极缓 冲软接 触 ” 程序 ， 从 而 引起气缸运动速度变慢； 此故障树绘制时， 是以焊枪电极 伸出时速度变慢或者爬行的故障为例。 c T 3为伺服焊接力不足或者无焊接力。焊接力是 影响焊接品质的一个重要因素， 伺服点焊焊枪出现“ 伺服 焊焊接力不足或者无焊接力” 这类故障可能是由于人为 因素 焊接力数值设置错误 、 压力传感器 I 失效 反馈信 号远远超出实际压力值 、 电极位置、 管路漏气以及气源 压力低等因素引起的。 对于由前两个因素引起的故障现象明显的区别 于后 几个因素引起 的故障； 前者可以完成各个点位的焊接过 程 ， 即虽然焊接力并非工程要求值 ， 但上位机根据程序判 断各点位焊接力符合设定目标， 因此焊枪不会停止后面程 序运行 ； 而后者则会 引起焊 接 电极 一直停 止在 焊接 位置 ， 直至实现设 置的伺服焊接力 ， 否则不会进入下个 程序动过 的运动 。 d r r 4为无法实现电极缓冲软接触。缓冲软接触即在焊 枪电极运行至焊接位置某一距离时， 以缓慢速度行至焊接位 置， 实现电极与焊件的软接触， 避免由于冲击碰撞对焊件和 焊接电极造成损伤。引起这一故障的原因主要有两个 1 由 于气缸排气侧节流口开度较大， 不能形成有效背压 ； 2 位置 传感器失效， 位置反馈信号小于实际活塞位移值。 e T 5为平衡 气 缸不 动作 。平衡 气 缸 是 由两个 比例 压力阀控制 ， 在点焊焊接 时通过 改变两腔 的压力使 焊枪 处 于浮动位置， 即焊接时重力平衡位置。若 系统在供 电电 源 、 比例 压力阀 、 总线 通信处于正常工况下 ， 影 响平衡气 缸 动作 内部 系统因素有两个 ， 1 焊枪 电极 是否运行至 V位 ； 2 平衡气缸两腔 压力的数据设置 。 f T 6为平衡气缸反向动作。对于在焊接过程中出现 平衡气缸反向动作， 大致有两个原因， 1 在日常检查维护 中或管路更换时， 将两个 比例阀输出口与平衡气缸对应两 腔接 口接反。2 人为数据设置不当。由于平衡气缸两腔 的压力 之和为 0 ． 9 MP a ， 若有 杆腔室压力设置 为 0 ． 4 MP a ， 则无杆腔压力 自动调整为0 ． 5 MP a 。 若平衡力数据设置错 误 ， 就会造成 平衡气缸 的反 向动作。 4 结论 为了研究气动点焊伺服焊枪系统的主要故障模式， 以及 寻求相应的快速处理对策 ， 首先搭建了一个元器件分离 的模 拟实验平台； 并基于此实验平台， 通过不同故障点位和元器 件失效的设置， 分析总结系统出现的故障； 最后本文以故障 树形式对主要故障模式进行了研究分析， 实现对故障的原因 快速定位与及时排除， 确保气动点焊伺服焊枪正常工作。 下转 第 6 1 页 上接第 3 6页 参考文献 [ 1 ]许 贤泽 ， 李 志明． 基于有 限元 分析 的钢质 压缩 天然气 气瓶设 计 [ J ] ． 机械设计 与制造 ， 2 0 0 0 ， 2 l 6 ． [ 2]潘 卫军 ． 钢 质压 缩天 然气 瓶式 压力 容器 的有 限元应 力分 析 [ J ] ． 科教 文汇 ， 2 0 0 7 ， 1 1 7 7 1 7 8 ． [ 3 ]马鸣图 ， 李志刚 ， 李红兵 ． 燃气汽 车气瓶用钢 的力学性 能研究 『 J ] ． 汽 车工艺与材料 ， 2 0 0 2， z 1 5 0 - 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