摘 要：基于總線形式由PLC與交流伺服系統(tǒng)組成的位置伺服同步跟蹤系統(tǒng)能夠使機(jī)器能快速同步，實現(xiàn)高速電阻焊機(jī)數(shù)字化過程控制。通過由PLC控制交流伺服電動機(jī)多軸聯(lián)動系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的機(jī)械聯(lián)動機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)機(jī)器各運(yùn)動之間運(yùn)動的協(xié)調(diào)，保證各個相關(guān)動作能夠快速準(zhǔn)確同步運(yùn)行，不僅使各運(yùn)動關(guān)系之間的“機(jī)械鎖合”轉(zhuǎn)變?yōu)椤半娮渔i合”，同時簡化凸輪、無級變速機(jī)和萬向聯(lián)軸器等復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的可靠性，從而提高整機(jī)的工作性能。
關(guān)鍵詞：交流伺服系統(tǒng)；PLC；同步跟蹤；總線
Application of AC servo system in high speed digital can body resistance welding machine
ZHENG Zhi-dan1， CHEN Shao-bo1， ZHANG Zi-qiang1， YAN Qiu-sheng2
（1．Key Laboratory of Intelligent Manufacture Technology of Ministry of Education，
Shantou University，Shantou 51 5063，China；
2．Faculty of Mechanical＆Electronic Engineering，Guangdong University of Technology，
Guangzhou 51 0080，China）
Abstract：The application of position servo synchronously tracking system constituted with PLC andgeneral AC servo system base on bus can help machines quickly and precisely run synchronouslyin high-speed digital can-body resistance welding machine．By the applicationof PLC in co ntrolling general AC servo motor multi-axes ganged system to replace co nventionalmechanical ganged mechanism，the coordination of movements between machineactions can be ensured and every correlative actions can quickly and precisely runsynchronously，and mechanica l-locking betw een quondam movements can be changed tothe lectronic-locking，and the complex mechanical structures such as cams，stepless speedchanging machines and universal joints can be omitted，so the reliability，stability andmanufacturing eficiency of the machine can be enhanced actively．
Key words：AC servo system；PLC；synchronously tracking；bus
1 典型高速電阻焊機(jī)的傳動結(jié)構(gòu)
高速電阻焊機(jī)具有多路復(fù)雜的高速動作，同時要求具有精確的相互聯(lián)動關(guān)系，多采用機(jī)械傳動剛性聯(lián)接裝置來實現(xiàn)。圖1是典型電阻焊機(jī)傳動示意圖：由一臺主電機(jī)（11）通過齒輪變速箱（12）帶動多個相關(guān)的動作系統(tǒng)。[1]
其中，送罐系統(tǒng)是機(jī)器的主運(yùn)動系統(tǒng)，稱焊接節(jié)拍運(yùn)動，其運(yùn)動速度主要由每分鐘所能焊接的罐數(shù)決定。通過由齒輪變速箱（12）、蝸桿減速機(jī)（2）、萬向聯(lián)軸節(jié)（1）、凸輪裝置（13）驅(qū)動輸送鏈（14）運(yùn)動，利用輸送鏈條上的鉤爪把垂吊于溝槽內(nèi)的罐筒體送到打罐位置。
銅線驅(qū)動系統(tǒng)由齒輪變速箱（12）通過無級變速機(jī)（4）、蝸桿減速機(jī)（5）帶動上焊輪（8）及多槽輪（6）驅(qū)動銅線作均速運(yùn)動，銅線的運(yùn)動速度主要由節(jié)拍速度及罐體高度決定。
吸推鐵系統(tǒng)從齒輪變速箱（12）通過無級變速機(jī)及蝸桿減速機(jī)（1O）帶動曲柄滑塊機(jī)構(gòu)作吸推鐵運(yùn)動，按照送罐節(jié)拍準(zhǔn)時地吸取片材并送到成圓機(jī)構(gòu)進(jìn)行成圓，成圓后的罐筒體置于過渡導(dǎo)塊的溝槽內(nèi)處于垂吊狀態(tài)。
打罐系統(tǒng)由齒輪變速箱（12）通過萬向聯(lián)軸節(jié)及凸輪裝置（9）帶動打罐擺臂（7）完成打罐動作，當(dāng)送罐機(jī)構(gòu)把罐簡體送到指定位置后，打罐擺臂在規(guī)定的時間內(nèi)即把罐簡體打進(jìn)焊接位置。
在整個工作過程中吸、推鐵、輸送鏈（送罐）、打罐擺臂（打罐）等要求有較精確的協(xié)調(diào)動作關(guān)系，因此機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其中無級變速機(jī)、萬向聯(lián)軸器和凸輪等由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工件加工困難，而且在使用過程中容易磨損，成為精度下降的主要原因和主要故障源。
為了簡化凸輪裝置、無級變速機(jī)和萬向聯(lián)軸器等復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，采用由PLC與交流伺服系統(tǒng)組成的位置伺服同步跟蹤控制系統(tǒng)，用電氣柔性同步傳動代替機(jī)械的剛性同步傳動，簡化系統(tǒng)的傳動結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性，從而提高整機(jī)的工作性能。[2]
2 控制系統(tǒng)的組成
通過PLC與交流伺服系統(tǒng)組成的位置伺服同步跟蹤控制系統(tǒng)控制電阻焊機(jī)的原理圖如圖2所示，所有的伺服電機(jī)都選用帶減速機(jī)的伺服電機(jī)。M1是驅(qū)動送罐系統(tǒng)輸送鏈的伺服電機(jī)，利用輸送鏈條上的陶制鉤爪將垂吊于過渡溝槽的簡體準(zhǔn)確地送至打罐位置，實現(xiàn)送罐功能。M1作為系統(tǒng)的主運(yùn)動，其運(yùn)動速度主要由焊接速度決定，并由PLC通過422總線提供運(yùn)行速度的設(shè)定值，M1運(yùn)行在速度控制模式。
M2是驅(qū)動吸推鐵系統(tǒng)的伺服電機(jī)，由M2驅(qū)動曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行吸、推鐵送料運(yùn)動，M2每轉(zhuǎn)一周，系統(tǒng)完成一次吸鐵及推鐵的送料運(yùn)動，其作用是將按節(jié)拍一張一張準(zhǔn)確地送到規(guī)定的位置上，由成圓機(jī)構(gòu)將薄板卷曲成圓罐體。
M3是驅(qū)動打罐擺臂運(yùn)動的伺服電機(jī)，M3帶動平面7桿機(jī)構(gòu)作打罐運(yùn)動，實現(xiàn)打罐功能，機(jī)構(gòu)每運(yùn)轉(zhuǎn)一周，即完成一次打罐動作。
由于M2、M3必須準(zhǔn)確配合協(xié)調(diào)M1運(yùn)行，也即M2必須根據(jù)M1的運(yùn)行狀態(tài)，準(zhǔn)時將薄板送出至成圓機(jī)構(gòu)，卷曲后以圓罐體形式送到準(zhǔn)確的位置；同樣M3必須根據(jù)M1的運(yùn)行狀態(tài)，準(zhǔn)時把罐體打進(jìn)焊接位置。因此M2、M3運(yùn)行在位置控制模式，由M 1伺服電機(jī)的脈沖編碼器輸出的脈沖信號作為M2、M3的位置指令輸入脈沖信號，這樣只要調(diào)整好M2、M3位置環(huán)的增益，M2、M3便能跟蹤M1運(yùn)行，從而達(dá)到同步跟蹤的目的。
S1、S2、S3分別是吸、推鐵、輸送鏈條、打罐擺臂的零點位置檢測傳感器，分別聯(lián)接到PLC的中斷輸入端口，用于校正各機(jī)構(gòu)的零點位置。系統(tǒng)每次啟動時都在PLC的控制下先進(jìn)行一次零點位置校正，并在系統(tǒng)運(yùn)行過程中不斷對Sl、S2、S3的位置進(jìn)行檢測，并對M2、M3的增益進(jìn)行同步調(diào)整，從而達(dá)到控制系統(tǒng)同步的目的。[31M4是銅線驅(qū)動伺服電機(jī)，運(yùn)行在速度控制模式，其運(yùn)行速度由制罐節(jié)拍、罐體高度決定，由于采用伺服電機(jī)作為銅線的驅(qū)動電機(jī)，因此銅線運(yùn)行較為平穩(wěn)，基本不需調(diào)節(jié)。
M5、M6分別是放線及收線變頻調(diào)速電機(jī)，由于銅線經(jīng)過壓扁、焊接發(fā)熱之后會有一定的伸縮，因此需要控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制銅線張緊的目的，本系統(tǒng)中選擇帶內(nèi)置PID調(diào)節(jié)功能的變頻調(diào)速器，變頻器的速度給定信號由PLC通過總線形式給定，銅線的張緊程度由傳感器反饋給變頻器，由變頻器內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)功能進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，因此只要在系統(tǒng)中設(shè)定好變頻器的有關(guān)參數(shù)便可達(dá)到控制銅線張力的目的。由于使用了內(nèi)置PID調(diào)節(jié)功能的變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，從而減少了PLC的A／D及D／A模塊，同時也減少了PLC進(jìn)行調(diào)節(jié)運(yùn)算的負(fù)擔(dān)，提高了調(diào)節(jié)速度。
3 控制系統(tǒng)主要工作流程
相應(yīng)控制系統(tǒng)主要工作流程如圖3所示：系統(tǒng)每次啟動時都先自動進(jìn)行一次零位校正，所有的機(jī)構(gòu)均從零位開始工作。然后PLC根據(jù)設(shè)定的制罐速度，控制送罐伺服電機(jī)M1運(yùn)轉(zhuǎn)。伺服電機(jī)M1的脈沖編碼器的輸出脈沖信號分2路分別送到工作于位置控制模式的伺服電機(jī)M2、M3位置脈沖信號的輸入端，使M2、M3跟蹤M1的運(yùn)行。在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中PLC根據(jù)零位反饋的誤差信息，來調(diào)節(jié)控制M2、M3跟蹤M1運(yùn)轉(zhuǎn)。從而控制吸、推鐵、送罐及打罐的動作協(xié)調(diào)關(guān)系。
同時，PLC根據(jù)制罐速度及罐體的高度計算出銅線的運(yùn)行速度，并控制伺服電機(jī)M4驅(qū)動多槽輪帶動銅線按給定速度作均速運(yùn)行。根據(jù)銅線的運(yùn)行速度由PLC計算出放線及收線變頻調(diào)速電機(jī)的運(yùn)行速度，PLC同樣通過422總線給變頻器提供一個速度給定信號，由于變頻調(diào)速器是采用RS485總線的形式的，因此在變頻器的總線上需加裝一只422轉(zhuǎn)485的總線轉(zhuǎn)換器。變頻器根據(jù)PLC的給定速度及銅線張緊傳感器的反饋值，利用自帶的PID調(diào)節(jié)功能進(jìn)行P1D調(diào)節(jié)運(yùn)算，從而保證銅線能自動快速張緊。由于采用變頻調(diào)速器自帶的PID調(diào)節(jié)功能，因此運(yùn)行穩(wěn)定可靠，而且調(diào)整方便，只要設(shè)定好有關(guān)參數(shù)即可。
利用伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩限制功能，根據(jù)M1、M2、M3三臺電機(jī)的工作性質(zhì)不同分別對伺服電機(jī)進(jìn)行不同的轉(zhuǎn)矩限制，轉(zhuǎn)矩限制值同樣通過總線形式直接進(jìn)行設(shè)定， 同時把各電機(jī)的轉(zhuǎn)矩達(dá)到信號接到PLC的輸入端口作為安全報警信號，取代原來機(jī)械剛性傳動時的安全離合器功能。
4 小結(jié)
由于采用總線形式，因此控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單，而且為上位機(jī)監(jiān)控及遠(yuǎn)程監(jiān)控提供了有利條件。由于系統(tǒng)在跟蹤過程中直接對位置進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，因此比單純采用速度跟蹤的方式更為迅速而且準(zhǔn)確，使系統(tǒng)能夠可靠穩(wěn)定工作。同時，由于利用變頻調(diào)速器內(nèi)置的PID進(jìn)行調(diào)控制，因此使系統(tǒng)更加簡單，而且減少了PLC的運(yùn)算壓力。
參考文獻(xiàn)：
[1]CHEN Shao—bo．Application ofPLC in digitalization control intelligence can-body high-speed resistance welding machine．Fifth International Symposium on Instrumentation and Control Technology【Z】．SPIE—The Intemational Society for Optical Engineering，2003，Volume 5253．
[2]潘曉彬，等．伺服電機(jī)間同步傳動的柔性化控制[J]．機(jī)電工程，1999（5）．
[3]盛兵，等．基于伺服電機(jī)直接驅(qū)動的折彎機(jī)同步位置控制[J]．機(jī)床與液壓，2000（2）．
（轉(zhuǎn)載）
