交流伺服系統在高速數字化電阻焊機中的應用

1 典型高速電阻焊機的傳動結構
　　高速電阻焊機具有多路復雜的高速動作，同時要求具有精確的相互聯動關系，多采用機械傳動剛性聯接裝置來實現。圖1是典型電阻焊機傳動示意圖：由一臺主電機（11）通過齒輪變速箱（12）帶動多個相關的動作系統。[1]

　　其中，送罐系統是機器的主運動系統，稱焊接節拍運動，其運動速度主要由每分鐘所能焊接的罐數決定。通過由齒輪變速箱（12）、蝸桿減速機（2）、萬向聯軸節（1）、凸輪裝置（13）驅動輸送鏈（14）運動，利用輸送鏈條上的鉤爪把垂吊于溝槽內的罐筒體送到打罐位置。
　　銅線驅動系統由齒輪變速箱（12）通過無級變速機（4）、蝸桿減速機（5）帶動上焊輪（8）及多槽輪（6）驅動銅線作均速運動，銅線的運動速度主要由節拍速度及罐體高度決定。
　　吸推鐵系統從齒輪變速箱（12）通過無級變速機及蝸桿減速機（1O）帶動曲柄滑塊機構作吸推鐵運動，按照送罐節拍準時地吸取片材并送到成圓機構進行成圓，成圓后的罐筒體置于過渡導塊的溝槽內處于垂吊狀態。
　　打罐系統由齒輪變速箱（12）通過萬向聯軸節及凸輪裝置（9）帶動打罐擺臂（7）完成打罐動作，當送罐機構把罐簡體送到指定位置后，打罐擺臂在規定的時間內即把罐簡體打進焊接位置。
　　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調動作關系，因此機械結構較為復雜，其中無級變速機、萬向聯軸器和凸輪等由于結構復雜，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、無級變速機和萬向聯軸器等復雜的機械結構，采用由PLC與交流伺服系統組成的位置伺服同步跟蹤控制系統，用電氣柔性同步傳動代替機械的剛性同步傳動，簡化系統的傳動結構，提高系統的可靠性，從而提高整機的工作性能。[2]
2 控制系統的組成
　　通過PLC與交流伺服系統組成的位置伺服同步跟蹤控制系統控制電阻焊機的原理圖如圖2所示，所有的伺服電機都選用帶減速機的伺服電機。M1是驅動送罐系統輸送鏈的伺服電機，利用輸送鏈條上的陶制鉤爪將垂吊于過渡溝槽的簡體準確地送至打罐位置，實現送罐功能。M1作為系統的主運動，其運動速度主要由焊接速度決定，并由PLC通過422總線提供運行速度的設定值，M1運行在速度控制模式。

　　M2是驅動吸推鐵系統的伺服電機，由M2驅動曲柄滑塊機構進行吸、推鐵送料運動，M2每轉一周，系統完成一次吸鐵及推鐵的送料運動，其作用是將按節拍一張一張準確地送到規定的位置上，由成圓機構將薄板卷曲成圓罐體。
　　M3是驅動打罐擺臂運動的伺服電機，M3帶動平面7桿機構作打罐運動，實現打罐功能，機構每運轉一周，即完成一次打罐動作。
　　由于M2、M3必須準確配合協調M1運行，也即M2必須根據M1的運行狀態，準時將薄板送出至成圓機構，卷曲后以圓罐體形式送到準確的位置；同樣M3必須根據M1的運行狀態，準時把罐體打進焊接位置。因此M2、M3運行在位置控制模式，由M 1伺服電機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，這樣只要調整好M2、M3位置環的增益，M2、M3便能跟蹤M1運行，從而達到同步跟蹤的目的。
　　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，分別聯接到PLC的中斷輸入端口，用于校正各機構的零點位置。系統每次啟動時都在PLC的控制下先進行一次零點位置校正，并在系統運行過程中不斷對Sl、S2、S3的位置進行檢測，并對M2、M3的增益進行同步調整，從而達到控制系統同步的目的。[31M4是銅線驅動伺服電機，運行在速度控制模式，其運行速度由制罐節拍、罐體高度決定，由于采用伺服電機作為銅線的驅動電機，因此銅線運行較為平穩，基本不需調節。
　　M5、M6分別是放線及收線變頻調速電機，由于銅線經過壓扁、焊接發熱之后會有一定的伸縮，因此需要控制電機的轉速，達到控制銅線張緊的目的，本系統中選擇帶內置PID調節功能的變頻調速器，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，由變頻器內置的PID調節功能進行調節控制，因此只要在系統中設定好變頻器的有關參數便可達到控制銅線張力的目的。由于使用了內置PID調節功能的變頻器進行調節控制，從而減少了PLC的A／D及D／A模塊，同時也減少了PLC進行調節運算的負擔，提高了調節速度。
3 控制系統主要工作流程
　　相應控制系統主要工作流程如圖3所示：系統每次啟動時都先自動進行一次零位校正，所有的機構均從零位開始工作。然后PLC根據設定的制罐速度，控制送罐伺服電機M1運轉。伺服電機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M2、M3位置脈沖信號的輸入端，使M2、M3跟蹤M1的運行。在運轉過程中PLC根據零位反饋的誤差信息，來調節控制M2、M3跟蹤M1運轉。從而控制吸、推鐵、送罐及打罐的動作協調關系。

　　同時，PLC根據制罐速度及罐體的高度計算出銅線的運行速度，并控制伺服電機M4驅動多槽輪帶動銅線按給定速度作均速運行。根據銅線的運行速度由PLC計算出放線及收線變頻調速電機的運行速度，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485的總線轉換器。變頻器根據PLC的給定速度及銅線張緊傳感器的反饋值，利用自帶的PID調節功能進行P1D調節運算，從而保證銅線能自動快速張緊。由于采用變頻調速器自帶的PID調節功能，因此運行穩定可靠，而且調整方便，只要設定好有關參數即可。
　　利用伺服電機的轉矩限制功能，根據M1、M2、M3三臺電機的工作性質不同分別對伺服電機進行不同的轉矩限制，轉矩限制值同樣通過總線形式直接進行設定， 同時把各電機的轉矩達到信號接到PLC的輸入端口作為安全報警信號，取代原來機械剛性傳動時的安全離合器功能。

4 小結
　　由于采用總線形式，因此控制系統結構比較簡單，而且為上位機監控及遠程監控提供了有利條件。由于系統在跟蹤過程中直接對位置進行跟蹤補償，因此比單純采用速度跟蹤的方式更為迅速而且準確，使系統能夠可靠穩定工作。同時，由于利用變頻調速器內置的PID進行調控制，因此使系統更加簡單，而且減少了PLC的運算壓力。