MP920伺服系統(tǒng)在汽車柔性焊接生產(chǎn)線中的應(yīng)用研究

0 引言

在汽車制造企業(yè)中，車身焊接生產(chǎn)線是一條關(guān)鍵的生產(chǎn)線，這條生產(chǎn)線決定車身焊接車間乃至整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)能力、產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品的多樣化。廣州本田汽車有限公司年產(chǎn)24萬(wàn)轎車的自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線是一條貫通式流水線，全線5個(gè)全自動(dòng)工位：車身地板搬送工位、車身部件預(yù)裝配工位、自動(dòng)焊接工位、車身卸載工位和車身夾具切換工位。該自動(dòng)生產(chǎn)線全面采用了日本安川公司的MP920伺服系統(tǒng)，極大地提高了工裝夾具的定位精度和生產(chǎn)線的柔性化程度。

本文從MP920伺服系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)、控制原理、控制程序設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)調(diào)試等幾方面介紹該生產(chǎn)線中的伺服系統(tǒng)，研究柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線中伺服控制系統(tǒng)的應(yīng)用。

1 伺服系統(tǒng)硬件配置

考慮系統(tǒng)的信息處理量大，為了降低PLC的信息處理負(fù)擔(dān)，提高控制器之問(wèn)的獨(dú)立性，系統(tǒng)采用了分層的體系結(jié)構(gòu)，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(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行通信。整個(gè)系統(tǒng)硬件配置如圖1所示。

主控PLC是整條生產(chǎn)線的邏輯處理中心，它一方面協(xié)調(diào)控制現(xiàn)場(chǎng)各種設(shè)備按照工藝順序要求工作，另一方面向上層監(jiān)控設(shè)備實(shí)時(shí)發(fā)送生產(chǎn)和設(shè)備狀態(tài)信息。主控PLC選用OMRON公司的CS1H．CPU65型PLC系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)采用日本安川電機(jī)公司的MP920伺服系統(tǒng)，該伺服系統(tǒng)由伺服控制器，伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)組成，其中伺服控制器是整條生產(chǎn)線的運(yùn)動(dòng)控制核心，控制伺服電機(jī)按照工藝要求精確運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線DeviceNet將伺服系統(tǒng)的狀態(tài)信息反饋給主控PLC。伺服控制器選用MP920可編程控制器專門用于控制直線型伺服電機(jī)系統(tǒng)。伺服驅(qū)動(dòng)器選用Σ系列SGDB型伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服電機(jī)選用Σ系列SGM型伺服電機(jī)。在車身自動(dòng)焊接生產(chǎn)線中使用了3套MP920系統(tǒng)來(lái)控制了18個(gè)伺服電機(jī)。

2 MP920控制器工作原理

2.1 MP920控制器構(gòu)成

在MP920系統(tǒng)中，CPU模塊（MP920）主要起數(shù)據(jù)處理（邏輯處理和運(yùn)動(dòng)處理）的作用，并向運(yùn)動(dòng)控制單元（SVB一01）發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令，并根據(jù)反饋信息作進(jìn)一步處理。運(yùn)動(dòng)控制單元主要進(jìn)行指令處理和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)處理，通過(guò)Mechatrolink總線每個(gè)單元最多能單獨(dú)控制l4個(gè)軸。此單元能預(yù)先進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，根據(jù)CPU發(fā)送過(guò)來(lái)的指令進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，并將運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的各種參數(shù)反饋到CPU單元中去。DeviceNet通信單元（260IF）通過(guò)Device—Net協(xié)議與主控PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，進(jìn)行協(xié)同工作，完成整線的控制。

2．2 MP920控制器參數(shù)設(shè)定

運(yùn)動(dòng)控制單元內(nèi)部有三類參數(shù)：固定參數(shù)、設(shè)定參數(shù)和監(jiān)控參數(shù)。其中固定參數(shù)包括電機(jī)參數(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)、編碼器參數(shù)等固定數(shù)據(jù)；設(shè)定參數(shù)用來(lái)向伺服驅(qū)動(dòng)器提供伺服控制命令，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可以實(shí)時(shí)更改；監(jiān)控參數(shù)由與伺服馬達(dá)相連的編碼器反饋到運(yùn)動(dòng)控制單元的電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，這些監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可以在運(yùn)動(dòng)程序和邏輯程序中作為參考。CPU單元對(duì)運(yùn)動(dòng)控制單元的控制是通過(guò)其I／O端口與運(yùn)動(dòng)控制單元的參數(shù)相互對(duì)應(yīng)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(yùn)動(dòng)單元的設(shè)定參數(shù)，輸入I／O端口分配給運(yùn)動(dòng)單元的監(jiān)控參數(shù)。CPU單元在進(jìn)行I／O刷新時(shí)將監(jiān)控參數(shù)讀入內(nèi)存，同時(shí)將伺服控制命令寫入到運(yùn)動(dòng)控制單元的設(shè)定參數(shù)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制單元的控制。伺服系統(tǒng)的控制原理如圖2所示。


2．3 MP920控制程序設(shè)計(jì)

MP920伺服控制器通過(guò)循環(huán)掃描用戶程序來(lái)進(jìn)行控制，用戶程序由視圖、函數(shù)和運(yùn)動(dòng)程序組成。其中視圖與函數(shù)主要用于完成順序邏輯控制，運(yùn)動(dòng)程序用于電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。為了節(jié)省系統(tǒng)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(qiáng)的伺服控制任務(wù)，是整個(gè)程序的主體，在其中調(diào)用運(yùn)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)的精確控制；低速掃描視圖掃描周期遠(yuǎn)低于高速掃描視圖，在程序系統(tǒng)中用于處理實(shí)時(shí)性要求較低的錯(cuò)誤和警報(bào)。

伺服系統(tǒng)控制程序采用模塊化編程，各自針對(duì)要求不同的應(yīng)用設(shè)計(jì)了高速掃描視圖、低速掃描視圖和運(yùn)動(dòng)控制程序。系統(tǒng)上電之后，CPU就同時(shí)開始高速掃描與低速掃描兩個(gè)獨(dú)立的掃描過(guò)程，并在高速掃描過(guò)程中調(diào)用運(yùn)動(dòng)程序來(lái)進(jìn)行運(yùn)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(diào)試結(jié)果分析

伺服系統(tǒng)調(diào)整主要調(diào)整系統(tǒng)的速度回路增益、速度回路積分時(shí)間常數(shù)、位置回路增益和扭矩指令過(guò)濾時(shí)間常數(shù)這幾個(gè)參數(shù)。通常按照下列步驟進(jìn)行：

第一步，較低地設(shè)定位置回路增益，在不發(fā)生噪音或振動(dòng)的范圍內(nèi)逐步提高速度回路增益。
第二步，略微降低第一步中設(shè)定的速度回路增益降值，在系統(tǒng)不發(fā)生上沖或振動(dòng)的范圍內(nèi)逐步提高位置回路增益。
第三步，根據(jù)定位調(diào)整時(shí)間、機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)等情況設(shè)定速度回路積分時(shí)間常數(shù)。
第四步，如果機(jī)械系統(tǒng)發(fā)生的扭曲共振時(shí)，適當(dāng)?shù)靥岣吲ぞ刂噶钸^(guò)濾時(shí)間常數(shù)。
最后，觀察系統(tǒng)響應(yīng)并對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

圖5是伺服電機(jī)的速度曲線和扭矩曲線。從圖中可以看到，第一階段對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度控制，電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)很快，轉(zhuǎn)速由0增加到2000r／m的過(guò)程十分平穩(wěn)。第二階段對(duì)電機(jī)進(jìn)行扭矩控制，電機(jī)由0增加到50％ 的額定扭矩響應(yīng)很快，也沒(méi)有出現(xiàn)大的波動(dòng)。表明按照這個(gè)方法進(jìn)行調(diào)試是可行的，完全能夠滿足自動(dòng)化生產(chǎn)線的需要。


4 結(jié)束語(yǔ)

在實(shí)際生產(chǎn)中，該自動(dòng)焊接生產(chǎn)線的伺服系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，滿足了高品質(zhì)轎車車身焊接工藝的需要，為廣州本田年產(chǎn)24萬(wàn)轎車發(fā)揮了決定性作用。該伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)且定位速度快，使得整條生產(chǎn)線的節(jié)奏控制在45、7秒，最大程度上發(fā)揮了機(jī)械的效率。該系統(tǒng)的成功在于系統(tǒng)設(shè)計(jì)上采用了分層的體系結(jié)構(gòu)和邏輯控制與運(yùn)動(dòng)控制相結(jié)合的控制方式。隨著中國(guó)汽車工業(yè)的快速發(fā)展，尤其是對(duì)車身質(zhì)量、產(chǎn)量和成本的要求不斷提高，伺服系統(tǒng)必將在汽車車身自動(dòng)焊接生產(chǎn)線上廣泛應(yīng)用。