何廣邦，葛　騰，蔣志經(jīng)

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

0　引言

當(dāng)前，汽車型號更新速度不斷加快，以前每年推出1~2款新車，到現(xiàn)在每年推出5~6款新車，這就需要采用柔性化焊裝生產(chǎn)線才能夠兼容不同車型的共線混線生產(chǎn)。

目前國內(nèi)車身柔性焊裝線大多采用GEO-Pallet高速輸送系統(tǒng)，其優(yōu)點是輸送速度快、定位精度高，缺點是造價比較高、切換精定位隨行夾具時間較長、占地過大。

伺服定位器是根據(jù)白車身焊接線柔性化生產(chǎn)需求開發(fā)的使用伺服控制技術(shù)的車身定位裝置。為了克服GEO-Pallet高速輸送系統(tǒng)的上述缺點，設(shè)計了伺服定位器加往復(fù)桿的輸送定位方式。新型的輸送定位方式可以顯著降低成本，并且設(shè)備簡單占地小，車型定位切換在輸送過程中即可完成，減少非增值時間。伺服定位器基于車身柔性焊裝線，選用了OMRON公司最新款運動控制器NJ系列，可以根據(jù)不同車型的定位位置進行示教編程，構(gòu)造能適應(yīng)多種車型的柔性焊裝線。機械本體則采用模塊化的直線滑動機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單易于現(xiàn)場安裝維護，并具有高剛性、高精度、高速、小型等優(yōu)點。

伺服定位器的設(shè)計包括了機械本地的設(shè)計以及電氣控制系統(tǒng)的選型設(shè)計，下文逐一詳述。

1　NC伺服定位器的機械結(jié)構(gòu)和工作方式

1.1　機械結(jié)構(gòu)

根據(jù)我公司現(xiàn)有車型的車身定位需求，設(shè)計的NC定位器如圖1所示。

圖1　伺服定位器機械結(jié)構(gòu)

如圖1所示，其機械主體由三個直線滑動單元組成，均由伺服電機驅(qū)動。X軸（X為車身線運動方向）與Y軸完成車身的定位，Z軸用于車身的舉升與脫銷。由于為模塊化標準件組裝，其構(gòu)造簡單、空間占用小，十分利于構(gòu)建車身高效柔性生產(chǎn)線。而且X軸與Y軸的構(gòu)造通用化，降低了備品備件的儲存量。

1.2　定位與搬運

根據(jù)現(xiàn)有車型的定位需求，不同工位需NC定位器的數(shù)量有不同?，F(xiàn)以總拼工位分析，每個工位需要4個NC定位器進行定位于支撐。其工作方式為：

（1）輸送線輸送到位，各NC定位器XY平面移動至當(dāng)前車型的設(shè)點位置；

（2）各NC定位器Z軸同步升起，定位銷進入車身定位孔并舉升車身，使車身脫離往復(fù)輸送，升至焊接高度位置；

（3）往復(fù)桿后退到位，車身進行焊接；

（4）焊接完成后，各NC定位器Z軸同步下降，車身與輸送線接觸并與NC定位器脫離，完成交接；

（5）輸送線前進到位，完成一次輸送循環(huán)。

定位和搬運如圖2所示。

圖2　伺服定位器的定位和搬運示意圖

2　NC伺服定位器的運動控制

2.1　伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)是指實現(xiàn)輸出量變化精確跟隨或復(fù)現(xiàn)輸入變量的控制系統(tǒng)。其由伺服電動機、功率驅(qū)動器、控制器、傳感器四大部分組成，具有定位精度高、高速定位、抗干擾能力強、啟動轉(zhuǎn)矩大、響應(yīng)快等優(yōu)點。車身工裝定位精度要求±0.2 mm，伺服系統(tǒng)完全滿足定位要求。

根據(jù)定位器的設(shè)計需求，采用半閉環(huán)系統(tǒng)，電機采用0.75 kW的交流伺服電機，編碼器采用絕對值編碼器。半閉環(huán)控制原理如圖3所示。

圖3　伺服系統(tǒng)半閉環(huán)控制原理

2.2　系統(tǒng)的選型、配置和設(shè)計

歐姆龍NJ系列運動控制器包含以往的可編程控制器的功能，并附加了運動控制所需的各種功能，可在高速EtherCAT上同步控制視覺裝置、運動設(shè)備、I/O等的輸入輸出設(shè)備[1]。

歐姆龍NJ系列運動控制器包括可以控制4軸，8軸，16軸，32軸，64軸以及256軸等各種型號。對于各型號，其可以同時進行插補控制的數(shù)量也不一樣。

NJ運動控制器采用帶有RJ45連接器的標準STP Ethernet電纜。在機械自動化領(lǐng)域，EtherCAT是當(dāng)仁不讓最快的新型網(wǎng)絡(luò)，它基于Ethernet，可快速、準確并高效地傳輸數(shù)據(jù)。EtherCAT可以對伺服驅(qū)動器、變頻器、視覺系統(tǒng)和I/O進行實時控制[2]。

基于對本工位的設(shè)計，系統(tǒng)選用了OMRON公司最新的1S系列伺服驅(qū)動器和對應(yīng)的伺服電機，為了防止停電或者故障發(fā)生后各軸可能出現(xiàn)位置偏移，所有電機選用了帶制動器的伺服電機。

設(shè)計中，根據(jù)實際的軸組組合，相關(guān)的X/Y/Z軸在硬件設(shè)計中組合成一個軸組，故障報警串聯(lián)起來輸入到NJ控制器中作為軸組的故障信號，此信號可以在軸組的任何一個軸出現(xiàn)故障時候，可以快速切斷本軸組的主電源，停止各軸的運動。

在NJ的軟件Sysmac Studio中，首先需要對系統(tǒng)的硬件進行配置，對組成軸組的各軸一一進行設(shè)置：通過自動掃描，可以把連接到EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的所有設(shè)備（主要是伺服驅(qū)動器和IO站點等）掃描上來；在各個驅(qū)動器站點中，可以對驅(qū)動器參數(shù)進行設(shè)置，如電機旋轉(zhuǎn)方向，慣量比，驅(qū)動器外部IO的配置等等。部分驅(qū)動器的參數(shù)設(shè)置見表1所示。

表4　驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置

此外，在運動控制設(shè)置中，還需要對各軸進行詳細的設(shè)置，包括編碼器分辨率，本軸的最大移動速度，最大點動速度，最大加速度，軟件限位，電機旋轉(zhuǎn)一周的行程等等參數(shù)。

在軸組設(shè)置中，對應(yīng)于先前的硬件軸組組合，將相關(guān)的X/Y/Z各軸組合成一個軸組，同時還有對軸組的最大插補速度，插補最大加速度等進行設(shè)置。軸組參數(shù)設(shè)置見圖4.

圖4　軸組參數(shù)設(shè)置

2.3　控制系統(tǒng)的設(shè)計

NJ運動控制器支持最新的PLC編程標準IEC61131-3，其運動控制指令和國際上其他公司的相互兼容。Sysmac Studio支持梯形圖編程和結(jié)構(gòu)化編程，即ST語言編程。同時，在梯形圖中，可以嵌入結(jié)構(gòu)化的編程。這使得編程更加靈活方便：一般的邏輯控制可以使用梯形圖進行編寫，對變量賦值、復(fù)雜的數(shù)值運算或邏輯運算可以用ST語言編寫，整體程序更加簡單易讀。ST語言和梯形圖的混合編程見圖5.

圖5　ST語言和梯形圖的混合編程

在程序的設(shè)計階段，根據(jù)先前的設(shè)置，系統(tǒng)已經(jīng)生成了一部分的系統(tǒng)變量，包括軸變量和軸組變量。NJ的編程跟歐姆龍公司之前的CJ或者其他系列PLC不同，NJ完全使用了標簽編程，不必考慮變量在系統(tǒng)中的實際位置，變量的命名更加個性化；同時，NJ支持多維數(shù)組以及結(jié)構(gòu)體、聯(lián)合體、枚舉數(shù)據(jù)類型等，編程的自由度進一步得到釋放。

2.4　觸摸屏程序的設(shè)計

歐姆龍的NS系列觸摸屏和NJ控制器可以進行標簽鏈接。從NJ的程序中可以把觸摸屏需要使用的變量（必須是全局變量）導(dǎo)出,然后在觸摸屏的編輯軟件重新導(dǎo)入即可使用，不必擔(dān)心數(shù)據(jù)類型長度會造成混淆。

此外，觸摸屏的編程也要充分考慮操作習(xí)慣。關(guān)于觸摸屏的編程不在此一一贅述。

3　結(jié)束語

本文分析了NC定位器的結(jié)構(gòu)，功能，整合了最新的NJ運動控制器，伺服驅(qū)動器以及伺服電機，結(jié)合實際應(yīng)用，應(yīng)用IEC61131-3標準的運動控制指令，實現(xiàn)了基于NC控制的高速定位器。據(jù)此設(shè)計的NC伺服定位器系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用在公司的3條生產(chǎn)線上，取得了良好的效果。NC伺服定位器結(jié)構(gòu)簡單，定位迅速精準，系統(tǒng)構(gòu)成簡單，整個系統(tǒng)成本相對于目前市面上已有的一體化的基于數(shù)控系統(tǒng)的NC定位器，成本優(yōu)勢明顯，同時還可以實現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制?？梢詷?gòu)造適應(yīng)對應(yīng)多種車型的生產(chǎn)線。