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

摘要：提出了汽車柔性焊接生產(chǎn)線中應(yīng)用的分層伺服系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和硬件配置，分析了采用邏輯控制與運動控制相結(jié)合的系統(tǒng)控制原理，敘述了MP920控制器的參數(shù)設(shè)定方式，給出了伺服控制系統(tǒng)程序工作流程。結(jié)合廣州本田汽車有限公司年產(chǎn)24萬整車自動焊接生產(chǎn)線設(shè)計建造的實例，介紹了MP920伺服系統(tǒng)在自動化生產(chǎn)線中的實際應(yīng)用，給出了伺服系統(tǒng)的調(diào)試方法，并對調(diào)試結(jié)果進行了分析。實際應(yīng)用效果表明了所提體系結(jié)構(gòu)和控制模式的正確性和有效性。
關(guān)鍵詞：MP920伺服系統(tǒng)； 汽車制造； 柔性焊接生產(chǎn)線； 電氣控制
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)24萬轎車的自動化焊接生產(chǎn)線是一條貫通式流水線，全線5個全自動工位：車身地板搬送工位、車身部件預(yù)裝配工位、自動焊接工位、車身卸載工位和車身夾具切換工位。該自動生產(chǎn)線全面采用了日本安川公司的MP920伺服系統(tǒng)，極大地進步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的信息處理負擔，進步控制器之問的獨立性，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，兩個控制層之間采用現(xiàn)場總線進行通訊。整個系統(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)備實時發(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)動器和伺服電機組成，其中伺服控制器是整條生產(chǎn)線的運動控制核心，控制伺服電機按照工藝要求精確運動，同時還通過現(xiàn)場總線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系統(tǒng)。伺服驅(qū)動器選用Σ系列SGDB型伺服驅(qū)動器，伺服電機選用Σ系列SGM型伺服電機。在車身自動焊接生產(chǎn)線中使用了3套MP920系統(tǒng)來控制了18個伺服電機。

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（邏輯處理和運動處理）的作用，并向運動控制單元（SVB一01）發(fā)送運動指令，并根據(jù)反饋信息作進一步處理。運動控制單元主要進行指令處理和運動狀態(tài)處理，通過Mechatrolink總線每個單元最多能單獨控制l4個軸。此單元能預(yù)先進行參數(shù)設(shè)定，根據(jù)CPU發(fā)送過來的指令進行運動控制，并將運動過程中的各種參數(shù)反饋到CPU單元中往。DeviceNet通訊單元（260IF）通過Device—Net協(xié)議與主控PLC進行數(shù)據(jù)交換，進行協(xié)同工作，完成整線的控制。
2．2 MP920控制器參數(shù)設(shè)定
運動控制單元內(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)包括電機參數(shù)、伺服驅(qū)動器參數(shù)、編碼器參數(shù)等固定數(shù)據(jù)；設(shè)定參數(shù)用來向伺服驅(qū)動器提供伺服控制命令，在系統(tǒng)運行時可以實時更改；監(jiān)控參數(shù)由與伺服馬達相連的編碼器反饋到運動控制單元的電機運動狀態(tài)數(shù)據(jù)，這些監(jiān)控數(shù)據(jù)可以在運動程序和邏輯程序中作為參考。CPU單元對運動控制單元的控制是通過其I／O端口與運動控制單元的參數(shù)相互對應(yīng)建立的。為建立這種聯(lián)系，須將CPU單元的輸出I／O端口分配給運動單元的設(shè)定參數(shù)，輸進I／O端口分配給運動單元的監(jiān)控參數(shù)。CPU單元在進行I／O刷新時將監(jiān)控參數(shù)讀進內(nèi)存，同時將伺服控制命令寫進到運動控制單元的設(shè)定參數(shù)中，實現(xiàn)對運動控制單元的控制。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
MP920伺服控制器通過循環(huán)掃描用戶程序來進行控制，用戶程序由視圖、函數(shù)和運動程序組成。其中視圖與函數(shù)主要用于完成順序邏輯控制，運動程序用于電機的運動控制。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，用于處理實時性很強的伺服控制任務(wù)，是整個程序的主體，在其中調(diào)用運動程序?qū)崿F(xiàn)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(tǒng)中用于處理實時性要求較低的錯誤和警報。
伺服系統(tǒng)控制程序采用模塊化編程，各自針對要求不同的應(yīng)用設(shè)計了高速掃描視圖、低速掃描視圖和運動控制程序。系統(tǒng)上電之后，CPU就同時開始高速掃描與低速掃描兩個獨立的掃描過程，并在高速掃描過程中調(diào)用運動程序來進行運動控制。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、速度回路積分時間常數(shù)、位置回路增益和扭矩指令過濾時間常數(shù)這幾個參數(shù)。通常按照下列步驟進行：
      第一步，較低地設(shè)定位置回路增益，在不發(fā)生噪音或振動的范圍內(nèi)逐步進步速度回路增益。
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)生上沖或振動的范圍內(nèi)逐步進步位置回路增益。
第三步，根據(jù)定位調(diào)整時間、機械系統(tǒng)的振動等情況設(shè)定速度回路積分時間常數(shù)。
第四步，假如機械系統(tǒng)發(fā)生的扭曲共振時，適當?shù)剡M步扭矩指令過濾時間常數(shù)。
最后，觀察系統(tǒng)響應(yīng)并對各個參數(shù)進行微調(diào)，進行參數(shù)優(yōu)化。
圖5是伺服電機的速度曲線和扭矩曲線。從圖中可以看到，第一階段對電機進行速度控制，電機轉(zhuǎn)速響應(yīng)很快，轉(zhuǎn)速由0增加到2000r／m的過程十分平穩(wěn)。第二階段對電機進行扭矩控制，電機由0增加到50％ 的額定扭矩響應(yīng)很快，也沒有出現(xiàn)大的波動。表明按照這個方法進行調(diào)試是可行的，完全能夠滿足自動化生產(chǎn)線的需要。

4 結(jié)束語
在實際生產(chǎn)中，該自動焊接生產(chǎn)線的伺服系統(tǒng)運行穩(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)24萬轎車發(fā)揮了決定性作用。該伺服系統(tǒng)運動平穩(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)揮了機械的效率。該系統(tǒng)的成功在于系統(tǒng)設(shè)計上采用了分層的體系結(jié)構(gòu)和邏輯控制與運動控制相結(jié)合的控制方式。隨著中國汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，尤其是對車身質(zhì)量、產(chǎn)量和本錢的要求不斷進步，伺服系統(tǒng)必將在汽車車身自動焊接生產(chǎn)線上廣泛應(yīng)用。