摘要：提出了汽車(chē)柔性焊接生產(chǎn)線(xiàn)中應用的分層伺服系統體系結構和硬件配置，分析了采用邏輯控制與運動(dòng)控制相結合的系統控制原理，敘述了MP920控制器的參數設定方式，給出了伺服控制系統程序工作流程。結合廣州本田汽車(chē)有限公司年產(chǎn)24萬(wàn)整車(chē)自動(dòng)焊接生產(chǎn)線(xiàn)設計建造的實(shí)例，介紹了MP920伺服系統在自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)中的實(shí)際應用，給出了伺服系統的調試方法，并對調試結果進(jìn)行了分析。實(shí)際應用效果表明了所提體系結構和控制模式的正確性和有效性。
關(guān)鍵詞：MP920伺服系統； 汽車(chē)制造； 柔性焊接生產(chǎn)線(xiàn)； 電氣控制
0 引言
在汽車(chē)制造企業(yè)中，車(chē)身焊接生產(chǎn)線(xiàn)是一條關(guān)鍵的生產(chǎn)線(xiàn)，這條生產(chǎn)線(xiàn)決定車(chē)身焊接車(chē)間乃至整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)能力、產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品的多樣化。廣州本田汽車(chē)有限公司年產(chǎn)24萬(wàn)轎車(chē)的自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線(xiàn)是一條貫通式流水線(xiàn)，全線(xiàn)5個(gè)全自動(dòng)工位：車(chē)身地板搬送工位、車(chē)身部件預裝配工位、自動(dòng)焊接工位、車(chē)身卸載工位和車(chē)身夾具切換工位。該自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)全面采用了日本安川公司的MP920伺服系統，極大地進(jìn)步了工裝夾具的定位精度和生產(chǎn)線(xiàn)的柔性化程度。
本文從MP920伺服系統的硬件體系結構、控制原理、控制程序設計以及系統調試等幾方面介紹該生產(chǎn)線(xiàn)中的伺服系統，研究柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)中伺服控制系統的應用。
1 伺服系統硬件配置
考慮系統的信息處理量大，為了降低PLC的信息處理負擔，進(jìn)步控制器之問(wèn)的獨立性，系統采用了分層的體系結構，第一層為主控PLC，第二層為伺服控制器，兩個(gè)控制層之間采用現場(chǎng)總線(xiàn)進(jìn)行通訊。整個(gè)系統硬件配置如圖1所示。

主控PLC是整條生產(chǎn)線(xiàn)的邏輯處理中心，它一方面協(xié)調控制現場(chǎng)各種設備按照工藝順序要求工作，另一方面向上層監控設備實(shí)時(shí)發(fā)送生產(chǎn)和設備狀態(tài)信息。主控PLC選用OMRON公司的CS1H．CPU65型PLC系統。伺服系統采用日本安川電機公司的MP920伺服系統，該伺服系統由伺服控制器，伺服驅動(dòng)器和伺服電機組成，其中伺服控制器是整條生產(chǎn)線(xiàn)的運動(dòng)控制核心，控制伺服電機按照工藝要求精確運動(dòng)，同時(shí)還通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)DeviceNet將伺服系統的狀態(tài)信息反饋給主控PLC。伺服控制器選用MP920可編程控制器專(zhuān)門(mén)用于控制直線(xiàn)型伺服電機系統。伺服驅動(dòng)器選用Σ系列SGDB型伺服驅動(dòng)器，伺服電機選用Σ系列SGM型伺服電機。在車(chē)身自動(dòng)焊接生產(chǎn)線(xiàn)中使用了3套MP920系統來(lái)控制了18個(gè)伺服電機。

2 MP920控制器工作原理
2.1 MP920控制器構成
在MP920系統中，CPU模塊（MP920）主要起數據處理（邏輯處理和運動(dòng)處理）的作用，并向運動(dòng)控制單元（SVB一01）發(fā)送運動(dòng)指令，并根據反饋信息作進(jìn)一步處理。運動(dòng)控制單元主要進(jìn)行指令處理和運動(dòng)狀態(tài)處理，通過(guò)Mechatrolink總線(xiàn)每個(gè)單元最多能單獨控制l4個(gè)軸。此單元能預先進(jìn)行參數設定，根據CPU發(fā)送過(guò)來(lái)的指令進(jìn)行運動(dòng)控制，并將運動(dòng)過(guò)程中的各種參數反饋到CPU單元中往。DeviceNet通訊單元（260IF）通過(guò)Device—Net協(xié)議與主控PLC進(jìn)行數據交換，進(jìn)行協(xié)同工作，完成整線(xiàn)的控制。
2．2 MP920控制器參數設定
運動(dòng)控制單元內部有三類(lèi)參數：固定參數、設定參數和監控參數。其中固定參數包括電機參數、伺服驅動(dòng)器參數、編碼器參數等固定數據；設定參數用來(lái)向伺服驅動(dòng)器提供伺服控制命令，在系統運行時(shí)可以實(shí)時(shí)更改；監控參數由與伺服馬達相連的編碼器反饋到運動(dòng)控制單元的電機運動(dòng)狀態(tài)數據，這些監控數據可以在運動(dòng)程序和邏輯程序中作為參考。CPU單元對運動(dòng)控制單元的控制是通過(guò)其I／O端口與運動(dòng)控制單元的參數相互對應建立的。為建立這種聯(lián)系，須將CPU單元的輸出I／O端口分配給運動(dòng)單元的設定參數，輸進(jìn)I／O端口分配給運動(dòng)單元的監控參數。CPU單元在進(jìn)行I／O刷新時(shí)將監控參數讀進(jìn)內存，同時(shí)將伺服控制命令寫(xiě)進(jìn)到運動(dòng)控制單元的設定參數中，實(shí)現對運動(dòng)控制單元的控制。伺服系統的控制原理如圖2所示。

2．3 MP920控制程序設計
MP920伺服控制器通過(guò)循環(huán)掃描用戶(hù)程序來(lái)進(jìn)行控制，用戶(hù)程序由視圖、函數和運動(dòng)程序組成。其中視圖與函數主要用于完成順序邏輯控制，運動(dòng)程序用于電機的運動(dòng)控制。為了節省系統資源，將視圖分為高速掃描程序和低速掃描程序，高速掃描程序的掃描周期很短，約為0．4ms，用于處理實(shí)時(shí)性很強的伺服控制任務(wù)，是整個(gè)程序的主體，在其中調用運動(dòng)程序實(shí)現對電機的精確控制；低速掃描視圖掃描周期遠低于高速掃描視圖，在程序系統中用于處理實(shí)時(shí)性要求較低的錯誤和警報。
伺服系統控制程序采用模塊化編程，各自針對要求不同的應用設計了高速掃描視圖、低速掃描視圖和運動(dòng)控制程序。系統上電之后，CPU就同時(shí)開(kāi)始高速掃描與低速掃描兩個(gè)獨立的掃描過(guò)程，并在高速掃描過(guò)程中調用運動(dòng)程序來(lái)進(jìn)行運動(dòng)控制。低速和高速掃描視圖的流程分別如圖3和圖4所示。

3 調試結果分析
伺服系統調整主要調整系統的速度回路增益、速度回路積分時(shí)間常數、位置回路增益和扭矩指令過(guò)濾時(shí)間常數這幾個(gè)參數。通常按照下列步驟進(jìn)行：
      第一步，較低地設定位置回路增益，在不發(fā)生噪音或振動(dòng)的范圍內逐步進(jìn)步速度回路增益。
第二步，略微降低第一步中設定的速度回路增益降值，在系統不發(fā)生上沖或振動(dòng)的范圍內逐步進(jìn)步位置回路增益。
第三步，根據定位調整時(shí)間、機械系統的振動(dòng)等情況設定速度回路積分時(shí)間常數。
第四步，假如機械系統發(fā)生的扭曲共振時(shí)，適當地進(jìn)步扭矩指令過(guò)濾時(shí)間常數。
最后，觀(guān)察系統響應并對各個(gè)參數進(jìn)行微調，進(jìn)行參數優(yōu)化。
圖5是伺服電機的速度曲線(xiàn)和扭矩曲線(xiàn)。從圖中可以看到，第一階段對電機進(jìn)行速度控制，電機轉速響應很快，轉速由0增加到2000r／m的過(guò)程十分平穩。第二階段對電機進(jìn)行扭矩控制，電機由0增加到50％ 的額定扭矩響應很快，也沒(méi)有出現大的波動(dòng)。表明按照這個(gè)方法進(jìn)行調試是可行的，完全能夠滿(mǎn)足自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的需要。

4 結束語(yǔ)
在實(shí)際生產(chǎn)中，該自動(dòng)焊接生產(chǎn)線(xiàn)的伺服系統運行穩定可靠，滿(mǎn)足了高品質(zhì)轎車(chē)車(chē)身焊接工藝的需要，為廣州本田年產(chǎn)24萬(wàn)轎車(chē)發(fā)揮了決定性作用。該伺服系統運動(dòng)平穩且定位速度快，使得整條生產(chǎn)線(xiàn)的節奏控制在45、7秒，最大程度上發(fā)揮了機械的效率。該系統的成功在于系統設計上采用了分層的體系結構和邏輯控制與運動(dòng)控制相結合的控制方式。隨著(zhù)中國汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，尤其是對車(chē)身質(zhì)量、產(chǎn)量和本錢(qián)的要求不斷進(jìn)步，伺服系統必將在汽車(chē)車(chē)身自動(dòng)焊接生產(chǎn)線(xiàn)上廣泛應用。