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.2移动平台动态冲切的PLC程序
根据对移动平台动态冲切模式的分析，编制了运动部分的PLC程序：
第0步为设置“滤波系数”，提高计数口X0接收计数信号的频率。
第6步以X0为接收编码器计数信号口。计数器C1为齿条长度齿数计数。C3为移动平台启动计数。
第14步计数器C3到位，发移动平台启动信号（Y0）
第35步计数器C1到位，延时T201时间后发冲切指令（Y5）
第37步计数器C1到位，延时T202时间后发计数器清零指令。
2.2影响剪切长度精度的因素
基于对移动平台的动态冲切模式分析，归纳出影响剪切长度精度的因素如下；
（1）编码器脉冲信号
（2）同步冲切-----在冲切时，如果移动平台与齿条有相对运动，则冲切长度无法保证。为了实现同步冲切必须调整跟随时间，即图2中的C-D阶段和PLC程序中的T201。
（3）伺服电机加速时间
3.对影响冲切精度诸因素的进一步分析和优化
3.1编码器脉冲信号的影响
编码器脉冲信号-----编码器脉冲信号是控制移动平台运动和发出冲切信号的基础。如果有干扰信号窜入计数器，则冲切长度变短。如果漏掉了编码器脉冲信号，则冲切长度变长。因此在分析冲切齿条长度时，如果齿条过长过短，都首先判断是计数脉冲不正常。
齿条机配置的编码器为国产编码器，特地为齿条机配置。
每转32脉冲，对应为每齿1脉冲。
齿条齿距=6mm。当齿条速度=13000mm/分，其对应的脉冲频率=36HZ，而PLC常规接口可接受的信号频率=25HZ，因此不能直接使用常规接口。
（1）使用高速计数器
三菱FX1SPLC具备高速计数器功能。为此首先使用单相高速计数器C235，但是高速计数器C235很容易受干扰，当编码器信号接入高速计数器后，在PLC监视画面上观察到一旦编码器旋转，计数器数据立即紊乱。即使编码器不转，计数器数值也无规律增加，显然是受到干扰。（接线不规范也会加剧干扰，现场接线曾经发生未使用接线端子而干扰加剧的现象，改用接线端子后，干扰减少。）
使用双相高速计数器C251，干扰的影响大大减少。但是也不稳定。某一时间段计数稳定。某一时间段计数不稳定。由于PLC控制器和数控伺服系统及变频器同装于一台控制柜内。数控伺服系统及变频器对PLC显然是有严重干扰。经过多次试验后，放弃了使用高速计数器方案。
（2）使用普通计数器
使用普通计数器要解决如何提高接收信号频率的问题。其方法之一是缩短输入信号的滤波时间。三菱PLC具备缩短输入信号的滤波时间的功能，其方法是向D8020设置数字。如图3PLC程序第0步。通过这一方法，可以将接受信号频率提高到50HZ。
这样就可以满足齿条的运行速度要求。但是输入信号的滤波时间不能够设置过小，设置过小其抗干扰能力就降低。必须摸索应该**数据。其数据D8020=3-5
在现场中对编码器的抗干扰做了如下措施：
①编码器屏蔽线接地。
②单独穿金属管。
3.2加速时间
动态剪切的*重要阶段是移动平台的加速跟随阶段，即图2中的A-G阶段。在论述这一阶段前必须先给出相关的运动参数。
（1）相关运动参数
①齿条长度------以齿数表示。如200齿。
②齿距L-----------单位mm。
③跟随齿数N（距离）-----预留的一段行程，在该行程内，移动平台加速达到齿条运行速度。
④齿条运行速度V----mm/秒
⑤加速时间T-----移动平台加速到齿条速度的时间
(2)“行程差”和“加速时间”计算
在加速阶段：
根据式1和图2，加速时间T决定了加速阶段的行程差，从理论上分析，只要精细的调整加速时间，可以在“行程差=跟随距离”的同一时间点，使移动平台的速度=齿条速度。
在实际调试时，先根据式2确定跟随齿数（距离）；再根据式3**调整加速时间。其原则上在移动平台总行程范围内尽可能延长加速段，其原因是加速时间越长，加速越平稳，避免加速时间太短引起的加速振荡，从而影响同步速度的平稳。
3.3计数器清零时间
计数器清零时间----在多次冲切过程中观察到，齿条总长度经常短1-2个齿。发生短齿必然是有非正常的脉冲进入。这多出来的脉冲是那一环节产生的呢？经过试验和比较，发现在动态冲切时，冲切产生较大的机械振动，而编码器和冲切模具都装在移动平台上，冲切振动引起编码器抖动有时会发出1个脉冲信号。这个脉冲信号被计入正常计数值，所以导致齿条长度短1齿。
为了消除这一影响。必须将计数器的清零点安排冲切完成后
再延长一个时间段，即图2中的“E”点。这样即使有振动脉冲进入计数器，也在“E”点被清除。从“E”点开始重新进行下一循环的计数。（从理论上分析，计数器的清零点应该安排在“G”点，即当前计数值一到达，立即清零。进入下一循环的计数）
在PLC程序中，计数器清零时间为T202。计数器清零时间必须反复试验以获得**值。
4实验结果及关键因素
4.1防干扰措施及实验步骤
为了排除电磁干扰波的影响，采取了如下措施：
（1）将PLC控制器移出控制柜，单独给PLC供AC220V电源，PLC接地。将PLC完全封闭在另一金属柜内。使PLC部分完全独立。排除干扰的影响。
（2）齿条运行速度=13米的实验
相关参数跟随齿数=10，加减速模式：直线加减速。
加减速时间360—400ms，
剪切结果：多数长度=1015-1022，偏长4-10mm。
调节伺服电机加减速时间，有效果，但是调到**状态也是偏长4-10mm。在同一组参数下，长短不一。即使有几组切得长度一样。也是偏长。
（3）齿条运行速度=8米的实验
相关参数跟随齿数=7，加减速模式：直线加减速。
加减速时间300--360ms
剪切结果：多数长度=1015-1022，偏长4-10mm。一组中也有1-2根偏短5mm。
4.2对实验结果分析
使用各种参数对移动平台的动态冲切进行了实验，但冲切效果仍然很差。在同一组参数下，冲切齿条长度长短不一。实验结果如表1
表1动态冲切实验记录 
从表1的实验数据看，调节加速时间有效果，当加速时间逐渐变小时，剪切齿条长度逐渐逼近标准长度，但是无法达到标准值。而且一组齿条长短不一。在影响冲切精度的诸因素中，已经排除了干扰的影响和漏计脉冲的影响（降低了运行速度），而且加速时间，同步跟随时间，清零时间都已经反复调节并处于受控状态。但冲切长短数据结果是如此分散。那么必定有一“不受控因素”或“随机因素”在起作用。
5寻找关键因素
5.1延迟时间的影响
再一次分析“移动平台的动态冲切模式”并仔细观察实际的冲切过程，发现移动平台的启动存在延迟------即从PLC发出启动信号到移动平台实际启动，有120ms左右的延迟时间。
齿条机的控制系统由“PLC+NC”构成，在PLC---NC之间信号传递过程及时间如下：
⑴PLC负责接收计数信号，经过运算后发出移动平台启动信号，“PLC的扫描周期+输出延迟”约20ms。
⑵启动信号被送入数控系统并处理，这段时间约60ms。
⑶数控控制器发出伺服轴启动信号经过总线送入“伺服驱动器。”这段时间约40ms
因此，总延迟时间约100-120ms。这段时间是由系统硬件性能所决定，不受控制。
而在这段延迟时间内，（当齿条以13000mm/分速度运行）齿条已经运动了29mm左右。
在图2所示的动态冲切模式中，0-A阶段就是延迟阶段。
而行程差计算公式必须修正为：
在齿条机控制系统中，由于延迟时间不是一个稳定的值，所以其大大影响了齿条冲切精度。
5.2整改措施及效果
为了减少延迟时间的影响，采取了如下措施：
⑴更换移动平台驱动系统，由PLC直接控制该驱动系统。减少中间信号的传递环节。
⑵降低齿条运行速度。
经过以上处理后，移动平台的动态剪切精度得到保证。
本文介绍了一种高精度的伺服同步控制系统的设计，该系统采用PLC作为控制单元，采用现场总线技术实现PLC之间以及PLC和伺服控制器之间的通信，该系统操作方便、定位精度高，能快速实现生产过程中的夹具升降功能。
上汽通用五菱西部车身车间GP50线是我公司第一条乘用车生产线，也是第一条可实现多种车型切换生产的焊装线，其设计净产能为40JPH。其中主夹具质量高达2.8t，主夹具切换要求快速、定位精度误差小，需要用3台升降机将主夹具从空中下降到生产线上使用，3台普通电动机的升降电气控制系统达不到同步精度生产要求，也无法获得达标的焊接质量，并且将来的运行及维护成本较高。普通的电动机断电后还会因为自身的惯性再转一会，然后停下；而伺服电动机和步进电动机能瞬间响应动作，但是步进电动机存在失步现象。
设计的功能要求
GP50生产线的生产节拍为40台/min，除去输送线的车体工位输送时间，主夹具的开、关夹时间以及工人的焊接时间，升降机的一个升降循环周期需要控制在16s内。升降机的负载大，主夹具加上气缸、电控元器件质量约为3t。3台升降机的升降同步定位精度要达到1mm。GP50生产线设计为一条可实现多种车型切换的柔性生产线，主夹具要求能实现快速切换。
设计方案
该生产线优化设计升降机布置如图1所示，将3台升降机的控制与主夹具上各夹具的控制分开，设独立的升降机控制柜，以利于主夹具的切换及各夹具控制。
图1 升降机布置图
升降机生产过程的工艺动作为：升降机拖着主夹具在输送线上方2200mm处等待→焊接车身输送到位→升降机下降至零点→下位安全锁紧→主夹具关夹→焊接→主夹具开夹→升降机拖着主夹具上升至2200mm处等待，依次循环。
主夹具切换的工艺动作为：升降机拖着主夹具从2200mm处上升至3390mm处→EMS小车吊挂锁紧主夹具→升降机下降至2200mm处→EMS小车将此主夹具移栽至指定存储区→EMS小车将另一套需要的主夹具移栽至输送线上方→升降机上升至3390mm处→EMS小车吊挂释放主夹具→升降机下降至2200mm→主夹具切换完成。休息及停产时升降机必须下降至零点处。
该生产线引进SEW伺服电动机及伺服控制系统（见图2），利用一台SEW MOVIPLC通过内部的S-BUS总线通信协议控制3台SEW MDX61B0370-503-4-00伺服控制器，每台控制器各控制一台SEW交流异步伺服电动机。SEW MOVIPLC再通过DeviceNet通信协议作为罗克韦尔ControlLogix PLC的子站运行。
图2 伺服控制系统控制架构
3台交流异步伺服电动机中第1台为主机，第2、3台采用同步跟随的方式升降，动作指令由罗克韦尔ControlLogix PLC发给SEW MOVIPLC，SEW MOVIPLC执行内部的同步控制逻辑，实施反馈升降机状态及位置。
采用以上设计及生产运行监控有诸多优点：实现了位置、速度和力矩的闭环控制，克服了步进电动机失步的问题；高速性能好，一般额定转速能达到2000～3000r/min；抗过载能力强，能承受3倍于额定转矩的负载，特别适用于对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合；低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电动机的步进运行现象，适用于有高速响应要求的场合；电动机加减速的动态响应时间短，一般在几十毫秒之内；发热和噪声明显降低。
软件介绍及监控
SEW PLC是一个完整的用于逻辑控制器的开发系统，它具有功能强的语言结构，符合IEC****。SEW PLC易于进行程序开发，就像Visual C++一样，具有**语言编程系统的开发环境，可为编辑器的操作和调试功能设置模式。
所有的项目数据存在一个有项目名称的文件中，一个新项目的第一个POU，系统会自动地给定名称“MAIN”，这是程序的起点（在C程序中，这是一个主函数）。从这里开始，用户可以调用其他的POUs（程序，功能块和函数）。
SEW PLC区分一个项目中的三种不同目标：POUs、结构和可视化元素。利用这些目标，用户可以创建自己的项目。在目标表中，用户可以看到项目目标。图3为PLC软件程序编辑画面，说明了变量表及其状态、输出变量、输入变量以及PRG为应用程序块。
在联机工作方式时，所有可显示的变量都从控制器中读出，并以实时方式显示，可以在声明和程序编辑器中看到；也可从监视和接收管理器和可视化设备中读出变量的当前值。若要监控功能块的实例变量，应首先打开相应的实例，如图3中的功能块为第一台升降机的运动控制功能块。
伺服控制器的参数可通过SEW键盘盒DBG60B输入，也可以通过MOVITOOLS操作软件输入，此软件功能强大，用户界面简单，只需输入运用所需的工艺参数，不必进行复杂的程序设计，不需要编制程序的经验，也不需要长时间的培训，能快速完成工程设计和启动。
现场操作及维护
此系统在升降机旁设计安装一台触摸屏（HMI）用于显示升降机的状态和操作升降机。
整个系统的状态总览，可以查看整个系统中每个控制区域的状态，包括自动、手动和升降机的联动、单动模式、异常状态和急停等，当各个区域处于某种操作模式或者正常时，它所对应的图框为绿色显示；某个区域异常或紧急停止时，所对应的图框以红色表示；其他状态都显示为灰色。
升降机参数可查看每台升降机的速度、当前位置（包括脉冲数、毫米高度）和故障代码等参数。另外在夹具切换时，当系统需要装载夹具时，在自动运行状态下点击“设定密码”右边的图框输入操作密码后，图框显示为绿色，按下“升降机装载治具”按钮，则升降机会从与主线无干涉的等待位置上升至装载位置，从TRV吊具装载治具，然后返回至与主线无干涉的等待位置，等待主线信号载入治具生产。当按下“升降机卸载治具”按钮时，升降机从与主线无干涉的等待位置上升，将夹具返送回TRV吊具，然后升降机空载返回至与主线无干涉的等待位置，这样能够更容易地实现分散控制的理念。
升降机载入治具工作完成后，需确认所有工作人员已经离开与光栅干涉的区域，并确认设备无异常，然后按下“工作完成确认”按钮，升降机安全销将自动打开，升降机载出治具至与主线无干涉的等待位置。
SEW伺服控制器DI00为控制器的使能输入端子，高电平控制器有使能输出，当DI00变为低电平时控制器输出端立即被禁止，控制器没有任何输出并且伺服电动机立即抱闸。当升降机使能处于开或闭状态时，左侧对应的圆圈显示为绿色。每个升降机均有两个锁紧装置，分别在升降机的下方和中间位置，可以查看每个升降机各个位置锁紧装置的打开/关闭状态。
当系统运行过程中有故障或者警报发生时，故障或者报警信息会在HMI上以列表形式显示。“C”状态代表故障或者报警信息已被激活，“D”状态代表故障或者报警已被取消，“A”状态代表故障或者报警信息已被确认。我们可以通过报警信息画面查看当前的报警信息，排查故障。
此系统*关键的技术就是升降机的同步，当升降机不同步、产生高度差或当升降机水平需要重新调整时，可进入升降机水平调整画面操作，首先需要将升降机的安全销打开，按照“手动模式→进入维修模式→脱离同步→调整开始”，3台升降机将自动调整到平均高度值处，水平调整好后指示绿灯亮起，表示调整完成，然后按照“脱离维修模式→升降机1、2、3使能开→进入同步→自动模式→升降机全自动”，可恢复同步。调整完成后，需要把升降机手动升降至2200mm或零点位置。
升降机会因为长时间使用或天气变化等原因会出现机械部件的弹性变形，从而引起升降机零点失效。这时可通过HMI升降机零点检测画面操作恢复，首先将升降机手动同步降到零点位置，选择自动偏差检测或者手动偏差检测，3台升降机零点检测完成后，会显示出偏差值。读取后的数值，与现有的数据进行比较；若需要调整时，将自动在下方指示出哪台升降机需要调整及需要调整的方向，如“升降机2原位置需要上升调整”指示灯为绿色时，代表升降机2需要进行调整。操作“零点坐标修正”完成修正后：操作“回新零点位置”按钮，升降机将自动回归到新的零点坐标。
系统优点和效益
此伺服同步控制系统满足了设计产能要求，升降电气控制系统达到了同步精度生产要求，获得了达标的焊接质量；柔性化生产，能快速实现主夹具的切换，缩短时间，提高了设备的使用率；缩短了新车型试生产周期；缩短了系统安装周期，保证了项目进度；系统构架简单清晰，模块化设计，应用技术简单易学，友好的操作界面操作方便，易于维修和操作人员学习掌握；变频器在正常使用过程中无需经常维护，在设备检修时可以检查安装变频器的开关柜防护情况，保证变频器的散热条件和电源线及变频器和电动机之间电缆绝缘情况正常，检查通信线控制线及编码器线连接可靠，屏蔽正常。
结语
通过近几个月的生产，GP50伺服同步控制系统运行稳定、安全可靠、故障率低且方便维护，得到了广泛肯定。同时此伺服控制系统精度高、高速性能好、适应性强、发热和噪声低并且电动机加减速的动态响应时间短，对于节拍要求高、精度误差小且负载大的生产线非常实用，值得推广。由于这是我公司首次使用精度要求这么高的控制系统，我们对它的设计原理、应用范围、实用性和安全性等掌握理解还需要深入，很多方面有待进一步探讨研究，使此控制系统能更好地服务于汽车生产线。(end)