伺服系统在汽车柔性焊接生产线中的应用.doc

伺服系统在汽车柔性焊接生产线中的应用研究摘要：提出了汽车柔性焊接生产线中应用的分层伺服系统体系结构和硬件配置，分析了采用逻辑控制与运动控制相结合的系统控制原理，叙述了 MP920 控制器的参数设定方式，给出了伺服控制系统程序工作流程结合广州本田汽车有限公司年产 24 万整车自动焊接生产线设计建造的实例，介绍了 MP920 伺服系统在自动化生产线中的实际应用，给出了伺服系统的调试方法，并对调试结果进行了分析实际应用效果表明了所提体系结构和控制模式的正确性和有效性关键词：MP920 伺服系统； 汽车制造； 柔性焊接生产线； 电气控制0 引言在汽车制造企业中，车身焊接生产线是一条关键的生产线，这条生产线决定车身焊接车间乃至整个企业的生产能力、产品质量和产品的多样化广州本田汽车有限公司年产 24 万轿车的自动化焊接生产线是一条贯通式流水线，全线 5 个全自动工位：车身地板搬送工位、车身部件预装配工位、自动焊接工位、车身卸载工位和车身夹具切换工位该自动生产线全面采用了日本安川公司的 MP920 伺服系统，极大地进步了工装夹具的定位精度和生产线的柔性化程度本文从 MP920 伺服系统的硬件体系结构、控制原理、控制程序设计以及系统调试等几方面介绍该生产线中的伺服系统，研究柔性自动化生产线中伺服控制系统的应用。

1 伺服系统硬件配置考虑系统的信息处理量大，为了降低 PLC 的信息处理负担，进步控制器之问的独立性，系统采用了分层的体系结构，第一层为主控 PLC，第二层为伺服控制器，两个控制层之间采用现场总线进行通讯整个系统硬件配置如图 1 所示主控 PLC 是整条生产线的逻辑处理中心，它一方面协调控制现场各种设备按照工艺顺序要求工作，另一方面向上层监控设备实时发送生产和设备状态信息主控PLC 选用 OMRON 公司的 CS1H．CPU65 型 PLC 系统伺服系统采用日本安川电机公司的 MP920 伺服系统，该伺服系统由伺服控制器，伺服驱动器和伺服电机组成，其中伺服控制器是整条生产线的运动控制核心，控制伺服电机按照工艺要求精确运动，同时还通过现场总线 DeviceNet 将伺服系统的状态信息反馈给主控 PLC伺服控制器选用 MP920 可编程控制器专门用于控制直线型伺服电机系统伺服驱动器选用 Σ 系列 SGDB 型伺服驱动器，伺服电机选用 Σ 系列 SGM 型伺服电机在车身自动焊接生产线中使用了 3 套 MP920 系统来控制了 18 个伺服电机2 MP920 控制器工作原理2.1 MP920 控制器构成在 MP920 系统中， CPU 模块（MP920）主要起数据处理（逻辑处理和运动处理）的作用，并向运动控制单元（SVB 一 01）发送运动指令，并根据反馈信息作进一步处理。

运动控制单元主要进行指令处理和运动状态处理，通过 Mechatrolink 总线每个单元最多能单独控制 l4 个轴此单元能预先进行参数设定，根据 CPU 发送过来的指令进行运动控制，并将运动过程中的各种参数反馈到 CPU 单元中往DeviceNet 通讯单元（260IF ）通过 Device—Net 协议与主控 PLC 进行数据交换，进行协同工作，完成整线的控制2．2 MP920 控制器参数设定运动控制单元内部有三类参数：固定参数、设定参数和监控参数其中固定参数包括电机参数、伺服驱动器参数、编码器参数等固定数据；设定参数用来向伺服驱动器提供伺服控制命令，在系统运行时可以实时更改；监控参数由与伺服马达相连的编码器反馈到运动控制单元的电机运动状态数据，这些监控数据可以在运动程序和逻辑程序中作为参考CPU 单元对运动控制单元的控制是通过其 I／O 端口与运动控制单元的参数相互对应建立的为建立这种联系，须将 CPU 单元的输出 I／O 端口分配给运动单元的设定参数，输进 I／O 端口分配给运动单元的监控参数CPU单元在进行 I／O 刷新时将监控参数读进内存，同时将伺服控制命令写进到运动控制单元的设定参数中，实现对运动控制单元的控制。

伺服系统的控制原理如图 2 所示2．3 MP920 控制程序设计MP920 伺服控制器通过循环扫描用户程序来进行控制，用户程序由视图、函数和运动程序组成其中视图与函数主要用于完成顺序逻辑控制，运动程序用于电机的运动控制为了节省系统资源，将视图分为高速扫描程序和低速扫描程序，高速扫描程序的扫描周期很短，约为 0．4ms ，用于处理实时性很强的伺服控制任务，是整个程序的主体，在其中调用运动程序实现对电机的精确控制；低速扫描视图扫描周期远低于高速扫描视图，在程序系统中用于处理实时性要求较低的错误和警报伺服系统控制程序采用模块化编程，各自针对要求不同的应用设计了高速扫描视图、低速扫描视图和运动控制程序系统上电之后，CPU 就同时开始高速扫描与低速扫描两个独立的扫描过程，并在高速扫描过程中调用运动程序来进行运动控制低速和高速扫描视图的流程分别如图 3 和图 4 所示3 调试结果分析伺服系统调整主要调整系统的速度回路增益、速度回路积分时间常数、位置回路增益和扭矩指令过滤时间常数这几个参数通常按照下列步骤进行：第一步，较低地设定位置回路增益，在不发生噪音或振动的范围内逐步进步速度回路增益第二步，略微降低第一步中设定的速度回路增益降值，在系统不发生上冲或振动的范围内逐步进步位置回路增益。

第三步，根据定位调整时间、机械系统的振动等情况设定速度回路积分时间常数第四步，假如机械系统发生的扭曲共振时，适当地进步扭矩指令过滤时间常数最后，观察系统响应并对各个参数进行微调，进行参数优化图 5 是伺服电机的速度曲线和扭矩曲线从图中可以看到，第一阶段对电机进行速度控制，电机转速响应很快，转速由 0 增加到 2000r／m 的过程十分平稳第二阶段对电机进行扭矩控制，电机由 0 增加到 50％ 的额定扭矩响应很快，也没有出现大的波动表明按照这个方法进行调试是可行的，完全能够满足自动化生产线的需要4 结束语在实际生产中，该自动焊接生产线的伺服系统运行稳定可靠，满足了高品质轿车车身焊接工艺的需要，为广州本田年产 24 万轿车发挥了决定性作用该伺服系统运动平稳且定位速度快，使得整条生产线的节奏控制在 45、7 秒，最大程度上发挥了机械的效率该系统的成功在于系统设计上采用了分层的体系结构和逻辑控制与运动控制相结合的控制方式随着中国汽车产业的快速发展，尤其是对车身质量、产量和本钱的要求不断进步，伺服系统必将在汽车车身自动焊接生产线上广泛应用 基于PLC和交流伺服系统控制的自动生产线输送系统 伺服控制系统实现包装生产线的柔性化包装生产线对柔性化的呼声越来越高，在柔性化的实现过程中，伺服控制系统将起到什么样的作用？我刊特邀了罗克韦尔自动化自动控制及信息产品集团产品经理钟锐华先生为读者诠释这一实现过程。

包装行业工业化进程中，制造技术实现了规模化和多样化，多样化乃至个性化的需求进一步加剧了市场竞争，为了降低生产成本，包装企业纷纷考虑建立柔性化生产线，实现企业柔性化制造少不了高效的伺服控制系统给予支持实现包装生产线柔性化的几个因素在包装生产线的发展中，控制与集成产品/技术发挥着越来越重要的作用1．为了实现更高速、更柔性化的生产目标，传统上由机械部件完成的功能现在越来越多的是由伺服系统来实现比如，电子凸轮和电子齿轮取代机械凸轮和齿轮，多轴之间无须“硬/机械”连接的高精度同步因此，包装生产线不仅需要联锁控制，还需要快速高精度的伺服控制能同时满足以上功能的集成控制器/系统将比独立 PLC+独立伺服控制器的控制方案在编程、调试和维护等各方面都为用户带来更多好处2．为了实现柔性化生产，要求包装生产线中的各工艺段设备相互之间紧密耦合，要求包装生产线和其他生产线相互联动由于不同控制器分别控制不同工艺段或者生产线，这就带来了不同控制器之间相互协调的问题因此，国际包装协会用户组织（OMAC/PACML）提出了对象封装的结构化、标准化的机器状态管理功能，相应地，集成这一功能的控制系统可以保证用户以更少的时间和成本实现整线、甚至整厂生产的协同。

3．实现柔性化生产，还意味着控制系统实时数据应该集成与工厂生产信息管理系统的关系型数据库的双向通讯的能力也就是说，从订单池生成及生产调度管理软件中的生产控制指令要能及时地传递给包装生产线控制系统；并且，包装生产线控制系统将运行状态和生产状态要能及时地送回给生产信息管理系统4．为了实现连续生产更大化和系统恢复时间更少化，越来越多的用户也意识到能够支持模块带电插拔、诊断信息快速获取和网络化集中维护管理的包装生产线控制系统所具有的价值和好处高效的伺服控制系统成为首选对于快速、高柔性化的包装生产线，罗克韦尔自动化的 Kinetix 集成伺服控制系统正成为越来越多用户的首选Kinetix 由 Logix 多功能控制器以及通过国际标准 SERCOS 光纤联网的 K6000、Ultra 或者 PowerFlexS 系列伺服驱动装组成Kinetix 具有以下好处：1．Logix 多功能控制器，集成了伺服控制（MotionPlanner）、顺序控制和过程控制这意味着用户在一个开发环境中就可以同时开发 PID、伺服以及顺控，不再像其他系统那样要独立的伺服控制器和 PLC，也不需要再考虑 PLC 和伺服控制器相应处理间的数据交换通讯,大大节约了时间、提高了效率。

单一 Logix 控制器最大可实现 32 轴的伺服控制，并且，多个 Logix 控制器可以在同一控制背板上实现对于更多轴的协同控制，也可以通过Synclink 或 IEC61158EtherNet/IP 标准工业以太网实现大范围、分布式协同控制（>254 轴）2．Logix 多功能控制器，采用基于“对象”的数据自动内存管理方式，控制编程“所见即所得”，不再需要像使用 PLC 那样要考虑内存分配和管理，程序清晰易读，相应的文档工作也大大减少同样，伺服装置、IO 及现场设备（本地或者通过DeviceNet、ControlNet 及 EtherNet/IP 工业网络连接）的参数、状态及诊断信息等等可以被控制编程直接使用而且，用户可通过任意一点直接或者远程接入，透过上述网络，访问、组态并维护 Kinetix 系统中的所有设备3．内置“PhaseManager“的 Logix 多功能控制器支持国际包装协会用户组织（OMAC/PACML）提出的对象封装的结构化、标准化的机器状态管理功能简单组态功能块，用户不仅可以实现简单明了的单一机器管理，还可方便地实现整线不同控制器的协同4．Kinetix 集成相关软件，不仅能实现监控一体化，支持标准 OPC 等实时标准数据接口，还能直接实现与多种关系型数据库如 SQLSever,Oracle 等等或者 ERP 系统如 SAP 等的快速、稳定的双向数据传递。

对于用户而言，无须任何软件开发或者程序编写，只是简单地进行图形化组态即可5．模块化、系列化的 Kinetix，可以根据控制规模和性能要求的不同，为应用“量身定制”性价比更优化的包装生产线解决方案例如，大型 ControlLogix 和中型CompactLogix 控制器可供用户选择；不同电压等级、不同功率大小、不同扩展模块个数的K6000、Ultra 或者 PowerFlexS 系列伺服装置可供用户选择；机架式 1756IO、无机架1769CompactIO、集成端子排的 1794FlexIO/1734PointIO 和 IP67 防护等级的1738ArmorPointIO 可供用户选择（可通过 DeviceNet、ControlNet 或者 Et。