往返输送重载伺服驱动系统方案分析

往复式输送线

往复式输送线在白车身主焊线中的应用很普遍，其工作原理是输送线整体抬升将工件抬离焊接工装夹具及定位机构，然后输送线将线体上全部工位的工件输送至下一个工位，之后输送线整体下降，将线体上所有工件放置在工装夹具及定位机构上。输送线还将继续下降到垂直方向的原点位置，当输送线在原位的高度上时，输送设备上的所有支撑脱离工件，处于不干涉状态，然后输送线整体后退一个工位，回到水平方向的原点位置，至此，一个工作循环完成(见图1)。其中，往复杆的上升和下降运动是通过气缸驱动的，前进和后退的水平运动是通过电动机驱动的。本文主要研究和分析有重载要求的往复杆如何通过伺服电动机驱动水平运动的系统设计、电动机选型及外围控制系统。

由于大功率伺服电动机的成本较高，应用并不广泛。常规的往复杆一般采用变频电动机配套使用变频器的驱动方案，在负载不大或速度要求不高的生产线上广泛使用，具有投资成本低、方案成熟等优点。但是为了提高生产节拍而提速时，由于经常出现往复杆停止位置越位，容易造成锁紧机构不能准确锁紧等问题。因此，我们需要考虑采用定位更加精准的驱动和控制方式，以满足往复杆高速平稳运动并且精确停止的要求。

往复杆驱动设计基础

1.电动机转矩要求

该项目的总拼线共有12个工位，每个工件质量g1≈400 kg，往复杆及托架自身质量g2≈4 500 kg，减速比i=7.5，滚动摩擦系数u=0.07，驱动转轴中心距驱动齿条距离r=100 mm，经计算，电动机的输出转矩需大于81.4 N·m。

2.电动机的速度要求

该项目的生产节拍要求为45 JPH，即每个工作循环时间为80 s，其中往复杆前进(或后退)运动时间为6 s，每个工位长度为6 m，因此，电动机最终输出直线运动平均速度约为1 000 mm/s，峰值速度要求为2 000 mm/s。

因为配置了减速比为7.5的减速机，则输送线峰值速度要求达到15 000 mm/s，驱动转轴中心距驱动齿条距离为100 mm，经计算，电动机转速为1 433 r/min。

3.电动机功率要求

经计算，电动机的角速度为150 rad/s，功率为12.2 kW。

伺服驱动选型设计

根据往复杆驱动设计基础结果，往复杆驱动的转矩必须大于86 N·m，转速必须大于1 433 r/min，功率必须大于12.9 kW。

如果采用变频器加变频电动机方案，电动机功率为15 kW，变频器功率为18.5 kW。按照相同负载要求，采用伺服驱动方案时，伺服电动机选用相同功率等级(15 kW)的电动机，对应的驱动器则应为与伺服电动机相配套的伺服驱动器。经过查询各产品选型手册，可采用功率为15 kW，输入或输出为交流电能的旋转伺服电动机。

由于往复杆往复运动的距离是固定的，运动位置数量少，因此该项目选择了Panasonic A系列中惯量定长伺服电动机，配置绝对值编码器以及配套的伺服驱动器，驱动选型清单如表1所示。

该系列的伺服电动机的优点包括：具有响应频率高，能够使可动部位迅速起动或停止;功率大、重量轻且振动小;通过专用软件连接PC进行操作和维护;易于操作和维护等。MDMEC54S1H伺服电动机及驱动器的主要参数如表2所示。从其关键参数可以看出，该伺服电动机满足设计要求的速度可负载要求。

往复杆伺服驱动控制系统设计

选定伺服电动机和驱动器后，根据电动机和驱动器的参数，我们需进行伺服系统配置电源、I/O信号等外围控制系统的设计，伺服控制系统如图2所示。

1.电源

主焊线电控系统的电源分配柜(PDP)供一路3项5线制的380 V电源到伺服控制柜。其中驱动器的输入电源(L1，L2，L3)3项380 V交流电源经过主隔离开关后接入驱动器，驱动器将电源转换为伺服电动机所需的(U，V，W)3项交流电。

电动机的抱闸电源则需在伺服控制柜内通过直流源转换模块，将来自PDP的220 V(取L1，N项)电源转换为伺服电动机所需的24 V直流抱闸电源。为方便维护和操作，我们设置了抱闸释放按钮。

由于本项目选型中的Panasonic H型伺服驱动器未内置制动电阻，为实现快速制动功能，需外置一个13.3 Ω制动电阻。

伺服控制系统的电源原理如图3所示。

2.位置控制

本伺服系统采用的是伺服定长电动机，采用位置控制模式，如图4所示。PLC程序上无需对伺服电动机的位置进行控制以及设置伺服运动参数，PLC只需根据外围检测系统结果发送开始运动指令到伺服驱动器。所有运动位置的参数则通过上位控制器设定。

伺服位置控制模式通过以下功能实现：

(1)电子齿轮功能 上位控制器输入的位置指令与预先设定的电子齿轮比相乘，并将此乘积作为位置控制部分的位置指令。通过电子齿轮功能可以任意设定指令单位的电动机旋转或移动量。通过电动机旋转一圈的脉冲数或通过指令相关的电子齿轮轮比来设定电动机旋转量或移动量。

(2)位置指令滤波功能 通过设置滤波器的时间常数，起到平滑电子齿轮后的位置指令的作用。

(3)脉冲再生功能 从伺服驱动器中将移动量用A相、B相脉冲方式进行输出，输出分辨率、B相逻辑、输出源(编码器)可用参数进行设定。

(4)定位结束输出功能 在RTEX通信状态的In-position下确认定位结束状态。

伺服驱动系统可设置7个有效的确定移动量的位置点，这7个位置点的参数在上位控制器PC机上安装专用的软件，以RTEX方式与伺服驱动器通信设置目标位置的距离长度(Position)、速度(Speed)和加速度(Acc)。位置参数设置界面如图5所示。

驱动器X4接线板上的接线端子P1、P2、P3、P4、P5、P6和P7对应图5中“Parameter2”列表下的1、2、3、4、5、6和7行中的位置参数。该项目仅适用前4个位置：P1(伺服前进)、P2(伺服后退)、P3(点动前进)和P4(点动后退)。其中，位置P1、P2为自动模式下触发伺服电动机前进和后退的伺服运动参数;位置P3、P4为手动模式下，通过操作站按钮触发伺服电动机前进和后退的伺服运动参数。

3.PLC与伺服控制

由于需要控制的伺服电动机数量少，仅有一台，同时不需要PLC发送脉冲信号到伺服驱动器，因此PLC与伺服驱动器间的信号交互采用硬线连接的方式：采用主焊线电控系统的AB 1769-L72S安全PLC，通过1734-AENT以太网总线通信的远程控制模块将控制信号通过硬线连接到伺服控制器。PLC与伺服驱动器间的硬线信号如图6所示。

当伺服驱动器接收PLC发出的动作指令(前进、后退、点动前进和点动后退)后，驱动器根据预先设定好的位置、速度和加速度参数，经过位置环运算，对伺服电动机进行精确的闭环位置运动控制。

往复杆一个循环的运动步骤如下：

(1)上升：PLC根据外部检测传感器，判断所有工位的焊接作业已工作完成，往复杆处在下降到位及后退到位的位置，当其他无干涉及自动运行条件满足时，PLC输出“上升”命令信号，触发顶升气缸上升电磁阀，直到上升到位检测开关被触发。

(2)前进：①PLC根据外部检测传感器，判断所有工位的焊接作业已工作完成，往复杆处在上升到位及后退到位的位置，当其他无干涉及自动运行条件满足时，发送“伺服使能”和“伺服前进”指令信号到伺服驱动器，触发驱动器伺服使能及前进命令。②伺服驱动器得到“伺服使能”并成功使能后，将输出“准备好READY”信号反馈给PLC，供PLC进行监控。③得到“伺服前进”指令，即触发“Parameter2”列表下的1行的位置参数。伺服驱动器根据1行中设置的移动量、速度和加速度数值，并通过编码器实时反馈和比较的数值，进行速度环和位置环的运算和调整，直到运动到指定的距离长度，驱动往复杆带着白车身从后退到位位置前进一个工位的距离(6 m)到达前进到位的位置。④当电动机运行到设定的距离长度时，伺服驱动器将输出“伺服前进到位”信号反馈给PLC。

(3)下降：PLC同步通过外部检测前进到位传感器状态是否与伺服驱动反馈的“伺服前进到位”相一致，如果一致则PLC输出“下降”命令信号，触发顶升气缸下降电磁阀，直到下降到位检测开关被触发。

(4)后退：①PLC根据外部检测传感器，确认往复杆处在下降到位及前进到位的位置，当其他无干涉及自动运行条件满足时，发送“伺服使能”和“伺服后退”指令信号到伺服驱动器，触发驱动器伺服使能及后退命令。②伺服驱动器得到“伺服使能”并成功使能伺服电动机后，将输出“准备好READY”信号反馈给PLC，供PLC进行监控。③得到“伺服后退”指令，即触发“Parameter2”列表下的2行的位置参数。伺服驱动器根据2行中设置的移动量、速度和加速度数值，并通过编码器实时反馈和比较的数值，进行速度环和位置环的运算和调整，直到运动到指定的距离长度，驱动往复杆带从前进到位位置后退一个工位的距离(6m)到达后退到位的位置。④当电动机运行到设定的距离长度时，伺服驱动器将输出“伺服后退到位”信号反馈给PLC。

(5)PLC根据外部其他外部传感器状态和连锁条件等，控制往复杆按工艺流程开始下一个工作循环(上升—前进—下降—后退)。

总结：

该伺服控制方案适用于与往复杆输送特点相类似的设备控制，加以必要的修改和完善即可。往复杆输送具有载荷大、运动位置较少以及重复定位精度要求高等特点，该项目采用的Panasonic A5系列伺服定长电动机及配套的伺服驱动器，具有功率大、转矩大和体积小等优势。同时外围电控系统进行简化设计，与伺服驱动器的连接信号采用硬线连接方式，既能满足伺服精确定位运动的要求，也能避免通过总线方式通信伺服电动机运动参数带来的大量数据交换量和计算量，降低对PLC的性能和配置要求，使PLC和伺服系统间的通信更可靠、简洁明了且便于维护，降低了对维修、维护技能的要求。

由于伺服电动机依靠编码器进行位置控制，对于伺服电动机运动的零点设置、运动到位位置检测，还需通过外围PLC控制系统额外配置外部检测传感器检测往复杆的物理实际位置与编码器反馈的位置进行比较和确认，起到冗余防错的作用。

在未来的项目系统中，还需加强上位控制软件功能的完善性开发，例如，在上位参数设定软件中修改和操作伺服电动机运动指令时，需弹出确认操作按钮，避免误操作导致严重的碰撞事故;开发基于以太网通信、在上位软件实现电动机反馈电流、位置、速度和加速度等关键参数的实时监控功能。