劉宇翔，陳偉巍，蔡文利，高 璐，譚 赟

（寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721008）

噴碼機(jī)設(shè)備目前已經(jīng)是鋼管制造、防腐生產(chǎn)線(xiàn)上的重要設(shè)備，寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司（簡(jiǎn)稱(chēng)寶雞石油）采用的噴碼機(jī)設(shè)備，其早期設(shè)備沒(méi)有自動(dòng)識(shí)別糾偏系統(tǒng)。噴印鋼管時(shí)，機(jī)器人只是根據(jù)鋼管規(guī)格在理論空間位置進(jìn)行噴印，而每根鋼管由于自身不圓度、直度，以及輥道傳輸定位等因素造成每次噴印時(shí)鋼管空間位置都會(huì)存在一定的變化，所以經(jīng)常會(huì)因噴頭與鋼管內(nèi)、外壁的碰撞損壞設(shè)備機(jī)構(gòu)。

新一代噴碼機(jī)設(shè)備在原噴碼機(jī)機(jī)器人前臂上增加伺服控制升降機(jī)構(gòu)，將原來(lái)安裝在機(jī)器人前臂上的噴頭等噴印部件安裝到伺服控制升降機(jī)構(gòu)上，當(dāng)機(jī)器人以設(shè)置好的軌跡在執(zhí)行噴印任務(wù)，伺服控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制噴頭機(jī)構(gòu)升降，從而保證了噴頭機(jī)構(gòu)底面與鋼管表面始終保持固定間距，既保證了噴版質(zhì)量，又避免了噴頭碰撞到鋼管內(nèi)、外壁而損壞設(shè)備機(jī)構(gòu)。

另外，伺服控制升降機(jī)構(gòu)前端部分可以旋轉(zhuǎn)角度，當(dāng)噴印鋼管外壁，噴頭機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)90°，機(jī)器人前臂不再需要完成復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作即可完成噴印任務(wù)，而且可噴印的范圍更大［1-10］。

1 噴碼機(jī)噴頭機(jī)構(gòu)伺服控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)組成

伺服控制系統(tǒng)如圖1 所示。將油墨噴頭、黑漆噴頭、墨盒、步進(jìn)電機(jī)、傳感器等噴印部件安裝在升降機(jī)構(gòu)上，升降機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)器人前臂上，伺服電機(jī)運(yùn)行時(shí)通過(guò)皮帶輪傳動(dòng)帶動(dòng)升降機(jī)構(gòu)運(yùn)行。升降機(jī)構(gòu)前端部分安裝步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)可通過(guò)皮帶輪傳動(dòng)帶動(dòng)噴頭機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)角度。

圖1 伺服控制系統(tǒng)示意

1.2 伺服控制系統(tǒng)硬件組成

伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2.1 主要元器件簡(jiǎn)介

鋼管內(nèi)壁測(cè)距傳感器選用SICK 公司的IMA18-10BE1ZC0K 電感式接近傳感器，測(cè)距范圍0～10 mm，精確度0.3 mm，模擬量輸出信號(hào)0～10 V。

鋼管外壁測(cè)距傳感器選用國(guó)內(nèi)某公司的EA1-M18GU500BS-J 超聲波傳感器，測(cè)距范圍0～15 mm，精確度0.3 mm，模擬量輸出信號(hào)0～10 V（由于碰撞基本是在鋼管內(nèi)壁產(chǎn)生的，外壁發(fā)生情況很少，所以外壁測(cè)距選用國(guó)內(nèi)某公司生產(chǎn)的傳感器）。

PLC 選用西門(mén)子S7-200 SMARA（6ES7 288-1ST60-0AA0），PLC 模擬量模塊選用EM AM03（6ES7 288-3AM03-0AA0），伺服控制器選用ASDA3 系列，伺服電機(jī)選用ECM 系列，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器及步進(jìn)電機(jī)選用雷賽科技的產(chǎn)品。

1.2.2 控制系統(tǒng)主要運(yùn)行過(guò)程簡(jiǎn)述

當(dāng)機(jī)器人以設(shè)置軌跡執(zhí)行內(nèi)、外標(biāo)志噴印任務(wù)，安裝在噴頭機(jī)構(gòu)上的相應(yīng)測(cè)距傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量噴頭到鋼管表面的距離，傳感器輸出0～10 V 信號(hào)至PLC 模擬量輸入模塊，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換，模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)。再經(jīng)過(guò)程序運(yùn)算處理，得到噴頭的位置偏差，PLC 根據(jù)偏差正負(fù)及大小，通過(guò)模擬量輸出模塊輸出相應(yīng)的模擬量信號(hào)，作為給定速度值輸出至伺服控制器，伺服控制器控制伺服電機(jī)快速運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)噴頭機(jī)構(gòu)位置的快速動(dòng)態(tài)糾偏，保證噴頭與鋼管表面距離的相對(duì)恒定。

噴印鋼管外壁時(shí)，PLC 根據(jù)外部的噴印動(dòng)作信號(hào)，相應(yīng)輸出高速脈沖信號(hào)至步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過(guò)皮帶輪傳輸帶動(dòng)噴頭機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度，從而實(shí)現(xiàn)外版版面的快速?lài)娪　?/p>

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 伺服控制器硬件控制及參數(shù)設(shè)置

2.1.1 伺服控制系統(tǒng)

伺服控制電氣原理如圖3 所示。伺服控制器R、S、T 端子為主回路電源輸入端，該系統(tǒng)采用單相220 V 供電，只連接R、S 端子。L1、L2 為控制回路電源輸入端，采用單相220 V 供電。P1、P2 為直流電抗器輸入端，未使用，將其短接。U、V、W為電機(jī)接線(xiàn)端，電機(jī)帶24 V 電磁抱閘及編碼器。

圖3 伺服控制電氣原理

PLC 模擬量輸出信號(hào)（-10～+10 V）接至驅(qū)動(dòng)器42、44 端子，作為電機(jī)的速度控制信號(hào)。Q0.6 是PLC 的輸出信號(hào)，與端子11 形成回路，作為伺服使能信號(hào)。端子27、28 是伺服控制器的報(bào)警輸出信號(hào)，接入PLC 輸入端。

該驅(qū)動(dòng)器具有多種控制模式，由于各種控制模式所需用到的I/O 信號(hào)不盡相同，所以要規(guī)劃I/O信號(hào)的功能，以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求。

設(shè)置P1.001 為“0102”，左起第二位為方向控制，通過(guò)設(shè)置“0”或“1”以改變電機(jī)轉(zhuǎn)向。后兩位控制模式設(shè)定，設(shè)置為“02”表示S 模式，即速度控制模式（命令來(lái)源為外部模擬電壓/內(nèi)部緩存器兩種來(lái)源，可藉DI.SPD0、SPD1 來(lái)選擇）。

數(shù)字輸入引腳DI3、DI4（對(duì)應(yīng)內(nèi)部變量SPD0、SPD1），由參數(shù)P2.012，P2.013 來(lái)定義，設(shè)置P2.012=114，P2.013=115，從而定義DI3、DI4 為內(nèi)部緩存器速度命令選擇，當(dāng)DI3、DI4 無(wú)輸入信號(hào)，即SPD0=0，SPD1=0，定義命令來(lái)源為外部模擬電壓。

由PLC 模擬量模塊提供外部模擬電壓，外部模擬電壓除以輸入最大電壓（10 V），再乘以最大回轉(zhuǎn)速度，結(jié)果即為控制電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

伺服控制器基本控制架構(gòu)如圖4 所示。其中，速度命令處理單元是對(duì)速度命令進(jìn)行處理，包含比例器（P1.040）設(shè)定模擬速度指令輸入最大電壓（10 V）時(shí)的最大回轉(zhuǎn)速度，以及速度指令加減速平滑常數(shù)的設(shè)定。速度控制單元?jiǎng)t是管理驅(qū)動(dòng)器的增益參數(shù)，實(shí)時(shí)運(yùn)算供給電機(jī)的電流命令。共振抑制單元抑制機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)生共振現(xiàn)象。

圖4 伺服控制器基本控制架構(gòu)

速度命令處理單元功能架構(gòu)如圖5 所示，上方路徑為內(nèi)部緩存器命令，下方路徑為外部模擬命令，是根據(jù)SPD0 與SPD1 的狀態(tài)（DI3、DI4 有無(wú)信號(hào)輸入）以及P1.001（S 或Sz）來(lái)選擇。通常為了對(duì)命令信號(hào)仍有較平順的響應(yīng)，此時(shí)會(huì)需要用到命令平滑器S 曲線(xiàn)及低通濾波器功能。

圖5 速度命令處理單元功能架構(gòu)

2.1.2 臺(tái)達(dá)伺服控制器主要參數(shù)設(shè)置

臺(tái)達(dá)伺服控制器主要參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 臺(tái)達(dá)伺服控制器主要參數(shù)設(shè)置

2.2 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

選用西門(mén)子S7-200 SMART 系列PLC，其型號(hào)為6ES7 288-1ST60-0AA0。該CPU 具有36 個(gè)數(shù)字輸入點(diǎn)，24 個(gè)數(shù)字輸出點(diǎn)。有3 路高速脈沖輸出信號(hào)，分別為Q0.0、Q0.1、Q0.3，其最高輸出頻率均為100 kHz。通過(guò)添加模擬量混合模塊6ES7 288-3AM03-0AA0 實(shí)現(xiàn)模擬量的輸入輸出功能，其可外接2 路模擬量輸入、1 路模擬量輸出，符合該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要。

PLC 外接2 個(gè)測(cè)距傳感器，分別接至2 路模擬量輸入端，通過(guò)內(nèi)部運(yùn)算輸出1 路-10～+10 V 模擬量信號(hào)，作為速度信號(hào)輸出至伺服控制器，控制伺服電機(jī)運(yùn)行。機(jī)器人輸出信號(hào)：機(jī)器人原點(diǎn)（I2.0），機(jī)器人工作中（I2.1），內(nèi)標(biāo)距離調(diào)整（I2.2），外標(biāo)距離調(diào)整（I2.3），噴標(biāo)定位信號(hào)（I3.2），分別接入PLC 對(duì)應(yīng)輸入點(diǎn)。PLC 輸出信號(hào)：手/自動(dòng)（Q0.5），自動(dòng)啟動(dòng)內(nèi)標(biāo)A 端（Q1.0），自動(dòng)啟動(dòng)內(nèi)標(biāo)B 端（Q1.1），自動(dòng)啟動(dòng)外標(biāo)A 端（Q1.4），自動(dòng)啟動(dòng)外標(biāo)B 端（Q1.5），噴標(biāo)機(jī)構(gòu)定位完成（Q1.6），輸出管端檢測(cè)（Q2.2），分別接入機(jī)器人對(duì)應(yīng)輸入端。

Q0.1 根據(jù)PLC 程序中的向?qū)гO(shè)置輸出高速脈沖信號(hào)，Q0.7 為方向控制信號(hào)，分別接至步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器控制端，控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。

3 伺服升降機(jī)構(gòu)自動(dòng)調(diào)整PLC 程序分析

測(cè)距傳感器輸入數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬量信號(hào)如圖6 所示，AIW16、AIW18 分別是內(nèi)、外標(biāo)測(cè)距傳感器的數(shù)字量輸入值。AIW16 經(jīng)過(guò)SUB_I（整數(shù)減法指令）減去修正值（0），差值存入AC0 中，整數(shù)AC0 經(jīng)過(guò)I_DI 指令轉(zhuǎn)換為雙整數(shù)并存入變量VD4 中。雙整數(shù)VD4 經(jīng)過(guò)DI_R 指令轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)并存入變量VD8 中，實(shí)數(shù)VD8 除以2 764.8 所得值即為內(nèi)標(biāo)測(cè)距傳感器所測(cè)得實(shí)際距離值，存入VD12 中。

圖6 測(cè)距傳感器輸入數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬量信號(hào)

計(jì)算依據(jù)：內(nèi)標(biāo)測(cè)距傳感器測(cè)距范圍0～10 mm，輸出信號(hào)0～10 V 接入PLC 模擬量輸入模塊，對(duì)應(yīng)數(shù)字量0～27 648，所以可以看做0～10 mm 與數(shù)字量0～27 648 成線(xiàn)性比例關(guān)系，實(shí)際距離值與數(shù)字量成線(xiàn)性比例關(guān)系如圖7 所示。X/10=AIW16/27 648，可得出：X=AIW16/2 764.8=VD12，即內(nèi)標(biāo)測(cè)距傳感器距離鋼管表面實(shí)際距離值為內(nèi)標(biāo)測(cè)距傳感器數(shù)字量值除以2 764.8。外標(biāo)測(cè)距傳感器測(cè)距范圍是0～15 mm，同理可得出，外標(biāo)測(cè)距傳感器數(shù)字量值除以1 843.2 后即為外標(biāo)傳感器距離鋼管表面實(shí)際距離值。

圖7 實(shí)際距離值與數(shù)字量成線(xiàn)性比例關(guān)系

相關(guān)變量賦值如圖8 所示，主要是給相關(guān)變量賦值：斜率1（VD314）賦值-0.8，當(dāng)噴外標(biāo)開(kāi)始（M31.1 閉合）2 s 后，又將-0.5 賦值給VD314；斜率2（VD274）直接賦值-1.0；內(nèi)噴標(biāo)距離下限VD278賦值6.0 mm，內(nèi)噴標(biāo)距離上限VD282 賦值8.0 mm；外噴標(biāo)距離下限VD318 賦值5.5 mm，外噴標(biāo)距離上限VD322 賦值8.0 mm。這些賦值變量在下面的比較修正程序中進(jìn)行了調(diào)用。

圖8 相關(guān)變量賦值

內(nèi)、外噴標(biāo)模擬量距離值進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并修正如圖9 所示，內(nèi)噴標(biāo)傳感器測(cè)得模擬量距離值VD12減去7 mm 后存入VD250，VD250 乘以2 764.8 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量值存入VD254。VD254 乘以斜率2（VD274）進(jìn)行數(shù)值修正后存入VD262，VD262 取整后存入VD266，VD266 雙整型值經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換變?yōu)檎椭荡嫒隫W270 中。同樣，外噴標(biāo)傳感器測(cè)得模擬量距離值也經(jīng)過(guò)相同過(guò)程處理后將最終數(shù)字量值存入VW310 中。

圖9 內(nèi)、外噴標(biāo)模擬量距離值進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并修正

當(dāng)噴頭與鋼管表面距離7 mm 為最佳距離，用傳感器測(cè)得距離值VD12 減去7 mm 得到差值，將差值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量值，并進(jìn)行數(shù)據(jù)類(lèi)型的轉(zhuǎn)換，主要是為了后邊的程序比較運(yùn)算以及PLC 模擬量輸出。另外，乘以斜率2（VD274）后，即可通過(guò)改變VD274 的正負(fù)，改變電機(jī)的運(yùn)行方向；通過(guò)改變VD274 的大小，改變電機(jī)的運(yùn)行速度。

根據(jù)VW270 運(yùn)算結(jié)果賦值A(chǔ)QW16 變量如圖10 所示，內(nèi)噴標(biāo)時(shí)根據(jù)VW270 運(yùn)算結(jié)果賦值A(chǔ)QW16 變量。機(jī)器人工作中（M0.0 開(kāi)點(diǎn)閉合），噴內(nèi)標(biāo)動(dòng)作（M31.0 開(kāi)點(diǎn)閉合）：

圖10 根據(jù)VW270 運(yùn)算結(jié)果賦值A(chǔ)QW16 變量

（1） 當(dāng)-27 648≤VW270≤+27 648，差值VW270處于正常范圍，將VW270 運(yùn)算值存入AQW16 中，PLC 模擬量模塊輸出相應(yīng)模擬量電壓至伺服控制器，控制伺服電機(jī)運(yùn)行；

（2） 當(dāng)VW270 ∧-27 648，即測(cè)距距離值出現(xiàn)小于0 的較大負(fù)值（距離很小會(huì)出現(xiàn)），此時(shí)將-27 648 存入AQW16 中，PLC 模擬量模塊輸出-10 V 電壓至伺服控制器，控制伺服電機(jī)以最大速度向上運(yùn)行；

（3） 當(dāng)VW270∧+27 648，即測(cè)距距離值出現(xiàn)大于27 648 的較大正值（距離很大會(huì)出現(xiàn)），此時(shí)將+27 648 存入AQW16 中，PLC 模擬量模塊輸出+10 V 電壓至伺服控制器，控制伺服電機(jī)以最大速度向下運(yùn)行；

（4） 當(dāng)VD278∧VD12∧VD282，即6 mm ∧內(nèi)噴標(biāo)測(cè)距距離值 ∧8 mm，將0 存入AQW16 中，PLC 模擬量模塊無(wú)輸出，伺服電機(jī)不動(dòng)作；

（5） 當(dāng)噴內(nèi)標(biāo)機(jī)器人工作下降沿觸發(fā)（機(jī)器人將停止工作），將0 存入AQW16 中，PLC 模擬量模塊無(wú)輸出，伺服電機(jī)不動(dòng)作；

（6） 當(dāng)機(jī)構(gòu)下降限位動(dòng)作，將0 存入AQW16中，同時(shí)斷開(kāi)其他回路的速度輸入值，PLC 模擬量模塊無(wú)輸出，伺服電機(jī)不動(dòng)作。

外壁噴標(biāo)時(shí)，根據(jù)VW310 運(yùn)算結(jié)果，執(zhí)行與內(nèi)壁噴標(biāo)時(shí)的相同程序，賦值A(chǔ)QW16 變量，PLC模擬量模塊輸出相應(yīng)模擬量電壓至伺服控制器，控制伺服電機(jī)運(yùn)行。

4 結(jié) 語(yǔ)

噴頭機(jī)構(gòu)伺服控制系統(tǒng)2018 年11 月首次在寶雞石油調(diào)試成功并投入使用，該系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙，控制方法先進(jìn)、精度高。通過(guò)信息交互，與機(jī)器人原有控制系統(tǒng)有機(jī)融為一體，在機(jī)器人工作時(shí)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)糾偏，無(wú)需人工操作。一年多的使用中，該伺服系統(tǒng)性能穩(wěn)定，未發(fā)生設(shè)備故障，完全解決了以前噴碼機(jī)設(shè)備故障率高、噴印部件容易損壞的問(wèn)題，不但減少了維修人員、崗位人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且能滿(mǎn)足大批量鋼管內(nèi)、外壁噴標(biāo)的需要。