自動(dòng)焊伺服系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性提升方法

蔣 文，肖 勇，盧海昌

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

0 引言

生產(chǎn)基地車身車間D線是上汽通用五菱汽車股份有限公司生產(chǎn)熱款SUV車型的重要生產(chǎn)線，市場(chǎng)供不應(yīng)求。SUV車型投產(chǎn)以來(lái)，下車體3#自動(dòng)焊在運(yùn)行過(guò)程中頻繁出現(xiàn)中途停頓不動(dòng)作現(xiàn)象，作為主線的關(guān)鍵工位設(shè)備，一旦停線直接造成主線停線，同時(shí)運(yùn)行節(jié)拍為不能滿足生產(chǎn)線運(yùn)行節(jié)拍（實(shí)際與設(shè)計(jì)相差10個(gè)節(jié)拍），影響每班次臺(tái)的產(chǎn)出，加上本身的停線時(shí)間，造成每班欠產(chǎn)，實(shí)際臺(tái)量達(dá)不到計(jì)劃臺(tái)量，給公司帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p失，為了保證產(chǎn)量穩(wěn)定輸出，組織研究小組對(duì)設(shè)備存在的問(wèn)題進(jìn)行攻關(guān)。

1 伺服控制系統(tǒng)介紹

自動(dòng)焊動(dòng)作運(yùn)行過(guò)程通過(guò)伺服控制系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)，伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性與電機(jī)、傳動(dòng)裝置、執(zhí)行器選型，電纜接線質(zhì)量有著直接關(guān)系。伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性易造成自動(dòng)焊頻繁故障，影響生產(chǎn)正常產(chǎn)出。

1.1 伺服控制系統(tǒng)以及機(jī)械裝置

控制器按照數(shù)控系統(tǒng)的給定值和通過(guò)反饋裝置檢測(cè)的實(shí)際運(yùn)行值的差，調(diào)節(jié)控制量。伺服控制系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、帶反饋的電機(jī)四部分構(gòu)成；機(jī)械裝置分為：傳動(dòng)裝置（皮帶）、執(zhí)行器（滾珠絲桿）、極限開關(guān)。如圖 1所示。

圖1 伺服控制系統(tǒng)以及機(jī)械裝置簡(jiǎn)圖

運(yùn)動(dòng)控制器：通過(guò)持續(xù)地比較機(jī)器的實(shí)際位置（位置反饋）和“它的目標(biāo)位置”（命令位置）來(lái)保持精度。發(fā)給機(jī)器的命令信號(hào)能夠迅速地糾正誤差。

伺服電機(jī)反饋裝置：通常都安置在電機(jī)上，反饋裝置提供實(shí)際的位置數(shù)據(jù)，供運(yùn)動(dòng)控制器使用以確保精度。

伺服驅(qū)動(dòng)器：處理運(yùn)動(dòng)控制器的命令信號(hào)，并且控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩；驅(qū)動(dòng)器通過(guò)將現(xiàn)場(chǎng)電源轉(zhuǎn)換為控制電機(jī)所規(guī)定的電壓和電流等級(jí)，以實(shí)現(xiàn)這一任務(wù)。

執(zhí)行器：將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng)，工業(yè)中執(zhí)行器的典型應(yīng)用是滾珠絲杠。

傳動(dòng)裝置：防止電機(jī)直接機(jī)械地連接到執(zhí)行器上，當(dāng)空間非常有限時(shí)，通常用來(lái)改變電機(jī)的方向。

超程限位極限開關(guān)：通常連線到運(yùn)動(dòng)控制器上，以保證機(jī)械安全。當(dāng)軸運(yùn)動(dòng)觸發(fā)極限開關(guān)時(shí)，在該方向的運(yùn)動(dòng)將會(huì)停止，以防止機(jī)械碰撞或損傷操作人員。

1.2 伺服控制系統(tǒng)穩(wěn)定性

伺服系統(tǒng)控制核心功能是組成速度和位置閉環(huán)控制，滿足工作現(xiàn)場(chǎng)工藝高精度的位置要求（如自動(dòng)焊焊接工藝），為確保系統(tǒng)位置精確控制實(shí)現(xiàn)，對(duì)編碼器反饋回的信息進(jìn)行處理非常敏感，當(dāng)反饋的信息達(dá)不到系統(tǒng)精度要求時(shí)就會(huì)出現(xiàn)報(bào)警，停止設(shè)備運(yùn)行，因此伺服控制對(duì)信號(hào)的反饋以及硬件選型準(zhǔn)確性有較高要求。

2 伺服系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)使用現(xiàn)狀、原因、措施

2.1 現(xiàn)狀

自動(dòng)焊運(yùn)行過(guò)程中無(wú)規(guī)律停止，伺服系統(tǒng)中伺服驅(qū)動(dòng)器報(bào)警表1.

表1 伺服報(bào)警列表

2.2 原因

從代碼解釋可以確認(rèn)可能原因分為控制和機(jī)械兩方面原因，電控方面屬于接線質(zhì)量問(wèn)題，機(jī)械方面屬于選型設(shè)計(jì)問(wèn)題。

電控：反饋電纜（網(wǎng)線以及編碼器線纜）出現(xiàn)問(wèn)題。

機(jī)械：電機(jī)選型??；工裝承載能力小。

下面對(duì)可能原因進(jìn)行要因分析：

（1）網(wǎng)線接線質(zhì)量問(wèn)題：經(jīng)確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)使用的5類普通網(wǎng)線，不帶屏蔽層，易受干擾；另現(xiàn)場(chǎng)距離60 m，信息傳輸過(guò)程中丟失概率高，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)經(jīng)常出現(xiàn)閃斷現(xiàn)象[1]，定義為要因，控制器與伺服驅(qū)動(dòng)器信號(hào)傳遞不穩(wěn)定圖2.

圖2 控制器與驅(qū)動(dòng)器信號(hào)關(guān)聯(lián)圖

（2）編碼器線纜接線問(wèn)題：編碼器線纜為設(shè)備原裝電纜，但是編碼器端的快插是人工安裝，接線未按照手冊(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，信號(hào)屏蔽功能失效，定義為要因。

（3）電機(jī)選型?。鹤詣?dòng)焊運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)電流監(jiān)控，運(yùn)行電流峰值電流在120%額定電流，偶爾也會(huì)出現(xiàn)180%的峰值電流，電機(jī)處于一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)載運(yùn)行環(huán)境[2]，電機(jī)選型過(guò)小定義為要因。

（4）工裝承載能力小：工裝設(shè)計(jì)單薄，工裝上承載焊鉗、拖鏈、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電纜以及變壓器，經(jīng)過(guò)三坐標(biāo)數(shù)據(jù)測(cè)量確認(rèn)工裝底座變形，定義工裝承載能力小為要因。

Z向指豎直方向，測(cè)量結(jié)果表明支撐面受重力影響大。如圖3所示。

圖3 三坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果

2.3 措施

針對(duì)各類要因，制定相應(yīng)措施格如表2.

表2 問(wèn)題對(duì)策表

（1）措施1：選型預(yù)鑄接頭超5類網(wǎng)線進(jìn)行更換圖4.

圖4 網(wǎng)線對(duì)比圖

更換網(wǎng)線后，網(wǎng)絡(luò)接口的穩(wěn)定性提高，屏蔽性能高，信號(hào)丟失情況有所降低[3]。

（2）措施2：重新手接編碼器電纜，確認(rèn)電纜屏蔽線完好接地。

編碼器電纜優(yōu)化為規(guī)范接法方式后圖5，信號(hào)反饋故障不再發(fā)生（F43、F54、F55）。

可以看出，電壓暫降深度約為20%，持續(xù)時(shí)間約為2～15個(gè)周波，根據(jù)仿真分析及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可總結(jié)出短路故障引發(fā)電壓暫降的典型特征如下：

圖5 接線質(zhì)量對(duì)比圖

（3）措施3：重新選型符合工況的電機(jī)。

①自動(dòng)焊?jìng)鲃?dòng)方式：電機(jī)軸通過(guò)聯(lián)軸器連接絲桿實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的執(zhí)行，滾軸絲桿質(zhì)量計(jì)算為：

式中，DB為絲桿直徑（m）；LB為絲桿長(zhǎng)度（m）。

②負(fù)載部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

式中，ε 為負(fù)載系數(shù)；Jl連軸器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）；JB為絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）.

③預(yù)選電機(jī)

電機(jī)參數(shù)如表3所示。

表3 電機(jī)參數(shù)表

④電機(jī)校驗(yàn)

式中，I為慣量比，負(fù)載慣量去除電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的數(shù)值，按照通常標(biāo)準(zhǔn)，750 W以下的電機(jī)為20倍以下、1 000 W以上的電機(jī)為10倍以下。

Vmax為最大速度（r/s）；PB為絲桿螺距（m）；N 為要求最高轉(zhuǎn)速，要求計(jì)算值小于所選電機(jī)額定轉(zhuǎn)速。

式中：Tf為移動(dòng)轉(zhuǎn)矩（N·m）.

式中：Td為減速轉(zhuǎn)矩（N·m）.

式中：Tmax為最大轉(zhuǎn)矩（N·m）；要求計(jì)算值小于所選電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩。

式中：Ta為加速轉(zhuǎn)矩（N·m）.

式中：Trms為有效轉(zhuǎn)矩（N·m）；要求計(jì)算值小于所選電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩。

經(jīng)過(guò)計(jì)算確認(rèn)，預(yù)選電機(jī)滿足現(xiàn)場(chǎng)需求：I＜10；N ＜ 5 000 r/min；Tmax＜ 7.91 N·m；Trms＜ 3.05 N·m[4].

跟蹤使用確認(rèn)電流值如圖6.

圖6 新舊電機(jī)運(yùn)行電流對(duì)比

電機(jī)更換后，運(yùn)行過(guò)程中電流曲線平滑，峰值在60%以內(nèi)，節(jié)拍滿足生產(chǎn)要求圖6.

（4）措施4：減小工裝底座的承載負(fù)載，移除變壓器。

變壓器從工裝上移除后圖7，工裝底座的承載力大幅度減輕，工裝變形量減小，設(shè)備運(yùn)行阻力變小，故障率得到抑制。

圖7 變壓器安裝位置對(duì)比

3 結(jié)論

（1）電機(jī)優(yōu)化后，設(shè)備運(yùn)行速度得到提升，運(yùn)行節(jié)拍達(dá)到設(shè)計(jì)節(jié)拍，實(shí)際生產(chǎn)臺(tái)量達(dá)到計(jì)劃臺(tái)量需求，效益巨大。

（2）線纜、工裝、電機(jī)優(yōu)化后，通訊以及運(yùn)行過(guò)載產(chǎn)生的故障得到有效抑制，停線率明顯降低（如圖8）.

圖8 設(shè)備停線率趨勢(shì)

（3）總結(jié)出經(jīng)驗(yàn)：對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)高精度要求設(shè)備，通訊方面要做好信號(hào)干擾問(wèn)題處理，電機(jī)選型結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際考慮。