往返輸送重載伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案分析

往復(fù)式輸送線

往復(fù)式輸送線在白車(chē)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(jī)構(gòu)，然后輸送線將線體上全部工位的工件輸送至下一個(gè)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(jī)構(gòu)上。輸送線還將繼續(xù)下降到垂直方向的原點(diǎn)位置，當(dāng)輸送線在原位的高度上時(shí)，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(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(fù)桿的上升和下降運(yùn)動(dòng)是通過(guò)氣缸驅(qū)動(dòng)的，前進(jìn)和后退的水平運(yùn)動(dòng)是通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的。本文主要研究和分析有重載要求的往復(fù)桿如何通過(guò)伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水平運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電動(dòng)機(jī)選型及外圍控制系統(tǒng)。

由于大功率伺服電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)配套使用變頻器的驅(qū)動(dòng)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(diǎn)。但是為了提高生產(chǎn)節(jié)拍而提速時(shí)，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(jī)構(gòu)不能準(zhǔn)確鎖緊等問(wèn)題。因此，我們需要考慮采用定位更加精準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)和控制方式，以滿足往復(fù)桿高速平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)并且精確停止的要求。

往復(fù)桿驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

1.電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩要求

該項(xiàng)目的總拼線共有12個(gè)工位，每個(gè)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(dòng)摩擦系數(shù)u=0.07，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸中心距驅(qū)動(dòng)齒條距離r=100?mm，經(jīng)計(jì)算，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩需大于81.4?N·m。

2.電動(dòng)機(jī)的速度要求

該項(xiàng)目的生產(chǎn)節(jié)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(fù)桿前進(jìn)(或后退)運(yùn)動(dòng)時(shí)間為6?s，每個(gè)工位長(zhǎng)度為6?m，因此，電動(dòng)機(jī)最終輸出直線運(yùn)動(dòng)平均速度約為1?000?mm/s，峰值速度要求為2?000?mm/s。

因?yàn)榕渲昧藴p速比為7.5的減速機(jī)，則輸送線峰值速度要求達(dá)到15?000?mm/s，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸中心距驅(qū)動(dòng)齒條距離為100?mm，經(jīng)計(jì)算，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1?433?r/min。

3.電動(dòng)機(jī)功率要求

經(jīng)計(jì)算，電動(dòng)機(jī)的角速度為150?rad/s，功率為12.2?kW。

伺服驅(qū)動(dòng)選型設(shè)計(jì)

根據(jù)往復(fù)桿驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)結(jié)果，往復(fù)桿驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)方案，電動(dòng)機(jī)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(dòng)方案時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)選用相同功率等級(jí)(15?kW)的電動(dòng)機(jī)，對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器則應(yīng)為與伺服電動(dòng)機(jī)相配套的伺服驅(qū)動(dòng)器。經(jīng)過(guò)查詢(xún)各產(chǎn)品選型手冊(cè)，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(dòng)機(jī)。

由于往復(fù)桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)的距離是固定的，運(yùn)動(dòng)位置數(shù)量少，因此該項(xiàng)目選擇了Panasonic A系列中慣量定長(zhǎng)伺服電動(dòng)機(jī)，配置絕對(duì)值編碼器以及配套的伺服驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)選型清單如表1所示。

該系列的伺服電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)包括：具有響應(yīng)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(hù);易于操作和維護(hù)等。MDMEC54S1H伺服電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)滿足設(shè)計(jì)要求的速度可負(fù)載要求。

往復(fù)桿伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

選定伺服電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器后，根據(jù)電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)，我們需進(jìn)行伺服系統(tǒng)配置電源、I/O信號(hào)等外圍控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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(xiàng)5線制的380?V電源到伺服控制柜。其中驅(qū)動(dòng)器的輸入電源(L1，L2，L3)3項(xiàng)380?V交流電源經(jīng)過(guò)主隔離開(kāi)關(guān)后接入驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器將電源轉(zhuǎn)換為伺服電動(dòng)機(jī)所需的(U，V，W)3項(xiàng)交流電。

電動(dòng)機(jī)的抱閘電源則需在伺服控制柜內(nèi)通過(guò)直流源轉(zhuǎn)換模塊，將來(lái)自PDP的220?V(取L1，N項(xiàng))電源轉(zhuǎn)換為伺服電動(dòng)機(jī)所需的24?V直流抱閘電源。為方便維護(hù)和操作，我們?cè)O(shè)置了抱閘釋放按鈕。

由于本項(xiàng)目選型中的Panasonic H型伺服驅(qū)動(dòng)器未內(nèi)置制動(dòng)電阻，為實(shí)現(xiàn)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(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(zhǎng)電動(dòng)機(jī)，采用位置控制模式，如圖4所示。PLC程序上無(wú)需對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的位置進(jìn)行控制以及設(shè)置伺服運(yùn)動(dòng)參數(shù)，PLC只需根據(jù)外圍檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)果發(fā)送開(kāi)始運(yùn)動(dòng)指令到伺服驅(qū)動(dòng)器。所有運(yùn)動(dòng)位置的參數(shù)則通過(guò)上位控制器設(shè)定。

伺服位置控制模式通過(guò)以下功能實(shí)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(guò)電子齒輪功能可以任意設(shè)定指令單位的電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)量。通過(guò)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)或通過(guò)指令相關(guān)的電子齒輪輪比來(lái)設(shè)定電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)量或移動(dòng)量。

(2)位置指令濾波功能 通過(guò)設(shè)置濾波器的時(shí)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(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(shù)進(jìn)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(dòng)系統(tǒng)可設(shè)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(shù)在上位控制器PC機(jī)上安裝專(zhuān)用的軟件，以RTEX方式與伺服驅(qū)動(dòng)器通信設(shè)置目標(biāo)位置的距離長(zhǎng)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(dòng)器X4接線板上的接線端子P1、P2、P3、P4、P5、P6和P7對(duì)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(xiàng)目?jī)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(jī)前進(jìn)和后退的伺服運(yùn)動(dòng)參數(shù);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(jī)前進(jìn)和后退的伺服運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

3.PLC與伺服控制

由于需要控制的伺服電動(dòng)機(jī)數(shù)量少，僅有一臺(tái)，同時(shí)不需要PLC發(fā)送脈沖信號(hào)到伺服驅(qū)動(dòng)器，因此PLC與伺服驅(qū)動(dòng)器間的信號(hào)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(guò)1734-AENT以太網(wǎng)總線通信的遠(yuǎn)程控制模塊將控制信號(hào)通過(guò)硬線連接到伺服控制器。PLC與伺服驅(qū)動(dòng)器間的硬線信號(hào)如圖6所示。

當(dāng)伺服驅(qū)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(qū)動(dòng)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(guò)位置環(huán)運(yùn)算，對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行精確的閉環(huán)位置運(yùn)動(dòng)控制。

往復(fù)桿一個(gè)循環(huán)的運(yùn)動(dòng)步驟如下：

(1)上升：PLC根據(jù)外部檢測(cè)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(wú)干涉及自動(dòng)運(yùn)行條件滿足時(shí)，PLC輸出“上升”命令信號(hào)，觸發(fā)頂升氣缸上升電磁閥，直到上升到位檢測(cè)開(kāi)關(guān)被觸發(fā)。

(2)前進(jìn)：①PLC根據(jù)外部檢測(cè)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(wú)干涉及自動(dòng)運(yùn)行條件滿足時(shí)，發(fā)送“伺服使能”和“伺服前進(jìn)”指令信號(hào)到伺服驅(qū)動(dòng)器，觸發(fā)驅(qū)動(dòng)器伺服使能及前進(jìn)命令。②伺服驅(qū)動(dòng)器得到“伺服使能”并成功使能后，將輸出“準(zhǔn)備好READY”信號(hào)反饋給PLC，供PLC進(jìn)行監(jiān)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(shù)。伺服驅(qū)動(dòng)器根據(jù)1行中設(shè)置的移動(dòng)量、速度和加速度數(shù)值，并通過(guò)編碼器實(shí)時(shí)反饋和比較的數(shù)值，進(jìn)行速度環(huán)和位置環(huán)的運(yùn)算和調(diào)整，直到運(yùn)動(dòng)到指定的距離長(zhǎng)度，驅(qū)動(dòng)往復(fù)桿帶著白車(chē)身從后退到位位置前進(jìn)一個(gè)工位的距離(6?m)到達(dá)前進(jìn)到位的位置。④當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行到設(shè)定的距離長(zhǎng)度時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)器將輸出“伺服前進(jìn)到位”信號(hào)反饋給PLC。

(3)下降：PLC同步通過(guò)外部檢測(cè)前進(jìn)到位傳感器狀態(tài)是否與伺服驅(qū)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(hào)，觸發(fā)頂升氣缸下降電磁閥，直到下降到位檢測(cè)開(kāi)關(guān)被觸發(fā)。

(4)后退：①PLC根據(jù)外部檢測(cè)傳感器，確認(rèn)往復(fù)桿處在下降到位及前進(jìn)到位的位置，當(dāng)其他無(wú)干涉及自動(dòng)運(yùn)行條件滿足時(shí)，發(fā)送“伺服使能”和“伺服后退”指令信號(hào)到伺服驅(qū)動(dòng)器，觸發(fā)驅(qū)動(dòng)器伺服使能及后退命令。②伺服驅(qū)動(dòng)器得到“伺服使能”并成功使能伺服電動(dòng)機(jī)后，將輸出“準(zhǔn)備好READY”信號(hào)反饋給PLC，供PLC進(jìn)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(dòng)器根據(jù)2行中設(shè)置的移動(dòng)量、速度和加速度數(shù)值，并通過(guò)編碼器實(shí)時(shí)反饋和比較的數(shù)值，進(jìn)行速度環(huán)和位置環(huán)的運(yùn)算和調(diào)整，直到運(yùn)動(dòng)到指定的距離長(zhǎng)度，驅(qū)動(dòng)往復(fù)桿帶從前進(jìn)到位位置后退一個(gè)工位的距離(6m)到達(dá)后退到位的位置。④當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行到設(shè)定的距離長(zhǎng)度時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)器將輸出“伺服后退到位”信號(hào)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(kāi)始下一個(gè)工作循環(huán)(上升—前進(jìn)—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(diǎn)相類(lèi)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(yùn)動(dòng)位置較少以及重復(fù)定位精度要求高等特點(diǎn)，該項(xiàng)目采用的Panasonic A5系列伺服定長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)及配套的伺服驅(qū)動(dòng)器，具有功率大、轉(zhuǎn)矩大和體積小等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)外圍電控系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，與伺服驅(qū)動(dòng)器的連接信號(hào)采用硬線連接方式，既能滿足伺服精確定位運(yùn)動(dòng)的要求，也能避免通過(guò)總線方式通信伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)帶來(lái)的大量數(shù)據(jù)交換量和計(jì)算量，降低對(duì)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(jiǎn)潔明了且便于維護(hù)，降低了對(duì)維修、維護(hù)技能的要求。

由于伺服電動(dòng)機(jī)依靠編碼器進(jìn)行位置控制，對(duì)于伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的零點(diǎn)設(shè)置、運(yùn)動(dòng)到位位置檢測(cè)，還需通過(guò)外圍PLC控制系統(tǒng)額外配置外部檢測(cè)傳感器檢測(cè)往復(fù)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(rèn)，起到冗余防錯(cuò)的作用。

在未來(lái)的項(xiàng)目系統(tǒng)中，還需加強(qiáng)上位控制軟件功能的完善性開(kāi)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(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)指令時(shí)，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(kāi)發(fā)基于以太網(wǎng)通信、在上位軟件實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)反饋電流、位置、速度和加速度等關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。