伺服驅(qū)動加工定位控制方式
2015-2-23 來源： 福建船政交通職業(yè)學(xué)院機(jī)械系 作者：林祥勇
摘 要：針對某模塊化生產(chǎn)加工系統(tǒng)生產(chǎn)制造過程中設(shè)備定位問題，設(shè)計一種采用伺服電機(jī)、ＰＬＣ和觸摸屏為主體，可自動測量并顯示絕對坐標(biāo)位置，并自動定位的控制系統(tǒng)。加工重復(fù)定位精度可達(dá)０．０１ｍｍ，減輕了工人工作強(qiáng)度，提高了勞動生產(chǎn)率。
０ 、引 言
在亞龍公司的３３５ＢＭＰＳ模塊化自動化生產(chǎn)線的生產(chǎn)制造過程中，生產(chǎn)線各單元模塊在組裝成功后需要放置在生產(chǎn)線的指定位置，該位置的的定位往往是工人根據(jù)生產(chǎn)圖紙的尺寸進(jìn)行定位，采用人力搬運并通過人工校準(zhǔn)來進(jìn)行模塊單元安裝調(diào)整，由于系統(tǒng)安裝中存在誤差，每臺生產(chǎn)線都必須通過生產(chǎn)線的單步試運行功能將物料逐一通過生產(chǎn)線的各個單元模塊，并再次通過人工調(diào)整對單元模塊定位微調(diào)，從而保證每條生產(chǎn)線出廠的合格性。這就導(dǎo)致調(diào)整時間長、效率低，花費大量的時間，并且通過反復(fù)調(diào)整以提高定位精度，從而使該生產(chǎn)線的生產(chǎn)周期大大延長。同時，在設(shè)計上該ＭＰＳ模塊化生產(chǎn)線將機(jī)械手固定在導(dǎo)軌的初始點，從而通過伺服電機(jī)帶動導(dǎo)軌運行達(dá)到機(jī)械手在各生產(chǎn)線模塊之間的往返的目的。在定位精度上如果機(jī)械手與單元模塊之間的精度一旦出現(xiàn)２ｍｍ 以上的誤差，在運行時機(jī)械手在擺動氣缸的作用下必定在９０°旋轉(zhuǎn)時碰撞上單元模塊的機(jī)械部位從而導(dǎo)致事故，因此，在生產(chǎn)過程中的定位又具有至關(guān)重要的作用。為減輕工人勞動強(qiáng)度，加快設(shè)備精度定位方式，文中在該ＭＰＳ模塊化生產(chǎn)加工系統(tǒng)硬件的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種采用伺服電機(jī)、ＰＬＣ和觸摸屏為主體，可自動定位并顯示絕對坐標(biāo)的定位測試方法，該方法精確度可達(dá)０．０１ｍｍ，減輕了工人工作強(qiáng)度，同時，在生產(chǎn)任務(wù)發(fā)生變化時更換不同的加工模塊也可以實現(xiàn)快速、精準(zhǔn)的定位，提高了生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。
１ 、ＭＰＳ模塊化生產(chǎn)加工系統(tǒng)及設(shè)計思路
目前，浙江亞龍公司的３３５ＢＭＰＳ模塊化生產(chǎn)加工系統(tǒng)將工作單元分別進(jìn)行檢測、加工、搬運、安裝、分類等制作過程，各工作單元分工明確又相互協(xié)調(diào)。ＭＰＳ模塊化生產(chǎn)線加工系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖１所示。
圖１ ＭＰＳ模塊化生產(chǎn)加工系統(tǒng)
圖中供料、加工、裝配等單元分別完成特定生產(chǎn)內(nèi)容，輸送單元負(fù)責(zé)將原料通過供料單元、加工單元、裝配單元進(jìn)行生產(chǎn)，最后將成品送入分揀單元分揀出合格品。原設(shè)計中輸送過程系統(tǒng)通過內(nèi)置程序進(jìn)行定位目標(biāo)單元點，利用導(dǎo)軌控制機(jī)械手的擺動用機(jī)械手抓緊物料將物料放在各模塊單元的初始位置，若位置誤差略大，則機(jī)械手在擺動時必定與模塊單元的機(jī)械部分之間發(fā)生碰撞，造成損傷及事故，因此，各模塊單元的初始放置點的定位對精度要求很高。特別在設(shè)備的大量生產(chǎn)過程中單純依靠人工搬運模塊單元并進(jìn)行人動調(diào)整，不但對工人熟練度及精細(xì)度要求很高，同時也使得勞動強(qiáng)度大大加強(qiáng)。
因此，該自動定位測試方式的思路改變以往讓機(jī)械手“跟著”單元模塊走的定位方式，而改成通過給定機(jī)械手位移坐標(biāo)，根據(jù)不同規(guī)格的生產(chǎn)線設(shè)計要求，當(dāng)機(jī)械手運行到不同單元模塊的位置，同時在觸摸屏上實時顯示機(jī)械手的運行位移，再根據(jù)機(jī)械手的停放位置直接將單元模塊進(jìn)行實時放置，實現(xiàn)一次性定位成功。同時，克服了每臺生產(chǎn)線的誤差問題可能造成的機(jī)械事故，由于機(jī)械手的運行通過伺服電機(jī)完成，在位置控制上實現(xiàn)定位精度可達(dá)０．０１ｍｍ。
２ 、系統(tǒng)組成
系統(tǒng)上采用三菱觸摸屏Ｆ９４０ＧＯＴ－ＬＷＤ及三菱ＦＸ１Ｎ－４０ＭＴＰＬＣ為主控制器 ，并利用觸摸屏進(jìn)行模塊單元的位移運行控制，其中三菱ＰＬＣ為系統(tǒng)核心，完成模擬量輸入、開關(guān)量輸入狀態(tài)檢測、開關(guān)量輸出控制以及整個系統(tǒng)的過程控制。觸摸屏實現(xiàn)人機(jī)界面，完成相關(guān)數(shù)據(jù)、信息、狀態(tài)顯示和參數(shù)設(shè)置，與ＰＬＣ通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和相關(guān)控制。
系統(tǒng)控制電源接通后，首先初始化ＰＬＣ和觸摸屏；然后ＰＬＣ自動檢測系統(tǒng)的啟動條件，氣壓是否達(dá)到有效設(shè)定值，輸送單元是否處于原點，非原點則執(zhí)行原點返回程序；與伺服通信是否正常，觸摸屏通信有無故障，若條件不滿足，系統(tǒng)等待并發(fā)出報警信號；若啟動條件滿足，ＰＬＣ根據(jù)位置量要求控制伺服系統(tǒng)運行并將運行位置及運行速度反饋在觸摸屏上，通過觸摸屏輸入不同位置的設(shè)定值控制其自動定位。
３、 伺服控制系統(tǒng)
伺服控制系統(tǒng)由伺服驅(qū)動器、伺服電機(jī)和齒輪傳動機(jī)構(gòu)構(gòu)成，實現(xiàn)對各工作單元及檢測裝置進(jìn)行精確定位，是該方法的關(guān)鍵部分。通過伺服驅(qū)動器控制伺服電機(jī)運行，運行到位后通過ＰＬＣ實時監(jiān)測得到的運行距離，即實際測量值與自動計算后得到的脈沖量同時顯示在觸摸屏上，操作人員根據(jù)得到的實際測量值進(jìn)行模塊單元的一次性安裝，調(diào)整完畢后再進(jìn)行下一個定位點的自動測試，即使生產(chǎn)任務(wù)發(fā)生變化，不同的單元模塊進(jìn)行更換，只要將存儲器內(nèi)位移量直接改變即可，方便可靠。同時，伺服系統(tǒng)將定位精度控制在０．０１ｍｍ。控制模式如圖２所示。
圖２ 控制模式
在伺服控制中通過原先生產(chǎn)線自帶的松下ＭＨＭＤ０２２Ｐ１Ｕ 永磁同步的交流伺服電機(jī)及ＭＡＤＤＴ１２０７００３全數(shù)字交流永磁同步伺服驅(qū)動裝置作為運動控制裝置。該交流永磁同步伺服驅(qū)動器主要有伺服控制單元、功率驅(qū)動單元、通訊接口單元、伺服電動機(jī)及相應(yīng)的反饋檢測器件組成，其中，伺服控制單元包括位置控制器、速度控制器、轉(zhuǎn)矩和電流控制器等，如圖３所示。
圖３ 伺服控制單元
根據(jù)該伺服控制單元，將機(jī)械手需要的位移運行量換算成伺服驅(qū)動器接收的脈沖頻率，同時，由于對位置和速度的精度要求控制在０．０１ｍｍ，故使用伺服驅(qū)動器位置控制模式，位置控制模式采用位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)三環(huán)控制結(jié)構(gòu)，ＰＬＣ給定高速脈沖信號ｎ１送到位置控制器，控制伺服電機(jī)運行，即進(jìn)行直線位移，與通過位置反饋得到的電機(jī)實際轉(zhuǎn)動脈沖數(shù)ｎ２比較，誤差信號Δｎ＝ｎ１－ｎ２，經(jīng)過位置調(diào)節(jié)器ＰＩＤ調(diào)節(jié)后，輸出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速給定信號ｍ１，實際轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速反饋信號ｍ２，速度誤差信號Δｍ＝ｍ１－ｍ２送到速度控制器，再經(jīng)過ＰＩＤ調(diào)節(jié)后輸出伺服電機(jī)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Δｉ＝ｉ１－ｉ２，電流控制器輸出ＰＷＭ 控制信號，使伺服電機(jī)按給定脈沖數(shù)運行，并控制運行精度。位置控制模式下，電子齒輪等效的單閉環(huán)系統(tǒng)方框圖如圖４所示。
圖４ 等效的單閉環(huán)位置控制系統(tǒng)方框圖
圖中指令脈沖信號和電機(jī)編碼器反饋脈沖信號進(jìn)入驅(qū)動器后，均通過電子齒輪變換進(jìn)行偏差計算。電子齒輪可以用來任意設(shè)置每單位指令脈沖對應(yīng)的電機(jī)速度和脈沖當(dāng)量，由于ＦＸ１Ｎ－４０ＭＴ 作為上位控制器最高脈沖輸出頻率為１００ｋＨｚ，受其限制，使用電子齒輪功能，以減小給伺服驅(qū)動器發(fā)送脈沖的頻率。
對應(yīng)脈沖計算公式為
設(shè)伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周移動６０ｍｍ，松下ＭＩＮＡＳＡ４系列ＡＣ伺服電機(jī)驅(qū)動器，電機(jī)編碼器反饋脈沖為２ ５００ｐｕｌｓｅ／ｒｅｖ。由于伺服電機(jī)脈沖當(dāng)量為０．０１ｍｍ，減速比為１，則電機(jī)運行一圈所需的脈沖數(shù)為：
伺服驅(qū)動器與ＰＬＣ及伺服電機(jī)的接線圖如圖５所示。
圖５ 伺服驅(qū)動器接線圖
４、 系統(tǒng)軟件
通過原位行程開關(guān)作為原始點定位，通過ＰＬＣ相關(guān)復(fù)位程序進(jìn)行上電初始位置檢測，ＰＬＣ在復(fù)位后等待ＰＬＣ相關(guān)檢測程序?qū)Ω鬏斎雴卧肮收蠄缶M(jìn)行診斷，并配置報警指示燈。ＰＬＣ的Ｉ／Ｏ端口資源分配表見表１。
在系統(tǒng)正常運行后，等待觸摸屏發(fā)出控制指令，通過觸摸屏上由調(diào)試人員輸入運行距離，啟動運行按鈕，使伺服電機(jī)自動移動到目的地。同時，在觸摸屏上設(shè)置絕對位置位移顯示框可以實時得到電機(jī)運行的實際距離，從而確定絕對位置的精度，還可以根據(jù)需要改變伺服電機(jī)的運行速度。所設(shè)計的軟件流程如圖６所示。
圖６ 軟件流程圖
在控制過程中，核心為觸摸屏組態(tài)程序和ＰＬＣ控制程序，其中，觸摸屏組態(tài)程序主要負(fù)責(zé)實時監(jiān)控機(jī)械手的運行速度、運行距離，并可實時微調(diào)。ＰＬＣ控制程序主要是輸出脈沖當(dāng)量進(jìn)而通過伺服驅(qū)動器來控制伺服電機(jī)運行，從而起到精確定位的作用。相關(guān)控制程序如圖７所示。
圖７ 相關(guān)控制程序
通過三菱觸摸屏設(shè)置啟動及暫停按鈕進(jìn)行測試控制，并同時在線可看到機(jī)械手當(dāng)前運行位置，使安裝人員直接根據(jù)系統(tǒng)反饋的位置量進(jìn)行單元模塊的精確定位，避免了系統(tǒng)誤差。控制界面如圖８所示。
圖８ 控制界面
５ 、結(jié) 語
采用伺服電機(jī)、ＰＬＣ和觸摸屏為主體，通過系統(tǒng)給定值自動測量并顯示絕對坐標(biāo)值，同時自動定位，并且將定位精度控制在０．０１ｍｍ；在實際生產(chǎn)過程中，替代原有的人工測量、定位，減輕了設(shè)備安裝過程中工人反復(fù)安裝的工作強(qiáng)度，節(jié)省安裝時間，提高了勞動生產(chǎn)率。實踐證明，該方法定位可一次性定位、速度快、精度高，杜絕了機(jī)械碰撞損壞等問題，保證系統(tǒng)運行可靠。同時，在類似系列的生產(chǎn)線上都可以通用，且具有易修改、易實現(xiàn)的特點。
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