自動焊伺服系統運行穩定性提升方法

蔣 文，肖 勇，盧海昌

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

0 引言

生產基地車身車間D線是上汽通用五菱汽車股份有限公司生產熱款SUV車型的重要生產線，市場供不應求。SUV車型投產以來，下車體3#自動焊在運行過程中頻繁出現中途停頓不動作現象，作為主線的關鍵工位設備，一旦停線直接造成主線停線，同時運行節拍為不能滿足生產線運行節拍（實際與設計相差10個節拍），影響每班次臺的產出，加上本身的停線時間，造成每班欠產，實際臺量達不到計劃臺量，給公司帶來嚴重損失，為了保證產量穩定輸出，組織研究小組對設備存在的問題進行攻關。

1 伺服控制系統介紹

自動焊動作運行過程通過伺服控制系統控制實現，伺服系統穩定性與電機、傳動裝置、執行器選型，電纜接線質量有著直接關系。伺服系統穩定性易造成自動焊頻繁故障，影響生產正常產出。

1.1 伺服控制系統以及機械裝置

控制器按照數控系統的給定值和通過反饋裝置檢測的實際運行值的差，調節控制量。伺服控制系統由運動控制器、伺服驅動器、帶反饋的電機四部分構成；機械裝置分為：傳動裝置（皮帶）、執行器（滾珠絲桿）、極限開關。如圖 1所示。

圖1 伺服控制系統以及機械裝置簡圖

運動控制器：通過持續地比較機器的實際位置（位置反饋）和“它的目標位置”（命令位置）來保持精度。發給機器的命令信號能夠迅速地糾正誤差。

伺服電機反饋裝置：通常都安置在電機上，反饋裝置提供實際的位置數據，供運動控制器使用以確保精度。

伺服驅動器：處理運動控制器的命令信號，并且控制電機的轉速和轉矩；驅動器通過將現場電源轉換為控制電機所規定的電壓和電流等級，以實現這一任務。

執行器：將旋轉運動轉換成線性運動，工業中執行器的典型應用是滾珠絲杠。

傳動裝置：防止電機直接機械地連接到執行器上，當空間非常有限時，通常用來改變電機的方向。

超程限位極限開關：通常連線到運動控制器上，以保證機械安全。當軸運動觸發極限開關時，在該方向的運動將會停止，以防止機械碰撞或損傷操作人員。

1.2 伺服控制系統穩定性

伺服系統控制核心功能是組成速度和位置閉環控制，滿足工作現場工藝高精度的位置要求（如自動焊焊接工藝），為確保系統位置精確控制實現，對編碼器反饋回的信息進行處理非常敏感，當反饋的信息達不到系統精度要求時就會出現報警，停止設備運行，因此伺服控制對信號的反饋以及硬件選型準確性有較高要求。

2 伺服系統在現場使用現狀、原因、措施

2.1 現狀

自動焊運行過程中無規律停止，伺服系統中伺服驅動器報警表1.

表1 伺服報警列表

2.2 原因

從代碼解釋可以確認可能原因分為控制和機械兩方面原因，電控方面屬于接線質量問題，機械方面屬于選型設計問題。

電控：反饋電纜（網線以及編碼器線纜）出現問題。

機械：電機選型小；工裝承載能力小。

下面對可能原因進行要因分析：

（1）網線接線質量問題：經確認現場使用的5類普通網線，不帶屏蔽層，易受干擾；另現場距離60 m，信息傳輸過程中丟失概率高，現場信號經常出現閃斷現象[1]，定義為要因，控制器與伺服驅動器信號傳遞不穩定圖2.

圖2 控制器與驅動器信號關聯圖

（2）編碼器線纜接線問題：編碼器線纜為設備原裝電纜，但是編碼器端的快插是人工安裝，接線未按照手冊標準進行，信號屏蔽功能失效，定義為要因。

（3）電機選型小：自動焊運行過程中，通過電流監控，運行電流峰值電流在120%額定電流，偶爾也會出現180%的峰值電流，電機處于一個長期過載運行環境[2]，電機選型過小定義為要因。

（4）工裝承載能力小：工裝設計單薄，工裝上承載焊鉗、拖鏈、機械傳動機構、電纜以及變壓器，經過三坐標數據測量確認工裝底座變形，定義工裝承載能力小為要因。

Z向指豎直方向，測量結果表明支撐面受重力影響大。如圖3所示。

圖3 三坐標測量結果

2.3 措施

針對各類要因，制定相應措施格如表2.

表2 問題對策表

（1）措施1：選型預鑄接頭超5類網線進行更換圖4.

圖4 網線對比圖

更換網線后，網絡接口的穩定性提高，屏蔽性能高，信號丟失情況有所降低[3]。

（2）措施2：重新手接編碼器電纜，確認電纜屏蔽線完好接地。

編碼器電纜優化為規范接法方式后圖5，信號反饋故障不再發生（F43、F54、F55）。

可以看出，電壓暫降深度約為20%，持續時間約為2～15個周波，根據仿真分析及監測數據可總結出短路故障引發電壓暫降的典型特征如下：

圖5 接線質量對比圖

（3）措施3：重新選型符合工況的電機。

①自動焊傳動方式：電機軸通過聯軸器連接絲桿實現動作的執行，滾軸絲桿質量計算為：

式中，DB為絲桿直徑（m）；LB為絲桿長度（m）。

②負載部分轉動慣量為：

式中，ε 為負載系數；Jl連軸器轉動慣量（kg·m2）；JB為絲桿轉動慣量（kg·m2）.

③預選電機

電機參數如表3所示。

表3 電機參數表

④電機校驗

式中，I為慣量比，負載慣量去除電機的轉動慣量的數值，按照通常標準，750 W以下的電機為20倍以下、1 000 W以上的電機為10倍以下。

Vmax為最大速度（r/s）；PB為絲桿螺距（m）；N 為要求最高轉速，要求計算值小于所選電機額定轉速。

式中：Tf為移動轉矩（N·m）.

式中：Td為減速轉矩（N·m）.

式中：Tmax為最大轉矩（N·m）；要求計算值小于所選電機最大轉矩。

式中：Ta為加速轉矩（N·m）.

式中：Trms為有效轉矩（N·m）；要求計算值小于所選電機額定轉矩。

經過計算確認，預選電機滿足現場需求：I＜10；N ＜ 5 000 r/min；Tmax＜ 7.91 N·m；Trms＜ 3.05 N·m[4].

跟蹤使用確認電流值如圖6.

圖6 新舊電機運行電流對比

電機更換后，運行過程中電流曲線平滑，峰值在60%以內，節拍滿足生產要求圖6.

（4）措施4：減小工裝底座的承載負載，移除變壓器。

變壓器從工裝上移除后圖7，工裝底座的承載力大幅度減輕，工裝變形量減小，設備運行阻力變小，故障率得到抑制。

圖7 變壓器安裝位置對比

3 結論

（1）電機優化后，設備運行速度得到提升，運行節拍達到設計節拍，實際生產臺量達到計劃臺量需求，效益巨大。

（2）線纜、工裝、電機優化后，通訊以及運行過載產生的故障得到有效抑制，停線率明顯降低（如圖8）.

圖8 設備停線率趨勢

（3）總結出經驗：對于現場高精度要求設備，通訊方面要做好信號干擾問題處理，電機選型結合現場實際考慮。