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摘 要：基于總線形式由PLC與BWS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(shí)現(xiàn)高速電阻焊機(jī)數(shù)字化過程控制。通過由PLC控制BWS交流伺服電動(dòng)機(jī)多軸聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的機(jī)械聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器各運(yùn)動(dòng)之間運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)，保證各個(gè)相關(guān)動(dòng)作能夠快速準(zhǔn)確同步運(yùn)行，不僅使各運(yùn)動(dòng)關(guān)系之間的“機(jī)械鎖合”轉(zhuǎn)變?yōu)椤半娮渔i合”，同時(shí)簡化凸輪、無級(jí)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。
1 典型高速電阻焊機(jī)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)
高速電阻焊機(jī)具有多路復(fù)雜的高速動(dòng)作，同時(shí)要求具有精確的相互聯(lián)動(dòng)關(guān)系，多采用機(jī)械傳動(dòng)剛性聯(lián)接裝置來實(shí)現(xiàn)。圖1是典型電阻焊機(jī)傳動(dòng)示意圖：由一臺(tái)主電機(jī)（11）通過齒輪變速箱（12）帶動(dòng)多個(gè)相關(guān)的動(dòng)作系統(tǒng)。[1]
其中，送罐系統(tǒng)是機(jī)器的主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，稱焊接節(jié)拍運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)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(dòng)輸送鏈（14）運(yùn)動(dòng)，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(dòng)系統(tǒng)由齒輪變速箱（12）通過無級(jí)變速機(jī)（4）、蝸桿減速機(jī)（5）帶動(dòng)上焊輪（8）及多槽輪（6）驅(qū)動(dòng)銅線作均速運(yùn)動(dòng)，銅線的運(yùn)動(dòng)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(jí)變速機(jī)及蝸桿減速機(jī)（1O）帶動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)作吸推鐵運(yùn)動(dòng)，按照送罐節(jié)拍準(zhǔn)時(shí)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(dòng)打罐擺臂（7）完成打罐動(dòng)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(shí)間內(nèi)即把罐簡體打進(jìn)焊接位置。
在整個(gè)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(dòng)作關(guān)系，因此機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其中無級(jí)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(jí)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(dòng)代替機(jī)械的剛性同步傳動(dòng)，簡化系統(tǒng)的傳動(dòng)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BWS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(dòng)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(shí)現(xiàn)送罐功能。M1作為系統(tǒng)的主運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)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(dòng)吸推鐵系統(tǒng)的BWS伺服電機(jī)，由M2驅(qū)動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行吸、推鐵送料運(yùn)動(dòng)，M2每轉(zhuǎn)一周，系統(tǒng)完成一次吸鐵及推鐵的送料運(yùn)動(dòng)，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(dòng)打罐擺臂運(yùn)動(dòng)的伺服電機(jī)，M3帶動(dòng)平面7桿機(jī)構(gòu)作打罐運(yùn)動(dòng)，實(shí)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(dòng)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(shí)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(shí)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(hào)作為M2、M3的位置指令輸入脈沖信號(hào)，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(diǎn)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(diǎn)位置。系統(tǒng)每次啟動(dòng)時(shí)都在PLC的控制下先進(jìn)行一次零點(diǎn)位置校正，并在系統(tǒng)運(yùn)行過程中不斷對(duì)Sl、S2、S3的位置進(jìn)行檢測，并對(duì)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(dòng)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(dòng)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(huì)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(hào)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(shí)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(dòng)時(shí)都先自動(dòng)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(hào)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(hào)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(dòng)作協(xié)調(diào)關(guān)系。
同時(shí)，PLC根據(jù)制罐速度及罐體的高度計(jì)算出銅線的運(yùn)行速度，并控制BWS伺服電機(jī)M4驅(qū)動(dòng)多槽輪帶動(dòng)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(jì)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(gè)速度給定信號(hào)，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(dòng)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BWS伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩限制功能，根據(jù)M1、M2、M3三臺(tái)電機(jī)的工作性質(zhì)不同分別對(duì)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(shí)把各電機(jī)的轉(zhuǎn)矩達(dá)到信號(hào)接到PLC的輸入端口作為安全報(bào)警信號(hào)，取代原來機(jī)械剛性傳動(dòng)時(shí)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(duì)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(shí)，由于利用交流伺服驅(qū)動(dòng)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。
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