本文介紹了一種高精度的伺服同步控制系統的設計，該系統采用PLC作為控制單元，采用現場
總線技術實現PLC之間以及PLC和伺服控制器之間的通信，該系統操作方便、定位精度高，能快速實現生產過程中的夾具升降功能。
上汽通用五菱西部車身車間GP50線是我公司第一條乘用車生產線，也是第一條可實現多種車型切換生產的焊裝線，其設計凈產能為40JPH。其中主夾具質量高達2.8t，主夾具切換要求快速、定位精度誤差小，需要用3臺升降機將主夾具從空中下降到生產線上使用，3臺普通電動機的升降電氣控制系統達不到同步精度生產要求，也無法獲得達標的焊接質量，并且將來的運行及維護成本較高。普通的電動機斷電后還會因為自身的慣性再轉一會，然后停下；而伺服電動機和步進電動機能瞬間響應動作，但是步進電動機存在失步現象。
設計的功能要求
GP50生產線的生產節拍為40臺/min，除去輸送線的車體工位輸送時間，主夾具的開、關夾時間以及工人的焊接時間，升降機的一個升降循環周期需要控制在16s內。
升降機的負載大，主夾具加上氣缸、電控元器件質量約為3t。3臺升降機的升降同步定位精度要達到1mm。GP50生產線設計為一條可實現多種車型切換的柔性生產線，主夾具要求能實現快速切換。
設計方案
該生產線優化設計升降機布置如圖1所示，將3臺升降機的控制與主夾具上各夾具的控制分開，設獨立的升降機控制柜，以利于主夾具的切換及各夾具控制。
圖1 升降機布置圖
升降機生產過程的工藝動作為：升降機拖著主夾具在輸送線上方2200mm處等待→焊接車身輸送到位→升降機下降至零點→下位安全鎖緊→主夾具關夾→焊接→主夾具開夾→升降機拖著主夾具上升至2200mm處等待，依次循環。
主夾具切換的工藝動作為：升降機拖著主夾具從2200mm處上升至3390mm處→EMS小車吊掛鎖緊主夾具→升降機下降至2200mm處→EMS小車將此主夾具移栽至指定存儲區→EMS小車將另一套需要的主夾具移栽至輸送線上方→升降機上升至3390mm處→EMS小車吊掛釋放主夾具→升降機下降至2200mm→主夾具切換完成。休息及停產時升降機必須下降至零點處。
該生產線引進SEW伺服電動機及伺服控制系統（見圖2），利用一臺SEW MOVIPLC通過內部的S-BUS總線通信協議控制3臺SEW MDX61B0370-503-4-00伺服控制器，每臺控制器各控制一臺SEW交流異步伺服電動機。SEW MOVIPLC再通過DeviceNet通信協議作為羅克韋爾ControlLogix PLC的子站運行。
圖2 伺服控制系統控制架構
3臺交流異步伺服電動機中第1臺為主機，第2、3臺采用同步跟隨的方式升降，動作指令由羅克韋爾ControlLogix PLC發給SEW MOVIPLC，SEW MOVIPLC執行內部的同步控制邏輯，實施反饋升降機狀態及位置。
采用以上設計及生產運行監控有諸多優點：實現了位置、速度和力矩的閉環控制，克服了步進電動機失步的問題；高速性能好，一般額定轉速能達到2000～3000r/min；抗過載能力強，能承受3倍于額定轉矩的負載，特別適用于對有瞬間負載波動和要求快速起動的場合；低速運行平穩，低速運行時不會產生類似于步進電動機的步進運行現象，適用于有高速響應要求的場合；電動機加減速的動態響應時間短，一般在幾十毫秒之內；發熱和噪聲明顯降低。
軟件介紹及監控
SEW PLC是一個完整的用于邏輯控制器的開發系統，它具有功能強的語言結構，符合IEC國際標準。SEW PLC易于進行程序開發，就像Visual C++一樣，具有高級語言編程系統的開發環境，可為編輯器的操作和調試功能設置模式。
所有的項目數據存在一個有項目名稱的文件中，一個新項目的第一個POU，系統會自動地給定名稱“MAIN”，這是程序的起點（在C程序中，這是一個主函數）。從這里開始，用戶可以調用其他的POUs（程序，功能塊和函數）。
SEW PLC區分一個項目中的三種不同目標：POUs、結構和可視化元素。利用這些目標，用戶可以創建自己的項目。在目標表中，用戶可以看到項目目標。圖3為PLC軟件程序編輯畫面，說明了變量表及其狀態、輸出變量、輸入變量以及PRG為應用程序塊。
在聯機工作方式時，所有可顯示的變量都從控制器中讀出，并以實時方式顯示，可以在聲明和程序編輯器中看到；也可從監視和接收管理器和可視化設備中讀出變量的當前值。若要監控功能塊的實例變量，應首先打開相應的實例，如圖3中的功能塊
為第一臺升降機的運動控制功能塊。
伺服控制器的參數可通過SEW鍵盤盒DBG60B輸入，也可以通過MOVITOOLS操作軟件輸入，此軟件功能強大，用戶界面簡單，只需輸入運用所需的工藝參數，不必進行復雜的程序設計，不需要編制程序的經驗，也不需要長時間的培訓，能快速完成工程設計和啟動。
現場操作及維護
此系統在升降機旁設計安裝一臺觸摸屏（HMI）用于顯示升降機的狀態和操作升降機。
整個系統的狀態總覽，可以查看整個系統中每個控制區域的狀態，包括自動、手動和升降機的聯動、單動模式、異常狀態和急停等，當各個區域處于某種操作模式或者正常時，它所對應的圖框為綠色顯示；某個區域異?；蚓o急停止時，所對應的圖框以紅色表示；其他狀態都顯示為灰色。
升降機參數可查看每臺升降機的速度、當前位置（包括脈沖數、毫米高度）和故障代碼等參數。另外在夾具切換時，當系統需要裝載夾具時，在自動運行狀態下點擊“設定密碼”右邊的圖框輸入操作密碼后，圖框顯示為綠色，按下“升降機裝載治具”按鈕，則升降機會從與主線無干涉的等待位置上升至裝載位置，從TRV吊具裝載治具，然后返回至與主線無干涉的等待位置，等待主線信號載入治具生產。當按下“升降機卸載治具”按鈕時，升降機從與主線無干涉的等待位置上升，將夾具返送回TRV吊具，然后升降機空載返回至與主線無干涉的等待位置，這樣能夠更容易地實現分散控制的理念。
升降機載入治具工作完成后，需確認所有工作人員已經離開與光柵干涉的區域，并確認設備無異常，然后按下“工作完成確認”按鈕，升降機安全銷將自動打開，升降機載出治具至與主線無干涉的等待位置。
SEW伺服控制器DI00為控制器的使能輸入端子，高電平控制器有使能輸出，當DI00變為低電平時控制器輸出端立即被禁止，控制器沒有任何輸出并且伺服電動機立即抱閘。當升降機使能處于開或閉狀態時，左側對應的圓圈顯示為綠色。每個升降機均有兩個鎖緊裝置，分別在升降機的下方和中間位置，可以查看每個升降機各個位置鎖緊裝置的打開/關閉狀態。
當系統運行過程中有故障或者警報發生時，故障或者報警信息會在HMI上以列表形式顯示?！癈”狀態代表故障或者報警信息已被激活，“D”狀態代表故障或者報警已被取消，“A”狀態代表故障或者報警信息已被確認。我們可以通過報警信息畫面查看當前的報警信息，排查故障。
此系統最關鍵的技術就是升降機的同步，當升降機不同步、產生高度差或當升降機水平需要重新調整時，可進入升降機水平調整畫面操作，首先需要將升降機的安全銷打開，按照“手動模式→進入維修模式→脫離同步→調整開始”，3臺升降機將自動調整到平均高度值處，水平調整好后指示綠燈亮起，表示調整完成，然后按照“脫離維修模式→升降機1、2、3使能開→進入同步→自動模式→升降機全自動”，可恢復同步。調整完成后，需要把升降機手動升降至2200mm或零點位置。
升降機會因為長時間使用或天氣變化等原因會出現機械部件的彈性變形，從而引起升降機零點失效。這時可通過HMI升降機零點檢測畫面操作恢復，首先將升降機手動同步降到零點位置，選擇自動偏差檢測或者手動偏差檢測，3臺升降機零點檢測完成后，會顯示出偏差值。讀取后的數值，與現有的數據進行比較；若需要調整時，將自動在下方指示出哪臺升降機需要調整及需要調整的方向，如“升降機2原位置需要上升調整”指示燈為綠色時，代表升降機2需要進行調整。操作“零點坐標修正”完成修正后：操作“回新零點位置”按鈕，升降機將自動回歸到新的零點坐標。
系統優點和效益
此伺服同步控制系統滿足了設計產能要求，升降電氣控制系統達到了同步精度生產要求，獲得了達標的焊接質量；柔性化生產，能快速實現主夾具的切換，縮短時間，提高了設備的使用率；縮短了新車型試生產周期；縮短了系統安裝周期，保證了項目進度；系統構架簡單清晰，模塊化設計，應用技術簡單易學，友好的操作界面操作方便，易于維修和操作人員學習掌握；變頻器在正常使用過程中無需經常維護，在設備檢修時可以檢查安裝變頻器的開關柜防護情況，保證變頻器的散熱條件和電源線及變頻器和電動機之間電纜絕緣情況正常，檢查通信線控制線及編碼器線連接可靠，屏蔽正常。
結語
通過近幾個月的生產，GP50伺服同步控制系統運行穩定、安全可靠、故障率低且方便維護，得到了廣泛肯定。同時此伺服控制系統精度高、高速性能好、適應性強、發熱和噪聲低并且電動機加減速的動態響應時間短，對于節拍要求高、精度誤差小且負載大的生產線非常實用，值得推廣。由于這是我公司首次使用精度要求這么高的控制系統，我們對它的設計原理、應用范圍、實用性和安全性等掌握理解還需要深入，很多方面有待進一步探討研究，使此控制系統能更好地服務于汽車生產線。
