基于以太網(wǎng)的伺服自動(dòng)焊設(shè)計(jì)及控制

田 勇，周偉麗

（上汽通用五菱汽車有限公司，廣西 柳州545007）

伺服自動(dòng)焊接控制技術(shù)是國(guó)內(nèi)焊接設(shè)備自動(dòng)化水平提高的瓶頸因素，目前國(guó)內(nèi)焊接設(shè)備存在的自動(dòng)化程度相對(duì)較低，焊接位置誤差較大，以及復(fù)雜工位難以企及等特點(diǎn)，本研究課題主要針對(duì)汽車廠的白車身的裙邊及輪罩區(qū)域設(shè)計(jì)出一套自動(dòng)化程度較高，焊接位置較為精確，能實(shí)現(xiàn)多軸控制的伺服控制系統(tǒng)。

首先以實(shí)現(xiàn)裙邊區(qū)域的精確焊接及輪罩區(qū)域的多軸轉(zhuǎn)動(dòng)為目的，研制開(kāi)發(fā)了一臺(tái)三軸聯(lián)動(dòng)的自動(dòng)焊接機(jī)床，重點(diǎn)設(shè)計(jì)制造了焊槍姿態(tài)控制機(jī)構(gòu)和機(jī)械結(jié)構(gòu)，并確立了以PLC控制器結(jié)合E網(wǎng)遠(yuǎn)程控制設(shè)備IO實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行精確控制的高自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了由控制器對(duì)自動(dòng)焊的焊接運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的閉環(huán)精確控制。本文首先根據(jù)車身焊點(diǎn)要求設(shè)計(jì)出自動(dòng)焊的機(jī)械結(jié)構(gòu)，根據(jù)焊點(diǎn)位置確定軌道、軸向、焊鉗規(guī)格，估算整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的重量。其次，在生產(chǎn)線的工藝及節(jié)拍的要求下，依據(jù)Motion Analyzer分析軟件對(duì)裙邊及輪罩自動(dòng)焊的選型進(jìn)行分析，以計(jì)算在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)能否將設(shè)計(jì)的焊點(diǎn)按時(shí)完成，選擇合適的伺服電機(jī)及控制器，并設(shè)計(jì)出伺服控制電機(jī)的整套控制系統(tǒng)。最后，該伺服自動(dòng)焊的操作由控制臺(tái)完成，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要設(shè)計(jì)出該伺服控制系統(tǒng)的控制面板，包括各個(gè)軸向的選擇，前進(jìn)、后退等操作以及故障指示，焊接及復(fù)位等。

最后，對(duì)所設(shè)計(jì)閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)可能存在的誤差以及系統(tǒng)精度進(jìn)行了分析、改善，并對(duì)伺服自動(dòng)焊控制系統(tǒng)進(jìn)行整體調(diào)試，完成了初步的試驗(yàn)分析，并投入生產(chǎn)。本文所設(shè)計(jì)的自動(dòng)焊接機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，位置精確，控制系統(tǒng)可靠，成本低，維修方便，且系統(tǒng)界面友好、操作簡(jiǎn)單，基本能完成預(yù)定功能，為進(jìn)一步自動(dòng)焊接技術(shù)試驗(yàn)以及高水平自動(dòng)焊接設(shè)備的開(kāi)發(fā)提供了一定的理論基礎(chǔ)。

1 結(jié)構(gòu)及組成

伺服自動(dòng)焊系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由焊接框架、焊鉗、滾珠絲杠構(gòu)成。

1.1 焊接框架結(jié)構(gòu)

焊接的機(jī)械結(jié)構(gòu)由焊點(diǎn)的工藝確定，焊接的軌道需基于預(yù)定的焊點(diǎn)軌跡進(jìn)行設(shè)計(jì)，以方便可達(dá)為目的。焊接框架機(jī)構(gòu)是主體，材料要求—Q235A，包括型鋼及板材，板材厚度不得低于16 mm，型號(hào)符合GB要求；焊接牢固可靠，直線導(dǎo)軌安裝面加工精度滿足所選用的直線導(dǎo)軌技術(shù)要求；精度要求高的固定安裝面粗糙度≤3.2；設(shè)計(jì)出的裙邊自動(dòng)焊機(jī)械結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 自動(dòng)焊框架結(jié)構(gòu)

1.2 焊鉗

焊鉗的設(shè)計(jì)是焊點(diǎn)可達(dá)的關(guān)鍵因素，焊鉗的設(shè)計(jì)可以根據(jù)焊點(diǎn)的要求設(shè)計(jì)成多維空間，例如在輪罩區(qū)域，需采用X、Y、Z三軸聯(lián)動(dòng)的方式，選用合適長(zhǎng)度的焊鉗配合軌道結(jié)構(gòu)，在控制器的驅(qū)動(dòng)下可以實(shí)現(xiàn)焊鉗的焊接操作。本文中采用焊機(jī)和焊鉗一體式焊鉗，變壓器采用獨(dú)立循環(huán)水冷卻，焊機(jī)動(dòng)力線接入處增加方便維護(hù)的空開(kāi)，并考慮焊接有效接地，焊接開(kāi)關(guān)和安全關(guān)斷開(kāi)關(guān)引入操作盒，與其他結(jié)構(gòu)有效絕緣，圖2中顯示為焊鉗的不同規(guī)格。

圖2 自動(dòng)焊焊鉗

1.3 滾珠絲杠

什么樣的驅(qū)動(dòng)方式?jīng)Q定了電機(jī)的選型，如滾珠絲杠或者齒輪驅(qū)動(dòng)，本文中滾珠絲杠的驅(qū)動(dòng)方式，更有利于電機(jī)的精度控制，絲杠的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性最高，適用于中等回轉(zhuǎn)速度，兩端軸承均調(diào)整預(yù)緊，滿足軸向剛度最大，位移精度控制在0.5mm以內(nèi)。本文中的滾珠絲杠采用兩端固定式，若長(zhǎng)度較長(zhǎng)則需要在中間增加支撐，以防在后期的運(yùn)行中變形導(dǎo)致電機(jī)過(guò)載報(bào)警。圖3為滾珠絲杠的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 絲杠的機(jī)械結(jié)構(gòu)

2 伺服電機(jī)和控制器的選型

根據(jù)工藝要求完成如上的機(jī)械設(shè)計(jì)后，就可以進(jìn)行伺服電機(jī)及控制器的選型了。伺服自動(dòng)焊能否滿足生產(chǎn)要求，電機(jī)和控制器的選型非常關(guān)鍵，影響選型的因素有：驅(qū)動(dòng)軸、節(jié)拍、焊點(diǎn)、負(fù)載、路徑、慣量、驅(qū)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)方向等等，通常這些參數(shù)在進(jìn)行完第一步的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之后就可以獲得。搞清楚所有的工藝類別后，再選擇所需要的電壓等級(jí)及電流等級(jí)，在本文所談及的伺服自動(dòng)焊設(shè)計(jì)中，選擇了AB的Motion Analyze電機(jī)選型分析軟件進(jìn)行伺服自動(dòng)焊選型和焊點(diǎn)路徑設(shè)計(jì)分析。本文以門檻裙邊與輪罩區(qū)域焊接區(qū)域?yàn)槔M(jìn)行分析。

工藝要求如下：?jiǎn)芜吅附狱c(diǎn)數(shù)越35點(diǎn)，單邊使用兩把焊鉗，采用75 KVA變壓器，假設(shè)變壓器不隨驅(qū)動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)；直線X軸、Y軸、Z軸方式為滾珠絲杠式+滑軌。X軸左右各一套，重量480 kg；Y軸左右各兩套，重量220 kg；Z軸左右各一套，重量約120 kg.

整個(gè)周期設(shè)計(jì)T=90 s，以X軸為例：X軸移動(dòng)軌跡：焊點(diǎn)距離Lx=50~60 mm，Tx=0.8 s，焊接時(shí)間1.2 s/點(diǎn)，總焊接時(shí)間 2 s×20=40；速度 =75 mm/s;運(yùn)行距離L=1 200mm，運(yùn)行時(shí)間15 s.在軟件中輸入我們需要的焊點(diǎn)的軌跡，如圖4的示例。

圖4 自動(dòng)焊焊點(diǎn)軌跡的設(shè)計(jì)示例

滿足條件的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的選型示例，如圖5所示。

圖5 自動(dòng)焊電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器選型示例

根據(jù)擇優(yōu)選擇的原則，從Motion Analyze的推薦選型中選擇AB的MPL-A1530U-EJ74AA低慣量伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)搭配Kinetix350的伺服驅(qū)動(dòng)器。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及調(diào)試

3.1 控制系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

伺服自動(dòng)焊的位置控制是由該伺服電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)器結(jié)合上位PLC來(lái)完成，本次PLC設(shè)計(jì)采用的是AB的GUARDLOGIX500系列。伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器在本設(shè)計(jì)中的控制模型為星網(wǎng)的通訊結(jié)構(gòu)，如圖6.整個(gè)系統(tǒng)由中樞系統(tǒng)PLC控制器為中心，通過(guò)交換機(jī)連接伺服驅(qū)動(dòng)器連接伺服電機(jī)。外圍的安全設(shè)備如光柵，急停等，應(yīng)該確保該工位運(yùn)動(dòng)的時(shí)候不會(huì)有人誤闖造成意外傷害，上位系統(tǒng)由維護(hù)工程師站，人機(jī)界面和ANDON呼叫構(gòu)成，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，能夠迅速鎖定故障，進(jìn)行生產(chǎn)恢復(fù)。

圖6 控制系統(tǒng)布局

3.2 伺服自動(dòng)焊電纜安裝

伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接在在伺服驅(qū)動(dòng)器Kinetix 350的下面，PLC和電機(jī)的數(shù)據(jù)交換由伺服驅(qū)動(dòng)器來(lái)完成，如圖7所示。伺服電動(dòng)機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器的連線由兩根預(yù)制高柔性電纜進(jìn)行連接—電機(jī)反饋電纜和電機(jī)電源電纜，伺服電機(jī)自帶的智能電機(jī)技術(shù)可以提供自動(dòng)識(shí)別電動(dòng)機(jī)到驅(qū)動(dòng)器的連接是否正確，減少了調(diào)試時(shí)間，它的高精度性能可以達(dá)到電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)超過(guò)2 000 000個(gè)位置計(jì)數(shù)。

伺服驅(qū)動(dòng)器的電源為三相輸入或單相輸入電源，在接收PLC的信號(hào)后可對(duì)電機(jī)的啟停進(jìn)行控制，外圍的安全信號(hào)可通過(guò)接入安全關(guān)斷扭矩達(dá)到緊急停機(jī)的目的。伺服驅(qū)動(dòng)器還將電動(dòng)機(jī)、絲杠執(zhí)行器和高分辨率絕對(duì)值反饋元件集成在一個(gè)單元內(nèi)，以減少機(jī)械的復(fù)雜程度和組裝需求。

當(dāng)伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器全部集成到圖7所示的自動(dòng)化控制系統(tǒng)之后，可以實(shí)現(xiàn)在Rslogix5000的軟件環(huán)境進(jìn)行精確定位，速度控制以及負(fù)載運(yùn)動(dòng)。

圖7 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電纜及連接方式

3.3 伺服自動(dòng)焊動(dòng)作邏輯

當(dāng)設(shè)備組成一個(gè)完整的閉環(huán)控制體系后，我們就可以對(duì)伺服自動(dòng)焊的動(dòng)作進(jìn)行調(diào)試及邏輯驗(yàn)證了。

在本次的研究中，伺服自動(dòng)焊接系統(tǒng)是與往復(fù)桿輸送的邏輯配合，其自動(dòng)循環(huán)工藝如下：

（1）往復(fù)桿輸送線下降到位并后退到位后，若當(dāng)前工位和輸送線體控制無(wú)急停等安全信號(hào)，車身零件落到定位銷中后，主定位開(kāi)始關(guān)夾并判斷索要焊接的車型；

（2）等主定位夾緊到位后，PLC給伺服自動(dòng)焊使能啟動(dòng)信號(hào)和車型信息，伺服自動(dòng)焊檢測(cè)焊接條件是否滿足；

（3）若條件無(wú)異常，則根據(jù)本工位的車型信息，調(diào)用對(duì)應(yīng)車型的伺服控制程序進(jìn)行焊點(diǎn)位置移動(dòng)；

（4）伺服自動(dòng)焊按照規(guī)定的焊點(diǎn)軌跡開(kāi)始運(yùn)行，運(yùn)行至每一個(gè)焊點(diǎn)的位置時(shí)，PLC都會(huì)對(duì)伺服控制器編碼器反饋值和焊點(diǎn)位移設(shè)定值進(jìn)行匹配比較，若差距過(guò)大，伺服自動(dòng)焊停止，并報(bào)警。若在正常范圍內(nèi)，則焊鉗夾緊，自動(dòng)焊的伺服控制器通過(guò)以太網(wǎng)IO方式發(fā)出焊接命令；

（5）焊接控制器接收焊接命令，焊接完成后反饋給自動(dòng)焊伺服控制器焊接完成信號(hào)；

（6）自動(dòng)焊伺服控制器收到焊接完成信號(hào)后，命令焊鉗打開(kāi)；

（7）焊鉗打開(kāi)后，伺服自動(dòng)焊繼續(xù)移動(dòng)到下一個(gè)位置，則執(zhí)行下一個(gè)焊點(diǎn)焊接，以此類推，待所有的焊點(diǎn)焊接完成時(shí)，伺服自動(dòng)焊回初始位置；

（8）輸送線上升并向下一個(gè)工位移動(dòng)車體，清除伺服自動(dòng)焊的焊接完成信號(hào)及位置信息；

（9）下一臺(tái)車體到達(dá)，循環(huán)繼續(xù)。至此完成伺服自動(dòng)焊的全部動(dòng)作設(shè)計(jì)。

3.4 伺服自動(dòng)焊的改善

3.4.1 伺解決回零點(diǎn)、限位過(guò)位的問(wèn)題

在研究的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，該伺服自動(dòng)焊系統(tǒng)存在著零位漂移及限位過(guò)位現(xiàn)象。為解決零位的漂移問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一個(gè)回零點(diǎn)檢測(cè)開(kāi)關(guān)和伺服控制系統(tǒng)零位相互校驗(yàn)，為了控制位置精度，回零點(diǎn)的開(kāi)關(guān)的直徑會(huì)比較小，控制在M8以內(nèi)。在運(yùn)動(dòng)方式上，采用回退過(guò)零點(diǎn)，在正方向運(yùn)行至零點(diǎn)的找零運(yùn)動(dòng)方式，使用后效果良好。為解決焊接過(guò)位問(wèn)題，提高自動(dòng)焊焊點(diǎn)參考點(diǎn)的一致性，除了設(shè)置軟件上的限位以外，在伺服自動(dòng)焊的運(yùn)動(dòng)方向上設(shè)置了正限位開(kāi)關(guān)和負(fù)限位開(kāi)關(guān)，并設(shè)計(jì)了機(jī)械擋塊，如圖8所示。

圖8 伺服自動(dòng)焊?jìng)鞲衅髟O(shè)置

3.4.2 解決多維空間焊接問(wèn)題

在汽車行業(yè)白車身焊接中，有許多區(qū)域需要使用多維空間焊接，該區(qū)域的特點(diǎn)是焊點(diǎn)分布較均勻、焊接干涉少，但僅僅使用單軸，部分焊點(diǎn)不可達(dá)，而使用多軸自動(dòng)焊系統(tǒng)則相對(duì)容易。在本次的研究中同樣也遇到了需要多維空間焊接的問(wèn)題。

針對(duì)不同方向的焊接，如輪罩區(qū)域，采用多個(gè)單軸伺服電機(jī)組合，組成多軸伺服自動(dòng)焊系統(tǒng)的形式，能夠?qū)崿F(xiàn)X軸、Y軸、Z軸、焊鉗旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作，基本滿足多位置的焊接需求。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，效果良好。

3.5 伺服自動(dòng)焊非常態(tài)下的手動(dòng)操作

在完成伺服自動(dòng)焊控制系統(tǒng)的調(diào)試之后，正常情況下，伺服自動(dòng)焊系統(tǒng)科自動(dòng)運(yùn)行，不需要手動(dòng)操作，但一旦故障發(fā)生，無(wú)法自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，為保證生產(chǎn)，必須手動(dòng)操作。在本次的設(shè)計(jì)研究中，同樣配備了自動(dòng)焊系統(tǒng)的手動(dòng)操作—操作臺(tái)。本系統(tǒng)的伺服自動(dòng)焊的操作臺(tái)面設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖9 自動(dòng)焊的操作面板設(shè)計(jì)

整個(gè)面板共設(shè)計(jì)15個(gè)按鈕，可根據(jù)需要布置在不同的區(qū)域。通過(guò)選擇X、Y、Z不同軸向，按下前進(jìn)或后退按鈕，可實(shí)現(xiàn)伺服自動(dòng)焊的手動(dòng)操作，并可以發(fā)出焊接命令至焊接控制器，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)焊接焊點(diǎn)的目的。至此，整個(gè)伺服自動(dòng)焊控制系統(tǒng)的全部功能已基本完備，經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證，運(yùn)行至今，故障率低，定位精度準(zhǔn)確，極少發(fā)生漏焊或錯(cuò)焊，該伺服控制系統(tǒng)在車身焊接各領(lǐng)域都得以使用，效果良好。

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)是基于TCP/IP的以太網(wǎng)協(xié)議集成、不同設(shè)備容易集成，將伺服控制系統(tǒng)集成在AB的控制器中，更加便于控制整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)作位移及精度，伺服自動(dòng)焊接系統(tǒng)相比與焊接機(jī)器人，具有造價(jià)低，使用維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用Rockwell以太網(wǎng)IO控制伺服控制系統(tǒng)組合具有可靠性高、網(wǎng)絡(luò)傳輸速率快、方便IO擴(kuò)展、節(jié)約投資成本等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系統(tǒng)化設(shè)計(jì)，減少了電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試周期，打破傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制形式，采用開(kāi)放式的以太網(wǎng)控制，使用維護(hù)更方便。

設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先考慮現(xiàn)有通用型設(shè)備，以標(biāo)準(zhǔn)通用協(xié)議替代專用協(xié)議，解決不同品牌設(shè)備直接進(jìn)行通訊困難的問(wèn)題，體現(xiàn)了“低成本、高價(jià)值”的設(shè)計(jì)理念，采用簡(jiǎn)單自動(dòng)焊代替人工焊接的工藝設(shè)計(jì)，實(shí)際運(yùn)行滿足設(shè)計(jì)節(jié)拍，節(jié)約人力資源成本。同時(shí)在機(jī)器人機(jī)械手不便到達(dá)的區(qū)域，伺服自動(dòng)焊也是一個(gè)非常不錯(cuò)的選擇。