往復(fù)式輸送線

往復(fù)式輸送線在白車身主焊線中的應(yīng)用很普遍，其工作原理是輸送線整體抬升將工件抬離焊接工裝夾具及定位機構(gòu)，然后輸送線將線體上全部工位的工件輸送至下一個工位，之后輸送線整體下降，將線體上所有工件放置在工裝夾具及定位機構(gòu)上。輸送線還將繼續(xù)下降到垂直方向的原點位置，當(dāng)輸送線在原位的高度上時，輸送設(shè)備上的所有支撐脫離工件，處于不干涉狀態(tài)，然后輸送線整體后退一個工位，回到水平方向的原點位置，至此，一個工作循環(huán)完成(見圖1)。其中，往復(fù)桿的上升和下降運動是通過氣缸驅(qū)動的，前進和后退的水平運動是通過電動機驅(qū)動的。本文主要研究和分析有重載要求的往復(fù)桿如何通過伺服電動機驅(qū)動水平運動的系統(tǒng)設(shè)計、電動機選型及外圍控制系統(tǒng)。

由于大功率伺服電動機的成本較高，應(yīng)用并不廣泛。常規(guī)的往復(fù)桿一般采用變頻電動機配套使用變頻器的驅(qū)動方案，在負(fù)載不大或速度要求不高的生產(chǎn)線上廣泛使用，具有投資成本低、方案成熟等優(yōu)點。但是為了提高生產(chǎn)節(jié)拍而提速時，由于經(jīng)常出現(xiàn)往復(fù)桿停止位置越位，容易造成鎖緊機構(gòu)不能準(zhǔn)確鎖緊等問題。因此，我們需要考慮采用定位更加精準(zhǔn)的驅(qū)動和控制方式，以滿足往復(fù)桿高速平穩(wěn)運動并且精確停止的要求。

往復(fù)桿驅(qū)動設(shè)計基礎(chǔ)

1.電動機轉(zhuǎn)矩要求

該項目的總拼線共有12個工位，每個工件質(zhì)量g1≈400?kg，往復(fù)桿及托架自身質(zhì)量g2≈4?500?kg，減速比i=7.5，滾動摩擦系數(shù)u=0.07，驅(qū)動轉(zhuǎn)軸中心距驅(qū)動齒條距離r=100?mm，經(jīng)計算，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩需大于81.4?N·m。

2.電動機的速度要求

該項目的生產(chǎn)節(jié)拍要求為45?JPH，即每個工作循環(huán)時間為80?s，其中往復(fù)桿前進(或后退)運動時間為6?s，每個工位長度為6?m，因此，電動機最終輸出直線運動平均速度約為1?000?mm/s，峰值速度要求為2?000?mm/s。

因為配置了減速比為7.5的減速機，則輸送線峰值速度要求達到15?000?mm/s，驅(qū)動轉(zhuǎn)軸中心距驅(qū)動齒條距離為100?mm，經(jīng)計算，電動機轉(zhuǎn)速為1?433?r/min。

3.電動機功率要求

經(jīng)計算，電動機的角速度為150?rad/s，功率為12.2?kW。

伺服驅(qū)動選型設(shè)計

根據(jù)往復(fù)桿驅(qū)動設(shè)計基礎(chǔ)結(jié)果，往復(fù)桿驅(qū)動的轉(zhuǎn)矩必須大于86?N·m，轉(zhuǎn)速必須大于1?433?r/min，功率必須大于12.9?kW。

如果采用變頻器加變頻電動機方案，電動機功率為15?kW，變頻器功率為18.5?kW。按照相同負(fù)載要求，采用伺服驅(qū)動方案時，伺服電動機選用相同功率等級(15?kW)的電動機，對應(yīng)的驅(qū)動器則應(yīng)為與伺服電動機相配套的伺服驅(qū)動器。經(jīng)過查詢各產(chǎn)品選型手冊，可采用功率為15?kW，輸入或輸出為交流電能的旋轉(zhuǎn)伺服電動機。

由于往復(fù)桿往復(fù)運動的距離是固定的，運動位置數(shù)量少，因此該項目選擇了Panasonic A系列中慣量定長伺服電動機，配置絕對值編碼器以及配套的伺服驅(qū)動器，驅(qū)動選型清單如表1所示。

該系列的伺服電動機的優(yōu)點包括：具有響應(yīng)頻率高，能夠使可動部位迅速起動或停止;功率大、重量輕且振動小;通過專用軟件連接PC進行操作和維護;易于操作和維護等。MDMEC54S1H伺服電動機及驅(qū)動器的主要參數(shù)如表2所示。從其關(guān)鍵參數(shù)可以看出，該伺服電動機滿足設(shè)計要求的速度可負(fù)載要求。

往復(fù)桿伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計

選定伺服電動機和驅(qū)動器后，根據(jù)電動機和驅(qū)動器的參數(shù)，我們需進行伺服系統(tǒng)配置電源、I/O信號等外圍控制系統(tǒng)的設(shè)計，伺服控制系統(tǒng)如圖2所示。

1.電源

主焊線電控系統(tǒng)的電源分配柜(PDP)供一路3項5線制的380?V電源到伺服控制柜。其中驅(qū)動器的輸入電源(L1，L2，L3)3項380?V交流電源經(jīng)過主隔離開關(guān)后接入驅(qū)動器，驅(qū)動器將電源轉(zhuǎn)換為伺服電動機所需的(U，V，W)3項交流電。

電動機的抱閘電源則需在伺服控制柜內(nèi)通過直流源轉(zhuǎn)換模塊，將來自PDP的220?V(取L1，N項)電源轉(zhuǎn)換為伺服電動機所需的24?V直流抱閘電源。為方便維護和操作，我們設(shè)置了抱閘釋放按鈕。

由于本項目選型中的Panasonic H型伺服驅(qū)動器未內(nèi)置制動電阻，為實現(xiàn)快速制動功能，需外置一個13.3?Ω制動電阻。

伺服控制系統(tǒng)的電源原理如圖3所示。

2.位置控制

本伺服系統(tǒng)采用的是伺服定長電動機，采用位置控制模式，如圖4所示。PLC程序上無需對伺服電動機的位置進行控制以及設(shè)置伺服運動參數(shù)，PLC只需根據(jù)外圍檢測系統(tǒng)結(jié)果發(fā)送開始運動指令到伺服驅(qū)動器。所有運動位置的參數(shù)則通過上位控制器設(shè)定。

伺服位置控制模式通過以下功能實現(xiàn)：

(1)電子齒輪功能 上位控制器輸入的位置指令與預(yù)先設(shè)定的電子齒輪比相乘，并將此乘積作為位置控制部分的位置指令。通過電子齒輪功能可以任意設(shè)定指令單位的電動機旋轉(zhuǎn)或移動量。通過電動機旋轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)或通過指令相關(guān)的電子齒輪輪比來設(shè)定電動機旋轉(zhuǎn)量或移動量。

(2)位置指令濾波功能 通過設(shè)置濾波器的時間常數(shù)，起到平滑電子齒輪后的位置指令的作用。

(3)脈沖再生功能 從伺服驅(qū)動器中將移動量用A相、B相脈沖方式進行輸出，輸出分辨率、B相邏輯、輸出源(編碼器)可用參數(shù)進行設(shè)定。

(4)定位結(jié)束輸出功能 在RTEX通信狀態(tài)的In-position下確認(rèn)定位結(jié)束狀態(tài)。

伺服驅(qū)動系統(tǒng)可設(shè)置7個有效的確定移動量的位置點，這7個位置點的參數(shù)在上位控制器PC機上安裝專用的軟件，以RTEX方式與伺服驅(qū)動器通信設(shè)置目標(biāo)位置的距離長度(Position)、速度(Speed)和加速度(Acc)。位置參數(shù)設(shè)置界面如圖5所示。

驅(qū)動器X4接線板上的接線端子P1、P2、P3、P4、P5、P6和P7對應(yīng)圖5中“Parameter2”列表下的1、2、3、4、5、6和7行中的位置參數(shù)。該項目僅適用前4個位置：P1(伺服前進)、P2(伺服后退)、P3(點動前進)和P4(點動后退)。其中，位置P1、P2為自動模式下觸發(fā)伺服電動機前進和后退的伺服運動參數(shù);位置P3、P4為手動模式下，通過操作站按鈕觸發(fā)伺服電動機前進和后退的伺服運動參數(shù)。

3.PLC與伺服控制

由于需要控制的伺服電動機數(shù)量少，僅有一臺，同時不需要PLC發(fā)送脈沖信號到伺服驅(qū)動器，因此PLC與伺服驅(qū)動器間的信號交互采用硬線連接的方式：采用主焊線電控系統(tǒng)的AB 1769-L72S安全PLC，通過1734-AENT以太網(wǎng)總線通信的遠(yuǎn)程控制模塊將控制信號通過硬線連接到伺服控制器。PLC與伺服驅(qū)動器間的硬線信號如圖6所示。

當(dāng)伺服驅(qū)動器接收PLC發(fā)出的動作指令(前進、后退、點動前進和點動后退)后，驅(qū)動器根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的位置、速度和加速度參數(shù)，經(jīng)過位置環(huán)運算，對伺服電動機進行精確的閉環(huán)位置運動控制。

往復(fù)桿一個循環(huán)的運動步驟如下：

(1)上升：PLC根據(jù)外部檢測傳感器，判斷所有工位的焊接作業(yè)已工作完成，往復(fù)桿處在下降到位及后退到位的位置，當(dāng)其他無干涉及自動運行條件滿足時，PLC輸出“上升”命令信號，觸發(fā)頂升氣缸上升電磁閥，直到上升到位檢測開關(guān)被觸發(fā)。

(2)前進：①PLC根據(jù)外部檢測傳感器，判斷所有工位的焊接作業(yè)已工作完成，往復(fù)桿處在上升到位及后退到位的位置，當(dāng)其他無干涉及自動運行條件滿足時，發(fā)送“伺服使能”和“伺服前進”指令信號到伺服驅(qū)動器，觸發(fā)驅(qū)動器伺服使能及前進命令。②伺服驅(qū)動器得到“伺服使能”并成功使能后，將輸出“準(zhǔn)備好READY”信號反饋給PLC，供PLC進行監(jiān)控。③得到“伺服前進”指令，即觸發(fā)“Parameter2”列表下的1行的位置參數(shù)。伺服驅(qū)動器根據(jù)1行中設(shè)置的移動量、速度和加速度數(shù)值，并通過編碼器實時反饋和比較的數(shù)值，進行速度環(huán)和位置環(huán)的運算和調(diào)整，直到運動到指定的距離長度，驅(qū)動往復(fù)桿帶著白車身從后退到位位置前進一個工位的距離(6?m)到達前進到位的位置。④當(dāng)電動機運行到設(shè)定的距離長度時，伺服驅(qū)動器將輸出“伺服前進到位”信號反饋給PLC。

(3)下降：PLC同步通過外部檢測前進到位傳感器狀態(tài)是否與伺服驅(qū)動反饋的“伺服前進到位”相一致，如果一致則PLC輸出“下降”命令信號，觸發(fā)頂升氣缸下降電磁閥，直到下降到位檢測開關(guān)被觸發(fā)。

(4)后退：①PLC根據(jù)外部檢測傳感器，確認(rèn)往復(fù)桿處在下降到位及前進到位的位置，當(dāng)其他無干涉及自動運行條件滿足時，發(fā)送“伺服使能”和“伺服后退”指令信號到伺服驅(qū)動器，觸發(fā)驅(qū)動器伺服使能及后退命令。②伺服驅(qū)動器得到“伺服使能”并成功使能伺服電動機后，將輸出“準(zhǔn)備好READY”信號反饋給PLC，供PLC進行監(jiān)控。③得到“伺服后退”指令，即觸發(fā)“Parameter2”列表下的2行的位置參數(shù)。伺服驅(qū)動器根據(jù)2行中設(shè)置的移動量、速度和加速度數(shù)值，并通過編碼器實時反饋和比較的數(shù)值，進行速度環(huán)和位置環(huán)的運算和調(diào)整，直到運動到指定的距離長度，驅(qū)動往復(fù)桿帶從前進到位位置后退一個工位的距離(6m)到達后退到位的位置。④當(dāng)電動機運行到設(shè)定的距離長度時，伺服驅(qū)動器將輸出“伺服后退到位”信號反饋給PLC。

(5)PLC根據(jù)外部其他外部傳感器狀態(tài)和連鎖條件等，控制往復(fù)桿按工藝流程開始下一個工作循環(huán)(上升—前進—下降—后退)。

總結(jié)：

該伺服控制方案適用于與往復(fù)桿輸送特點相類似的設(shè)備控制，加以必要的修改和完善即可。往復(fù)桿輸送具有載荷大、運動位置較少以及重復(fù)定位精度要求高等特點，該項目采用的Panasonic A5系列伺服定長電動機及配套的伺服驅(qū)動器，具有功率大、轉(zhuǎn)矩大和體積小等優(yōu)勢。同時外圍電控系統(tǒng)進行簡化設(shè)計，與伺服驅(qū)動器的連接信號采用硬線連接方式，既能滿足伺服精確定位運動的要求，也能避免通過總線方式通信伺服電動機運動參數(shù)帶來的大量數(shù)據(jù)交換量和計算量，降低對PLC的性能和配置要求，使PLC和伺服系統(tǒng)間的通信更可靠、簡潔明了且便于維護，降低了對維修、維護技能的要求。

由于伺服電動機依靠編碼器進行位置控制，對于伺服電動機運動的零點設(shè)置、運動到位位置檢測，還需通過外圍PLC控制系統(tǒng)額外配置外部檢測傳感器檢測往復(fù)桿的物理實際位置與編碼器反饋的位置進行比較和確認(rèn)，起到冗余防錯的作用。

在未來的項目系統(tǒng)中，還需加強上位控制軟件功能的完善性開發(fā)，例如，在上位參數(shù)設(shè)定軟件中修改和操作伺服電動機運動指令時，需彈出確認(rèn)操作按鈕，避免誤操作導(dǎo)致嚴(yán)重的碰撞事故;開發(fā)基于以太網(wǎng)通信、在上位軟件實現(xiàn)電動機反饋電流、位置、速度和加速度等關(guān)鍵參數(shù)的實時監(jiān)控功能。