白車身高速輸送中的定位研究

賀毅（廣州明珞汽車裝備有限公司，廣東 廣州 510530）

白車身高速輸送中的定位研究

賀毅（廣州明珞汽車裝備有限公司，廣東 廣州 510530）

開發了一種基于變頻器加普通三相異步電機的全閉環快速精確定位控制系統。使得標準白車身（帶夾具重1.5t內）在標準工位（6M）之間移動時間降低到5s以內，精度保證在±0.25mm。在柔性生產線中大大提高生產效率，降低了設備制造和維護成本。

變頻器；全閉環；白車身；高速定位

1 項目意義

定位是工控行業中使用頻繁，最多的控制方法，傳統的定位控制在精度較高情況下，普遍考慮采用伺服定位方式[1]，這種控制方式優點在于：在機械可靠連接的情況下定位精度非常高，控制方法成熟且穩定可靠[2]。但其存在較為致命的缺點：一是在運動部件質量不能太大；二是其采用的是半閉環控制結構，當機械傳輸出現誤差時，定位就會出現偏差；三是當功率增大時，成本造價相當高。本研究正是針對以上三個缺陷而設計的閉環定位控制系統。它具有如下優點：

（1）可以針對大質量、大體積運動部件進行精確的定位控制；

（2）采用全閉環控制結構，可以采用摩擦式機械傳輸機構，這樣，主從傳輸機構可以分離，達到遠距離接力傳輸的特殊效果；

（3）控制軟件標準化程度高，在設置相當接口的情況下，軟件可以做成標準化程序供PLC單元調用；

（4）性價比高，相比伺服系統，在大功率傳輸上有非常明顯的價格優勢；

（5）本研究是基于Emerson CT SP系列變頻器的智能定位控制系統。

2 軟件結構

本軟件采用嵌套模塊化的結構設計（如圖1所示），即標準功能模塊化設計后，軟件通過調用標準功能模塊實現特定控制目標。

圖1 控制結構圖

本軟件結構包含以下幾個主要部分，如圖2所示。

圖2 軟件結構圖

（1）Notes

本目錄下主要包含關于設計的說明和軟件版本說明，以及本程序的設計范圍和適應范圍，修改本程序需要注意的事項等。本項作為程序的一部分，在程序運行中沒有實際參與控制，只作為注釋塊存儲于變頻器ROM寄存器中。

（2）Initial

本目錄下主要包含變頻器的初始參數賦值及初始變量的賦值，當變頻器上電后，本程序最先運行，確保后續程序變量及變頻器初試狀態的運行，同時本程序只在變頻器啟動初期運行一次，變頻器啟動正常后將不再運行此程序，同樣，本程序作為整體程序的一部分存儲于變頻器的ROM寄存器中。

（3） Pos 0

本目錄下主要包含程序的核心部分：定位驅動及位置閉環運動過程。由于本目錄程序具有最高的掃描優先級，每個掃描周期，這部分程序將最先運行，同時，整個程序的掃描周期是筆者在參數中定義的，只有Pos0完成掃描后，CPU才會去掃描其他程序并輸出結果，刷新I/O等，所以此部分程序要求精簡短小，保證掃描的快速性及整體掃描周期的持續性。

（4）Pos 1

本目錄下程序包含一些重要變量值獲取和I/O端口外部值的獲取等，與Pos0一樣，此部分程序具有較高的掃描優先級，每個掃描周期，CPU在掃描完Pos0后，緊接著刷新I/O及各個端口數據，然后就是運行本部分程序。只有在本部分程序運行完畢后，CPU才會去運行其他邏輯運算程序，因此，本部分程序也是要求精簡短小，保證CPU能快速完成掃描，確保系統協調穩定。

（5）Clock

本目錄下程序包含整個程序的大部分代碼，此部分代碼在掃描周期允許情況下，每個掃描周期均會掃描執行并更新變量，但是此部分程序優先級較低，只有在Pos0，Pos1完成掃描后CPU才能掃描此部分程序。

（6）Error

本目錄下程序為故障處理程序，CPU正常運行期間，此部分程序沒有運行，當CPU產生報警后，此部分程序觸發，以此執行各條命令。

3 軟件功能【3】

高速臺車是汽車生產設備中較為先進的關鍵設備，近年來由于生產節拍的不斷提高，對輸送設備的響應要求也越來越高。在白車身生產過程中，由于質量大、體積大，如何快速精確輸送一直是困擾設備制造商的一大難題。本軟件開發了一種控制程序，采用智能變頻器和光柵編碼尺構建閉環控制的模式，成功解決了大質量、大體積工件的快速精確輸送，為白車身生產提供了一種較為有效的輸送方法。圖3為軟件功能圖。

圖3 軟件功能圖

3.1 速度閉環快速啟動功能

本系統選用的變頻器在重載模式下比電機大一個等級，這樣可以保證在電機加減速過程中具有良好的動態性能，電機響應速度快（如圖4所示）。

圖4 速度閉環示意圖

3.2 自動進入位置閉環

本系統運動前期是速度閉環加上位置開環運轉，這樣可以保證運行過程中的運動部件具有良好的移動性能，也就是理論上可以從無限遠處移動到本位置，這種移動控制方式是伺服不可能做到的。

3.3 短距離快速停止與PID參數自動適用

3.3.1 數字PID控制的差分方程

式中：

稱為比例項

稱為積分項

稱為微分項

位置型PID算法算式：

當系統進入閉環后，位置閉環系統實時監視當前位置與目標位置的距離差值，當達到一定范圍內后，迅速啟動停止邏輯，使之在短距離范圍內快速停止，同時，調整PID參數，降低系統的剛性，使之穩定。（如圖5所示）

圖5 PID模式運行示意圖

4 結語

當今白車身生產線對柔性化生產要求越來越高，節拍要求越來越高，導致對定位輸送的速度和精度要求日益提高，傳統的伺服傳動在某些領域顯得蒼白無力。同時，伺服傳動亦有其本身不可逾越的技術瓶頸。開發出具有伺服同等定位精度，能實現快速定位的控制系統具有特殊重要的意義。在未來的白車身輸送系統以及其他應用領域必將得到廣泛應用。

[1] 滕福林, 胡育文, 劉洋, 儲劍波. 位置/電流兩環結構位置伺服系統的跟隨性能[J]. 電工技術學報, 2009 (10) : 2-3.

[2] 賀毅. 基于PLC的汽車零部件高速輸送系統設計[J]. 可編程控制器與工廠自動化, 2011 (11) : 1-4.

[3] 統一交流驅動器操作手冊 [Z]. 愛默生 (中國) . 1-340.

The Location Research of White Body High-Speed Transportation

We developed a high-speed closed loop location system based on inverter and common asynchronous motor. It makes movement time of standard white body (1.5tons) between standard work unit(6 metres) less than 5 seconds, precision less than ±0.25millimetres. Productivity has been improved greatly in fexible production line, and the equipment manufacture and maintenance cost are also reduced.

Inverter; Closed loop; Body-in-white; High-speed position

科技型中小企業技術創新基金項目支持

賀毅（1980-），男，湖南益陽人，碩士，中級職稱，現就職于廣州明珞汽車裝備有限公司，主要研究方向為自動化控制與系統集成。

B

1003-0492(2014)03-0080-03

TP273

基金名稱：應用于汽車焊裝工藝的高速柔性輸送系統（立項代碼：12C26214405212）