基于PLC 的倫茨伺服驅(qū)動柔性自動化生產(chǎn)應(yīng)用研究

榮艷超，王樸

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

科技的發(fā)展推動制造業(yè)自動化生產(chǎn)水平不斷提高，工人逐步從繁重的體力勞動中解放，從事技術(shù)性崗位，同時，生產(chǎn)效率也得到進(jìn)一步提升。北京奔馳前驅(qū)車焊裝車間為多車型柔性自動化生產(chǎn)車間，根據(jù)需求生產(chǎn)白車身，在部分車型切換工位，通過PLC 控制倫茨伺服驅(qū)動實現(xiàn)自動切換功能。本文以白車身總拼系統(tǒng)為例，介紹基于PLC 的倫茨伺服驅(qū)動柔性自動化。

1 硬件系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

白車身總拼系統(tǒng)將主底板與側(cè)圍進(jìn)行定位，然后由焊鉗焊接，是白車身成型的關(guān)鍵工位，北京奔馳前驅(qū)車焊裝車間采用OPEN GATE 柔性總拼系統(tǒng)形式，通過小車將定位卡具工裝移動到合車工位，不同車型匹配不同工裝，結(jié)構(gòu)如圖1 所示，總拼過程由一套自動切換系統(tǒng)實現(xiàn)多車型柔性化生產(chǎn)。

圖1 總拼系統(tǒng)車型切換結(jié)構(gòu)

小車及轉(zhuǎn)臺均為倫茨伺服驅(qū)動，伺服控制器為9400 Highline， 應(yīng)用倫茨L-force Engineering 的Table Positioning 定位，精度可達(dá)萬分之一單位。拼接工位前后共4 臺小車，每臺小車上配有2 臺伺服電機，分別用于在縱向X，橫向Y 2 個方向軌道上移動。4 個轉(zhuǎn)臺各由1 臺伺服電機驅(qū)動，用于存放各非工作車型工裝。

PLC 為西門子SIMATIC S7-300 319F-3 PN/DP，車間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)采用PROFINET 通信方式，通過西門子交換機實現(xiàn)PLC 與眾多設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)互通。PLC 獲取車型信息并通過遠(yuǎn)程IO ET200S 采集當(dāng)前工位各傳感器狀態(tài)，經(jīng)過邏輯判斷，控制小車、轉(zhuǎn)臺運動實現(xiàn)工裝自動切換及合車，整個總拼過程由PLC 控制實現(xiàn)自動運行。

車型識別采用Pepperl+Fuchs RFID 識別系統(tǒng)，系統(tǒng)由控制器、通訊接口、讀寫頭和載碼體（Tag）組成，讀寫頭讀取白車身滑橇上的載碼體信息，控制器使用Pepperl+Fuchs IC-KP-B17-AIDA1，作為PLC 的子站將車身信息傳遞給PLC，1 個控制器最多可連接4 個讀寫頭。

HMI 控制屏面板上按鍵及指示燈作為PLC 的輸入和輸出，實現(xiàn)確認(rèn)復(fù)位與狀態(tài)指示等；內(nèi)部安裝各設(shè)備所需應(yīng)用軟件，倫茨Engineer 用于伺服驅(qū)動調(diào)試，西門子Step7 用于PLC 程序的調(diào)試，同時，戴姆勒可視化應(yīng)用軟件Integra 顯示現(xiàn)場受PLC 控制的部分，包含各控制臺、工位、設(shè)備導(dǎo)航樹、安全設(shè)備、報警信息、手動操作、Graph 時序圖等等，HMI 控制屏提供了人機交互接口。

1.2 系統(tǒng)配置

RFID 控制器、倫茨伺服控制器、HMI 控制屏、交換機作為PLC 的子站，需要在PLC 硬件組態(tài)中進(jìn)行配置。導(dǎo)入相應(yīng)GSD 文件后，在硬件組態(tài)中添加RFID 控制器、倫茨伺服控制器、HMI 控制屏、交換機，如圖2 所示。添加完成后，分配IP 地址及Device name 并進(jìn)行編譯下載。

圖2 硬件組態(tài)

在硬件組態(tài)中，RFID 控制器輸入輸出各32 個字節(jié)（BYTE），其中前4 個字節(jié)為命令位，后28 個字節(jié)為數(shù)據(jù)位，分布如表1 所示。

表1 RFID 數(shù)據(jù)傳輸分配

每臺倫茨伺服控制器分別被分配16 個字（WORD）的輸入和輸出，其中，12 個字為驅(qū)動信號交互，4 個字為安全信號交互。電機的每次運動都由PLC 輸出控制信號給倫茨伺服控制器，稱為控制字，伺服控制器根據(jù)PLC需求完成伺服運動過程，并將實時運動信息及到位信息反饋給PLC，稱為狀態(tài)字。

小車及轉(zhuǎn)臺伺服驅(qū)動應(yīng)用倫茨Table Positioning程序，戴姆勒將該驅(qū)動類型標(biāo)準(zhǔn)化為倫茨POT 驅(qū)動類型，驅(qū)動原理相同，參數(shù)根據(jù)不同設(shè)備進(jìn)行自定義。小車為直線運動設(shè)備，位置單位為毫米，轉(zhuǎn)臺為旋轉(zhuǎn)設(shè)備，位置單位為度。編碼器AM1024-8V 為絕對值編碼器，反饋電機軸轉(zhuǎn)動信息，在伺服控制器中，除根據(jù)實際情況填寫設(shè)備機械參數(shù)外，還需設(shè)置1 個進(jìn)給常量，即電機每轉(zhuǎn)所對應(yīng)的進(jìn)給量，從而使伺服控制器實時顯示設(shè)備的實際位置，伺服控制過程如圖3 所示。

圖3 伺服控制器自動模式定位

2 程序控制

2.1 車型識別

戴姆勒將RFID（Pepperl+Fuchs）識別系統(tǒng)的整個數(shù)據(jù)處理過程以及可視化數(shù)據(jù)準(zhǔn)備程序進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，通過標(biāo)準(zhǔn)功能塊FC50 實現(xiàn)，其背景數(shù)據(jù)塊為DB50，在RFID程序中調(diào)用FC50，并編寫各讀寫頭讀/寫命令的使能條件即可。PLC 與控制器的通訊通過FB50 完成，其臨時數(shù)據(jù)塊DB5001，F(xiàn)B50 內(nèi)部調(diào)用了標(biāo)準(zhǔn)塊SFC14、SFC15、SFC20，用于實現(xiàn)連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸，程序結(jié)構(gòu)如圖4 所示。數(shù)據(jù)存儲在用戶數(shù)據(jù)塊DB5002 中，包含4 位滑橇號、八位車身碼以及1 組車型信息。

圖4 RFID（Pepperl+Fuchs）程序結(jié)構(gòu)

2.2 倫茨驅(qū)動

戴姆勒將POT 驅(qū)動類型的交互信號進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，每一個字傳遞標(biāo)準(zhǔn)的控制或反饋信號，并使用戴姆勒標(biāo)準(zhǔn)功能塊FC184（FG Servo Lenze_32 9400 with Table Positioning）進(jìn)行驅(qū)動交互信號處理。伺服控制器有4種工作模式：自動(Automatic)、調(diào)整(Adjustment)、步進(jìn)(Inching)、操作(Operate)，自動模式下伺服控制器接收PLC 信號，控制電機自動到達(dá)目標(biāo)位置；調(diào)整模式為零點標(biāo)定模式；步進(jìn)模式下伺服控制器控制電機每次運動一個固定度量；操作模式為通過示教面板手動控制電機運動。其中自動模式為PLC 控制伺服驅(qū)動自動運行及定位的模式，其余3 種模式為特殊功能模式。

正常生產(chǎn)時，小車及轉(zhuǎn)臺伺服驅(qū)動在自動模式，使用FPS（Free Positioning Set）方式定位，目標(biāo)位置信息由PLC 通過控制字的方式傳遞給伺服控制器。PLC 控制小車、轉(zhuǎn)臺自動定位的過程，與伺服控制器交互信號如圖5 所示。

圖5 PLC 與倫茨伺服控制器交互信號示意圖

背景數(shù)據(jù)塊DB 用于存儲功能塊FC184 的參數(shù)數(shù)據(jù)，同時邏輯處理后的使能、開始等條件作為輸入傳遞給FC184，當(dāng)需要小車或轉(zhuǎn)臺驅(qū)動到某一目標(biāo)位時，F(xiàn)C184將驅(qū)動控制信號及運動曲線參數(shù)經(jīng)PROFINET 傳遞給伺服控制器，控制器接收信息自動完成一次閉環(huán)驅(qū)動，同時實時將狀態(tài)信息反饋給PLC，驅(qū)動過程完畢發(fā)送到位完成信號。

除驅(qū)動參數(shù)外，在安全程序中PLC 向伺服控制器發(fā)送安全激活信號，如表2 所示，激活停止功能則伺服控制器立即執(zhí)行相應(yīng)安全停止功能；激活監(jiān)控功能如相關(guān)參數(shù)超出設(shè)定值，伺服控制器立即觸發(fā)安全報警；激活確認(rèn)功能，則在消除安全隱患后復(fù)位伺服控制器安全報警，所有功能均由伺服控制器安全模塊執(zhí)行。同時，伺服控制器也會將這些安全信號狀態(tài)實時反饋給PLC。安全功能的啟用確保人員及現(xiàn)場安全。

表2 安全信號

在自動模式下，如圖6 所示，伺服控制器根據(jù)PLC發(fā)送的FPS 目標(biāo)位參數(shù)生成目標(biāo)曲線，目標(biāo)曲線即在設(shè)定速度、設(shè)定加/減速度、設(shè)定S-ramp 下到達(dá)目標(biāo)位置的速度-時間曲線，結(jié)合電機編碼器反饋的實時數(shù)據(jù)，經(jīng)過對比運算控制電機輸出驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，從而控制小車、轉(zhuǎn)臺到達(dá)目標(biāo)位?，F(xiàn)場小車及轉(zhuǎn)臺的到位精度可達(dá)到萬分之一單位，如圖6 中轉(zhuǎn)臺倫茨驅(qū)動程序所示，當(dāng)轉(zhuǎn)臺目標(biāo)位為90.0000 度時，驅(qū)動到達(dá)后編碼器反饋實際位置為90.0000 度，倫茨伺服定位滿足左、右小車對白車身左、右側(cè)圍位置定位及轉(zhuǎn)臺的到位精度。

圖6 轉(zhuǎn)臺倫茨伺服驅(qū)動

2.3 車型工裝校驗

非工作車型的工裝可任意存放在轉(zhuǎn)臺各面上，轉(zhuǎn)臺上每個面各有一組傳感器，共4 個，不同車型工裝有不同形狀的4 組塊可通過傳感器進(jìn)行識別，形成不同輸入信號，PLC 以此判斷工裝所在位置。

當(dāng)目標(biāo)車型工裝被小車裝載后，也需進(jìn)行校驗，小車識別工裝車型依靠一組對接插頭實現(xiàn)，工裝側(cè)插頭根據(jù)車型進(jìn)行不同組別插針跨接，小車側(cè)插頭信號連接到西門子遠(yuǎn)程IO，其中1 針連接24V，4 至7 針根據(jù)工裝側(cè)跨接情況反饋不同輸入信號，如圖7 所示。

圖7 小車校驗工裝車型信號

如上，通過4 位編碼實現(xiàn)了多車型識別，在PLC 程序中，通過4 位IO 信號通斷識別車型。

2.4 控制流程

在生產(chǎn)過程中，白車身被運輸?shù)娇偲垂の?，首先PLC采集現(xiàn)場狀態(tài)，通過RFID 系統(tǒng)識別車型，并與上位機交互信息，經(jīng)過邏輯運算處理，控制現(xiàn)場倫茨伺服驅(qū)動小車、轉(zhuǎn)臺按照既定需求實現(xiàn)自動化運行。如圖8 所示，有切換車型需求時，PLC 控制前后小車及轉(zhuǎn)臺切換工裝；當(dāng)切換完成或無切換需求時，小車在工作位拼合工裝定位車身。

圖8 PLC 控制流程

3 結(jié)語

本文介紹的基于PLC 的倫茨伺服驅(qū)動系統(tǒng)，實現(xiàn)了焊裝車間底板與側(cè)圍總拼工位的多車型切換功能，同時滿足高精度要求，在機械硬件匹配的情況下，總拼工位可擴展新車型。該驅(qū)動控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、柔性化，可應(yīng)用到其他多位置直線、轉(zhuǎn)動運動設(shè)備。