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伺（sì）服（fú）驅動加工定位（wèi）控製方式

2015-2-23 來源：福建船政交通職業學院機械係作者：林祥勇

摘　要：針對某模塊化生（shēng）產加工係統生產製造過程中（zhōng）設備定位問題，設（shè）計一種采用伺服電機、ＰＬＣ和觸摸屏為主（zhǔ）體，可自動（dòng）測量並顯示絕對坐標位（wèi）置，並（bìng）自動（dòng）定位的控製係統。加（jiā）工重複定位精度可達（dá）０．０１ｍｍ，減輕了（le）工人工作強度（dù），提高了勞動生產率。

０　、引　言

　　在（zài）亞（yà）龍（lóng）公司的３３５ＢＭＰＳ模塊（kuài）化自動化（huà）生（shēng）產線（xiàn）的生產製（zhì）造過程中，生產線各單元模塊在組裝（zhuāng）成功後需（xū）要放置在生產線的指定位置，該位置的的定位往往是工人根據生產圖紙的尺寸進行定（dìng）位，采用人力搬運（yùn）並通過人工校準來進行模（mó）塊單元安裝調整，由於係（xì）統安裝中存在誤差，每台生產線都必須通過（guò）生產線（xiàn）的單（dān）步試運行功能將物料逐（zhú）一通過生產線的各個單元（yuán）模塊，並再次通（tōng）過人（rén）工調整對單元模塊（kuài）定位微調，從而保（bǎo）證每條生產線出廠的（de）合格性。這就導致調整（zhěng）時間長、效率低，花（huā）費大量的時間，並且通過反複（fù）調整以提（tí）高定位精度，從而使該生產線的生產周期大大延長。同時，在（zài）設計上該ＭＰＳ模塊化生產線將（jiāng）機械手固定在導軌（guǐ）的初始（shǐ）點，從而通過伺服電機（jī）帶動導軌運行達到機械（xiè）手在各生產線模塊之間的往返的目的。在定位精度上如果機械手與單元模塊之間的精度一旦出現２ｍｍ以上的誤差，在運行時機械手在擺動氣缸的作用下必定在９０°旋轉時碰撞上單元模塊的機械部位從而導致事故，因此，在生（shēng）產（chǎn）過（guò）程中的定位又具有至關（guān）重要的作（zuò）用。為減輕工人勞動強度，加快設備精度定位方式，文中（zhōng）在（zài）該ＭＰＳ模塊化生產加工係統硬件的基礎（chǔ）上，設計了一種采用伺（sì）服電機、ＰＬＣ和觸摸（mō）屏為主（zhǔ）體，可自動定位並顯示絕對坐標（biāo）的定位測試方法（fǎ），該方法精（jīng）確度可達０．０１ｍｍ，減輕了工人工作（zuò）強度，同時，在生產任務發生變化時更換（huàn）不同的加工模塊也可以（yǐ）實現快速、精準的定位，提高了生產線的生產效率。

１　、ＭＰＳ模塊化生產加工係統及設計思路

　　目前，浙江亞（yà）龍公司的３３５ＢＭＰＳ模塊化生（shēng）產加工係（xì）統將工作單元分別進行檢測（cè）、加工、搬（bān）運、安裝、分（fèn）類等製作過程，各工（gōng）作單元分工明確又相互協調。ＭＰＳ模塊（kuài）化生產線加工係統結構如圖１所示。

圖（tú）１　ＭＰＳ模塊化生產加（jiā）工係統

　圖中供料（liào）、加工、裝配等單元分別完成（chéng）特定生產內容，輸送單元負責將原料通過供料單元、加工單元、裝配單元進行生產，最（zuì）後將成品送入分揀單元分揀出合格品（pǐn）。原設計中輸送過程（chéng）係統（tǒng）通過（guò）內置程序進行（háng）定位目標單元（yuán）點，利用（yòng）導軌控製（zhì）機械手的擺動用機械手（shǒu）抓緊物料將物料放在各模塊單元的初始位置，若位置（zhì）誤差略大，則機械手在擺動時必定與模塊單（dān）元（yuán）的機械部分之間發生碰撞，造成（chéng）損傷及事故（gù），因此，各（gè）模塊單元的（de）初始放置點（diǎn）的定位對精度要求很高。特別在設備（bèi）的大量（liàng）生產過程中單純依靠人工搬運模塊單元並進行人動調整，不但對工人熟練度及（jí）精細度要求很高，同時也使得勞動強度大（dà）大（dà）加強。

因此，該自動定位測試方（fāng）式（shì）的思路改變以往讓機械手（shǒu）“跟著”單元模塊走的定位方式（shì），而改成通過給（gěi）定機械手位移坐標，根據不同規格的生產線設計要求，當機械手運行到不同（tóng）單元模塊的位置，同時在觸摸屏上實時顯示機械手的運行位移，再根據（jù）機械手的停放位置直接（jiē）將單元模（mó）塊進行實時放置，實（shí）現一次性定位成功。同時（shí），克服了每台生產線的誤差問題可能造成的機械事故，由於機械手的運行通過伺服（fú）電機完成，在位置控製（zhì）上實現定位精度可達０．０１ｍｍ。

２　、係統組成

　　係統（tǒng）上采用三菱（líng）觸摸屏Ｆ９４０ＧＯＴ－ＬＷＤ及三菱ＦＸ１Ｎ－４０ＭＴＰＬＣ為主控製器，並利用觸摸屏進行模塊單元的（de）位（wèi）移運行控製，其中三菱ＰＬＣ為係統核心（xīn），完（wán）成模擬量輸入、開關量輸（shū）入狀態檢測（cè）、開關量輸出控製以及整個係統的過程控製。觸摸屏實現人機界麵，完成相關數據、信息、狀態（tài）顯示和參數設置，與ＰＬＣ通信進行數據交換和相關控製。

　　係統控製電源接通後，首先初始（shǐ）化ＰＬＣ和觸摸屏；然後ＰＬＣ自動檢測係統的啟動（dòng）條件，氣壓是否（fǒu）達到有效設（shè）定值，輸送單元是否處於原點，非原點則執行原（yuán）點返回程序；與伺服通信是否正常，觸摸屏通信有無故障，若條件不滿足，係統等待並發出報警信號；若啟動條件滿（mǎn）足，ＰＬＣ根據位置量要求（qiú）控製伺服係統運行並將運行位置及運行速度反饋在觸摸屏上，通過觸摸屏輸（shū）入（rù）不同位置的設定值控製其自動定位。

３、　伺（sì）服控製係統

　　伺服控製係統由伺服驅動器、伺服電機和齒輪傳動機構構成，實現對各工作單元及檢測裝置進行（háng）精（jīng）確定位，是該方法的關鍵部分。通過伺服驅動器控製伺服電機運（yùn）行，運行到（dào）位後通過ＰＬＣ實時監測得到的運行距離，即實際（jì）測量值與自動計算後得到的脈衝量同時顯示（shì）在觸摸屏上，操作人員（yuán）根（gēn）據得到的實際（jì）測量值進行模塊單（dān）元（yuán）的一次性安裝（zhuāng），調整完畢後再進行下一（yī）個定（dìng）位點的自動測試，即（jí）使生產任務發生變（biàn）化，不同的單元模塊（kuài）進行更（gèng）換（huàn），隻要將存儲器內位移量直接改變（biàn）即可（kě），方便可靠。同時，伺（sì）服係統將定位精度控製在０．０１ｍｍ。控（kòng）製（zhì）模（mó）式如圖２所示。

圖（tú）２　控製模式

在伺（sì）服控製中通（tōng）過原先生產線自帶的（de）鬆下ＭＨＭＤ０２２Ｐ１Ｕ永磁同步的交流伺服電（diàn）機及ＭＡＤＤＴ１２０７００３全數字交流永磁同步伺服驅動裝置作為運動控（kòng）製裝置。該交流永磁同步伺服驅動（dòng）器主要（yào）有伺服控製單元、功率驅動單元、通訊接口單元（yuán）、伺服電動機及相應的反饋檢（jiǎn）測器件組成，其中，伺服控（kòng）製單元包括位置控製器、速度控製器、轉矩和電流控製器等，如圖３所示（shì）。

圖３　伺服控製單元

　根據該伺服控製單元，將機械手需要的位（wèi）移運行量換算成伺服驅（qū）動（dòng）器接收的脈衝頻率，同時，由於對位置和速度的精度要求（qiú）控製在０．０１ｍｍ，故使用伺服驅動器位置（zhì）控製模式，位置控製模式采用位置環、速度環、電流環三環控製結構，ＰＬＣ給定高速脈衝信號ｎ１送到位置控製器（qì），控製伺服電機運行，即進行直（zhí）線位移，與通過位置反（fǎn）饋得到的電機實（shí）際轉（zhuǎn）動脈衝數ｎ２比較，誤差信號（hào）Δｎ＝ｎ１－ｎ２，經（jīng）過位置（zhì）調節（jiē）器ＰＩＤ調節後，輸出轉子轉速給定信號（hào）ｍ１，實際轉子轉速反饋信號ｍ２，速（sù）度誤差信號Δｍ＝ｍ１－ｍ２送到速度控製器，再經過ＰＩＤ調節後輸出伺服電機交軸電流信號ｉ１，與實際交軸電流ｉ２比較，得出交軸電流的誤差信號（hào）Δｉ＝ｉ１－ｉ２，電流控製器輸出ＰＷＭ控（kòng）製信號（hào），使伺服電機按給定脈衝數運行，並控製運行精度。位置控製模式下（xià），電子齒輪等效的單（dān）閉環係統方框圖如圖４所（suǒ）示。

圖４　等效的單（dān）閉環位置控製係統方框圖

圖中（zhōng）指令脈衝信號（hào）和電（diàn）機編（biān）碼器反（fǎn）饋脈（mò）衝信（xìn）號進入驅動器後，均通過電子齒輪變換進（jìn）行（háng）偏差計算。電子齒輪可以用來任意設置（zhì）每單位指令脈衝對應的電機速度和脈衝當量，由於ＦＸ１Ｎ－４０ＭＴ作為上位控製器（qì）最高脈衝輸出頻率（lǜ）為１００ｋＨｚ，受其限製，使用電（diàn）子齒輪功能，以減小給伺服驅動器發送脈衝的頻率。

對（duì）應脈衝計算公式（shì）為

　設伺服電機旋轉一周移動６０ｍｍ，鬆下ＭＩＮＡＳＡ４係列ＡＣ伺服電機驅動器，電機（jī）編碼器反饋脈（mò）衝為２　５００ｐｕｌｓｅ／ｒｅｖ。由於伺服電機脈衝當量為０．０１ｍｍ，減速比（bǐ）為１，則（zé）電機（jī）運行（háng）一圈所需的脈衝數（shù）為：

伺服驅（qū）動（dòng）器與ＰＬＣ及伺服電機的接線圖如圖５所示。

圖５　伺服驅動器接線圖

４、　係統軟件

　　通過原位（wèi）行程開關作為原始點定位，通過（guò）ＰＬＣ相關複位程序（xù）進行上電初始位置檢測（cè），ＰＬＣ在複位後等（děng）待ＰＬＣ相關檢（jiǎn）測程序對各輸入單元及故障報警進行診斷，並配置報警指示燈。ＰＬＣ的Ｉ／Ｏ端口資源分配表見表１。

　在係統正常運行後，等待觸摸屏發出控製指令，通過觸摸屏上由調試人員（yuán）輸入運行距離，啟動運行按鈕，使伺服電機自動移動到（dào）目的地。同時，在觸摸屏上設置絕對位置位移顯示（shì）框可以實時得到電機運行的實際距離，從而確定絕對位置的精度，還可以根據需要改變伺服電機的運行速度。所設計的軟件流程如圖６所示。

圖６　軟件流程（chéng）圖（tú）

在控製過程中，核心為（wéi）觸摸屏組態程序和ＰＬＣ控製程（chéng）序（xù），其（qí）中，觸摸屏組態程序主要負責實時（shí）監控機械手的運行速度、運行距離，並可實時微調。ＰＬＣ控製（zhì）程序主要是輸出脈衝當量進（jìn）而通過伺服驅動器來控製伺服電機運行（háng），從而起到精確定（dìng）位的作用。相關控製程序如圖７所示。

圖７　相關控製程序

　通過三（sān）菱觸摸屏設（shè）置啟動及暫停按鈕進行測試控製，並（bìng）同時（shí）在線可看到機械手當（dāng）前運行位置，使安裝人員（yuán）直接根據係統反饋的位置（zhì）量進行單元模塊的精確定位，避（bì）免（miǎn）了係統誤差。控製（zhì）界麵（miàn）如圖８所示。

圖８　控製界麵

５　、結　語

　　采用伺服電機、ＰＬＣ和觸摸屏為主體，通過（guò）係統給（gěi）定（dìng）值（zhí）自動測量並顯示絕對（duì）坐標值，同時自動定位，並且將（jiāng）定位精度（dù）控製在０．０１ｍｍ；在實際生產過程中，替代原有的人工測量、定位，減輕了設備安裝過程中工人反複安裝的工作強度，節省安裝時間，提高了勞動生產率。實踐證明，該方法（fǎ）定位可一次性（xìng）定位、速度快、精度高，杜絕了機械碰撞損壞等問題，保（bǎo）證係統運（yùn）行可靠。同時，在類似係列的生產線上都可以通用，且具有易修改、易（yì）實現的特點。

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