汽車裝配線單板鏈與懸鏈轉掛機器人控制系統

鄭利

沈陽華晨金杯汽車有限公司 （沈陽 110044）

汽車裝配生產線采用的是典型的流水作業生產方式，它的自動化程度要求較高。從汽車的殼體到一臺整車下線一般是150s至300s之間，生產線需連續不停頓運轉。目前世界上汽車裝配線的輸送形式各種各樣，總體上有二種輸送機械結構，即地面板式機械輸送和空中懸掛機械輸送單獨或混合組成。

在混合輸送機械結構下，依據裝配工藝，車身要在單板鏈和懸鏈輸送機械上運行幾十個工位，車身在生產線上的輸送必然存在由地面單板鏈到空中懸鏈上的轉移。為了保證連續生產的需求，這種車身轉掛必須自動地進行且完成準確對接。為此，本文設計了一個轉掛機器人的控制系統方案，利用SIEMENS的數控伺服驅動控制系統，按車身轉掛的工藝及現場條件，采用直角坐標式控制伺服電機做4自由度運動，實現車身的連續動態轉掛。現場運行表明，裝置運行平穩可靠、裝掛對位精度高，轉掛速度完全滿足裝配線生產節拍的要求。

1 系統組成

轉掛機器人由機械傳動系統、電氣控制系統兩大部分組成。

1.1 機械傳動系統

機械傳動系統采用直角坐標系，利用4個伺服電機驅動實現車身托起裝置四個自由度的直線運動。其中平移軸(X軸)和伸縮軸(Y 軸)采用齒輪絲杠傳動方式，托起軸(H軸)采用剪刀叉結構齒輪絲杠傳動方式，升降軸(Z軸)采用鏈條傳動方式。

1.2 電氣控制系統

由SIEMENS S7-300 PLC和HMI組成電氣控制系統，主要實現車型識別、懸鏈吊具識別、單板鏈和懸鏈運動狀況監測、車身托起裝置四自由度運動伺服控制，PLC控制系統配置如圖1所示。

圖1 控制系統結構

系統采用SIEMENS S7-300 PLC中的具有運動控制功能的T-CPU，它除了具備常規CPU功能外還內部集成了運動控制 (Motion Control) 功能，所有運動控制作業都是在 T-CPU 中通過工藝功能來啟動。本系統有6個軸，即4個物理軸（伸縮、升降、平移、托起）和2個虛擬軸（單板鏈和懸鏈）。物理軸采用SINAMICS S120伺服控制單元直接位置讀值和驅動控制，根據現場的實際要求配置了相應的伺服驅動模塊和相應的伺服電機。虛擬軸的位置讀值由編碼器轉換模塊從安裝在單板鏈和懸鏈上的增量編碼器獲取，并通過DRIVE-CLiQ由SINAMICS S120向T-CPU供給。DRIVE-CLiQ 通用串行接口連接 SINAMICS S120 的所有組件，包含電機和編碼器。

SINAMICS S120 支持標準的 PROFIBUS DP，即 TIA 方案中的標準現場總線。它用于驅動同步電機和異步電機，可完成要求苛刻的驅動任務，并且能夠滿足對動態特性和精度的較高要求，將廣泛的工藝功能集成到驅動控制系統中。伺服電機驅動模塊采用SINAMICS DC MASTER ,它是直流驅動器，它具有很高的靈活性。因此，在驅動技術領域，無論是基本驅動任務，還是要求苛刻的驅動任務，它都可以勝任[1]。

2 系統實現

2.1 控制系統和伺服驅動組態

在T-CPU中組態工藝對象，物理驅動器被映射到各工藝對象及其在各工藝對象中參數化的屬性。每個工藝對象都作為工藝DB映射到STEP7用戶程序，以指明狀態。可以將工藝對象互連，并邏輯關聯到硬件組件。所有工藝對象（例如軸、凸輪盤、輸出凸輪、測量輸入或外部編碼器）都在 S7T Config 中組態。所有運動控制作業都是在 T-CPU 中通過工藝功能來啟動。集成工藝根據控制系統啟動的順序來處理作業。

“軸”工藝對象作為接口，將用戶程序和實際驅動器聯系起來。它可以接收、執行和監視 PLC 的用戶程序所請求的運動控制命令。軸對象通過PROFIBUS 與包含速度和電流控制的驅動器進行通信。從軸對象中對驅動器進行單獨組態和調試。

T-CPU硬件組態完成后，通過Technology組態伺服驅動和軸。

伺服驅動和軸組態完成后，通過專家系統數據對組態參數進一步優化，包括設定各軸運動極限限位。

利用伺服驅動和軸運動控制面板，完成對選定軸的動態測試。

2.2 運動控制

本轉掛裝置具有手動控制、半自動控制功能和自動控制功能。手動是四軸通過手操器以給定的速度進行獨立的點動運動。半自動是每個單軸通過手操器依據控制條件自動運動到給定位置控制。自動控制是與生產線聯動，根據總裝配線工作節拍將車身從單板鏈自動轉掛到懸鏈吊具上。

在T-CPU 315中集成了很多運動控制功能塊，本系統用到的主要功能塊如表1所示。

以手動控制平移軸為例編程邏輯主要包括啟動條件建立、軸控制使能、以指定的方向和速度驅動電機運動、停止運動和故障復位等。

表1 運動控制功能塊

2.3 操作控制平臺

轉掛機器人控制復雜，需要操作便捷的操作平臺。為此，系統設計了由3個操作裝置構成的操作平臺，即控制柜操作盤、手動控制操作器和可視人機交互操作屏。3個操作裝置均與PLC進行數據I/O。控制柜操作盤設有若干操作按鈕和指示燈，供操作者控制系統啟動/停止、驅動使能/關閉驅動、置定手動/自動工作方式及故障復位等，并提供設備運行相關狀態指示。手動控制操作器設置了車身托起裝置四個自由度手動和半自動操作控制，實現點動和單自由度或組合自由度一次移動到位控制。可視人機交互操作屏采用SIEMENS MP277，整個轉掛過程的狀態參數和運動參數、故障信息都在上面以文字或數值動態顯示。重要參數通過Password設置，以避免無關人員的誤操作。設備檢修、更換傳動鏈條和更換配重鋼絲繩時置定編碼器初始位置等也可借助于該HMI完成。

3 結語

實現轉掛機器人自動控制的技術關鍵是伺服控制系統和軸參數的正確組態，以及運動控制功能塊的正確組合使用。現場運行表明，利用轉掛機器人實現車身從單板鏈到懸鏈上的轉移轉掛速度快、精度高、平穩可靠，可以滿足今后為提高產能提升裝配線生產節拍速度的需求。