电源融合型机器人——TAWERS

图1  TAWERS的外观

松下推出的融合型弧焊专用机器人TAWERS，通过“融合”特性，实现了高速、高品质和低飞溅的焊接，在汽车制造领域内，具有不可忽视的竞争实力。

目前中国汽车制造业正在飞快发展，厂家为提高生产能力，不断将手工作业向机器人化推进，同时,为了拉开和其他公司的差距而进行的投资十分活跃。汽车在不断追求安全、快适、节能的前提下，对焊接位置的要求越来越高，焊接品质的可靠性也越来越重要，机器人焊接也在不断追寻高品质化、高效化之路。

松下公司在不断追求完美焊接的前提下，不断推陈出新，从最初的机器人和手工焊接电源通过模拟指令，以“连接”方式构建的焊接机器人系统，到行业内首先推出机器人和焊接电源之间通过串行接口通信，以“结合”方式构建的焊接机器人系统，最近又推出了打破焊接电源和机器人界限的融合型弧焊专用机器人TAWERS。TAWERS的“融合”特性为其带来了卓越性能，在追求高速、高品质焊接的行业领域内得到了很高的评价。下面就以汽车行业为主，介绍一下TAWERS及其相关应用案例。

TAWERS的基本构成

TAWERS的外观如图1所示。机器人本体部分采用高速、高刚性的TA系列本体；控制装置和普通电源分离型不同，在机器人控制器下部内置了焊接电源单元，进行波形控制的“大脑”安装在上面的机器人控制器中。从机器人角度来看，该电源单元相当于外部轴伺服放大器，操作和送丝机放大器、关节轴、外部轴的操作相同。

在电源单元中搭载了该级别的世界上速度最快的100kHz超高速逆变单元，即便在脉冲模式下，它的功率也能达到350A、60%的负载率，而电源单元的尺寸却比以往的全数字电源缩小了1/3。另外，电源单元位置首次采用了防尘结构，大大提高了环境适应性及可靠性。

图2  硬件配置

 TAWERS控制部分的硬件构成如图2所示：焊接控制板对焊接波形进行实际控制，由机器人的主CPU板通过总线直接控制。该焊接控制板上装载有数字信号处理器（Digital Signal Processor，简称DSP），用软件来控制焊接波形。各个CPU之间总线相连，直接访问内存进行通信，如果现行的全数字电源和机器人之间通信速度为1的话，则该速度将达到250，也就是说，相同数据量情况下，它的通信速度能快250倍，或者相同时间内能够传送250倍量的数据，从而，其具有了各种全数字焊机所不具备的优点。

TAWERS的主要特征

TAWERS是电源融合型机器人，机器人直接控制焊接波形，实现“全软件控制”。从而带来了非常的优良的焊接性能。

1. 新型短路波形控制SP-MAG

SP-MAG是基于在较低电流域实现高速、低飞溅焊接理想上开发出来的波形控制方法。图3所示为SP-MAG焊接法的原理。“SP-MAG”是指短路结束后焊接电流迅速重叠（图中阴影部分）。使用该重叠的电流提高焊丝头部的熔融速度，再次引弧后能量重叠，使得焊丝头部形成熔滴。焊丝头部提前形成充分熔滴后可以顺利过渡到下一个短路，同时也缩短了短路周期。

图3  SP-MAG原理

另外，同时进行的还有二次开关控制。该控制是指机器人检测短路的发生和结束，在短路发生和结束的瞬间迅速降低电流，这样就减少了微小短路的发生以及保险丝的崩断效果。

这种新型短路波形控制法SP-MAG具备以下优点：

（1）通过和二次开关控制的抑制飞溅效果相乘，可实现飞溅的极小化；

（2）实现了稳定的短路周期及短周期化，能够创造出适合高速焊接的电弧；

（3）由于可以将电压捆绑使用，容易控制对母材的入热。

由以上优点可看出，SP-MAG是最适合薄板焊接的波形控制法。

2. 新型脉冲控制HD-Pulse

图4是原来的脉冲焊接和“HD-Pulse焊接”电流波形的一个模式对比。

图4  HD-Pulse的电流波形

以往的脉冲焊接，当弧长变短后发生短路的时机就会变得不稳定，因而不仅在波谷期间，在波峰期间也会发生短路。由于在波峰期间电流较大，会产生保险丝崩断效果而引发大颗粒飞溅。“HD-Pulse”是在波峰期间向波谷期间过渡的时机内控制发生短路，同时通过独有的颈部检测计算可以正确检测、计算出短路结束前的“时机”。在该“时机”内再通过二次开关控制，降低短路结束时的电流，从而降低保险丝崩断效果来实现降低飞溅。

这种新型HD-Pulse焊接具备SP-MAG的优点，同时还可以抑制咬边情况的发生。

3. 提升起弧和提升收弧功能

这两种功能是“融合”带来的新功能。提升起弧是指焊丝在带电状态下先低速向母材移动，当接触到母材的一瞬间机器人迅速提起焊枪，在焊丝端部和母材之间形成一个小间隙，从而引弧成功。由于提升起弧功能不靠焊丝尖端和母材接触产生飞溅（保险丝崩断效果）来保证起弧，因而可以大大减少起弧时飞溅的发生，另外对于以往难于起弧的材质，其起弧效果也非常理想。

图5  座椅骨架焊接应用案例

提升收弧功能是指焊接结束时的处理功能。它通过机器人提升焊枪可以防止焊丝粘连。焊接输出停止后，机器人迅速提升焊枪，这对缩短节拍非常有效。

4. 自动调整焊丝干伸长功能

利用和电弧传感相类似的高度跟踪，通过焊接电流和电压计算出干伸长，机器人始终保持该干伸长一致的运行动作。由于TAWERS的所有焊接信息都保存在机器人内部，因此无需添加其它硬件设施，只需添加该软件即可实现该功能。

5. 焊接品质管理功能

TAWERS还准备有能够记录监视焊接结果的高级选配软件——焊接品质管理工具。

（1）焊接监视功能

该功能不仅能够监视焊接电流和焊接电压，还能够监视短路频率、脉冲频率、送丝速度以及送丝电机的电流值（送丝阻力）等。

（2）表格显示功能

该功能是指将焊接电流、焊接电压等各种焊接信息在示教器上用波形来显示的功能，可以实现和简易示波器相媲美的波形观测。

（3）焊接记录功能

该功能可以记录焊接相关信息，如日期、时间、程序名和示教点名，另外还有平均电流、平均电压、送丝速度以及脱离设定范围的情况等信息，可以作为生产管理以及品质管理的数据库加以使用。

图6  液压变矩器上盖焊接案例

TAWERS在汽车零部件中的应用实例

如果能够灵活使用TAWERS的焊接性能的话，便可适用于多种汽车零部件的焊接。下面介绍一下几个案例。

1. 汽车门框加强板焊接应用案例

管、板相连的裙边部分，焊接时容易发生焊穿，另外用户对飞溅的要求也比较苛刻。对于这部分的焊接，采用SP-MAGⅡ焊接法，可大幅减少飞溅，杜绝焊穿，另外焊接速度也提高到原来的1.5倍。

2. 座椅骨架焊接应用案例

如图5所示，汽车座椅骨架的焊缝短而且多，用户要求起弧性能可靠，且飞溅少的高品质焊接。以前在焊接后道工序需设专人去除飞溅，而使用TAWERS的SP-MAGⅡ后，实现了高速低飞溅焊接。

3. 液压变矩器上盖焊接应用案例

图6是液压变矩器上盖和安装件的焊接案例。由于该件是驱动部分的重要零部件，因此焊接时要求可靠的熔深及低飞溅。对该零件，采用TAWERS的HD-Pulse焊接法，实现了足够的熔深，飞溅很低。

 4. 汽车低位手臂焊接应用案例

图7是汽车悬挂装置的低位手臂焊接案例。对悬挂系统部件的焊接要求无咬边、无焊穿、焊接稳定和飞溅较低。采用TAWERS脉冲MAG焊接后，速度可达1m/min，焊缝外观良好，飞溅较低。

图7  低位手臂焊接案例

TAWERS的扩展

TAWERS不仅具备适用于汽车零部件焊接的各种功能、特长以及新焊接法，此外，通过增加、变更软件，逐步推出各种革命性波形控制法，实现用户需求，成就了不断进化的TAWRES。

图8  TAWERS-TIG焊枪原理

1. TAWERS-TIG

TAWERS-TIG是在标准TAWERS机器人上配备专用填丝焊枪，再添加新软件，即可实现各种改变以往焊接常识的功能。新开发的TIG填丝焊枪利用电弧分流作用可将焊丝预热，大幅提高熔敷效率，可将焊速提高1倍左右，是一款适合高生产性要求的汽车零部件行业。图8是专用TIG焊枪原理图。

2. TAWERS-MIG

标准TAWERS上配备MIG专用单元及MIG软件即可实现高品位铝MIG焊接，具有以下特点：1.使用3个送丝电机，实现高精度、稳定的送丝。2.采用提升起弧，实现稳定的起弧效果。3.具备低脉冲焊接功能，还可进行摆动同步低脉冲焊接。焊接板厚不一样的工件时控制焊接规范和摆动相同步，既能实现充分熔深，又不至于焊穿，实现漂亮的焊道外观。

图9   夹套式导电嘴的结构

TAWERS-HEAT工法

“HEAT”是英文“High Efficiency Advanced Tip”的缩写，含义是“高效率革新性导电嘴”。HEAT工法是指在导电嘴尖端加上绝缘陶瓷嘴，再加上新开发的夹套式导电嘴，来人为增加焊丝干伸长，从而提高熔敷效率的功能。

1. HEAT工法的原理

当加长焊丝干伸长后，伸出的焊丝电阻值R增大，通过电流I后，I2Ｒ变大。焊丝被加热，其效果是在同等电流情况下提高了熔敷量。如果要求的熔敷量相同的话，可以降低电流值，减少对母材入热，防止产生咬边。在焊接有间隙焊缝或焊接裙边焊缝时效果很好。另外，确保同等焊道宽度时，可以提高焊接速度。该到点嘴具有降低电流、减少能耗的优点。在使用以往的导电嘴时，如果单纯增加焊丝干伸长的话，会引起焊丝指偏，对焊丝供电不稳定，另外还需根据干伸长设定不同的焊接规范。

图10  HEAT工法熔敷量对比

因此，Panasonic开发出这种具备新型导电结构的导电嘴（夹套式导电嘴），使得这种工法得以顺利实现。

2. 新开发的夹套式导电嘴

图9是夹套式导电嘴的结构示意图。

 夹套式导电嘴由导电嘴本体和插入本体中的用于供电的夹套构成。强行供电结构是指从后部压紧夹套，通过导电嘴端部的斜面使夹套收紧，从而强行供电的结构。

采用该结构，使得供电位置固定在夹套端部，夹套虽然不断磨损，电流变化却极小，另外，夹套将焊丝抱紧，抑制了焊丝的指偏，从而大幅度提高焊接品质。

另外，由于夹套端部一直和焊丝接触，在导电嘴内部就不会产生调电火花，这样就延长了导电嘴的寿命（约延长3～5倍），减少了更换导电嘴的时间，另外也节省了资源。

3.HEAT工法的施工案例

图10是提高熔敷量的施工案例。330A、1.2m/min的焊接条件下，HEAT工法能比原来工法提高约33%的熔敷量。

使用原来工法焊接板厚1.2mm管件相贯线时，由于工件的不稳定性，焊丝指向偏向哪块板，哪块板就会产生焊穿。而使用HEAT-SPMAG工法时，由于提高了焊丝的熔敷量，即便焊丝有一定偏差，但熔融金属在两个管件之间架起“桥梁”，防止了焊穿的发生。

由此可见，SP-MAG的HEAT工法是适用于薄板焊接的优良工法，非常适用于座椅骨架、仪表盘支架的焊接。图11是薄板相贯线的无焊穿、低飞溅稳定焊接案例。

图11  薄板相贯线焊接应用案例

由于HEAT工法能够增加30%～40%的熔敷量，因此可以抑制咬边的发生，并且可以提高焊接速度。再配上高电流域具备优良焊接性能的HD-Pulse的进化版焊接法，特别适用于减震器、车架等较厚板的焊接。图12是HEAT-HD-Pulse工法的对比案例。

图12  HEAT-HD-Pulse工法对比案例

以上介绍的就是融合型TAWERS机器人的技术。TAWERS在日本上市已经有3年多的时间，以汽车行业为中心，TAWERS正在在全球进行推广，并且根据用户的需求，TAWERS也在不断进化。

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