往復式輸送線(xiàn)

往復式輸送線(xiàn)在白車(chē)身主焊線(xiàn)中的應用很普遍，其工作原理是輸送線(xiàn)整體抬升將工件抬離焊接工裝夾具及定位機構，然后輸送線(xiàn)將線(xiàn)體上全部工位的工件輸送至下一個(gè)工位，之后輸送線(xiàn)整體下降，將線(xiàn)體上所有工件放置在工裝夾具及定位機構上。輸送線(xiàn)還將繼續下降到垂直方向的原點(diǎn)位置，當輸送線(xiàn)在原位的高度上時(shí)，輸送設備上的所有支撐脫離工件，處于不干涉狀態(tài)，然后輸送線(xiàn)整體后退一個(gè)工位，回到水平方向的原點(diǎn)位置，至此，一個(gè)工作循環(huán)完成(見(jiàn)圖1)。其中，往復桿的上升和下降運動(dòng)是通過(guò)氣缸驅動(dòng)的，前進(jìn)和后退的水平運動(dòng)是通過(guò)電動(dòng)機驅動(dòng)的。本文主要研究和分析有重載要求的往復桿如何通過(guò)伺服電動(dòng)機驅動(dòng)水平運動(dòng)的系統設計、電動(dòng)機選型及外圍控制系統。

由于大功率伺服電動(dòng)機的成本較高，應用并不廣泛。常規的往復桿一般采用變頻電動(dòng)機配套使用變頻器的驅動(dòng)方案，在負載不大或速度要求不高的生產(chǎn)線(xiàn)上廣泛使用，具有投資成本低、方案成熟等優(yōu)點(diǎn)。但是為了提高生產(chǎn)節拍而提速時(shí)，由于經(jīng)常出現往復桿停止位置越位，容易造成鎖緊機構不能準確鎖緊等問(wèn)題。因此，我們需要考慮采用定位更加精準的驅動(dòng)和控制方式，以滿(mǎn)足往復桿高速平穩運動(dòng)并且精確停止的要求。

往復桿驅動(dòng)設計基礎

1.電動(dòng)機轉矩要求

該項目的總拼線(xiàn)共有12個(gè)工位，每個(gè)工件質(zhì)量g1≈400?kg，往復桿及托架自身質(zhì)量g2≈4?500?kg，減速比i=7.5，滾動(dòng)摩擦系數u=0.07，驅動(dòng)轉軸中心距驅動(dòng)齒條距離r=100?mm，經(jīng)計算，電動(dòng)機的輸出轉矩需大于81.4?N·m。

2.電動(dòng)機的速度要求

該項目的生產(chǎn)節拍要求為45?JPH，即每個(gè)工作循環(huán)時(shí)間為80?s，其中往復桿前進(jìn)(或后退)運動(dòng)時(shí)間為6?s，每個(gè)工位長(cháng)度為6?m，因此，電動(dòng)機最終輸出直線(xiàn)運動(dòng)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(xiàn)峰值速度要求達到15?000?mm/s，驅動(dòng)轉軸中心距驅動(dòng)齒條距離為100?mm，經(jīng)計算，電動(dòng)機轉速為1?433?r/min。

3.電動(dòng)機功率要求

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

伺服驅動(dòng)選型設計

根據往復桿驅動(dòng)設計基礎結果，往復桿驅動(dòng)的轉矩必須大于86?N·m，轉速必須大于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(dòng)機方案，電動(dòng)機功率為15?kW，變頻器功率為18.5?kW。按照相同負載要求，采用伺服驅動(dòng)方案時(shí)，伺服電動(dòng)機選用相同功率等級(15?kW)的電動(dòng)機，對應的驅動(dòng)器則應為與伺服電動(dòng)機相配套的伺服驅動(dòng)器。經(jīng)過(guò)查詢(xún)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伺服電動(dòng)機。

由于往復桿往復運動(dòng)的距離是固定的，運動(dòng)位置數量少，因此該項目選擇了Panasonic A系列中慣量定長(cháng)伺服電動(dòng)機，配置絕對值編碼器以及配套的伺服驅動(dòng)器，驅動(dòng)選型清單如表1所示。

該系列的伺服電動(dòng)機的優(yōu)點(diǎn)包括：具有響應頻率高，能夠使可動(dòng)部位迅速起動(dòng)或停止;功率大、重量輕且振動(dòng)小;通過(guò)專(zhuān)用軟件連接PC進(jìn)行操作和維護;易于操作和維護等。MDMEC54S1H伺服電動(dòng)機及驅動(dòng)器的主要參數如表2所示。從其關(guān)鍵參數可以看出，該伺服電動(dòng)機滿(mǎn)足設計要求的速度可負載要求。

往復桿伺服驅動(dòng)控制系統設計

選定伺服電動(dòng)機和驅動(dòng)器后，根據電動(dòng)機和驅動(dòng)器的參數，我們需進(jìn)行伺服系統配置電源、I/O信號等外圍控制系統的設計，伺服控制系統如圖2所示。

1.電源

主焊線(xiàn)電控系統的電源分配柜(PDP)供一路3項5線(xiàn)制的380?V電源到伺服控制柜。其中驅動(dòng)器的輸入電源(L1，L2，L3)3項380?V交流電源經(jīng)過(guò)主隔離開(kāi)關(guān)后接入驅動(dòng)器，驅動(dòng)器將電源轉換為伺服電動(dòng)機所需的(U，V，W)3項交流電。

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

由于本項目選型中的Panasonic H型伺服驅動(dòng)器未內置制動(dòng)電阻，為實(shí)現快速制動(dòng)功能，需外置一個(gè)13.3?Ω制動(dòng)電阻。

伺服控制系統的電源原理如圖3所示。

2.位置控制

本伺服系統采用的是伺服定長(cháng)電動(dòng)機，采用位置控制模式，如圖4所示。PLC程序上無(wú)需對伺服電動(dòng)機的位置進(jìn)行控制以及設置伺服運動(dòng)參數，PLC只需根據外圍檢測系統結果發(fā)送開(kāi)始運動(dòng)指令到伺服驅動(dòng)器。所有運動(dòng)位置的參數則通過(guò)上位控制器設定。

伺服位置控制模式通過(guò)以下功能實(shí)現：

(1)電子齒輪功能 上位控制器輸入的位置指令與預先設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(guò)電子齒輪功能可以任意設定指令單位的電動(dòng)機旋轉或移動(dòng)量。通過(guò)電動(dòng)機旋轉一圈的脈沖數或通過(guò)指令相關(guān)的電子齒輪輪比來(lái)設定電動(dòng)機旋轉量或移動(dòng)量。

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

(3)脈沖再生功能 從伺服驅動(dòng)器中將移動(dòng)量用A相、B相脈沖方式進(jìn)行輸出，輸出分辨率、B相邏輯、輸出源(編碼器)可用參數進(jìn)行設定。

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

伺服驅動(dòng)系統可設置7個(gè)有效的確定移動(dòng)量的位置點(diǎn)，這7個(gè)位置點(diǎn)的參數在上位控制器PC機上安裝專(zhuān)用的軟件，以RTEX方式與伺服驅動(dòng)器通信設置目標位置的距離長(cháng)度(Position)、速度(Speed)和加速度(Acc)。位置參數設置界面如圖5所示。

驅動(dòng)器X4接線(xiàn)板上的接線(xiàn)端子P1、P2、P3、P4、P5、P6和P7對應圖5中“Parameter2”列表下的1、2、3、4、5、6和7行中的位置參數。該項目?jì)H適用前4個(gè)位置：P1(伺服前進(jìn))、P2(伺服后退)、P3(點(diǎn)動(dòng)前進(jìn))和P4(點(diǎn)動(dòng)后退)。其中，位置P1、P2為自動(dòng)模式下觸發(fā)伺服電動(dòng)機前進(jìn)和后退的伺服運動(dòng)參數;位置P3、P4為手動(dòng)模式下，通過(guò)操作站按鈕觸發(fā)伺服電動(dòng)機前進(jìn)和后退的伺服運動(dòng)參數。

3.PLC與伺服控制

由于需要控制的伺服電動(dòng)機數量少，僅有一臺，同時(shí)不需要PLC發(fā)送脈沖信號到伺服驅動(dòng)器，因此PLC與伺服驅動(dòng)器間的信號交互采用硬線(xiàn)連接的方式：采用主焊線(xiàn)電控系統的AB 1769-L72S安全PLC，通過(guò)1734-AENT以太網(wǎng)總線(xiàn)通信的遠程控制模塊將控制信號通過(guò)硬線(xiàn)連接到伺服控制器。PLC與伺服驅動(dòng)器間的硬線(xiàn)信號如圖6所示。

當伺服驅動(dòng)器接收PLC發(fā)出的動(dòng)作指令(前進(jìn)、后退、點(diǎn)動(dòng)前進(jìn)和點(diǎn)動(dòng)后退)后，驅動(dòng)器根據預先設定好的位置、速度和加速度參數，經(jīng)過(guò)位置環(huán)運算，對伺服電動(dòng)機進(jìn)行精確的閉環(huán)位置運動(dòng)控制。

往復桿一個(gè)循環(huán)的運動(dòng)步驟如下：

(1)上升：PLC根據外部檢測傳感器，判斷所有工位的焊接作業(yè)已工作完成，往復桿處在下降到位及后退到位的位置，當其他無(wú)干涉及自動(dòng)運行條件滿(mǎn)足時(shí)，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(kāi)關(guān)被觸發(fā)。

(2)前進(jìn)：①PLC根據外部檢測傳感器，判斷所有工位的焊接作業(yè)已工作完成，往復桿處在上升到位及后退到位的位置，當其他無(wú)干涉及自動(dòng)運行條件滿(mǎn)足時(shí)，發(fā)送“伺服使能”和“伺服前進(jìn)”指令信號到伺服驅動(dòng)器，觸發(fā)驅動(dòng)器伺服使能及前進(jìn)命令。②伺服驅動(dòng)器得到“伺服使能”并成功使能后，將輸出“準備好READY”信號反饋給PLC，供PLC進(jìn)行監控。③得到“伺服前進(jìn)”指令，即觸發(fā)“Parameter2”列表下的1行的位置參數。伺服驅動(dòng)器根據1行中設置的移動(dòng)量、速度和加速度數值，并通過(guò)編碼器實(shí)時(shí)反饋和比較的數值，進(jìn)行速度環(huán)和位置環(huán)的運算和調整，直到運動(dòng)到指定的距離長(cháng)度，驅動(dòng)往復桿帶著(zhù)白車(chē)身從后退到位位置前進(jìn)一個(gè)工位的距離(6?m)到達前進(jìn)到位的位置。④當電動(dòng)機運行到設定的距離長(cháng)度時(shí)，伺服驅動(dòng)器將輸出“伺服前進(jìn)到位”信號反饋給PLC。

(3)下降：PLC同步通過(guò)外部檢測前進(jìn)到位傳感器狀態(tài)是否與伺服驅動(dòng)反饋的“伺服前進(jìn)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(kāi)關(guān)被觸發(fā)。

(4)后退：①PLC根據外部檢測傳感器，確認往復桿處在下降到位及前進(jìn)到位的位置，當其他無(wú)干涉及自動(dòng)運行條件滿(mǎn)足時(shí)，發(fā)送“伺服使能”和“伺服后退”指令信號到伺服驅動(dòng)器，觸發(fā)驅動(dòng)器伺服使能及后退命令。②伺服驅動(dòng)器得到“伺服使能”并成功使能伺服電動(dòng)機后，將輸出“準備好READY”信號反饋給PLC，供PLC進(jìn)行監控。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。伺服驅動(dòng)器根據2行中設置的移動(dòng)量、速度和加速度數值，并通過(guò)編碼器實(shí)時(shí)反饋和比較的數值，進(jìn)行速度環(huán)和位置環(huán)的運算和調整，直到運動(dòng)到指定的距離長(cháng)度，驅動(dòng)往復桿帶從前進(jìn)到位位置后退一個(gè)工位的距離(6m)到達后退到位的位置。④當電動(dòng)機運行到設定的距離長(cháng)度時(shí)，伺服驅動(dòng)器將輸出“伺服后退到位”信號反饋給PLC。

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

總結：

該伺服控制方案適用于與往復桿輸送特點(diǎn)相類(lèi)似的設備控制，加以必要的修改和完善即可。往復桿輸送具有載荷大、運動(dòng)位置較少以及重復定位精度要求高等特點(diǎn)，該項目采用的Panasonic A5系列伺服定長(cháng)電動(dòng)機及配套的伺服驅動(dòng)器，具有功率大、轉矩大和體積小等優(yōu)勢。同時(shí)外圍電控系統進(jìn)行簡(jiǎn)化設計，與伺服驅動(dòng)器的連接信號采用硬線(xiàn)連接方式，既能滿(mǎn)足伺服精確定位運動(dòng)的要求，也能避免通過(guò)總線(xiàn)方式通信伺服電動(dòng)機運動(dòng)參數帶來(lái)的大量數據交換量和計算量，降低對PLC的性能和配置要求，使PLC和伺服系統間的通信更可靠、簡(jiǎn)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(dòng)機依靠編碼器進(jìn)行位置控制，對于伺服電動(dòng)機運動(dòng)的零點(diǎn)設置、運動(dòng)到位位置檢測，還需通過(guò)外圍PLC控制系統額外配置外部檢測傳感器檢測往復桿的物理實(shí)際位置與編碼器反饋的位置進(jìn)行比較和確認，起到冗余防錯的作用。

在未來(lái)的項目系統中，還需加強上位控制軟件功能的完善性開(kāi)發(fā)，例如，在上位參數設定軟件中修改和操作伺服電動(dòng)機運動(dòng)指令時(shí)，需彈出確認操作按鈕，避免誤操作導致嚴重的碰撞事故;開(kāi)發(fā)基于以太網(wǎng)通信、在上位軟件實(shí)現電動(dòng)機反饋電流、位置、速度和加速度等關(guān)鍵參數的實(shí)時(shí)監控功能。