基于三菱SSCNET总线的伺服送料系统的设计

汤世松，仲太生，詹俊勇

（江苏扬力集团有限公司，江苏 扬州225127）

0 引言

冲压生产中，有人工上下料和自动化上下料两种方式。由于人工成本上升，根据市场调研，自动送料机有广泛的市场需求。冲压生产的手工送料已逐步由自动送料机构所取代，从而进一步满足冲压生产自动化，大幅度提高生产节拍、生产质量等的要求[2]。事实证明，基于三菱SSCNTE总线的伺服送料系统极大地提高了工厂的劳动生产率。

1 伺服送料系统设计

1.1 系统设计目的与任务

本系统是以扬力公司3台JM31-160压力机为主机而设计开发的一条样本自动生产线。通过该样本线的总体布局、两轴机械手设计、拆垛单元设计以及控制系统等组成模块设计，以及如磁性分张、对中测厚、高速传送、协调控制等关键技术的解决，以掌握金属板材冲压成形设备成套联线的核心技术。

本系统开发设计任务包括：①高速动态特性的两轴机械手设计；②双料台拆垛单元设计；③控制系统设计。所设计的单机联线自动化冲压生产线通用性好，占用资金少，完全可以满足中高档汽车生产所需要的高质量零件的需求[3]。目前研制的单机联线自动化生产线生产节拍可以达到13SPM。

1.2 X轴传动系统

两轴机械手机械结构主要包括机身、X轴传动系统、Y轴传动系统三个组成部分，其最大外围尺寸为 600mm×950mm×2540mm（长×宽×高）。机械手本体即X轴传动单元驱动作左右传送，Y轴传动单元驱动作上下举升。

X轴传动系统是用于驱动两手臂实现在左右方向的板料高速传送，该系统设计涉及传动方式、导向形式、功率需求、电机以及相关元件的选配。

1.2.1 X轴传动方式及其导向

X轴传动系统的传动方式为电机+减速器+齿轮齿条传动结构，如图1所示。电机为三菱3.5kW（HC-RP353）伺服电机；减速器为1∶5采用湖北行星公司产品；齿轮齿条模数m=3mm，齿轮齿数z=32，齿宽B=30mm；齿条长1900mm，宽30mm。伺服电机与减速器直接连接，减速器通过法兰安装在X轴传动系统支座上；齿轮安装在减速器输出轴端，齿条安装在由两个50×50钢质方管焊接的芯杆上，芯杆两端安装吸料手臂。这样，由伺服电机通过减速器驱动芯杆左右移动完成板料传送作业。

图1 X轴传动结构

X轴传动系统导向是采用滚轮—导轨导向方式，滚轮安装在传动系统支座两侧壁上，导轨安装在芯杆的两侧。每部机械手安排45个滚轮，前侧为23只，后侧为22只。

1.2.2 X轴伺服电机功率计算

X轴运动部件包括芯杆、齿条、导轨以及左右两个吸料手臂，共计质量为92kg。X轴伺服电机在作业过程中的功耗主要为克服惯性力和摩擦力做功，其中惯性力功率消耗相对较大。

若以最大加速度为1g、最大运行速度为120m/min，以k=1.5安全系数作为运动摩擦副功率消耗（包括导轨滚轮、齿轮齿条、减速器齿轮和轴承），则：

取系统传动效率η=0.9、安全系数k=1.5，则X轴伺服电机所需功率：

考虑一定的功率裕量，现取X轴伺服电机功率为3.5kW。

根据下式进行电机转矩校验[4]：

式中，i为传动比i=1∶5；d为齿轮分度圆直径，d=m×z=3×32=96；η=0.9。有：

现三菱HC-RP 3.5kW伺服电机额定转矩M额=11.1Nm，最大转矩Mmax=27.9Nm：

可见，所选电机满足转矩要求。

1.3 Y轴传动系统

Y轴传动系统是实现机械手上下运动的部件，并支撑着整个X轴部件的重量。

1.3.1 Y轴传动方式及其导向

Y轴传动系统的传动方式为电机+滚珠丝杆螺母副传动结构，如图2所示。电机为三菱2.0kW（HF-SP202B）抱闸伺服电机；滚珠丝杆螺母副为台湾上银公司产品，直径为ø40，螺距 25mm。伺服电机通过联轴节安装在机身顶部；滚珠丝杆为一端固定一端自由的安装结构，固定端采用三轴承支撑结构，轴颈尺寸为ø30，其中下面两个轴承为背对背角接触轴承。

Y轴传动系统导向是采用台湾上银30mm线轨。在Y轴滑台上方设置有两只平衡气缸，用于平衡Y轴运动部件重力。这样，Y轴伺服电机通过联轴节驱动滚珠丝杆转动，从而驱动着与滚珠螺母连接的滑台实现上下运动，滑台下方通过4只螺栓与X轴部件连接。

1.3.2 Y轴伺服电机功率计算

图2 Y轴传动结构

以Y轴最大行程为100mm，最大加速度为0.5g，计算Y轴可实现的最大运行速度，再以k=1.5安全系数作为运动摩擦副功率消耗（包括丝杆螺母副、线轨和轴承），则：

注：这里主要考虑动载荷，运动系统的重力由平衡气缸得到平衡。

取传动效率η=0.9、安全系数k=1.5，则Y轴伺服电机所需功率：

考虑一定的功率裕量，现取Y轴伺服电机功率为2kW。

由于Y轴为直接驱动，则Y轴伺服电机转矩可按下式计算：

式中：MY电机为电机驱动扭矩，kgf·mm；F 为轴向负载，N，因Y轴运动部件的重力已由气缸平衡，这里仅取最大惯性力F=1587N；L为丝杠导程，L=25mm；η丝杆为滚珠丝杠效率，η丝杆=0.94。

现三菱HF-SP 2.0kW伺服电机额定转矩M额=9.55Nm，最大转矩Mmax=28.6Nm：

可见，所选电机满足转矩要求。

1.4 控制系统三菱运动控制器Q173DCPU

系统控制对象包括4部两轴机械手、1个双料垛拆垛单元以及3台压力机。系统主控单元为三菱Q系列PLC[5]（Q03UDECPU），配置有三菱GT系列MPI触摸屏（GT1675-VNBA）、运动控制器（Q173DCPU）、输入模块QX42、输出模块QY42P等[6]。控制系统执行机构主要由三菱MR-J3-500B和MR-J3-200B伺服放大器、HC-RP353和HC-LP202B伺服电机构成。

主控单元PLC与触摸屏通信采用以太网；运动控制与伺服驱动器的通信是通过三菱高速现场总线SSCNET实现；主控单元与操作面板、压力机以及其他开关量控制均直接通过输入输出模块的I/O接口完成。伺服送料系统结构如图3所示。

2 系统程序设计

送料系统的程序编写是以MT-Developer和GX-Developer为软件，MT-Developer使用SV22操作系统，采用运动控制与逻辑控制相结合地控制模式。复杂的伺服控制由Q Motion CPU处理，其他的机械控制，信息控制由QPLC CPU处理，这样的处理方式可以将负荷分散化，实现高效高速的复杂应用。具体地讲是系统通过PLC程序的SFCS指令执行运动控制器SFCS程序的启动请求，这样即可对多个伺服马达执行定位控制。如图4所示是送料系统总控程序流程图[7]。

图3 伺服送料系统结构图

送料生产线动作前，先要调整所有的机械位置回到初始原点，这样避免机械手与压力机的干涉。机械手可以手动调整，回原点。整机联线调试时，可以先选择手动模式，分别单次运行拆垛单元、机械手，看运行是否正常，有无干涉，仔细检查动作情况，再选择自动模式。图5为机械手单次程序流程图。

机械手有两个运动方向，控制机构将分别对X轴、Y轴两方向进行动作控制。每个轴的两端都装有限位开关，起硬限位保护作用，到限位触点时电机停止动作。整个系统中，压力机与送料生产线是处于互锁状态，压力机动作，生产线禁止动作，生产线动作，压力机必须处于上死点，以保证安全。当两者只要有一个处于报警状态，整个系统应该立即停止，防止事故发生。

3 结束语

图4 送料系统总控程序流程图

图5 机械手单次程序流程图

本文设计开发了一条伺服送料自动生产线，以3台JM31－160为工作主机，配套拆垛单元、机械手，实现料件冲压自动化，大大提高生产率，为客户创造效益。通过该生产线的样机试制，先后解决了控制系统的故障报警、机械原点回归、联线动作的稳定性等一系列技术难题，为下一步优化方案，并再次设计高性价比的产品提供了依据。通过本设计，公司掌握了金属板材冲压成形设备成套联线的核心技术。

[1]刘 川，宋四全，李 勇.国内冲压自动化线成套技术及装备供应能力研究[J].机器人技术与应用，2004，3：8-12.

[2]南雷英，戚春晓，孙友松.冲压生产自动送料技术的现状与发展概况[J].锻压装备与制造技术，2006，41（2）.

[3]徐 刚，鲁 洁，黄才元.金属板材冲压成形技术与装备的现状与发展[J].锻压装备与制造技术，2004，39（4）.

[4]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2004.

[5]程子华，刘小明.PLC原理与编程实例[M].北京：国防工业出版社，2007.

[6]三菱电机自动化有限公司.运动控制器使用手册SFC编程手册[J].三菱电机.

[7]胡云堂.基于PLC的柔性生产线送料机械手控制系统设计[J].机械工程与自动化，2011，（3）.