鄭利

沈陽華晨金杯汽車有限公司 （沈陽 110044）

汽車裝配生產(chǎn)線采用的是典型的流水作業(yè)生產(chǎn)方式，它的自動(dòng)化程度要求較高。從汽車的殼體到一臺(tái)整車下線一般是150s至300s之間，生產(chǎn)線需連續(xù)不停頓運(yùn)轉(zhuǎn)。目前世界上汽車裝配線的輸送形式各種各樣，總體上有二種輸送機(jī)械結(jié)構(gòu)，即地面板式機(jī)械輸送和空中懸掛機(jī)械輸送單獨(dú)或混合組成。

在混合輸送機(jī)械結(jié)構(gòu)下，依據(jù)裝配工藝，車身要在單板鏈和懸鏈輸送機(jī)械上運(yùn)行幾十個(gè)工位，車身在生產(chǎn)線上的輸送必然存在由地面單板鏈到空中懸鏈上的轉(zhuǎn)移。為了保證連續(xù)生產(chǎn)的需求，這種車身轉(zhuǎn)掛必須自動(dòng)地進(jìn)行且完成準(zhǔn)確對(duì)接。為此，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)轉(zhuǎn)掛機(jī)器人的控制系統(tǒng)方案，利用SIEMENS的數(shù)控伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，按車身轉(zhuǎn)掛的工藝及現(xiàn)場(chǎng)條件，采用直角坐標(biāo)式控制伺服電機(jī)做4自由度運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)車身的連續(xù)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)掛?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行表明，裝置運(yùn)行平穩(wěn)可靠、裝掛對(duì)位精度高，轉(zhuǎn)掛速度完全滿足裝配線生產(chǎn)節(jié)拍的要求。

1 系統(tǒng)組成

轉(zhuǎn)掛機(jī)器人由機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)兩大部分組成。

1.1 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)

機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)采用直角坐標(biāo)系，利用4個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)車身托起裝置四個(gè)自由度的直線運(yùn)動(dòng)。其中平移軸(X軸)和伸縮軸(Y 軸)采用齒輪絲杠傳動(dòng)方式，托起軸(H軸)采用剪刀叉結(jié)構(gòu)齒輪絲杠傳動(dòng)方式，升降軸(Z軸)采用鏈條傳動(dòng)方式。

1.2 電氣控制系統(tǒng)

由SIEMENS S7-300 PLC和HMI組成電氣控制系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)車型識(shí)別、懸鏈吊具識(shí)別、單板鏈和懸鏈運(yùn)動(dòng)狀況監(jiān)測(cè)、車身托起裝置四自由度運(yùn)動(dòng)伺服控制，PLC控制系統(tǒng)配置如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用SIEMENS S7-300 PLC中的具有運(yùn)動(dòng)控制功能的T-CPU，它除了具備常規(guī)CPU功能外還內(nèi)部集成了運(yùn)動(dòng)控制 (Motion Control) 功能，所有運(yùn)動(dòng)控制作業(yè)都是在 T-CPU 中通過工藝功能來啟動(dòng)。本系統(tǒng)有6個(gè)軸，即4個(gè)物理軸（伸縮、升降、平移、托起）和2個(gè)虛擬軸（單板鏈和懸鏈）。物理軸采用SINAMICS S120伺服控制單元直接位置讀值和驅(qū)動(dòng)控制，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際要求配置了相應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)模塊和相應(yīng)的伺服電機(jī)。虛擬軸的位置讀值由編碼器轉(zhuǎn)換模塊從安裝在單板鏈和懸鏈上的增量編碼器獲取，并通過DRIVE-CLiQ由SINAMICS S120向T-CPU供給。DRIVE-CLiQ 通用串行接口連接 SINAMICS S120 的所有組件，包含電機(jī)和編碼器。

SINAMICS S120 支持標(biāo)準(zhǔn)的 PROFIBUS DP，即 TIA 方案中的標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線。它用于驅(qū)動(dòng)同步電機(jī)和異步電機(jī)，可完成要求苛刻的驅(qū)動(dòng)任務(wù)，并且能夠滿足對(duì)動(dòng)態(tài)特性和精度的較高要求，將廣泛的工藝功能集成到驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用SINAMICS DC MASTER ,它是直流驅(qū)動(dòng)器，它具有很高的靈活性。因此，在驅(qū)動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域，無論是基本驅(qū)動(dòng)任務(wù)，還是要求苛刻的驅(qū)動(dòng)任務(wù)，它都可以勝任[1]。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 控制系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)組態(tài)

在T-CPU中組態(tài)工藝對(duì)象，物理驅(qū)動(dòng)器被映射到各工藝對(duì)象及其在各工藝對(duì)象中參數(shù)化的屬性。每個(gè)工藝對(duì)象都作為工藝DB映射到STEP7用戶程序，以指明狀態(tài)?？梢詫⒐に噷?duì)象互連，并邏輯關(guān)聯(lián)到硬件組件。所有工藝對(duì)象（例如軸、凸輪盤、輸出凸輪、測(cè)量輸入或外部編碼器）都在 S7T Config 中組態(tài)。所有運(yùn)動(dòng)控制作業(yè)都是在 T-CPU 中通過工藝功能來啟動(dòng)。集成工藝根據(jù)控制系統(tǒng)啟動(dòng)的順序來處理作業(yè)。

“軸”工藝對(duì)象作為接口，將用戶程序和實(shí)際驅(qū)動(dòng)器聯(lián)系起來。它可以接收、執(zhí)行和監(jiān)視 PLC 的用戶程序所請(qǐng)求的運(yùn)動(dòng)控制命令。軸對(duì)象通過PROFIBUS 與包含速度和電流控制的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行通信。從軸對(duì)象中對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行單獨(dú)組態(tài)和調(diào)試。

T-CPU硬件組態(tài)完成后，通過Technology組態(tài)伺服驅(qū)動(dòng)和軸。

伺服驅(qū)動(dòng)和軸組態(tài)完成后，通過專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)組態(tài)參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，包括設(shè)定各軸運(yùn)動(dòng)極限限位。

利用伺服驅(qū)動(dòng)和軸運(yùn)動(dòng)控制面板，完成對(duì)選定軸的動(dòng)態(tài)測(cè)試。

2.2 運(yùn)動(dòng)控制

本轉(zhuǎn)掛裝置具有手動(dòng)控制、半自動(dòng)控制功能和自動(dòng)控制功能。手動(dòng)是四軸通過手操器以給定的速度進(jìn)行獨(dú)立的點(diǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。半自動(dòng)是每個(gè)單軸通過手操器依據(jù)控制條件自動(dòng)運(yùn)動(dòng)到給定位置控制。自動(dòng)控制是與生產(chǎn)線聯(lián)動(dòng)，根據(jù)總裝配線工作節(jié)拍將車身從單板鏈自動(dòng)轉(zhuǎn)掛到懸鏈吊具上。

在T-CPU 315中集成了很多運(yùn)動(dòng)控制功能塊，本系統(tǒng)用到的主要功能塊如表1所示。

以手動(dòng)控制平移軸為例編程邏輯主要包括啟動(dòng)條件建立、軸控制使能、以指定的方向和速度驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)、停止運(yùn)動(dòng)和故障復(fù)位等。

表1 運(yùn)動(dòng)控制功能塊

2.3 操作控制平臺(tái)

轉(zhuǎn)掛機(jī)器人控制復(fù)雜，需要操作便捷的操作平臺(tái)。為此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了由3個(gè)操作裝置構(gòu)成的操作平臺(tái)，即控制柜操作盤、手動(dòng)控制操作器和可視人機(jī)交互操作屏。3個(gè)操作裝置均與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)I/O。控制柜操作盤設(shè)有若干操作按鈕和指示燈，供操作者控制系統(tǒng)啟動(dòng)/停止、驅(qū)動(dòng)使能/關(guān)閉驅(qū)動(dòng)、置定手動(dòng)/自動(dòng)工作方式及故障復(fù)位等，并提供設(shè)備運(yùn)行相關(guān)狀態(tài)指示。手動(dòng)控制操作器設(shè)置了車身托起裝置四個(gè)自由度手動(dòng)和半自動(dòng)操作控制，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)和單自由度或組合自由度一次移動(dòng)到位控制?？梢暼藱C(jī)交互操作屏采用SIEMENS MP277，整個(gè)轉(zhuǎn)掛過程的狀態(tài)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)、故障信息都在上面以文字或數(shù)值動(dòng)態(tài)顯示。重要參數(shù)通過Password設(shè)置，以避免無關(guān)人員的誤操作。設(shè)備檢修、更換傳動(dòng)鏈條和更換配重鋼絲繩時(shí)置定編碼器初始位置等也可借助于該HMI完成。

3 結(jié)語

實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)掛機(jī)器人自動(dòng)控制的技術(shù)關(guān)鍵是伺服控制系統(tǒng)和軸參數(shù)的正確組態(tài)，以及運(yùn)動(dòng)控制功能塊的正確組合使用。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行表明，利用轉(zhuǎn)掛機(jī)器人實(shí)現(xiàn)車身從單板鏈到懸鏈上的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)掛速度快、精度高、平穩(wěn)可靠，可以滿足今后為提高產(chǎn)能提升裝配線生產(chǎn)節(jié)拍速度的需求。