劉宇翔，陳偉巍，蔡文利，高 璐，譚 赟

（寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721008）

噴碼機設(shè)備目前已經(jīng)是鋼管制造、防腐生產(chǎn)線上的重要設(shè)備，寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司（簡稱寶雞石油）采用的噴碼機設(shè)備，其早期設(shè)備沒有自動識別糾偏系統(tǒng)。噴印鋼管時，機器人只是根據(jù)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(jīng)常會因噴頭與鋼管內(nèi)、外壁的碰撞損壞設(shè)備機構(gòu)。

新一代噴碼機設(shè)備在原噴碼機機器人前臂上增加伺服控制升降機構(gòu)，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(gòu)上，當(dāng)機器人以設(shè)置好的軌跡在執(zhí)行噴印任務(wù)，伺服控制系統(tǒng)實時動態(tài)控制噴頭機構(gòu)升降，從而保證了噴頭機構(gòu)底面與鋼管表面始終保持固定間距，既保證了噴版質(zhì)量，又避免了噴頭碰撞到鋼管內(nèi)、外壁而損壞設(shè)備機構(gòu)。

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

1 噴碼機噴頭機構(gòu)伺服控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成

1.1 機械結(jié)構(gòu)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(gòu)上，升降機構(gòu)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(gòu)運行。升降機構(gòu)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(gòu)旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2.1 主要元器件簡介

鋼管內(nèi)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(nèi)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(nèi)壁產(chǎn)生的，外壁發(fā)生情況很少，所以外壁測距選用國內(nèi)某公司生產(chǎn)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(qū)動器及步進電機選用雷賽科技的產(chǎn)品。

1.2.2 控制系統(tǒng)主要運行過程簡述

當(dāng)機器人以設(shè)置軌跡執(zhí)行內(nèi)、外標(biāo)志噴印任務(wù)，安裝在噴頭機構(gòu)上的相應(yīng)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(shù)轉(zhuǎn)換，模擬量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號。再經(jīng)過程序運算處理，得到噴頭的位置偏差，PLC 根據(jù)偏差正負(fù)及大小，通過模擬量輸出模塊輸出相應(yīng)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(xiàn)噴頭機構(gòu)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(jù)外部的噴印動作信號，相應(yīng)輸出高速脈沖信號至步進驅(qū)動器，步進驅(qū)動器控制步進電機旋轉(zhuǎn)，通過皮帶輪傳輸帶動噴頭機構(gòu)旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度，從而實現(xiàn)外版版面的快速噴印。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 伺服控制器硬件控制及參數(shù)設(shè)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(qū)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(qū)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(yīng)用需求。

設(shè)置P1.001 為“0102”，左起第二位為方向控制，通過設(shè)置“0”或“1”以改變電機轉(zhuǎn)向。后兩位控制模式設(shè)定，設(shè)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(nèi)部緩存器兩種來源，可藉DI.SPD0、SPD1 來選擇）。

數(shù)字輸入引腳DI3、DI4（對應(yīng)內(nèi)部變量SPD0、SPD1），由參數(shù)P2.012，P2.013 來定義，設(shè)置P2.012=114，P2.013=115，從而定義DI3、DI4 為內(nèi)部緩存器速度命令選擇，當(dāng)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(zhuǎn)速度，結(jié)果即為控制電機的目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

伺服控制器基本控制架構(gòu)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(shè)定模擬速度指令輸入最大電壓（10 V）時的最大回轉(zhuǎn)速度，以及速度指令加減速平滑常數(shù)的設(shè)定。速度控制單元則是管理驅(qū)動器的增益參數(shù)，實時運算供給電機的電流命令。共振抑制單元抑制機械結(jié)構(gòu)發(fā)生共振現(xiàn)象。

圖4 伺服控制器基本控制架構(gòu)

速度命令處理單元功能架構(gòu)如圖5 所示，上方路徑為內(nèi)部緩存器命令，下方路徑為外部模擬命令，是根據(jù)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(yīng)，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(gòu)

2.1.2 臺達伺服控制器主要參數(shù)設(shè)置

臺達伺服控制器主要參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 臺達伺服控制器主要參數(shù)設(shè)置

2.2 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)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(shù)字輸入點，24 個數(shù)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(xiàn)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(shè)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(nèi)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(nèi)標(biāo)距離調(diào)整（I2.2），外標(biāo)距離調(diào)整（I2.3），噴標(biāo)定位信號（I3.2），分別接入PLC 對應(yīng)輸入點。PLC 輸出信號：手/自動（Q0.5），自動啟動內(nèi)標(biāo)A 端（Q1.0），自動啟動內(nèi)標(biāo)B 端（Q1.1），自動啟動外標(biāo)A 端（Q1.4），自動啟動外標(biāo)B 端（Q1.5），噴標(biāo)機構(gòu)定位完成（Q1.6），輸出管端檢測（Q2.2），分別接入機器人對應(yīng)輸入端。

Q0.1 根據(jù)PLC 程序中的向?qū)гO(shè)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(qū)動器控制端，控制步進電機運行。

3 伺服升降機構(gòu)自動調(diào)整PLC 程序分析

測距傳感器輸入數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換為模擬量信號如圖6 所示，AIW16、AIW18 分別是內(nèi)、外標(biāo)測距傳感器的數(shù)字量輸入值。AIW16 經(jīng)過SUB_I（整數(shù)減法指令）減去修正值（0），差值存入AC0 中，整數(shù)AC0 經(jīng)過I_DI 指令轉(zhuǎn)換為雙整數(shù)并存入變量VD4 中。雙整數(shù)VD4 經(jīng)過DI_R 指令轉(zhuǎn)換為實數(shù)并存入變量VD8 中，實數(shù)VD8 除以2 764.8 所得值即為內(nèi)標(biāo)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(shù)字量信號轉(zhuǎn)換為模擬量信號

計算依據(jù)：內(nèi)標(biāo)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(yīng)數(shù)字量0～27 648，所以可以看做0～10 mm 與數(shù)字量0～27 648 成線性比例關(guān)系，實際距離值與數(shù)字量成線性比例關(guān)系如圖7 所示。X/10=AIW16/27 648，可得出：X=AIW16/2 764.8=VD12，即內(nèi)標(biāo)測距傳感器距離鋼管表面實際距離值為內(nèi)標(biāo)測距傳感器數(shù)字量值除以2 764.8。外標(biāo)測距傳感器測距范圍是0～15 mm，同理可得出，外標(biāo)測距傳感器數(shù)字量值除以1 843.2 后即為外標(biāo)傳感器距離鋼管表面實際距離值。

圖7 實際距離值與數(shù)字量成線性比例關(guān)系

相關(guān)變量賦值如圖8 所示，主要是給相關(guān)變量賦值：斜率1（VD314）賦值-0.8，當(dāng)噴外標(biāo)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(nèi)噴標(biāo)距離下限VD278賦值6.0 mm，內(nèi)噴標(biāo)距離上限VD282 賦值8.0 mm；外噴標(biāo)距離下限VD318 賦值5.5 mm，外噴標(biāo)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(diào)用。

圖8 相關(guān)變量賦值

內(nèi)、外噴標(biāo)模擬量距離值進行模數(shù)轉(zhuǎn)換并修正如圖9 所示，內(nèi)噴標(biāo)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(zhuǎn)換為數(shù)字量值存入VD254。VD254 乘以斜率2（VD274）進行數(shù)值修正后存入VD262，VD262 取整后存入VD266，VD266 雙整型值經(jīng)過轉(zhuǎn)換變?yōu)檎椭荡嫒隫W270 中。同樣，外噴標(biāo)傳感器測得模擬量距離值也經(jīng)過相同過程處理后將最終數(shù)字量值存入VW310 中。

圖9 內(nèi)、外噴標(biāo)模擬量距離值進行模數(shù)轉(zhuǎn)換并修正

當(dāng)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(zhuǎn)換為數(shù)字量值，并進行數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)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(fù)，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(jù)VW270 運算結(jié)果賦值A(chǔ)QW16 變量如圖10 所示，內(nèi)噴標(biāo)時根據(jù)VW270 運算結(jié)果賦值A(chǔ)QW16 變量。機器人工作中（M0.0 開點閉合），噴內(nèi)標(biāo)動作（M31.0 開點閉合）：

圖10 根據(jù)VW270 運算結(jié)果賦值A(chǔ)QW16 變量

（1） 當(dāng)-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(yīng)模擬量電壓至伺服控制器，控制伺服電機運行；

（2） 當(dāng)VW270 ∧-27 648，即測距距離值出現(xiàn)小于0 的較大負(fù)值（距離很小會出現(xiàn)），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(dāng)VW270∧+27 648，即測距距離值出現(xiàn)大于27 648 的較大正值（距離很大會出現(xiàn)），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(dāng)VD278∧VD12∧VD282，即6 mm ∧內(nèi)噴標(biāo)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(dāng)噴內(nèi)標(biāo)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(dāng)機構(gòu)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(biāo)時，根據(jù)VW310 運算結(jié)果，執(zhí)行與內(nèi)壁噴標(biāo)時的相同程序，賦值A(chǔ)QW16 變量，PLC模擬量模塊輸出相應(yīng)模擬量電壓至伺服控制器，控制伺服電機運行。

4 結(jié) 語

噴頭機構(gòu)伺服控制系統(tǒng)2018 年11 月首次在寶雞石油調(diào)試成功并投入使用，該系統(tǒng)機構(gòu)設(shè)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(shè)備故障，完全解決了以前噴碼機設(shè)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(nèi)、外壁噴標(biāo)的需要。