摘要：提出了汽車柔性焊接生產(chǎn)線中應用的分層伺服系統(tǒng)體系結構和硬件配置，分析了采用邏輯控制與運動控制相結合的系統(tǒng)控制原理，敘述了MP920控制器的參數(shù)設定方式，給出了伺服控制系統(tǒng)程序工作流程。結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)線中的實際應用，給出了伺服系統(tǒng)的調試方法，并對調試結果進行了分析。實際應用效果表明了所提體系結構和控制模式的正確性和有效性。
關鍵詞：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)的硬件體系結構、控制原理、控制程序設計以及系統(tǒng)調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，提高控制器之問的獨立性，系統(tǒng)采用了分層的體系結構，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)場總線進行通信。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)調控制現(xiàn)場各種設備按照工藝順序要求工作，另一方面向上層監(jiān)控設備實時發(fā)送生產(chǎn)和設備狀態(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)。伺服驅動器選用Σ系列SGDB型伺服驅動器，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。此單元能預先進行參數(shù)設定，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單元中去。DeviceNet通信單元（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)設定
運動控制單元內部有三類參數(shù)：固定參數(shù)、設定參數(shù)和監(jiān)控參數(shù)。其中固定參數(shù)包括電機參數(shù)、伺服驅動器參數(shù)、編碼器參數(shù)等固定數(shù)據(jù)；設定參數(shù)用來向伺服驅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定參數(shù)，輸入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)讀入內存，同時將伺服控制命令寫入到運動控制單元的設定參數(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，是整個程序的主體，在其中調用運動程序實現(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用設計了高速掃描視圖、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 調試結果分析
伺服系統(tǒng)調整主要調整系統(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，較低地設定位置回路增益，在不發(fā)生噪音或振動的范圍內逐步提高速度回路增益。
第二步，略微降低第一步中設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逐步提高位置回路增益。
第三步，根據(jù)定位調整時間、機械系統(tǒng)的振動等情況設定速度回路積分時間常數(shù)。
第四步，如果機械系統(tǒng)發(fā)生的扭曲共振時，適當?shù)靥岣吲ぞ刂噶钸^濾時間常數(shù)。
最后，觀察系統(tǒng)響應并對各個參數(shù)進行微調，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，電機轉速響應很快，轉速由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％ 的額定扭矩響應很快，也沒有出現(xiàn)大的波動。表明按照這個方法進行調試是可行的，完全能夠滿足自動化生產(chǎn)線的需要。
4 結束語
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)設計上采用了分層的體系結構和邏輯控制與運動控制相結合的控制方式。隨著中國汽車工業(yè)的快速發(fā)展，尤其是對車身質量、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焊接生產(chǎn)線上廣泛應用。
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