基于三菱SSCNET總線的伺服送料系統的設計

湯世松，仲太生，詹俊勇

（江蘇揚力集團有限公司，江蘇 揚州225127）

0 引言

沖壓生產中，有人工上下料和自動化上下料兩種方式。由于人工成本上升，根據市場調研，自動送料機有廣泛的市場需求。沖壓生產的手工送料已逐步由自動送料機構所取代，從而進一步滿足沖壓生產自動化，大幅度提高生產節拍、生產質量等的要求[2]。事實證明，基于三菱SSCNTE總線的伺服送料系統極大地提高了工廠的勞動生產率。

1 伺服送料系統設計

1.1 系統設計目的與任務

本系統是以揚力公司3臺JM31-160壓力機為主機而設計開發的一條樣本自動生產線。通過該樣本線的總體布局、兩軸機械手設計、拆垛單元設計以及控制系統等組成模塊設計，以及如磁性分張、對中測厚、高速傳送、協調控制等關鍵技術的解決，以掌握金屬板材沖壓成形設備成套聯線的核心技術。

本系統開發設計任務包括：①高速動態特性的兩軸機械手設計；②雙料臺拆垛單元設計；③控制系統設計。所設計的單機聯線自動化沖壓生產線通用性好，占用資金少，完全可以滿足中高檔汽車生產所需要的高質量零件的需求[3]。目前研制的單機聯線自動化生產線生產節拍可以達到13SPM。

1.2 X軸傳動系統

兩軸機械手機械結構主要包括機身、X軸傳動系統、Y軸傳動系統三個組成部分，其最大外圍尺寸為 600mm×950mm×2540mm（長×寬×高）。機械手本體即X軸傳動單元驅動作左右傳送，Y軸傳動單元驅動作上下舉升。

X軸傳動系統是用于驅動兩手臂實現在左右方向的板料高速傳送，該系統設計涉及傳動方式、導向形式、功率需求、電機以及相關元件的選配。

1.2.1 X軸傳動方式及其導向

X軸傳動系統的傳動方式為電機+減速器+齒輪齒條傳動結構，如圖1所示。電機為三菱3.5kW（HC-RP353）伺服電機；減速器為1∶5采用湖北行星公司產品；齒輪齒條模數m=3mm，齒輪齒數z=32，齒寬B=30mm；齒條長1900mm，寬30mm。伺服電機與減速器直接連接，減速器通過法蘭安裝在X軸傳動系統支座上；齒輪安裝在減速器輸出軸端，齒條安裝在由兩個50×50鋼質方管焊接的芯桿上，芯桿兩端安裝吸料手臂。這樣，由伺服電機通過減速器驅動芯桿左右移動完成板料傳送作業。

圖1 X軸傳動結構

X軸傳動系統導向是采用滾輪—導軌導向方式，滾輪安裝在傳動系統支座兩側壁上，導軌安裝在芯桿的兩側。每部機械手安排45個滾輪，前側為23只，后側為22只。

1.2.2 X軸伺服電機功率計算

X軸運動部件包括芯桿、齒條、導軌以及左右兩個吸料手臂，共計質量為92kg。X軸伺服電機在作業過程中的功耗主要為克服慣性力和摩擦力做功，其中慣性力功率消耗相對較大。

若以最大加速度為1g、最大運行速度為120m/min，以k=1.5安全系數作為運動摩擦副功率消耗（包括導軌滾輪、齒輪齒條、減速器齒輪和軸承），則：

取系統傳動效率η=0.9、安全系數k=1.5，則X軸伺服電機所需功率：

考慮一定的功率裕量，現取X軸伺服電機功率為3.5kW。

根據下式進行電機轉矩校驗[4]：

式中，i為傳動比i=1∶5；d為齒輪分度圓直徑，d=m×z=3×32=96；η=0.9。有：

現三菱HC-RP 3.5kW伺服電機額定轉矩M額=11.1Nm，最大轉矩Mmax=27.9Nm：

可見，所選電機滿足轉矩要求。

1.3 Y軸傳動系統

Y軸傳動系統是實現機械手上下運動的部件，并支撐著整個X軸部件的重量。

1.3.1 Y軸傳動方式及其導向

Y軸傳動系統的傳動方式為電機+滾珠絲桿螺母副傳動結構，如圖2所示。電機為三菱2.0kW（HF-SP202B）抱閘伺服電機；滾珠絲桿螺母副為臺灣上銀公司產品，直徑為?40，螺距 25mm。伺服電機通過聯軸節安裝在機身頂部；滾珠絲桿為一端固定一端自由的安裝結構，固定端采用三軸承支撐結構，軸頸尺寸為?30，其中下面兩個軸承為背對背角接觸軸承。

Y軸傳動系統導向是采用臺灣上銀30mm線軌。在Y軸滑臺上方設置有兩只平衡氣缸，用于平衡Y軸運動部件重力。這樣，Y軸伺服電機通過聯軸節驅動滾珠絲桿轉動，從而驅動著與滾珠螺母連接的滑臺實現上下運動，滑臺下方通過4只螺栓與X軸部件連接。

1.3.2 Y軸伺服電機功率計算

圖2 Y軸傳動結構

以Y軸最大行程為100mm，最大加速度為0.5g，計算Y軸可實現的最大運行速度，再以k=1.5安全系數作為運動摩擦副功率消耗（包括絲桿螺母副、線軌和軸承），則：

注：這里主要考慮動載荷，運動系統的重力由平衡氣缸得到平衡。

取傳動效率η=0.9、安全系數k=1.5，則Y軸伺服電機所需功率：

考慮一定的功率裕量，現取Y軸伺服電機功率為2kW。

由于Y軸為直接驅動，則Y軸伺服電機轉矩可按下式計算：

式中：MY電機為電機驅動扭矩，kgf·mm；F 為軸向負載，N，因Y軸運動部件的重力已由氣缸平衡，這里僅取最大慣性力F=1587N；L為絲杠導程，L=25mm；η絲桿為滾珠絲杠效率，η絲桿=0.94。

現三菱HF-SP 2.0kW伺服電機額定轉矩M額=9.55Nm，最大轉矩Mmax=28.6Nm：

可見，所選電機滿足轉矩要求。

1.4 控制系統三菱運動控制器Q173DCPU

系統控制對象包括4部兩軸機械手、1個雙料垛拆垛單元以及3臺壓力機。系統主控單元為三菱Q系列PLC[5]（Q03UDECPU），配置有三菱GT系列MPI觸摸屏（GT1675-VNBA）、運動控制器（Q173DCPU）、輸入模塊QX42、輸出模塊QY42P等[6]。控制系統執行機構主要由三菱MR-J3-500B和MR-J3-200B伺服放大器、HC-RP353和HC-LP202B伺服電機構成。

主控單元PLC與觸摸屏通信采用以太網；運動控制與伺服驅動器的通信是通過三菱高速現場總線SSCNET實現；主控單元與操作面板、壓力機以及其他開關量控制均直接通過輸入輸出模塊的I/O接口完成。伺服送料系統結構如圖3所示。

2 系統程序設計

送料系統的程序編寫是以MT-Developer和GX-Developer為軟件，MT-Developer使用SV22操作系統，采用運動控制與邏輯控制相結合地控制模式。復雜的伺服控制由Q Motion CPU處理，其他的機械控制，信息控制由QPLC CPU處理，這樣的處理方式可以將負荷分散化，實現高效高速的復雜應用。具體地講是系統通過PLC程序的SFCS指令執行運動控制器SFCS程序的啟動請求，這樣即可對多個伺服馬達執行定位控制。如圖4所示是送料系統總控程序流程圖[7]。

圖3 伺服送料系統結構圖

送料生產線動作前，先要調整所有的機械位置回到初始原點，這樣避免機械手與壓力機的干涉。機械手可以手動調整，回原點。整機聯線調試時，可以先選擇手動模式，分別單次運行拆垛單元、機械手，看運行是否正常，有無干涉，仔細檢查動作情況，再選擇自動模式。圖5為機械手單次程序流程圖。

機械手有兩個運動方向，控制機構將分別對X軸、Y軸兩方向進行動作控制。每個軸的兩端都裝有限位開關，起硬限位保護作用，到限位觸點時電機停止動作。整個系統中，壓力機與送料生產線是處于互鎖狀態，壓力機動作，生產線禁止動作，生產線動作，壓力機必須處于上死點，以保證安全。當兩者只要有一個處于報警狀態，整個系統應該立即停止，防止事故發生。

3 結束語

圖4 送料系統總控程序流程圖

圖5 機械手單次程序流程圖

本文設計開發了一條伺服送料自動生產線，以3臺JM31－160為工作主機，配套拆垛單元、機械手，實現料件沖壓自動化，大大提高生產率，為客戶創造效益。通過該生產線的樣機試制，先后解決了控制系統的故障報警、機械原點回歸、聯線動作的穩定性等一系列技術難題，為下一步優化方案，并再次設計高性價比的產品提供了依據。通過本設計，公司掌握了金屬板材沖壓成形設備成套聯線的核心技術。

[1]劉 川，宋四全，李 勇.國內沖壓自動化線成套技術及裝備供應能力研究[J].機器人技術與應用，2004，3：8-12.

[2]南雷英，戚春曉，孫友松.沖壓生產自動送料技術的現狀與發展概況[J].鍛壓裝備與制造技術，2006，41（2）.

[3]徐 剛，魯 潔，黃才元.金屬板材沖壓成形技術與裝備的現狀與發展[J].鍛壓裝備與制造技術，2004，39（4）.

[4]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2004.

[5]程子華，劉小明.PLC原理與編程實例[M].北京：國防工業出版社，2007.

[6]三菱電機自動化有限公司.運動控制器使用手冊SFC編程手冊[J].三菱電機.

[7]胡云堂.基于PLC的柔性生產線送料機械手控制系統設計[J].機械工程與自動化，2011，（3）.