本文介紹了一種高精度的伺服同步控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)采用PLC作為控制單元，采用現(xiàn)場(chǎng)
總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)PLC之間以及PLC和伺服控制器之間的通信，該系統(tǒng)操作方便、定位精度高，能快速實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的夾具升降功能。
上汽通用五菱西部車身車間GP50線是我公司第一條乘用車生產(chǎn)線，也是第一條可實(shí)現(xiàn)多種車型切換生產(chǎn)的焊裝線，其設(shè)計(jì)凈產(chǎn)能為40JPH。其中主夾具質(zhì)量高達(dá)2.8t，主夾具切換要求快速、定位精度誤差小，需要用3臺(tái)升降機(jī)將主夾具從空中下降到生產(chǎn)線上使用，3臺(tái)普通電動(dòng)機(jī)的升降電氣控制系統(tǒng)達(dá)不到同步精度生產(chǎn)要求，也無(wú)法獲得達(dá)標(biāo)的焊接質(zhì)量，并且將來(lái)的運(yùn)行及維護(hù)成本較高。普通的電動(dòng)機(jī)斷電后還會(huì)因?yàn)樽陨淼膽T性再轉(zhuǎn)一會(huì)，然后停下；而伺服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能瞬間響應(yīng)動(dòng)作，但是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)存在失步現(xiàn)象。
設(shè)計(jì)的功能要求
GP50生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍為40臺(tái)/min，除去輸送線的車體工位輸送時(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(jī)的一個(gè)升降循環(huán)周期需要控制在16s內(nèi)。
升降機(jī)的負(fù)載大，主夾具加上氣缸、電控元器件質(zhì)量約為3t。3臺(tái)升降機(jī)的升降同步定位精度要達(dá)到1mm。GP50生產(chǎn)線設(shè)計(jì)為一條可實(shí)現(xiàn)多種車型切換的柔性生產(chǎn)線，主夾具要求能實(shí)現(xiàn)快速切換。
設(shè)計(jì)方案
該生產(chǎn)線優(yōu)化設(shè)計(jì)升降機(jī)布置如圖1所示，將3臺(tái)升降機(jī)的控制與主夾具上各夾具的控制分開(kāi)，設(shè)獨(dú)立的升降機(jī)控制柜，以利于主夾具的切換及各夾具控制。
圖1 升降機(jī)布置圖
升降機(jī)生產(chǎn)過(guò)程的工藝動(dòng)作為：升降機(jī)拖著主夾具在輸送線上方2200mm處等待→焊接車身輸送到位→升降機(jī)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(jī)拖著主夾具上升至2200mm處等待，依次循環(huán)。
主夾具切換的工藝動(dòng)作為：升降機(jī)拖著主夾具從2200mm處上升至3390mm處→EMS小車吊掛鎖緊主夾具→升降機(jī)下降至2200mm處→EMS小車將此主夾具移栽至指定存儲(chǔ)區(qū)→EMS小車將另一套需要的主夾具移栽至輸送線上方→升降機(jī)上升至3390mm處→EMS小車吊掛釋放主夾具→升降機(jī)下降至2200mm→主夾具切換完成。休息及停產(chǎn)時(shí)升降機(jī)必須下降至零點(diǎn)處。
該生產(chǎn)線引進(jìn)SEW伺服電動(dòng)機(jī)及伺服控制系統(tǒng)（見(jiàn)圖2），利用一臺(tái)SEW MOVIPLC通過(guò)內(nèi)部的S-BUS總線通信協(xié)議控制3臺(tái)SEW MDX61B0370-503-4-00伺服控制器，每臺(tái)控制器各控制一臺(tái)SEW交流異步伺服電動(dòng)機(jī)。SEW MOVIPLC再通過(guò)DeviceNet通信協(xié)議作為羅克韋爾ControlLogix PLC的子站運(yùn)行。
圖2 伺服控制系統(tǒng)控制架構(gòu)
3臺(tái)交流異步伺服電動(dòng)機(jī)中第1臺(tái)為主機(jī)，第2、3臺(tái)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(zhí)行內(nèi)部的同步控制邏輯，實(shí)施反饋升降機(jī)狀態(tài)及位置。
采用以上設(shè)計(jì)及生產(chǎn)運(yùn)行監(jiān)控有諸多優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)了位置、速度和力矩的閉環(huán)控制，克服了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)失步的問(wèn)題；高速性能好，一般額定轉(zhuǎn)速能達(dá)到2000～3000r/min；抗過(guò)載能力強(qiáng)，能承受3倍于額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，特別適用于對(duì)有瞬間負(fù)載波動(dòng)和要求快速起動(dòng)的場(chǎng)合；低速運(yùn)行平穩(wěn)，低速運(yùn)行時(shí)不會(huì)產(chǎn)生類似于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步進(jìn)運(yùn)行現(xiàn)象，適用于有高速響應(yīng)要求的場(chǎng)合；電動(dòng)機(jī)加減速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，一般在幾十毫秒之內(nèi)；發(fā)熱和噪聲明顯降低。
軟件介紹及監(jiān)控
SEW PLC是一個(gè)完整的用于邏輯控制器的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，它具有功能強(qiáng)的語(yǔ)言結(jié)構(gòu)，符合IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。SEW PLC易于進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)，就像Visual C++一樣，具有高級(jí)語(yǔ)言編程系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境，可為編輯器的操作和調(diào)試功能設(shè)置模式。
所有的項(xiàng)目數(shù)據(jù)存在一個(gè)有項(xiàng)目名稱的文件中，一個(gè)新項(xiàng)目的第一個(gè)POU，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)地給定名稱“MAIN”，這是程序的起點(diǎn)（在C程序中，這是一個(gè)主函數(shù)）。從這里開(kāi)始，用戶可以調(diào)用其他的POUs（程序，功能塊和函數(shù)）。
SEW PLC區(qū)分一個(gè)項(xiàng)目中的三種不同目標(biāo)：POUs、結(jié)構(gòu)和可視化元素。利用這些目標(biāo)，用戶可以創(chuàng)建自己的項(xiàng)目。在目標(biāo)表中，用戶可以看到項(xiàng)目目標(biāo)。圖3為PLC軟件程序編輯畫面，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(yīng)用程序塊。
在聯(lián)機(jī)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(jiān)視和接收管理器和可視化設(shè)備中讀出變量的當(dāng)前值。若要監(jiān)控功能塊的實(shí)例變量，應(yīng)首先打開(kāi)相應(yīng)的實(shí)例，如圖3中的功能塊
為第一臺(tái)升降機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制功能塊。
伺服控制器的參數(shù)可通過(guò)SEW鍵盤盒DBG60B輸入，也可以通過(guò)MOVITOOLS操作軟件輸入，此軟件功能強(qiáng)大，用戶界面簡(jiǎn)單，只需輸入運(yùn)用所需的工藝參數(shù)，不必進(jìn)行復(fù)雜的程序設(shè)計(jì)，不需要編制程序的經(jīng)驗(yàn)，也不需要長(zhǎng)時(shí)間的培訓(xùn)，能快速完成工程設(shè)計(jì)和啟動(dòng)。
現(xiàn)場(chǎng)操作及維護(hù)
此系統(tǒng)在升降機(jī)旁設(shè)計(jì)安裝一臺(tái)觸摸屏（HMI）用于顯示升降機(jī)的狀態(tài)和操作升降機(jī)。
整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)總覽，可以查看整個(gè)系統(tǒng)中每個(gè)控制區(qū)域的狀態(tài)，包括自動(dòng)、手動(dòng)和升降機(jī)的聯(lián)動(dòng)、單動(dòng)模式、異常狀態(tài)和急停等，當(dāng)各個(gè)區(qū)域處于某種操作模式或者正常時(shí)，它所對(duì)應(yīng)的圖框?yàn)榫G色顯示；某個(gè)區(qū)域異常或緊急停止時(shí)，所對(duì)應(yīng)的圖框以紅色表示；其他狀態(tài)都顯示為灰色。
升降機(jī)參數(shù)可查看每臺(tái)升降機(jī)的速度、當(dāng)前位置（包括脈沖數(shù)、毫米高度）和故障代碼等參數(shù)。另外在夾具切換時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)需要裝載夾具時(shí)，在自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下點(diǎn)擊“設(shè)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(jī)裝載治具”按鈕，則升降機(jī)會(huì)從與主線無(wú)干涉的等待位置上升至裝載位置，從TRV吊具裝載治具，然后返回至與主線無(wú)干涉的等待位置，等待主線信號(hào)載入治具生產(chǎn)。當(dāng)按下“升降機(jī)卸載治具”按鈕時(shí)，升降機(jī)從與主線無(wú)干涉的等待位置上升，將夾具返送回TRV吊具，然后升降機(jī)空載返回至與主線無(wú)干涉的等待位置，這樣能夠更容易地實(shí)現(xiàn)分散控制的理念。
升降機(jī)載入治具工作完成后，需確認(rèn)所有工作人員已經(jīng)離開(kāi)與光柵干涉的區(qū)域，并確認(rèn)設(shè)備無(wú)異常，然后按下“工作完成確認(rèn)”按鈕，升降機(jī)安全銷將自動(dòng)打開(kāi)，升降機(jī)載出治具至與主線無(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(dāng)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(jī)立即抱閘。當(dāng)升降機(jī)使能處于開(kāi)或閉狀態(tài)時(shí)，左側(cè)對(duì)應(yīng)的圓圈顯示為綠色。每個(gè)升降機(jī)均有兩個(gè)鎖緊裝置，分別在升降機(jī)的下方和中間位置，可以查看每個(gè)升降機(jī)各個(gè)位置鎖緊裝置的打開(kāi)/關(guān)閉狀態(tài)。
當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中有故障或者警報(bào)發(fā)生時(shí)，故障或者報(bào)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(bào)警信息已被激活，“D”狀態(tài)代表故障或者報(bào)警已被取消，“A”狀態(tài)代表故障或者報(bào)警信息已被確認(rèn)。我們可以通過(guò)報(bào)警信息畫面查看當(dāng)前的報(bào)警信息，排查故障。
此系統(tǒng)最關(guān)鍵的技術(shù)就是升降機(jī)的同步，當(dāng)升降機(jī)不同步、產(chǎn)生高度差或當(dāng)升降機(jī)水平需要重新調(diào)整時(shí)，可進(jìn)入升降機(jī)水平調(diào)整畫面操作，首先需要將升降機(jī)的安全銷打開(kāi)，按照“手動(dòng)模式→進(jìn)入維修模式→脫離同步→調(diào)整開(kāi)始”，3臺(tái)升降機(jī)將自動(dòng)調(diào)整到平均高度值處，水平調(diào)整好后指示綠燈亮起，表示調(diào)整完成，然后按照“脫離維修模式→升降機(jī)1、2、3使能開(kāi)→進(jìn)入同步→自動(dòng)模式→升降機(jī)全自動(dòng)”，可恢復(fù)同步。調(diào)整完成后，需要把升降機(jī)手動(dòng)升降至2200mm或零點(diǎn)位置。
升降機(jī)會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間使用或天氣變化等原因會(huì)出現(xiàn)機(jī)械部件的彈性變形，從而引起升降機(jī)零點(diǎn)失效。這時(shí)可通過(guò)HMI升降機(jī)零點(diǎn)檢測(cè)畫面操作恢復(fù)，首先將升降機(jī)手動(dòng)同步降到零點(diǎn)位置，選擇自動(dòng)偏差檢測(cè)或者手動(dòng)偏差檢測(cè)，3臺(tái)升降機(jī)零點(diǎn)檢測(cè)完成后，會(huì)顯示出偏差值。讀取后的數(shù)值，與現(xiàn)有的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較；若需要調(diào)整時(shí)，將自動(dòng)在下方指示出哪臺(tái)升降機(jī)需要調(diào)整及需要調(diào)整的方向，如“升降機(jī)2原位置需要上升調(diào)整”指示燈為綠色時(shí)，代表升降機(jī)2需要進(jìn)行調(diào)整。操作“零點(diǎn)坐標(biāo)修正”完成修正后：操作“回新零點(diǎn)位置”按鈕，升降機(jī)將自動(dòng)回歸到新的零點(diǎn)坐標(biāo)。
系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)和效益
此伺服同步控制系統(tǒng)滿足了設(shè)計(jì)產(chǎn)能要求，升降電氣控制系統(tǒng)達(dá)到了同步精度生產(chǎn)要求，獲得了達(dá)標(biāo)的焊接質(zhì)量；柔性化生產(chǎn)，能快速實(shí)現(xiàn)主夾具的切換，縮短時(shí)間，提高了設(shè)備的使用率；縮短了新車型試生產(chǎn)周期；縮短了系統(tǒng)安裝周期，保證了項(xiàng)目進(jìn)度；系統(tǒng)構(gòu)架簡(jiǎn)單清晰，模塊化設(shè)計(jì)，應(yīng)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(xí)掌握；變頻器在正常使用過(guò)程中無(wú)需經(jīng)常維護(hù)，在設(shè)備檢修時(shí)可以檢查安裝變頻器的開(kāi)關(guān)柜防護(hù)情況，保證變頻器的散熱條件和電源線及變頻器和電動(dòng)機(jī)之間電纜絕緣情況正常，檢查通信線控制線及編碼器線連接可靠，屏蔽正常。
結(jié)語(yǔ)
通過(guò)近幾個(gè)月的生產(chǎn)，GP50伺服同步控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠、故障率低且方便維護(hù)，得到了廣泛肯定。同時(shí)此伺服控制系統(tǒng)精度高、高速性能好、適應(yīng)性強(qiáng)、發(fā)熱和噪聲低并且電動(dòng)機(jī)加減速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，對(duì)于節(jié)拍要求高、精度誤差小且負(fù)載大的生產(chǎn)線非常實(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(tǒng)，我們對(duì)它的設(shè)計(jì)原理、應(yīng)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(tǒng)能更好地服務(wù)于汽車生產(chǎn)線。
