基于NC運動控制技術的車身伺服定位器的設計

何廣邦，葛　騰，蔣志經

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

0　引言

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

目前國內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。

伺服定位器是根據白車身焊接線柔性化生產需求開發(fā)的使用伺服控制技術的車身定位裝置。為了克服GEO-Pallet高速輸送系統(tǒng)的上述缺點，設計了伺服定位器加往復桿的輸送定位方式。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，可以根據不同車型的定位位置進行示教編程，構造能適應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，結構簡單易于現場安裝維護，并具有高剛性、高精度、高速、小型等優(yōu)點。

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

1　NC伺服定位器的機械結構和工作方式

1.1　機械結構

根據我公司現有車型的車身定位需求，設計的NC定位器如圖1所示。

圖1　伺服定位器機械結構

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，其構造簡單、空間占用小，十分利于構建車身高效柔性生產線。而且X軸與Y軸的構造通用化，降低了備品備件的儲存量。

1.2　定位與搬運

根據現有車型的定位需求，不同工位需NC定位器的數量有不同。現以總拼工位分析，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平面移動至當前車型的設點位置；

（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，使車身脫離往復輸送，升至焊接高度位置；

（3）往復桿后退到位，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)是指實現輸出量變化精確跟隨或復現輸入變量的控制系統(tǒng)。其由伺服電動機、功率驅動器、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、啟動轉矩大、響應快等優(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。

根據定位器的設計需求，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、運動設備、I/O等的輸入輸出設備[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。在機械自動化領域，EtherCAT是當仁不讓最快的新型網絡，它基于Ethernet，可快速、準確并高效地傳輸數據。EtherCAT可以對伺服驅動器、變頻器、視覺系統(tǒng)和I/O進行實時控制[2]。

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

設計中，根據實際的軸組組合，相關的X/Y/Z軸在硬件設計中組合成一個軸組，故障報警串聯起來輸入到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置：通過自動掃描，可以把連接到EtherCAT網絡的所有設備（主要是伺服驅動器和IO站點等）掃描上來；在各個驅動器站點中，可以對驅動器參數進行設置，如電機旋轉方向，慣量比，驅動器外部IO的配置等等。部分驅動器的參數設置見表1所示。

表4　驅動器參數設置

此外，在運動控制設置中，還需要對各軸進行詳細的設置，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，電機旋轉一周的行程等等參數。

在軸組設置中，對應于先前的硬件軸組組合，將相關的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置。軸組參數設置見圖4.

圖4　軸組參數設置

2.3　控制系統(tǒng)的設計

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構化編程，即ST語言編程。同時，在梯形圖中，可以嵌入結構化的編程。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、復雜的數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

在程序的設計階段，根據先前的設置，系統(tǒng)已經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支持多維數組以及結構體、聯合體、枚舉數據類型等，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）導出,然后在觸摸屏的編輯軟件重新導入即可使用，不必擔心數據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慣。關于觸摸屏的編程不在此一一贅述。

3　結束語

本文分析了NC定位器的結構，功能，整合了最新的NJ運動控制器，伺服驅動器以及伺服電機，結合實際應用，應用IEC61131-3標準的運動控制指令，實現了基于NC控制的高速定位器。據此設計的NC伺服定位器系統(tǒng)已經成功應用在公司的3條生產線上，取得了良好的效果。NC伺服定位器結構簡單，定位迅速精準，系統(tǒng)構成簡單，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控系統(tǒng)的NC定位器，成本優(yōu)勢明顯，同時還可以實現復雜的邏輯控制。可以構造適應對應多種車型的生產線。