GP50車(chē)身伺服同步控制系統的設計

本文介紹了一種高精度的伺服同步控制系統的設計，該系統采用PLC作為控制單元，采用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)實(shí)現PLC之間以及PLC和伺服控制器之間的通信，該系統操作方便、定位精度高，能快速實(shí)現生產(chǎn)過(guò)程中的夾具升降功能。

上汽通用五菱西部車(chē)身車(chē)間GP50線(xiàn)是我公司第一條乘用車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)，也是第一條可實(shí)現多種車(chē)型切換生產(chǎn)的焊裝線(xiàn)，其設計凈產(chǎn)能為40JPH。其中主夾具質(zhì)量高達2.8t，主夾具切換要求快速、定位精度誤差小，需要用3臺升降機將主夾具從空中下降到生產(chǎn)線(xiàn)上使用，3臺普通電動(dòng)機的升降電氣控制系統達不到同步精度生產(chǎn)要求，也無(wú)法獲得達標的焊接質(zhì)量，并且將來(lái)的運行及維護成本較高。普通的電動(dòng)機斷電后還會(huì )因為自身的慣性再轉一會(huì )，然后停下；而伺服電動(dòng)機和步進(jìn)電動(dòng)機能瞬間響應動(dòng)作，但是步進(jìn)電動(dòng)機存在失步現象。

設計的功能要求

GP50生產(chǎn)線(xiàn)的生產(chǎn)節拍為40臺/min，除去輸送線(xiàn)的車(chē)體工位輸送時(shí)間，主夾具的開(kāi)、關(guān)夾時(shí)間以及工人的焊接時(shí)間，升降機的一個(gè)升降循環(huán)周期需要控制在16s內。升降機的負載大，主夾具加上氣缸、電控元器件質(zhì)量約為3t。3臺升降機的升降同步定位精度要達到1mm。GP50生產(chǎn)線(xiàn)設計為一條可實(shí)現多種車(chē)型切換的柔性生產(chǎn)線(xiàn)，主夾具要求能實(shí)現快速切換。

設計方案

該生產(chǎn)線(xiàn)優(yōu)化設計升降機布置如圖1所示，將3臺升降機的控制與主夾具上各夾具的控制分開(kāi)，設獨立的升降機控制柜，以利于主夾具的切換及各夾具控制。

圖1 升降機布置圖

本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/201612/330144.htm升降機生產(chǎn)過(guò)程的工藝動(dòng)作為：升降機拖著(zhù)主夾具在輸送線(xiàn)上方2200mm處等待→焊接車(chē)身輸送到位→升降機下降至零點(diǎn)→下位安全鎖緊→主夾具關(guān)夾→焊接→主夾具開(kāi)夾→升降機拖著(zhù)主夾具上升至2200mm處等待，依次循環(huán)。

主夾具切換的工藝動(dòng)作為：升降機拖著(zhù)主夾具從2200mm處上升至3390mm處→EMS小車(chē)吊掛鎖緊主夾具→升降機下降至2200mm處→EMS小車(chē)將此主夾具移栽至指定存儲區→EMS小車(chē)將另一套需要的主夾具移栽至輸送線(xiàn)上方→升降機上升至3390mm處→EMS小車(chē)吊掛釋放主夾具→升降機下降至2200mm→主夾具切換完成。休息及停產(chǎn)時(shí)升降機必須下降至零點(diǎn)處。

該生產(chǎn)線(xiàn)引進(jìn)SEW伺服電動(dòng)機及伺服控制系統（見(jiàn)圖2），利用一臺SEW MOVIPLC通過(guò)內部的S-BUS總線(xiàn)通信協(xié)議控制3臺SEW MDX61B0370-503-4-00伺服控制器，每臺控制器各控制一臺SEW交流異步伺服電動(dòng)機。SEW MOVIPLC再通過(guò)DeviceNet通信協(xié)議作為羅克韋爾ControlLogix PLC的子站運行。

圖2 伺服控制系統控制架構

3臺交流異步伺服電動(dòng)機中第1臺為主機，第2、3臺采用同步跟隨的方式升降，動(dòng)作指令由羅克韋爾ControlLogix PLC發(fā)給SEW MOVIPLC，SEW MOVIPLC執行內部的同步控制邏輯，實(shí)施反饋升降機狀態(tài)及位置。

采用以上設計及生產(chǎn)運行監控有諸多優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現了位置、速度和力矩的閉環(huán)控制，克服了步進(jìn)電動(dòng)機失步的問(wèn)題；高速性能好，一般額定轉速能達到2000～3000r/min；抗過(guò)載能力強，能承受3倍于額定轉矩的負載，特別適用于對有瞬間負載波動(dòng)和要求快速起動(dòng)的場(chǎng)合；低速運行平穩，低速運行時(shí)不會(huì )產(chǎn)生類(lèi)似于步進(jìn)電動(dòng)機的步進(jìn)運行現象，適用于有高速響應要求的場(chǎng)合；電動(dòng)機加減速的動(dòng)態(tài)響應時(shí)間短，一般在幾十毫秒之內；發(fā)熱和噪聲明顯降低。

軟件介紹及監控

SEW PLC是一個(gè)完整的用于邏輯控制器的開(kāi)發(fā)系統，它具有功能強的語(yǔ)言結構，符合IEC國際標準。SEW PLC易于進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)，就像Visual C++一樣，具有高級語(yǔ)言編程系統的開(kāi)發(fā)環(huán)境，可為編輯器的操作和調試功能設置模式。

所有的項目數據存在一個(gè)有項目名稱(chēng)的文件中，一個(gè)新項目的第一個(gè)POU，系統會(huì )自動(dòng)地給定名稱(chēng)“MAIN”，這是程序的起點(diǎn)（在C程序中，這是一個(gè)主函數）。從這里開(kāi)始，用戶(hù)可以調用其他的POUs（程序，功能塊和函數）。

SEW PLC區分一個(gè)項目中的三種不同目標：POUs、結構和可視化元素。利用這些目標，用戶(hù)可以創(chuàng )建自己的項目。在目標表中，用戶(hù)可以看到項目目標。圖3為PLC軟件程序編輯畫(huà)面，說(shuō)明了變量表及其狀態(tài)、輸出變量、輸入變量以及PRG為應用程序塊。

在聯(lián)機工作方式時(shí)，所有可顯示的變量都從控制器中讀出，并以實(shí)時(shí)方式顯示，可以在聲明和程序編輯器中看到；也可從監視和接收管理器和可視化設備中讀出變量的當前值。若要監控功能塊的實(shí)例變量，應首先打開(kāi)相應的實(shí)例，如圖3中的功能塊為第一臺升降機的運動(dòng)控制功能塊。

伺服控制器的參數可通過(guò)SEW鍵盤(pán)盒DBG60B輸入，也可以通過(guò)MOVITOOLS操作軟件輸入，此軟件功能強大，用戶(hù)界面簡(jiǎn)單，只需輸入運用所需的工藝參數，不必進(jìn)行復雜的程序設計，不需要編制程序的經(jīng)驗，也不需要長(cháng)時(shí)間的培訓，能快速完成工程設計和啟動(dòng)。

現場(chǎng)操作及維護

此系統在升降機旁設計安裝一臺觸摸屏（HMI）用于顯示升降機的狀態(tài)和操作升降機。

整個(gè)系統的狀態(tài)總覽，可以查看整個(gè)系統中每個(gè)控制區域的狀態(tài)，包括自動(dòng)、手動(dòng)和升降機的聯(lián)動(dòng)、單動(dòng)模式、異常狀態(tài)和急停等，當各個(gè)區域處于某種操作模式或者正常時(shí)，它所對應的圖框為綠色顯示；某個(gè)區域異?；蚓o急停止時(shí)，所對應的圖框以紅色表示；其他狀態(tài)都顯示為灰色。

升降機參數可查看每臺升降機的速度、當前位置（包括脈沖數、毫米高度）和故障代碼等參數。另外在夾具切換時(shí)，當系統需要裝載夾具時(shí)，在自動(dòng)運行狀態(tài)下點(diǎn)擊“設定密碼”右邊的圖框輸入操作密碼后，圖框顯示為綠色，按下“升降機裝載治具”按鈕，則升降機會(huì )從與主線(xiàn)無(wú)干涉的等待位置上升至裝載位置，從TRV吊具裝載治具，然后返回至與主線(xiàn)無(wú)干涉的等待位置，等待主線(xiàn)信號載入治具生產(chǎn)。當按下“升降機卸載治具”按鈕時(shí)，升降機從與主線(xiàn)無(wú)干涉的等待位置上升，將夾具返送回TRV吊具，然后升降機空載返回至與主線(xiàn)無(wú)干涉的等待位置，這樣能夠更容易地實(shí)現分散控制的理念。

升降機載入治具工作完成后，需確認所有工作人員已經(jīng)離開(kāi)與光柵干涉的區域，并確認設備無(wú)異常，然后按下“工作完成確認”按鈕，升降機安全銷(xiāo)將自動(dòng)打開(kāi)，升降機載出治具至與主線(xiàn)無(wú)干涉的等待位置。

SEW伺服控制器DI00為控制器的使能輸入端子，高電平控制器有使能輸出，當DI00變?yōu)榈碗娖綍r(shí)控制器輸出端立即被禁止，控制器沒(méi)有任何輸出并且伺服電動(dòng)機立即抱閘。當升降機使能處于開(kāi)或閉狀態(tài)時(shí)，左側對應的圓圈顯示為綠色。每個(gè)升降機均有兩個(gè)鎖緊裝置，分別在升降機的下方和中間位置，可以查看每個(gè)升降機各個(gè)位置鎖緊裝置的打開(kāi)/關(guān)閉狀態(tài)。

當系統運行過(guò)程中有故障或者警報發(fā)生時(shí)，故障或者報警信息會(huì )在HMI上以列表形式顯示。“C”狀態(tài)代表故障或者報警信息已被激活，“D”狀態(tài)代表故障或者報警已被取消，“A”狀態(tài)代表故障或者報警信息已被確認。我們可以通過(guò)報警信息畫(huà)面查看當前的報警信息，排查故障。

此系統最關(guān)鍵的技術(shù)就是升降機的同步，當升降機不同步、產(chǎn)生高度差或當升降機水平需要重新調整時(shí)，可進(jìn)入升降機水平調整畫(huà)面操作，首先需要將升降機的安全銷(xiāo)打開(kāi)，按照“手動(dòng)模式→進(jìn)入維修模式→脫離同步→調整開(kāi)始”，3臺升降機將自動(dòng)調整到平均高度值處，水平調整好后指示綠燈亮起，表示調整完成，然后按照“脫離維修模式→升降機1、2、3使能開(kāi)→進(jìn)入同步→自動(dòng)模式→升降機全自動(dòng)”，可恢復同步。調整完成后，需要把升降機手動(dòng)升降至2200mm或零點(diǎn)位置。

升降機會(huì )因為長(cháng)時(shí)間使用或天氣變化等原因會(huì )出現機械部件的彈性變形，從而引起升降機零點(diǎn)失效。這時(shí)可通過(guò)HMI升降機零點(diǎn)檢測畫(huà)面操作恢復，首先將升降機手動(dòng)同步降到零點(diǎn)位置，選擇自動(dòng)偏差檢測或者手動(dòng)偏差檢測，3臺升降機零點(diǎn)檢測完成后，會(huì )顯示出偏差值。讀取后的數值，與現有的數據進(jìn)行比較；若需要調整時(shí)，將自動(dòng)在下方指示出哪臺升降機需要調整及需要調整的方向，如“升降機2原位置需要上升調整”指示燈為綠色時(shí)，代表升降機2需要進(jìn)行調整。操作“零點(diǎn)坐標修正”完成修正后：操作“回新零點(diǎn)位置”按鈕，升降機將自動(dòng)回歸到新的零點(diǎn)坐標。

系統優(yōu)點(diǎn)和效益

此伺服同步控制系統滿(mǎn)足了設計產(chǎn)能要求，升降電氣控制系統達到了同步精度生產(chǎn)要求，獲得了達標的焊接質(zhì)量；柔性化生產(chǎn)，能快速實(shí)現主夾具的切換，縮短時(shí)間，提高了設備的使用率；縮短了新車(chē)型試生產(chǎn)周期；縮短了系統安裝周期，保證了項目進(jìn)度；系統構架簡(jiǎn)單清晰，模塊化設計，應用技術(shù)簡(jiǎn)單易學(xué)，友好的操作界面操作方便，易于維修和操作人員學(xué)習掌握；變頻器在正常使用過(guò)程中無(wú)需經(jīng)常維護，在設備檢修時(shí)可以檢查安裝變頻器的開(kāi)關(guān)柜防護情況，保證變頻器的散熱條件和電源線(xiàn)及變頻器和電動(dòng)機之間電纜絕緣情況正常，檢查通信線(xiàn)控制線(xiàn)及編碼器線(xiàn)連接可靠，屏蔽正常。

結語(yǔ)

通過(guò)近幾個(gè)月的生產(chǎn)，GP50伺服同步控制系統運行穩定、安全可靠、故障率低且方便維護，得到了廣泛肯定。同時(shí)此伺服控制系統精度高、高速性能好、適應性強、發(fā)熱和噪聲低并且電動(dòng)機加減速的動(dòng)態(tài)響應時(shí)間短，對于節拍要求高、精度誤差小且負載大的生產(chǎn)線(xiàn)非常實(shí)用，值得推廣。由于這是我公司首次使用精度要求這么高的控制系統，我們對它的設計原理、應用范圍、實(shí)用性和安全性等掌握理解還需要深入，很多方面有待進(jìn)一步探討研究，使此控制系統能更好地服務(wù)于汽車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)。(end)