林祥勇

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院機械系，福建福州 350007）

伺服驅(qū)動加工定位控制方式

林祥勇

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院機械系，福建福州 350007）

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、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0.01mm，減輕了工人工作強度，提高了勞動生產(chǎn)率。

伺服驅(qū)動；自動測量；絕對坐標(biāo)；定位精度

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)圖紙的尺寸進行定位，采用人力搬運并通過人工校準(zhǔn)來進行模塊單元安裝調(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)線將機械手固定在導(dǎo)軌的初始點，從而通過伺服電機帶動導(dǎo)軌運行達到機械手在各生產(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、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0.01mm，減輕了工人工作強度，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)置程序進行定位目標(biāo)單元點，利用導(dǎo)軌控制機械手的擺動用機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，則機械手在擺動時必定與模塊單元的機械部分之間發(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，同時也使得勞動強度大大加強。

因此，該自動定位測試方式的思路改變以往讓機械手“跟著”單元模塊走的定位方式，而改成通過給定機械手位移坐標(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械手的運行位移，再根據(jù)機械手的停放位置直接將單元模塊進行實時放置，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械事故，由于機械手的運行通過伺服電機完成，在位置控制上實現(xiàn)定位精度可達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［1］，并利用觸摸屏進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)［2－5］由伺服驅(qū)動器、伺服電機和齒輪傳動機構(gòu)構(gòu)成，實現(xiàn)對各工作單元及檢測裝置進行精確定位，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行模塊單元的一次性安裝，調(diào)整完畢后再進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?？刂颇Ｊ饺鐖D2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，控制伺服電機運行，即進行直線位移，與通過位置反饋得到的電機實際轉(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編碼器反饋脈沖信號進入驅(qū)動器后，均通過電子齒輪變換進行偏差計算。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)伺服電機旋轉(zhuǎn)一周移動60mm，松下MINAS A4系列AC伺服電機驅(qū)動器，電機編碼器反饋脈沖為2 500pulse／rev。由于伺服電機脈沖當(dāng)量為0.01mm，減速比為1，則電機運行一圈所需的脈沖數(shù)為：

對應(yīng)的電子齒輪比CMX／CDV設(shè)定值為

2 500.4.6.000＝10 000／6 000伺服驅(qū)動器與PLC及伺服電機的接線圖如圖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。

表1 PLC（FX1N-40MT）的I／O分配及端子接線表

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)量進而通過伺服驅(qū)動器來控制伺服電機運行，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行測試控制，并同時在線可看到機械手當(dāng)前運行位置，使安裝人員直接根據(jù)系統(tǒng)反饋的位置量進行單元模塊的精確定位，避免了系統(tǒng)誤差?？刂平缑嫒鐖D8所示。

圖8 控制界面

5 結(jié) 語

采用伺服電機、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。

［1］曹傳生，曾文火，衛(wèi)慶軍.PLC在永磁無刷直流電機伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電氣傳動，2008（6）：34-36.

［2］張莉松，胡佑德.徐屯新.伺服系統(tǒng)原理與設(shè)計［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2006.

［3］黃建新，劉建群.觸摸屏與PLC組成的伺服電機控制系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2005（2）：44-45.

［4］張曉杰，王君艷.基于觸摸屏、PLC及伺服驅(qū)動器的伺服系統(tǒng)［J］.微特電機，2010（3）：53-55.

［5］王兆明.電氣控制與PLC技術(shù)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

An automatic positioning system based on servo control

LIN Xiang－yong
（Department of Mechanical Engineering，F(xiàn)ujian Chuanzheng Communications College，F(xiàn)uzhou 350007，Chian）

To solve the problem of manual positioning existed in a manufacturing process，the control system is designed which is composed of a servo motor，PLC and touch screen to automatically positioning the absolute coordinates.0.01mm repetitive positioning accuracy is realized，as a consequence，both the labor intensity is reduced and productivity is improved.

servo drive；automatic measurement；absolute coordinate；positioning accuracy.

TP 20

A

1674-1374（2014）01-0049-06

2013-10-11

福建省教育廳杰出青年基金項目（JA11299）

林祥勇（1980－），男，漢族，福建福州人，福建船政交通職業(yè)學(xué)院講師，碩士，主要從事電氣自動控制、電子信息工程方向研究，E-mail：281530247＠qq.com.