往返輸送重載伺服驅動系統(tǒng)方案分析

往復式輸送線

往復式輸送線在白車身主焊線中的應用很普遍，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構，然后輸送線將線體上全部工位的工件輸送至下一個工位，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構上。輸送線還將繼續(xù)下降到垂直方向的原點位置，當輸送線在原位的高度上時，輸送設備上的所有支撐脫離工件，處于不干涉狀態(tài)，然后輸送線整體后退一個工位，回到水平方向的原點位置，至此，一個工作循環(huán)完成(見圖1)。其中，往復桿的上升和下降運動是通過氣缸驅動的，前進和后退的水平運動是通過電動機驅動的。本文主要研究和分析有重載要求的往復桿如何通過伺服電動機驅動水平運動的系統(tǒng)設計、電動機選型及外圍控制系統(tǒng)。

由于大功率伺服電動機的成本較高，應用并不廣泛。常規(guī)的往復桿一般采用變頻電動機配套使用變頻器的驅動方案，在負載不大或速度要求不高的生產線上廣泛使用，具有投資成本低、方案成熟等優(yōu)點。但是為了提高生產節(jié)拍而提速時，由于經常出現(xiàn)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題。因此，我們需要考慮采用定位更加精準的驅動和控制方式，以滿足往復桿高速平穩(wěn)運動并且精確停止的要求。

往復桿驅動設計基礎

1.電動機轉矩要求

該項目的總拼線共有12個工位，每個工件質量g1≈400?kg，往復桿及托架自身質量g2≈4?500?kg，減速比i=7.5，滾動摩擦系數u=0.07，驅動轉軸中心距驅動齒條距離r=100?mm，經計算，電動機的輸出轉矩需大于81.4?N·m。

2.電動機的速度要求

該項目的生產節(jié)拍要求為45?JPH，即每個工作循環(huán)時間為80?s，其中往復桿前進(或后退)運動時間為6?s，每個工位長度為6?m，因此，電動機最終輸出直線運動平均速度約為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，則輸送線峰值速度要求達到15?000?mm/s，驅動轉軸中心距驅動齒條距離為100?mm，經計算，電動機轉速為1?433?r/min。

3.電動機功率要求

經計算，電動機的角速度為150?rad/s，功率為12.2?kW。

伺服驅動選型設計

根據往復桿驅動設計基礎結果，往復桿驅動的轉矩必須大于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機方案，電動機功率為15?kW，變頻器功率為18.5?kW。按照相同負載要求，采用伺服驅動方案時，伺服電動機選用相同功率等級(15?kW)的電動機，對應的驅動器則應為與伺服電動機相配套的伺服驅動器。經過查詢各產品選型手冊，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機。

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

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

往復桿伺服驅動控制系統(tǒng)設計

選定伺服電動機和驅動器后，根據電動機和驅動器的參數，我們需進行伺服系統(tǒng)配置電源、I/O信號等外圍控制系統(tǒng)的設計，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5線制的380?V電源到伺服控制柜。其中驅動器的輸入電源(L1，L2，L3)3項380?V交流電源經過主隔離開關后接入驅動器，驅動器將電源轉換為伺服電動機所需的(U，V，W)3項交流電。

電動機的抱閘電源則需在伺服控制柜內通過直流源轉換模塊，將來自PDP的220?V(取L1，N項)電源轉換為伺服電動機所需的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型伺服驅動器未內置制動電阻，為實現(xiàn)快速制動功能，需外置一個13.3?Ω制動電阻。

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)采用的是伺服定長電動機，采用位置控制模式，如圖4所示。PLC程序上無需對伺服電動機的位置進行控制以及設置伺服運動參數，PLC只需根據外圍檢測系統(tǒng)結果發(fā)送開始運動指令到伺服驅動器。所有運動位置的參數則通過上位控制器設定。

伺服位置控制模式通過以下功能實現(xiàn)：

(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。通過電子齒輪功能可以任意設定指令單位的電動機旋轉或移動量。通過電動機旋轉一圈的脈沖數或通過指令相關的電子齒輪輪比來設定電動機旋轉量或移動量。

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

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

(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)。

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

驅動器X4接線板上的接線端子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。該項目僅適用前4個位置：P1(伺服前進)、P2(伺服后退)、P3(點動前進)和P4(點動后退)。其中，位置P1、P2為自動模式下觸發(fā)伺服電動機前進和后退的伺服運動參數;位置P3、P4為手動模式下，通過操作站按鈕觸發(fā)伺服電動機前進和后退的伺服運動參數。

3.PLC與伺服控制

由于需要控制的伺服電動機數量少，僅有一臺，同時不需要PLC發(fā)送脈沖信號到伺服驅動器，因此PLC與伺服驅動器間的信號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1734-AENT以太網總線通信的遠程控制模塊將控制信號通過硬線連接到伺服控制器。PLC與伺服驅動器間的硬線信號如圖6所示。

當伺服驅動器接收PLC發(fā)出的動作指令(前進、后退、點動前進和點動后退)后，驅動器根據預先設定好的位置、速度和加速度參數，經過位置環(huán)運算，對伺服電動機進行精確的閉環(huán)位置運動控制。

往復桿一個循環(huán)的運動步驟如下：

(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，當其他無干涉及自動運行條件滿足時，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關被觸發(fā)。

(2)前進：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，當其他無干涉及自動運行條件滿足時，發(fā)送“伺服使能”和“伺服前進”指令信號到伺服驅動器，觸發(fā)驅動器伺服使能及前進命令。②伺服驅動器得到“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進行監(jiān)控。③得到“伺服前進”指令，即觸發(fā)“Parameter2”列表下的1行的位置參數。伺服驅動器根據1行中設置的移動量、速度和加速度數值，并通過編碼器實時反饋和比較的數值，進行速度環(huán)和位置環(huán)的運算和調整，直到運動到指定的距離長度，驅動往復桿帶著白車身從后退到位位置前進一個工位的距離(6?m)到達前進到位的位置。④當電動機運行到設定的距離長度時，伺服驅動器將輸出“伺服前進到位”信號反饋給PLC。

(3)下降：PLC同步通過外部檢測前進到位傳感器狀態(tài)是否與伺服驅動反饋的“伺服前進到位”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關被觸發(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到位的位置，當其他無干涉及自動運行條件滿足時，發(fā)送“伺服使能”和“伺服后退”指令信號到伺服驅動器，觸發(fā)驅動器伺服使能及后退命令。②伺服驅動器得到“伺服使能”并成功使能伺服電動機后，將輸出“準備好READY”信號反饋給PLC，供PLC進行監(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。伺服驅動器根據2行中設置的移動量、速度和加速度數值，并通過編碼器實時反饋和比較的數值，進行速度環(huán)和位置環(huán)的運算和調整，直到運動到指定的距離長度，驅動往復桿帶從前進到位位置后退一個工位的距離(6m)到達后退到位的位置。④當電動機運行到設定的距離長度時，伺服驅動器將輸出“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始下一個工作循環(huán)(上升—前進—下降—后退)。

總結：

該伺服控制方案適用于與往復桿輸送特點相類似的設備控制，加以必要的修改和完善即可。往復桿輸送具有載荷大、運動位置較少以及重復定位精度要求高等特點，該項目采用的Panasonic A5系列伺服定長電動機及配套的伺服驅動器，具有功率大、轉矩大和體積小等優(yōu)勢。同時外圍電控系統(tǒng)進行簡化設計，與伺服驅動器的連接信號采用硬線連接方式，既能滿足伺服精確定位運動的要求，也能避免通過總線方式通信伺服電動機運動參數帶來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(tǒng)間的通信更可靠、簡潔明了且便于維護，降低了對維修、維護技能的要求。

由于伺服電動機依靠編碼器進行位置控制，對于伺服電動機運動的零點設置、運動到位位置檢測，還需通過外圍PLC控制系統(tǒng)額外配置外部檢測傳感器檢測往復桿的物理實際位置與編碼器反饋的位置進行比較和確認，起到冗余防錯的作用。

在未來的項目系統(tǒng)中，還需加強上位控制軟件功能的完善性開發(fā)，例如，在上位參數設定軟件中修改和操作伺服電動機運動指令時，需彈出確認操作按鈕，避免誤操作導致嚴重的碰撞事故;開發(fā)基于以太網通信、在上位軟件實現(xiàn)電動機反饋電流、位置、速度和加速度等關鍵參數的實時監(jiān)控功能。