自上世紀80年代中期生產(chǎn)汽車以來，隨著本田汽車集團汽車產(chǎn)品逐漸由低端向高端、由單一品種向多品種、由微車向自主品牌轎車全系列的發(fā)展，本田的焊接生產(chǎn)線上逐步大量應用多品種、高技術(shù)的焊接設備，焊接領(lǐng)域新技術(shù)的應用范圍也不斷擴展。經(jīng)過20多年長期實踐，不適用的焊接生產(chǎn)設備逐漸被淘汰，對性能成熟、適合焊接汽車生產(chǎn)線需要且使用量較大的設備，本田與設備制造商形成了長期戰(zhàn)略合作研究伙伴，進而對各種焊接設備不斷優(yōu)化，為汽車焊接線提供了大量性能穩(wěn)定、故障率低、性價比高的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。

　　本文從MP920伺服系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)、控制原理、控制程序設計以及系統(tǒng)調(diào)試等幾方面介紹該生產(chǎn)線中的伺服系統(tǒng)，研究柔性自動化生產(chǎn)線中伺服控制系統(tǒng)的應用。

　　1 伺服系統(tǒng)硬件配置

　　伺服系統(tǒng)是用來地跟隨或復現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)。又稱隨動系統(tǒng)。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機械位移（或轉(zhuǎn)角）準確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角）。伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和其他形式的反饋控制系統(tǒng)沒有原則上的區(qū)別。采用伺服系統(tǒng)主要是為了達到下面幾個目的：①以小功率指令信號去控制大功率負載?；鹋诳刂坪痛婵刂凭褪堑湫偷睦印＂谠跊]有機械連接的情況下，由輸入軸控制位于遠處的輸出軸，實現(xiàn)遠距同步傳動。③使輸出機械位移地跟蹤電信號，如記錄和指示儀表等。

　　考慮系統(tǒng)的信息處理量大，為了降低PLC的信息處理負擔，提高控制器之問的獨立性，系統(tǒng)采用了分層的體系結(jié)構(gòu)，層為主控PLC，第二層為伺服控制器，兩個控制層之間采用現(xiàn)場總線進行通信。整個系統(tǒng)硬件配置如圖1所示。

　　主控PLC是整條生產(chǎn)線的邏輯處理中心，它一方面協(xié)調(diào)控制現(xiàn)場各種設備按照工藝順序要求工作，另一方面向上層監(jiān)控設備實時發(fā)送生產(chǎn)和設備狀態(tài)信息。主控PLC選用OMRON公司的CS1H.CPU65型PLC系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)采用日本安川電機公司的MP920伺服系統(tǒng)，該伺服系統(tǒng)由伺服控制器，伺服驅(qū)動器和伺服電機組成，其中伺服控制器是整條生產(chǎn)線的運動控制，控制伺服電機按照工藝要求運動，同時還通過現(xiàn)場總線DeviceNet將伺服系統(tǒng)的狀態(tài)信息反饋給主控PLC。伺服控制器選用MP920可編程控制器專門用于控制直線型伺服電機系統(tǒng)。伺服驅(qū)動器選用Σ系列SGDB型伺服驅(qū)動器，伺服電機選用Σ系列SGM型伺服電機。在車身自動焊接生產(chǎn)線中使用了3套MP920系統(tǒng)來控制了18個伺服電機。

　　2 MP920控制器工作原理

　　2.1 MP920控制器構(gòu)成

　　在MP920系統(tǒng)中，CPU模塊（MP920）主要起數(shù)據(jù)處理（邏輯處理和運動處理）的作用，并向運動控制單元（SVB一01）發(fā)送運動指令，并根據(jù)反饋信息作進一步處理。運動控制單元主要進行指令處理和運動狀態(tài)處理，通過Mechatrolink總線每個單元多能單獨控制l4個軸。此單元能預先進行參數(shù)設定，根據(jù)CPU發(fā)送過來的指令進行運動控制，并將運動過程中的各種參數(shù)反饋到CPU單元中去。DeviceNet通信單元（260IF）通過Device—Net協(xié)議與主控PLC進行數(shù)據(jù)交換，進行協(xié)同工作，完成整線的控制。

　　2.2 MP920控制器參數(shù)設定

　　運動控制單元內(nèi)部有三類參數(shù)：固定參數(shù)、設定參數(shù)和監(jiān)控參數(shù)。其中固定參數(shù)包括電機參數(shù)、伺服驅(qū)動器參數(shù)、編碼器參數(shù)等固定數(shù)據(jù)；設定參數(shù)用來向伺服驅(qū)動器提供伺服控制命令，在系統(tǒng)運行時可以實時更改；監(jiān)控參數(shù)由與伺服馬達相連的編碼器反饋到運動控制單元的電機運動狀態(tài)數(shù)據(jù)，這些監(jiān)控數(shù)據(jù)可以在運動程序和邏輯程序中作為參考。CPU單元對運動控制單元的控制是通過其I／O端口與運動控制單元的參數(shù)相互對應建立的。為建立這種聯(lián)系，須將CPU單元的輸出I／O端口分配給運動單元的設定參數(shù)，輸入I／O端口分配給運動單元的監(jiān)控參數(shù)。CPU單元在進行I／O刷新時將監(jiān)控參數(shù)讀入內(nèi)存，同時將伺服控制命令寫入到運動控制單元的設定參數(shù)中，實現(xiàn)對運動控制單元的控制。伺服系統(tǒng)的控制原理如圖2所示。

　　2.3 MP920控制程序設計

　　MP920伺服控制器通過循環(huán)掃描用戶程序來進行控制，用戶程序由視圖、函數(shù)和運動程序組成。其中視圖與函數(shù)主要用于完成順序邏輯控制，運動程序用于電機的運動控制。為了節(jié)省系統(tǒng)資源，將視圖分為高速掃描程序和低速掃描程序，高速掃描程序的掃描周期很短，約為0.4ms，用于處理實時性很強的伺服控制任務，是整個程序的主體，在其中調(diào)用運動程序?qū)崿F(xiàn)對電機的控制；低速掃描視圖掃描周期遠低于高速掃描視圖，在程序系統(tǒng)中用于處理實時性要求較低的錯誤和警報。

　　伺服系統(tǒng)控制程序采用模塊化編程，各自針對要求不同的應用設計了高速掃描視圖、低速掃描視圖和運動控制程序。系統(tǒng)上電之后，CPU就同時開始高速掃描與低速掃描兩個獨立的掃描過程，并在高速掃描過程中調(diào)用運動程序來進行運動控制。低速和高速掃描視圖的流程分別如圖3和圖4所示。

　　3 調(diào)試結(jié)果分析

　　伺服系統(tǒng)調(diào)整主要調(diào)整系統(tǒng)的速度回路增益、速度回路積分時間常數(shù)、位置回路增益和扭矩指令過濾時間常數(shù)這幾個參數(shù)。通常按照下列步驟進行：

　　步，較低地設定位置回路增益，在不發(fā)生噪音或振動的范圍內(nèi)逐步提高速度回路增益。

　　第二步，略微降低步中設定的速度回路增益降值，在系統(tǒng)不發(fā)生上沖或振動的范圍內(nèi)逐步提高位置回路增益。

　　第三步，根據(jù)定位調(diào)整時間、機械系統(tǒng)的振動等情況設定速度回路積分時間常數(shù)。

　　第四步，如果機械系統(tǒng)發(fā)生的扭曲共振時，適當?shù)靥岣吲ぞ刂噶钸^濾時間常數(shù)。

　　，觀察系統(tǒng)響應并對各個參數(shù)進行微調(diào)，進行參數(shù)優(yōu)化。

　　圖5是伺服電機的速度曲線和扭矩曲線。從圖中可以看到，階段對電機進行速度控制，電機轉(zhuǎn)速響應很快，轉(zhuǎn)速由0增加到2000r／m的過程十分平穩(wěn)。第二階段對電機進行扭矩控制，電機由0增加到50％ 的額定扭矩響應很快，也沒有出現(xiàn)大的波動。表明按照這個方法進行調(diào)試是可行的，完夠滿足自動化生產(chǎn)線的需要。

　　4 結(jié)束語

　　在實際生產(chǎn)中，該自動焊接生產(chǎn)線的伺服系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，滿足了高品質(zhì)轎車車身焊接工藝的需要，為廣州本田年產(chǎn)24萬轎車發(fā)揮了決定性作用。該伺服系統(tǒng)運動平穩(wěn)且定位速度快，使得整條生產(chǎn)線的節(jié)奏控制在45、7秒，上發(fā)揮了機械的效率。該系統(tǒng)的成功在于系統(tǒng)設計上采用了分層的體系結(jié)構(gòu)和邏輯控制與運動控制相結(jié)合的控制方式。隨著中國汽車工業(yè)的快速發(fā)展，尤其是對車身質(zhì)量、產(chǎn)量和成本的要求不斷提高，伺服系統(tǒng)必將在汽車車身自動焊接生產(chǎn)線上廣泛應用。

參考文獻:

[1]. PLC datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/PLC_1248813.html.
[2]. Device datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/Device_1397784.html.