白車身高速輸送中的定位研究

賀毅（廣州明珞汽車裝備有限公司，廣東 廣州 510530）

白車身高速輸送中的定位研究

賀毅（廣州明珞汽車裝備有限公司，廣東 廣州 510530）

開發(fā)了一種基于變頻器加普通三相異步電機(jī)的全閉環(huán)快速精確定位控制系統(tǒng)。使得標(biāo)準(zhǔn)白車身（帶夾具重1.5t內(nèi)）在標(biāo)準(zhǔn)工位（6M）之間移動(dòng)時(shí)間降低到5s以內(nèi)，精度保證在±0.25mm。在柔性生產(chǎn)線中大大提高生產(chǎn)效率，降低了設(shè)備制造和維護(hù)成本。

變頻器；全閉環(huán)；白車身；高速定位

1 項(xiàng)目意義

定位是工控行業(yè)中使用頻繁，最多的控制方法，傳統(tǒng)的定位控制在精度較高情況下，普遍考慮采用伺服定位方式[1]，這種控制方式優(yōu)點(diǎn)在于：在機(jī)械可靠連接的情況下定位精度非常高，控制方法成熟且穩(wěn)定可靠[2]。但其存在較為致命的缺點(diǎn)：一是在運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量不能太大；二是其采用的是半閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，當(dāng)機(jī)械傳輸出現(xiàn)誤差時(shí)，定位就會(huì)出現(xiàn)偏差；三是當(dāng)功率增大時(shí)，成本造價(jià)相當(dāng)高。本研究正是針對以上三個(gè)缺陷而設(shè)計(jì)的閉環(huán)定位控制系統(tǒng)。它具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）可以針對大質(zhì)量、大體積運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行精確的定位控制；

（2）采用全閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，可以采用摩擦式機(jī)械傳輸機(jī)構(gòu)，這樣，主從傳輸機(jī)構(gòu)可以分離，達(dá)到遠(yuǎn)距離接力傳輸?shù)奶厥庑Ч?/p>

（3）控制軟件標(biāo)準(zhǔn)化程度高，在設(shè)置相當(dāng)接口的情況下，軟件可以做成標(biāo)準(zhǔn)化程序供PLC單元調(diào)用；

（4）性價(jià)比高，相比伺服系統(tǒng)，在大功率傳輸上有非常明顯的價(jià)格優(yōu)勢；

（5）本研究是基于Emerson CT SP系列變頻器的智能定位控制系統(tǒng)。

2 軟件結(jié)構(gòu)

本軟件采用嵌套模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如圖1所示），即標(biāo)準(zhǔn)功能模塊化設(shè)計(jì)后，軟件通過調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)功能模塊實(shí)現(xiàn)特定控制目標(biāo)。

圖1 控制結(jié)構(gòu)圖

本軟件結(jié)構(gòu)包含以下幾個(gè)主要部分，如圖2所示。

圖2 軟件結(jié)構(gòu)圖

（1）Notes

本目錄下主要包含關(guān)于設(shè)計(jì)的說明和軟件版本說明，以及本程序的設(shè)計(jì)范圍和適應(yīng)范圍，修改本程序需要注意的事項(xiàng)等。本項(xiàng)作為程序的一部分，在程序運(yùn)行中沒有實(shí)際參與控制，只作為注釋塊存儲(chǔ)于變頻器ROM寄存器中。

（2）Initial

本目錄下主要包含變頻器的初始參數(shù)賦值及初始變量的賦值，當(dāng)變頻器上電后，本程序最先運(yùn)行，確保后續(xù)程序變量及變頻器初試狀態(tài)的運(yùn)行，同時(shí)本程序只在變頻器啟動(dòng)初期運(yùn)行一次，變頻器啟動(dòng)正常后將不再運(yùn)行此程序，同樣，本程序作為整體程序的一部分存儲(chǔ)于變頻器的ROM寄存器中。

（3） Pos 0

本目錄下主要包含程序的核心部分：定位驅(qū)動(dòng)及位置閉環(huán)運(yùn)動(dòng)過程。由于本目錄程序具有最高的掃描優(yōu)先級(jí)，每個(gè)掃描周期，這部分程序?qū)⒆钕冗\(yùn)行，同時(shí)，整個(gè)程序的掃描周期是筆者在參數(shù)中定義的，只有Pos0完成掃描后，CPU才會(huì)去掃描其他程序并輸出結(jié)果，刷新I/O等，所以此部分程序要求精簡短小，保證掃描的快速性及整體掃描周期的持續(xù)性。

（4）Pos 1

本目錄下程序包含一些重要變量值獲取和I/O端口外部值的獲取等，與Pos0一樣，此部分程序具有較高的掃描優(yōu)先級(jí)，每個(gè)掃描周期，CPU在掃描完P(guān)os0后，緊接著刷新I/O及各個(gè)端口數(shù)據(jù)，然后就是運(yùn)行本部分程序。只有在本部分程序運(yùn)行完畢后，CPU才會(huì)去運(yùn)行其他邏輯運(yùn)算程序，因此，本部分程序也是要求精簡短小，保證CPU能快速完成掃描，確保系統(tǒng)協(xié)調(diào)穩(wěn)定。

（5）Clock

本目錄下程序包含整個(gè)程序的大部分代碼，此部分代碼在掃描周期允許情況下，每個(gè)掃描周期均會(huì)掃描執(zhí)行并更新變量，但是此部分程序優(yōu)先級(jí)較低，只有在Pos0，Pos1完成掃描后CPU才能掃描此部分程序。

（6）Error

本目錄下程序?yàn)楣收咸幚沓绦?，CPU正常運(yùn)行期間，此部分程序沒有運(yùn)行，當(dāng)CPU產(chǎn)生報(bào)警后，此部分程序觸發(fā)，以此執(zhí)行各條命令。

3 軟件功能【3】

高速臺(tái)車是汽車生產(chǎn)設(shè)備中較為先進(jìn)的關(guān)鍵設(shè)備，近年來由于生產(chǎn)節(jié)拍的不斷提高，對輸送設(shè)備的響應(yīng)要求也越來越高。在白車身生產(chǎn)過程中，由于質(zhì)量大、體積大，如何快速精確輸送一直是困擾設(shè)備制造商的一大難題。本軟件開發(fā)了一種控制程序，采用智能變頻器和光柵編碼尺構(gòu)建閉環(huán)控制的模式，成功解決了大質(zhì)量、大體積工件的快速精確輸送，為白車身生產(chǎn)提供了一種較為有效的輸送方法。圖3為軟件功能圖。

圖3 軟件功能圖

3.1 速度閉環(huán)快速啟動(dòng)功能

本系統(tǒng)選用的變頻器在重載模式下比電機(jī)大一個(gè)等級(jí)，這樣可以保證在電機(jī)加減速過程中具有良好的動(dòng)態(tài)性能，電機(jī)響應(yīng)速度快（如圖4所示）。

圖4 速度閉環(huán)示意圖

3.2 自動(dòng)進(jìn)入位置閉環(huán)

本系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)前期是速度閉環(huán)加上位置開環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣可以保證運(yùn)行過程中的運(yùn)動(dòng)部件具有良好的移動(dòng)性能，也就是理論上可以從無限遠(yuǎn)處移動(dòng)到本位置，這種移動(dòng)控制方式是伺服不可能做到的。

3.3 短距離快速停止與PID參數(shù)自動(dòng)適用

3.3.1 數(shù)字PID控制的差分方程

式中：

稱為比例項(xiàng)

稱為積分項(xiàng)

稱為微分項(xiàng)

位置型PID算法算式：

當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入閉環(huán)后，位置閉環(huán)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)視當(dāng)前位置與目標(biāo)位置的距離差值，當(dāng)達(dá)到一定范圍內(nèi)后，迅速啟動(dòng)停止邏輯，使之在短距離范圍內(nèi)快速停止，同時(shí)，調(diào)整PID參數(shù)，降低系統(tǒng)的剛性，使之穩(wěn)定。（如圖5所示）

圖5 PID模式運(yùn)行示意圖

4 結(jié)語

當(dāng)今白車身生產(chǎn)線對柔性化生產(chǎn)要求越來越高，節(jié)拍要求越來越高，導(dǎo)致對定位輸送的速度和精度要求日益提高，傳統(tǒng)的伺服傳動(dòng)在某些領(lǐng)域顯得蒼白無力。同時(shí)，伺服傳動(dòng)亦有其本身不可逾越的技術(shù)瓶頸。開發(fā)出具有伺服同等定位精度，能實(shí)現(xiàn)快速定位的控制系統(tǒng)具有特殊重要的意義。在未來的白車身輸送系統(tǒng)以及其他應(yīng)用領(lǐng)域必將得到廣泛應(yīng)用。

[1] 滕福林, 胡育文, 劉洋, 儲(chǔ)劍波. 位置/電流兩環(huán)結(jié)構(gòu)位置伺服系統(tǒng)的跟隨性能[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2009 (10) : 2-3.

[2] 賀毅. 基于PLC的汽車零部件高速輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 可編程控制器與工廠自動(dòng)化, 2011 (11) : 1-4.

[3] 統(tǒng)一交流驅(qū)動(dòng)器操作手冊 [Z]. 愛默生 (中國) . 1-340.

The Location Research of White Body High-Speed Transportation

We developed a high-speed closed loop location system based on inverter and common asynchronous motor. It makes movement time of standard white body (1.5tons) between standard work unit(6 metres) less than 5 seconds, precision less than ±0.25millimetres. Productivity has been improved greatly in fexible production line, and the equipment manufacture and maintenance cost are also reduced.

Inverter; Closed loop; Body-in-white; High-speed position

科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金項(xiàng)目支持

賀毅（1980-），男，湖南益陽人，碩士，中級(jí)職稱，現(xiàn)就職于廣州明珞汽車裝備有限公司，主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)化控制與系統(tǒng)集成。

B

1003-0492(2014)03-0080-03

TP273

基金名稱：應(yīng)用于汽車焊裝工藝的高速柔性輸送系統(tǒng)（立項(xiàng)代碼：12C26214405212）