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 提高了工装夹具的定位精度和生产线的柔性化程度。

  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,提高控 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信。

      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单元中去。DeviceNet通信单元(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,输入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 将监控参数读入内存,同时将 伺服控制命令写入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。

      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。


      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提高速度回路增益。

  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提高位置回路增益。

  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,如果机 械系统发生的扭曲共振时,适当地 提高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。


  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 国汽车工业的快速发展,尤其是对车身质量、产量和 成本的要求不断提高,伺服系 统必将在汽车车身自动焊接生产线上广泛应用。


2016年01月07日

MP运动控 制器在数控钢筋弯箍机中的应用
安川运 动控制系统在间歇式印刷机上的应用

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