基于以太網的伺服自動焊設計及控制

田 勇，周偉麗

（上汽通用五菱汽車有限公司，廣西 柳州545007）

伺服自動焊接控制技術是國內焊接設備自動化水平提高的瓶頸因素，目前國內焊接設備存在的自動化程度相對較低，焊接位置誤差較大，以及復雜工位難以企及等特點，本研究課題主要針對汽車廠的白車身的裙邊及輪罩區域設計出一套自動化程度較高，焊接位置較為精確，能實現多軸控制的伺服控制系統。

首先以實現裙邊區域的精確焊接及輪罩區域的多軸轉動為目的，研制開發了一臺三軸聯動的自動焊接機床，重點設計制造了焊槍姿態控制機構和機械結構，并確立了以PLC控制器結合E網遠程控制設備IO實現對伺服電機進行精確控制的高自動化控制系統，實現了由控制器對自動焊的焊接運動機構的閉環精確控制。本文首先根據車身焊點要求設計出自動焊的機械結構，根據焊點位置確定軌道、軸向、焊鉗規格，估算整個機械結構的重量。其次，在生產線的工藝及節拍的要求下，依據Motion Analyzer分析軟件對裙邊及輪罩自動焊的選型進行分析，以計算在規定的時間內能否將設計的焊點按時完成，選擇合適的伺服電機及控制器，并設計出伺服控制電機的整套控制系統。最后，該伺服自動焊的操作由控制臺完成，根據現場需要設計出該伺服控制系統的控制面板，包括各個軸向的選擇，前進、后退等操作以及故障指示，焊接及復位等。

最后，對所設計閉環數控系統可能存在的誤差以及系統精度進行了分析、改善，并對伺服自動焊控制系統進行整體調試，完成了初步的試驗分析，并投入生產。本文所設計的自動焊接機床結構簡單，位置精確，控制系統可靠，成本低，維修方便，且系統界面友好、操作簡單，基本能完成預定功能，為進一步自動焊接技術試驗以及高水平自動焊接設備的開發提供了一定的理論基礎。

1 結構及組成

伺服自動焊系統的機械結構主要由焊接框架、焊鉗、滾珠絲杠構成。

1.1 焊接框架結構

焊接的機械結構由焊點的工藝確定，焊接的軌道需基于預定的焊點軌跡進行設計，以方便可達為目的。焊接框架機構是主體，材料要求—Q235A，包括型鋼及板材，板材厚度不得低于16 mm，型號符合GB要求；焊接牢固可靠，直線導軌安裝面加工精度滿足所選用的直線導軌技術要求；精度要求高的固定安裝面粗糙度≤3.2；設計出的裙邊自動焊機械結構，如圖1所示。

圖1 自動焊框架結構

1.2 焊鉗

焊鉗的設計是焊點可達的關鍵因素，焊鉗的設計可以根據焊點的要求設計成多維空間，例如在輪罩區域，需采用X、Y、Z三軸聯動的方式，選用合適長度的焊鉗配合軌道結構，在控制器的驅動下可以實現焊鉗的焊接操作。本文中采用焊機和焊鉗一體式焊鉗，變壓器采用獨立循環水冷卻，焊機動力線接入處增加方便維護的空開，并考慮焊接有效接地，焊接開關和安全關斷開關引入操作盒，與其他結構有效絕緣，圖2中顯示為焊鉗的不同規格。

圖2 自動焊焊鉗

1.3 滾珠絲杠

什么樣的驅動方式決定了電機的選型，如滾珠絲杠或者齒輪驅動，本文中滾珠絲杠的驅動方式，更有利于電機的精度控制，絲杠的靜態和動態穩定性最高，適用于中等回轉速度，兩端軸承均調整預緊，滿足軸向剛度最大，位移精度控制在0.5mm以內。本文中的滾珠絲杠采用兩端固定式，若長度較長則需要在中間增加支撐，以防在后期的運行中變形導致電機過載報警。圖3為滾珠絲杠的機械結構示意圖。

圖3 絲杠的機械結構

2 伺服電機和控制器的選型

根據工藝要求完成如上的機械設計后，就可以進行伺服電機及控制器的選型了。伺服自動焊能否滿足生產要求，電機和控制器的選型非常關鍵，影響選型的因素有：驅動軸、節拍、焊點、負載、路徑、慣量、驅動方式、運動方向等等，通常這些參數在進行完第一步的結構設計之后就可以獲得。搞清楚所有的工藝類別后，再選擇所需要的電壓等級及電流等級，在本文所談及的伺服自動焊設計中，選擇了AB的Motion Analyze電機選型分析軟件進行伺服自動焊選型和焊點路徑設計分析。本文以門檻裙邊與輪罩區域焊接區域為例進行分析。

工藝要求如下：單邊焊接點數越35點，單邊使用兩把焊鉗，采用75 KVA變壓器，假設變壓器不隨驅動臺運動；直線X軸、Y軸、Z軸方式為滾珠絲杠式+滑軌。X軸左右各一套，重量480 kg；Y軸左右各兩套，重量220 kg；Z軸左右各一套，重量約120 kg.

整個周期設計T=90 s，以X軸為例：X軸移動軌跡：焊點距離Lx=50~60 mm，Tx=0.8 s，焊接時間1.2 s/點，總焊接時間 2 s×20=40；速度 =75 mm/s;運行距離L=1 200mm，運行時間15 s.在軟件中輸入我們需要的焊點的軌跡，如圖4的示例。

圖4 自動焊焊點軌跡的設計示例

滿足條件的電機和驅動器的選型示例，如圖5所示。

圖5 自動焊電機及驅動器選型示例

根據擇優選擇的原則，從Motion Analyze的推薦選型中選擇AB的MPL-A1530U-EJ74AA低慣量伺服驅動電機搭配Kinetix350的伺服驅動器。

3 控制系統設計及調試

3.1 控制系統模型設計

伺服自動焊的位置控制是由該伺服電機的伺服驅動器結合上位PLC來完成，本次PLC設計采用的是AB的GUARDLOGIX500系列。伺服電機及驅動器在本設計中的控制模型為星網的通訊結構，如圖6.整個系統由中樞系統PLC控制器為中心，通過交換機連接伺服驅動器連接伺服電機。外圍的安全設備如光柵，急停等，應該確保該工位運動的時候不會有人誤闖造成意外傷害，上位系統由維護工程師站，人機界面和ANDON呼叫構成，當設備出現故障時，能夠迅速鎖定故障，進行生產恢復。

圖6 控制系統布局

3.2 伺服自動焊電纜安裝

伺服驅動電機連接在在伺服驅動器Kinetix 350的下面，PLC和電機的數據交換由伺服驅動器來完成，如圖7所示。伺服電動機和伺服驅動器的連線由兩根預制高柔性電纜進行連接—電機反饋電纜和電機電源電纜，伺服電機自帶的智能電機技術可以提供自動識別電動機到驅動器的連接是否正確，減少了調試時間，它的高精度性能可以達到電動機每轉超過2 000 000個位置計數。

伺服驅動器的電源為三相輸入或單相輸入電源，在接收PLC的信號后可對電機的啟停進行控制，外圍的安全信號可通過接入安全關斷扭矩達到緊急停機的目的。伺服驅動器還將電動機、絲杠執行器和高分辨率絕對值反饋元件集成在一個單元內，以減少機械的復雜程度和組裝需求。

當伺服電機和伺服驅動器全部集成到圖7所示的自動化控制系統之后，可以實現在Rslogix5000的軟件環境進行精確定位，速度控制以及負載運動。

圖7 電機驅動器的電纜及連接方式

3.3 伺服自動焊動作邏輯

當設備組成一個完整的閉環控制體系后，我們就可以對伺服自動焊的動作進行調試及邏輯驗證了。

在本次的研究中，伺服自動焊接系統是與往復桿輸送的邏輯配合，其自動循環工藝如下：

（1）往復桿輸送線下降到位并后退到位后，若當前工位和輸送線體控制無急停等安全信號，車身零件落到定位銷中后，主定位開始關夾并判斷索要焊接的車型；

（2）等主定位夾緊到位后，PLC給伺服自動焊使能啟動信號和車型信息，伺服自動焊檢測焊接條件是否滿足；

（3）若條件無異常，則根據本工位的車型信息，調用對應車型的伺服控制程序進行焊點位置移動；

（4）伺服自動焊按照規定的焊點軌跡開始運行，運行至每一個焊點的位置時，PLC都會對伺服控制器編碼器反饋值和焊點位移設定值進行匹配比較，若差距過大，伺服自動焊停止，并報警。若在正常范圍內，則焊鉗夾緊，自動焊的伺服控制器通過以太網IO方式發出焊接命令；

（5）焊接控制器接收焊接命令，焊接完成后反饋給自動焊伺服控制器焊接完成信號；

（6）自動焊伺服控制器收到焊接完成信號后，命令焊鉗打開；

（7）焊鉗打開后，伺服自動焊繼續移動到下一個位置，則執行下一個焊點焊接，以此類推，待所有的焊點焊接完成時，伺服自動焊回初始位置；

（8）輸送線上升并向下一個工位移動車體，清除伺服自動焊的焊接完成信號及位置信息；

（9）下一臺車體到達，循環繼續。至此完成伺服自動焊的全部動作設計。

3.4 伺服自動焊的改善

3.4.1 伺解決回零點、限位過位的問題

在研究的過程中發現，該伺服自動焊系統存在著零位漂移及限位過位現象。為解決零位的漂移問題，設計了一個回零點檢測開關和伺服控制系統零位相互校驗，為了控制位置精度，回零點的開關的直徑會比較小，控制在M8以內。在運動方式上，采用回退過零點，在正方向運行至零點的找零運動方式，使用后效果良好。為解決焊接過位問題，提高自動焊焊點參考點的一致性，除了設置軟件上的限位以外，在伺服自動焊的運動方向上設置了正限位開關和負限位開關，并設計了機械擋塊，如圖8所示。

圖8 伺服自動焊傳感器設置

3.4.2 解決多維空間焊接問題

在汽車行業白車身焊接中，有許多區域需要使用多維空間焊接，該區域的特點是焊點分布較均勻、焊接干涉少，但僅僅使用單軸，部分焊點不可達，而使用多軸自動焊系統則相對容易。在本次的研究中同樣也遇到了需要多維空間焊接的問題。

針對不同方向的焊接，如輪罩區域，采用多個單軸伺服電機組合，組成多軸伺服自動焊系統的形式，能夠實現X軸、Y軸、Z軸、焊鉗旋轉等動作，基本滿足多位置的焊接需求。經現場驗證，效果良好。

3.5 伺服自動焊非常態下的手動操作

在完成伺服自動焊控制系統的調試之后，正常情況下，伺服自動焊系統科自動運行，不需要手動操作，但一旦故障發生，無法自動運行時，為保證生產，必須手動操作。在本次的設計研究中，同樣配備了自動焊系統的手動操作—操作臺。本系統的伺服自動焊的操作臺面設計如圖9所示。

圖9 自動焊的操作面板設計

整個面板共設計15個按鈕，可根據需要布置在不同的區域。通過選擇X、Y、Z不同軸向，按下前進或后退按鈕，可實現伺服自動焊的手動操作，并可以發出焊接命令至焊接控制器，實現手動焊接焊點的目的。至此，整個伺服自動焊控制系統的全部功能已基本完備，經生產驗證，運行至今，故障率低，定位精度準確，極少發生漏焊或錯焊，該伺服控制系統在車身焊接各領域都得以使用，效果良好。

4 結束語

本系統是基于TCP/IP的以太網協議集成、不同設備容易集成，將伺服控制系統集成在AB的控制器中，更加便于控制整個系統的動作位移及精度，伺服自動焊接系統相比與焊接機器人，具有造價低，使用維護簡單等優點。應用Rockwell以太網IO控制伺服控制系統組合具有可靠性高、網絡傳輸速率快、方便IO擴展、節約投資成本等優點，通過標準化、模塊化、系統化設計，減少了電控系統的設計和調試周期，打破傳統現場總線控制形式，采用開放式的以太網控制，使用維護更方便。

設計時優先考慮現有通用型設備，以標準通用協議替代專用協議，解決不同品牌設備直接進行通訊困難的問題，體現了“低成本、高價值”的設計理念，采用簡單自動焊代替人工焊接的工藝設計，實際運行滿足設計節拍，節約人力資源成本。同時在機器人機械手不便到達的區域，伺服自動焊也是一個非常不錯的選擇。