伺服控制技術在噴碼機設備中的應用

劉宇翔，陳偉巍，蔡文利，高 璐，譚 赟

（寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞 721008）

噴碼機設備目前已經是鋼管制造、防腐生產線上的重要設備，寶雞石油鋼管有限責任公司（簡稱寶雞石油）采用的噴碼機設備，其早期設備沒有自動識別糾偏系統(tǒng)。噴印鋼管時，機器人只是根據鋼管規(guī)格在理論空間位置進行噴印，而每根鋼管由于自身不圓度、直度，以及輥道傳輸定位等因素造成每次噴印時鋼管空間位置都會存在一定的變化，所以經常會因噴頭與鋼管內、外壁的碰撞損壞設備機構。

新一代噴碼機設備在原噴碼機機器人前臂上增加伺服控制升降機構，將原來安裝在機器人前臂上的噴頭等噴印部件安裝到伺服控制升降機構上，當機器人以設置好的軌跡在執(zhí)行噴印任務，伺服控制系統(tǒng)實時動態(tài)控制噴頭機構升降，從而保證了噴頭機構底面與鋼管表面始終保持固定間距，既保證了噴版質量，又避免了噴頭碰撞到鋼管內、外壁而損壞設備機構。

另外，伺服控制升降機構前端部分可以旋轉角度，當噴印鋼管外壁，噴頭機構旋轉90°，機器人前臂不再需要完成復雜的旋轉動作即可完成噴印任務，而且可噴印的范圍更大［1-10］。

1 噴碼機噴頭機構伺服控制系統(tǒng)的基本構成

1.1 機械結構組成

伺服控制系統(tǒng)如圖1 所示。將油墨噴頭、黑漆噴頭、墨盒、步進電機、傳感器等噴印部件安裝在升降機構上，升降機構安裝在機器人前臂上，伺服電機運行時通過皮帶輪傳動帶動升降機構運行。升降機構前端部分安裝步進電機，步進電機運行時可通過皮帶輪傳動帶動噴頭機構旋轉角度。

圖1 伺服控制系統(tǒng)示意

1.2 伺服控制系統(tǒng)硬件組成

伺服控制系統(tǒng)結構如圖2 所示。

圖2 伺服控制系統(tǒng)結構

1.2.1 主要元器件簡介

鋼管內壁測距傳感器選用SICK 公司的IMA18-10BE1ZC0K 電感式接近傳感器，測距范圍0～10 mm，精確度0.3 mm，模擬量輸出信號0～10 V。

鋼管外壁測距傳感器選用國內某公司的EA1-M18GU500BS-J 超聲波傳感器，測距范圍0～15 mm，精確度0.3 mm，模擬量輸出信號0～10 V（由于碰撞基本是在鋼管內壁產生的，外壁發(fā)生情況很少，所以外壁測距選用國內某公司生產的傳感器）。

PLC 選用西門子S7-200 SMARA（6ES7 288-1ST60-0AA0），PLC 模擬量模塊選用EM AM03（6ES7 288-3AM03-0AA0），伺服控制器選用ASDA3 系列，伺服電機選用ECM 系列，步進驅動器及步進電機選用雷賽科技的產品。

1.2.2 控制系統(tǒng)主要運行過程簡述

當機器人以設置軌跡執(zhí)行內、外標志噴印任務，安裝在噴頭機構上的相應測距傳感器實時測量噴頭到鋼管表面的距離，傳感器輸出0～10 V 信號至PLC 模擬量輸入模塊，通過模數轉換，模擬量信號轉換為數字量信號。再經過程序運算處理，得到噴頭的位置偏差，PLC 根據偏差正負及大小，通過模擬量輸出模塊輸出相應的模擬量信號，作為給定速度值輸出至伺服控制器，伺服控制器控制伺服電機快速運行，從而實現噴頭機構位置的快速動態(tài)糾偏，保證噴頭與鋼管表面距離的相對恒定。

噴印鋼管外壁時，PLC 根據外部的噴印動作信號，相應輸出高速脈沖信號至步進驅動器，步進驅動器控制步進電機旋轉，通過皮帶輪傳輸帶動噴頭機構旋轉相應角度，從而實現外版版面的快速噴印。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 伺服控制器硬件控制及參數設置

2.1.1 伺服控制系統(tǒng)

伺服控制電氣原理如圖3 所示。伺服控制器R、S、T 端子為主回路電源輸入端，該系統(tǒng)采用單相220 V 供電，只連接R、S 端子。L1、L2 為控制回路電源輸入端，采用單相220 V 供電。P1、P2 為直流電抗器輸入端，未使用，將其短接。U、V、W為電機接線端，電機帶24 V 電磁抱閘及編碼器。

圖3 伺服控制電氣原理

PLC 模擬量輸出信號（-10～+10 V）接至驅動器42、44 端子，作為電機的速度控制信號。Q0.6 是PLC 的輸出信號，與端子11 形成回路，作為伺服使能信號。端子27、28 是伺服控制器的報警輸出信號，接入PLC 輸入端。

該驅動器具有多種控制模式，由于各種控制模式所需用到的I/O 信號不盡相同，所以要規(guī)劃I/O信號的功能，以滿足實際應用需求。

設置P1.001 為“0102”，左起第二位為方向控制，通過設置“0”或“1”以改變電機轉向。后兩位控制模式設定，設置為“02”表示S 模式，即速度控制模式（命令來源為外部模擬電壓/內部緩存器兩種來源，可藉DI.SPD0、SPD1 來選擇）。

數字輸入引腳DI3、DI4（對應內部變量SPD0、SPD1），由參數P2.012，P2.013 來定義，設置P2.012=114，P2.013=115，從而定義DI3、DI4 為內部緩存器速度命令選擇，當DI3、DI4 無輸入信號，即SPD0=0，SPD1=0，定義命令來源為外部模擬電壓。

由PLC 模擬量模塊提供外部模擬電壓，外部模擬電壓除以輸入最大電壓（10 V），再乘以最大回轉速度，結果即為控制電機的目標轉速。

伺服控制器基本控制架構如圖4 所示。其中，速度命令處理單元是對速度命令進行處理，包含比例器（P1.040）設定模擬速度指令輸入最大電壓（10 V）時的最大回轉速度，以及速度指令加減速平滑常數的設定。速度控制單元則是管理驅動器的增益參數，實時運算供給電機的電流命令。共振抑制單元抑制機械結構發(fā)生共振現象。

圖4 伺服控制器基本控制架構

速度命令處理單元功能架構如圖5 所示，上方路徑為內部緩存器命令，下方路徑為外部模擬命令，是根據SPD0 與SPD1 的狀態(tài)（DI3、DI4 有無信號輸入）以及P1.001（S 或Sz）來選擇。通常為了對命令信號仍有較平順的響應，此時會需要用到命令平滑器S 曲線及低通濾波器功能。

圖5 速度命令處理單元功能架構

2.1.2 臺達伺服控制器主要參數設置

臺達伺服控制器主要參數設置見表1。

表1 臺達伺服控制器主要參數設置

2.2 PLC 控制系統(tǒng)的設計

選用西門子S7-200 SMART 系列PLC，其型號為6ES7 288-1ST60-0AA0。該CPU 具有36 個數字輸入點，24 個數字輸出點。有3 路高速脈沖輸出信號，分別為Q0.0、Q0.1、Q0.3，其最高輸出頻率均為100 kHz。通過添加模擬量混合模塊6ES7 288-3AM03-0AA0 實現模擬量的輸入輸出功能，其可外接2 路模擬量輸入、1 路模擬量輸出，符合該系統(tǒng)的設計需要。

PLC 外接2 個測距傳感器，分別接至2 路模擬量輸入端，通過內部運算輸出1 路-10～+10 V 模擬量信號，作為速度信號輸出至伺服控制器，控制伺服電機運行。機器人輸出信號：機器人原點（I2.0），機器人工作中（I2.1），內標距離調整（I2.2），外標距離調整（I2.3），噴標定位信號（I3.2），分別接入PLC 對應輸入點。PLC 輸出信號：手/自動（Q0.5），自動啟動內標A 端（Q1.0），自動啟動內標B 端（Q1.1），自動啟動外標A 端（Q1.4），自動啟動外標B 端（Q1.5），噴標機構定位完成（Q1.6），輸出管端檢測（Q2.2），分別接入機器人對應輸入端。

Q0.1 根據PLC 程序中的向導設置輸出高速脈沖信號，Q0.7 為方向控制信號，分別接至步進驅動器控制端，控制步進電機運行。

3 伺服升降機構自動調整PLC 程序分析

測距傳感器輸入數字量信號轉換為模擬量信號如圖6 所示，AIW16、AIW18 分別是內、外標測距傳感器的數字量輸入值。AIW16 經過SUB_I（整數減法指令）減去修正值（0），差值存入AC0 中，整數AC0 經過I_DI 指令轉換為雙整數并存入變量VD4 中。雙整數VD4 經過DI_R 指令轉換為實數并存入變量VD8 中，實數VD8 除以2 764.8 所得值即為內標測距傳感器所測得實際距離值，存入VD12 中。

圖6 測距傳感器輸入數字量信號轉換為模擬量信號

計算依據：內標測距傳感器測距范圍0～10 mm，輸出信號0～10 V 接入PLC 模擬量輸入模塊，對應數字量0～27 648，所以可以看做0～10 mm 與數字量0～27 648 成線性比例關系，實際距離值與數字量成線性比例關系如圖7 所示。X/10=AIW16/27 648，可得出：X=AIW16/2 764.8=VD12，即內標測距傳感器距離鋼管表面實際距離值為內標測距傳感器數字量值除以2 764.8。外標測距傳感器測距范圍是0～15 mm，同理可得出，外標測距傳感器數字量值除以1 843.2 后即為外標傳感器距離鋼管表面實際距離值。

圖7 實際距離值與數字量成線性比例關系

相關變量賦值如圖8 所示，主要是給相關變量賦值：斜率1（VD314）賦值-0.8，當噴外標開始（M31.1 閉合）2 s 后，又將-0.5 賦值給VD314；斜率2（VD274）直接賦值-1.0；內噴標距離下限VD278賦值6.0 mm，內噴標距離上限VD282 賦值8.0 mm；外噴標距離下限VD318 賦值5.5 mm，外噴標距離上限VD322 賦值8.0 mm。這些賦值變量在下面的比較修正程序中進行了調用。

圖8 相關變量賦值

內、外噴標模擬量距離值進行模數轉換并修正如圖9 所示，內噴標傳感器測得模擬量距離值VD12減去7 mm 后存入VD250，VD250 乘以2 764.8 轉換為數字量值存入VD254。VD254 乘以斜率2（VD274）進行數值修正后存入VD262，VD262 取整后存入VD266，VD266 雙整型值經過轉換變?yōu)檎椭荡嫒隫W270 中。同樣，外噴標傳感器測得模擬量距離值也經過相同過程處理后將最終數字量值存入VW310 中。

圖9 內、外噴標模擬量距離值進行模數轉換并修正

當噴頭與鋼管表面距離7 mm 為最佳距離，用傳感器測得距離值VD12 減去7 mm 得到差值，將差值轉換為數字量值，并進行數據類型的轉換，主要是為了后邊的程序比較運算以及PLC 模擬量輸出。另外，乘以斜率2（VD274）后，即可通過改變VD274 的正負，改變電機的運行方向；通過改變VD274 的大小，改變電機的運行速度。

根據VW270 運算結果賦值AQW16 變量如圖10 所示，內噴標時根據VW270 運算結果賦值AQW16 變量。機器人工作中（M0.0 開點閉合），噴內標動作（M31.0 開點閉合）：

圖10 根據VW270 運算結果賦值AQW16 變量

（1） 當-27 648≤VW270≤+27 648，差值VW270處于正常范圍，將VW270 運算值存入AQW16 中，PLC 模擬量模塊輸出相應模擬量電壓至伺服控制器，控制伺服電機運行；

（2） 當VW270 ∧-27 648，即測距距離值出現小于0 的較大負值（距離很小會出現），此時將-27 648 存入AQW16 中，PLC 模擬量模塊輸出-10 V 電壓至伺服控制器，控制伺服電機以最大速度向上運行；

（3） 當VW270∧+27 648，即測距距離值出現大于27 648 的較大正值（距離很大會出現），此時將+27 648 存入AQW16 中，PLC 模擬量模塊輸出+10 V 電壓至伺服控制器，控制伺服電機以最大速度向下運行；

（4） 當VD278∧VD12∧VD282，即6 mm ∧內噴標測距距離值 ∧8 mm，將0 存入AQW16 中，PLC 模擬量模塊無輸出，伺服電機不動作；

（5） 當噴內標機器人工作下降沿觸發(fā)（機器人將停止工作），將0 存入AQW16 中，PLC 模擬量模塊無輸出，伺服電機不動作；

（6） 當機構下降限位動作，將0 存入AQW16中，同時斷開其他回路的速度輸入值，PLC 模擬量模塊無輸出，伺服電機不動作。

外壁噴標時，根據VW310 運算結果，執(zhí)行與內壁噴標時的相同程序，賦值AQW16 變量，PLC模擬量模塊輸出相應模擬量電壓至伺服控制器，控制伺服電機運行。

4 結 語

噴頭機構伺服控制系統(tǒng)2018 年11 月首次在寶雞石油調試成功并投入使用，該系統(tǒng)機構設計巧妙，控制方法先進、精度高。通過信息交互，與機器人原有控制系統(tǒng)有機融為一體，在機器人工作時實時動態(tài)糾偏，無需人工操作。一年多的使用中，該伺服系統(tǒng)性能穩(wěn)定，未發(fā)生設備故障，完全解決了以前噴碼機設備故障率高、噴印部件容易損壞的問題，不但減少了維修人員、崗位人員的勞動強度，而且能滿足大批量鋼管內、外壁噴標的需要。