伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)在焊裝車間主焊白車身輸送線的設(shè)計(jì)應(yīng)用

周 權(quán)

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州 545007）

伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)在焊裝車間主焊白車身輸送線的設(shè)計(jì)應(yīng)用

周 權(quán)

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州 545007）

描述了伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)在焊裝車間主焊白車身輸送線的應(yīng)用。根據(jù)原輸送線體的電機(jī)安裝尺寸，及生產(chǎn)節(jié)拍的提升需求，創(chuàng)新的設(shè)計(jì)應(yīng)用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)取代原有的變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，提升了輸送速度，精度，降低了相關(guān)設(shè)備故障率，很好地提高了生產(chǎn)效率。對(duì)于汽車制造廠主焊線白車身輸送技術(shù)改造升級(jí)具有較大的借鑒推廣意義。

伺服電機(jī)；伺服驅(qū)動(dòng)器；輸送線體；生產(chǎn)節(jié)拍

0 項(xiàng)目背景及概述

汽車制造焊裝車間白車身焊接主線流水作業(yè)主要分為下車體、總拼兩部分，下車體、總拼工位間的輸送由往復(fù)輸送線體完成，包括線體上升，前進(jìn)，下降，后退四個(gè)動(dòng)作階段。即完成下車體或總拼線體上所有白車身由本工位向下一工位的輸送。輸送線體如圖1所示。

圖1 主焊白車身輸送線

車身焊裝輸送線體的上升、下降均由氣壓驅(qū)動(dòng)氣缸執(zhí)行，前進(jìn)、后退由三相異步交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)。變頻電機(jī)采用V/F控制模式，前進(jìn)/后退由高速段、低速段、停止位組成。輸送線體高速行進(jìn)碰到減速開關(guān)（機(jī)械限位開關(guān)，左右各一個(gè)）即進(jìn)入低速行進(jìn)，再碰到到位開關(guān)（機(jī)械限位開關(guān)，左右各一個(gè)）則變頻器停止輸出，電機(jī)抱閘抱死。輸送線體為了滿足高生產(chǎn)節(jié)拍，前進(jìn)后退速度往往達(dá)到工頻50Hz。生產(chǎn)過(guò)程中常遇到輸送線體高速行進(jìn)，低速減速（為了獲得高節(jié)拍，減速距離較短）后線體速度仍然較高，乃至于碰到到位開關(guān)后即使抱閘已經(jīng)抱死，線體仍然往前碰撞到機(jī)械極限位反彈，導(dǎo)致脫離到位開關(guān)，造成報(bào)警，輸送線體無(wú)法下降或者不在原位。人工手動(dòng)操作處理，延誤生產(chǎn)造成停線。且存在停止時(shí)對(duì)線體機(jī)械沖擊較大，各機(jī)械限位開關(guān)長(zhǎng)時(shí)間使用經(jīng)受撞擊后位置存在偏差感應(yīng)不良。

伺服電機(jī)具有定位精準(zhǔn)，高速性能好，一般額定轉(zhuǎn)速能達(dá)到2000～3000轉(zhuǎn)；適應(yīng)能力強(qiáng)，抗過(guò)載能力強(qiáng)，能承受三倍于額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，對(duì)有瞬間負(fù)載波動(dòng)尤其適用于要求快速起動(dòng)的場(chǎng)合；穩(wěn)定：低速運(yùn)行平穩(wěn)，額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)恒扭矩；響應(yīng)快的特點(diǎn)；舒適性：發(fā)熱和噪音明顯降低[1]。故嘗試用伺服電機(jī)取代變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸送線體的前進(jìn)、后退。

目標(biāo)：將輸送線體動(dòng)作周期由24S提升至18S以內(nèi)，故障率大幅降低。即在升降時(shí)間（8S）不變的情況下，前進(jìn)、后退時(shí)間由16S降低至10S。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及實(shí)施

1）整體輸送時(shí)間分析

（1）表1中深色部分無(wú)法提速或取消。

（2）由于伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束后，可以保持在目標(biāo)位置，定位精度高，所以鎖緊機(jī)構(gòu)可以取消。

（3）伺服電機(jī)啟動(dòng)扭矩大，制動(dòng)時(shí)可以采用反向制動(dòng)，加減速時(shí)間都可縮短。

（4）B線總拼輸送線驅(qū)動(dòng)軸（減速機(jī)輸出軸，上面安裝齒輪，齒條安裝在輸送板上）曾出現(xiàn)過(guò)斷軸故障，而對(duì)驅(qū)動(dòng)軸沖擊最大的情況是勻速過(guò)程中人員闖光柵或拍急停（后面分析），所以為了確保對(duì)驅(qū)動(dòng)軸的沖擊不再增大，應(yīng)保證勻速（最高速）時(shí)的速度不提高。

2）對(duì)驅(qū)動(dòng)軸產(chǎn)生沖擊的幾種情況

表1 輸送線運(yùn)行周期時(shí)間

由表2可以看出，勻速（也就是最高速）時(shí)闖光柵或拍急停的加速度最大，此時(shí)通過(guò)電機(jī)的抱閘直接制動(dòng)，所以在前進(jìn)帶負(fù)載且勻速狀態(tài)下闖光柵或拍急停，對(duì)驅(qū)動(dòng)軸的沖擊最大。只要保證改造后的最高速不高于改造前，減速機(jī)輸出軸所受沖擊就不會(huì)變大。

表2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸運(yùn)行載荷沖擊

3）最小限度地改變現(xiàn)場(chǎng)及伺服電機(jī)品牌選定

通過(guò)對(duì)輸送時(shí)間和驅(qū)動(dòng)軸沖擊力的分析，在不改變減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和速比的情況下，即可利用伺服電機(jī)定位準(zhǔn)確且能保持的特點(diǎn)，取消鎖緊機(jī)構(gòu)，縮短加減速時(shí)間。

經(jīng)過(guò)向各品牌伺服電機(jī)廠家咨詢，只有SEW品牌的伺服電機(jī)的安裝尺寸可以與SEW減速機(jī)直接匹配，選定SEW品牌可以最小限度地改變現(xiàn)場(chǎng)——減速機(jī)、齒輪、減速機(jī)安裝座可使用原有的，只需從減速機(jī)上拆下電機(jī)，更換即可。

圖2 SEW伺服電機(jī)與變頻電機(jī)外觀比較

4）選定總拼輸送線進(jìn)行計(jì)算

B線下車體輸送、總拼輸送共兩處需要改造，為保證備件統(tǒng)一，兩處驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、各零部件規(guī)格保持一致，因總拼負(fù)載大于下車體、帶車負(fù)載大于空車負(fù)載，所以以下只計(jì)算總拼帶車情況。

5）原現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)

減速電機(jī)規(guī)格及參數(shù)：

型號(hào)：R97 DRE180M4BE20HF/TF；

速比：10.83；

轉(zhuǎn)速：1470/136r/min；

功率：15kW；

電壓：380V；

電流：29.5A；

制動(dòng)電壓、扭矩：220VAC、200Nm；

變頻器規(guī)格：18.5kW；

啟動(dòng)電流35A，勻速運(yùn)行時(shí)電流10A；

制動(dòng)電阻：60Ω；

工作制：2班21小時(shí)，28天/月。

6）運(yùn)動(dòng)曲線確定

圖3 伺服電機(jī)速度曲線

設(shè)定參數(shù)：輸送行程6000mm，行走最快速度1200mm/s，按照單程運(yùn)行時(shí)間6s設(shè)計(jì)。通過(guò)伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器選型軟件可計(jì)算電機(jī)運(yùn)行情況：加速1s，勻速4s，減速1s。

7）負(fù)載參數(shù)計(jì)算

設(shè)定參數(shù)：

負(fù)載質(zhì)量：總拼12個(gè)拼臺(tái)，運(yùn)行過(guò)程中最多有11輛車，總質(zhì)量約5000kg；輸送板及其它運(yùn)動(dòng)零部件約5000kg，總質(zhì)量10000kg。

傳輸方式：齒輪齒條傳送，運(yùn)動(dòng)部分與導(dǎo)輪之間為滾動(dòng)摩擦，由于已運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間，個(gè)別導(dǎo)輪阻力較大。

摩擦系數(shù)：0.05；

齒輪半徑：200mm；

減速機(jī)速比：10.83；

連接方式：電機(jī)輸出經(jīng)減速機(jī)后與齒輪連接。

圖4 輸送驅(qū)動(dòng)受力分析示意圖

圖5 伺服電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)受力示意圖

經(jīng)過(guò)仿真軟件計(jì)算可得：

持續(xù)扭矩：858Nm，電機(jī)側(cè)：95.8Nm；

尖峰扭矩：1753Nm，電機(jī)側(cè)：196Nm；

最大轉(zhuǎn)速：114.6rpm，電機(jī)側(cè)：1146rpm；

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：0.113kg/m2，電機(jī)尖峰功率：22.9kW。

8）轉(zhuǎn)矩速度曲線

圖6 伺服電機(jī)轉(zhuǎn)矩速度曲線

9）電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器等主要元器件選型

10）伺服驅(qū)動(dòng)器控制柜接線

接線方式如圖7所示。

11）調(diào)試方法步驟

圖7 SEW伺服系統(tǒng)主要組成

表3 SEW伺服系統(tǒng)主要元器件清單

圖8 伺服控制柜電氣原理圖

表4 伺服改造后輸送線運(yùn)行效率提升

（1）從輸送線體拆除原有變頻電機(jī)，從原有控制柜內(nèi)拆除變頻器，刪除控制變頻器程序段。

（2）伺服控制柜動(dòng)力電源及控制電源接入，輸送線PLC控制系統(tǒng)與伺服控制柜I/O站點(diǎn)Devicenet網(wǎng)絡(luò)連接及I/O點(diǎn)核對(duì)。

（3）主控系統(tǒng)PLC 控制伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)程序編寫。

（4）伺服驅(qū)動(dòng)器上電，與安裝好SEW伺服軟件的PC機(jī)連機(jī)。輸送線（電機(jī)）在某一位置，線體上做好機(jī)械刻度與基座對(duì)應(yīng)，以便電機(jī)編碼器故障時(shí)可通過(guò)此刻度找回原點(diǎn)。在控制軟件清除脈沖多圈數(shù)，復(fù)位報(bào)警，設(shè)定輸送電機(jī)基準(zhǔn)原點(diǎn)。

（5）輸送線體在低位，低速點(diǎn)動(dòng)輸送電機(jī)，觀察線體前進(jìn)到位時(shí)，讀取編碼器位置數(shù)據(jù)反饋，并記錄至位置1（前進(jìn)）；點(diǎn)動(dòng)輸送電機(jī)往相反方向，觀察線體后退到位時(shí)，讀取編碼器位置數(shù)據(jù)反饋，并距離至位置2（后退）。

（6）逐步提高伺服電機(jī)速度，加減速時(shí)間設(shè)定在1s左右，線體在低位來(lái)回前進(jìn)、后退，確認(rèn)線體前進(jìn)后退均能正常到位后，進(jìn)行下一步帶負(fù)荷試車。

（7）復(fù)位輸送線各工位安全信號(hào)，觸摸屏手動(dòng)模式操作輸送線上升，前進(jìn)，下降，后退，仔細(xì)觀察白車身是否進(jìn)對(duì)銷位。如若有不進(jìn)銷位的情況，則對(duì)輸送線前進(jìn)后退位置數(shù)據(jù)進(jìn)行微調(diào)，直至穩(wěn)定進(jìn)銷為止。

（8）輸送線體在自動(dòng)模式下運(yùn)行，觀察伺服電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)無(wú)異響、無(wú)異常抖動(dòng)、平穩(wěn)前進(jìn)、后退到位，輸送白車身均能進(jìn)對(duì)銷位，伺服電機(jī)負(fù)載率一般在70%以下。則調(diào)試完成，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可投入生產(chǎn)使用。

3 結(jié)束語(yǔ)

改造后將輸送線體動(dòng)作周期由24s提升至18s以內(nèi)，即在升降時(shí)間（8s）不變的情況下，前進(jìn)、后退時(shí)間由14s降低至10s，伺服的精確定位得以取消前進(jìn)后退鎖，節(jié)省4s，完全達(dá)到了生產(chǎn)所需的節(jié)拍要求。由于輸送線前進(jìn)后退不到位造成的停線大大減少，幾乎為零。

伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)在焊裝車間往復(fù)輸送線的成功應(yīng)用，提高了生產(chǎn)效率，降低了設(shè)備故障率，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于此類生產(chǎn)線的輸送機(jī)構(gòu)改造升級(jí)具有較好的推廣意義。

[1] 顏嘉男.伺服電機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2010.

Design and application of servo drive technology in white body welding line transmission in body shop

ZHOU Quan

U468；TP23

：B

1009-0134(2017)01-0027-04

2016-09-19

周權(quán)（1984 -），男，廣西賀州人，本科，主要從事汽車生產(chǎn)制造自動(dòng)化的工作。