GP50车身伺服同步控制系统的设计

本文介绍了一种高精度的伺服同步控制系统的设计，该系统采用PLC作为控制单元，采用现场总线技术实现PLC之间以及PLC和伺服控制器之间的通信，该系统操作方便、定位精度高，能快速实现生产过程中的夹具升降功能。

上汽通用五菱西部车身车间GP50线是我公司第一条乘用车生产线，也是第一条可实现多种车型切换生产的焊装线，其设计净产能为40JPH。其中主夹具质量高达2.8t，主夹具切换要求快速、定位精度误差小，需要用3台升降机将主夹具从空中下降到生产线上使用，3台普通电动机的升降电气控制系统达不到同步精度生产要求，也无法获得达标的焊接质量，并且将来的运行及维护成本较高。普通的电动机断电后还会因为自身的惯性再转一会，然后停下；而伺服电动机和步进电动机能瞬间响应动作，但是步进电动机存在失步现象。

设计的功能要求

GP50生产线的生产节拍为40台/min，除去输送线的车体工位输送时间，主夹具的开、关夹时间以及工人的焊接时间，升降机的一个升降循环周期需要控制在16s内。升降机的负载大，主夹具加上气缸、电控元器件质量约为3t。3台升降机的升降同步定位精度要达到1mm。GP50生产线设计为一条可实现多种车型切换的柔性生产线，主夹具要求能实现快速切换。

设计方案

该生产线优化设计升降机布置如图1所示，将3台升降机的控制与主夹具上各夹具的控制分开，设独立的升降机控制柜，以利于主夹具的切换及各夹具控制。

图1 升降机布置图

升降机生产过程的工艺动作为：升降机拖着主夹具在输送线上方2200mm处等待→焊接车身输送到位→升降机下降至零点→下位安全锁紧→主夹具关夹→焊接→主夹具开夹→升降机拖着主夹具上升至2200mm处等待，依次循环。

主夹具切换的工艺动作为：升降机拖着主夹具从2200mm处上升至3390mm处→EMS小车吊挂锁紧主夹具→升降机下降至2200mm处→EMS小车将此主夹具移栽至指定存储区→EMS小车将另一套需要的主夹具移栽至输送线上方→升降机上升至3390mm处→EMS小车吊挂释放主夹具→升降机下降至2200mm→主夹具切换完成。休息及停产时升降机必须下降至零点处。

该生产线引进SEW伺服电动机及伺服控制系统（见图2），利用一台SEW MOVIPLC通过内部的S-BUS总线通信协议控制3台SEW MDX61B0370-503-4-00伺服控制器，每台控制器各控制一台SEW交流异步伺服电动机。SEW MOVIPLC再通过DeviceNet通信协议作为罗克韦尔ControlLogix PLC的子站运行。

图2 伺服控制系统控制架构

3台交流异步伺服电动机中第1台为主机，第2、3台采用同步跟随的方式升降，动作指令由罗克韦尔ControlLogix PLC发给SEW MOVIPLC，SEW MOVIPLC执行内部的同步控制逻辑，实施反馈升降机状态及位置。

采用以上设计及生产运行监控有诸多优点：实现了位置、速度和力矩的闭环控制，克服了步进电动机失步的问题；高速性能好，一般额定转速能达到2000～3000r/min；抗过载能力强，能承受3倍于额定转矩的负载，特别适用于对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合；低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电动机的步进运行现象，适用于有高速响应要求的场合；电动机加减速的动态响应时间短，一般在几十毫秒之内；发热和噪声明显降低。

软件介绍及监控

SEW PLC是一个完整的用于逻辑控制器的开发系统，它具有功能强的语言结构，符合IEC国际标准。SEW PLC易于进行程序开发，就像Visual C++一样，具有高级语言编程系统的开发环境，可为编辑器的操作和调试功能设置模式。

所有的项目数据存在一个有项目名称的文件中，一个新项目的第一个POU，系统会自动地给定名称“MAIN”，这是程序的起点（在C程序中，这是一个主函数）。从这里开始，用户可以调用其他的POUs（程序，功能块和函数）。

SEW PLC区分一个项目中的三种不同目标：POUs、结构和可视化元素。利用这些目标，用户可以创建自己的项目。在目标表中，用户可以看到项目目标。图3为PLC软件程序编辑画面，说明了变量表及其状态、输出变量、输入变量以及PRG为应用程序块。

在联机工作方式时，所有可显示的变量都从控制器中读出，并以实时方式显示，可以在声明和程序编辑器中看到；也可从监视和接收管理器和可视化设备中读出变量的当前值。若要监控功能块的实例变量，应首先打开相应的实例，如图3中的功能块为第一台升降机的运动控制功能块。

伺服控制器的参数可通过SEW键盘盒DBG60B输入，也可以通过MOVITOOLS操作软件输入，此软件功能强大，用户界面简单，只需输入运用所需的工艺参数，