1. 项目背景与需求分析
在液晶背光板生产线上，压合工序的压力控制一直是工艺难点。传统方案要么采用纯位置控制导致压力波动大，要么使用纯转矩控制造成响应速度慢。这个项目需要实现：
- 快速定位阶段：伺服电机以最大效率移动到目标位置附近
- 恒压保持阶段：在接触工件后自动切换为压力精确控制
- 模式无缝切换：两种控制模式间的过渡需平滑无冲击
经过多次现场测试，最终选用三菱Q系列PLC+QD77MS运动模块+J4-B伺服系统的方案，通过位置/转矩模式动态切换配合PID调节，完美解决了这个行业痛点。
2. 系统架构设计
2.1 硬件配置方案
- 控制核心：三菱Q06HCPU（支持结构化编程）
- 运动控制：QD77MS16模块（16轴控制能力）
- 驱动系统：MR-J4-B伺服驱动器+HF-KN伺服电机
- HMI界面：威伦通MT8102IE触摸屏
- 电气设计：EPLAN Pro Panel 2.7
关键选型理由：QD77MS模块支持位置/转矩模式在线切换，无需重新初始化伺服轴，这是实现快速响应的核心技术保障。
2.2 控制逻辑框架
pascal复制PROGRAM Main
VAR
fbPressControl : PressControl_FB;
rTargetPos : REAL := 100.0; //目标位置(mm)
rTargetForce : REAL := 50.0; //目标压力(N)
END_VAR
fbPressControl(
TargetPos := rTargetPos,
TargetForce := rTargetForce,
ActualPos := g_rEncoderPos,
ActualForce := g_rLoadCellValue);
3. 核心功能实现
3.1 双模式切换逻辑
在结构化文本(ST)中封装的功能块实现智能切换：
pascal复制FUNCTION_BLOCK PressControl_FB
VAR_INPUT
TargetPos, ActualPos : REAL;
TargetForce, ActualForce : REAL;
END_VAR
VAR_OUTPUT
ControlMode : INT; //1-位置 2-转矩
TorqueCmd : REAL;
END_VAR
// 模式切换判断
IF (TargetPos - ActualPos) < g_rSwitchThreshold THEN
ControlMode := 2; //转矩模式
// PID压力调节
TorqueCmd := PID_Calculate(TargetForce, ActualForce);
ELSE
ControlMode := 1; //位置模式
TorqueCmd := 0;
END_IF;
关键参数设置经验：
- 切换阈值建议设为总行程的5%（需根据机械惯性调整）
- 转矩限幅值设为额定转矩的30-50%
- 位置模式下的加减速时间设为100-300ms
3.2 PID压力调节算法
采用带死区和积分分离的改进型PID：
pascal复制FUNCTION PID_Calculate : REAL
VAR_INPUT
Setpoint, PV : REAL;
END_VAR
VAR
rError, rP, rI, rD : REAL;
bInDeadZone : BOOL;
END_VAR
rError := Setpoint - PV;
bInDeadZone := ABS(rError) < 0.5; //0.5N死区
// 比例项
rP := g_rKp * rError;
// 积分项(死区内冻结)
IF NOT bInDeadZone THEN
g_rIntegral := g_rIntegral + (g_rKi * rError * g_rTs);
END_IF;
// 微分项
rD := g_rKd * (PV - g_rLastPV) / g_rTs;
g_rLastPV := PV;
PID_Calculate := LIMIT(rP + g_rIntegral + rD, -g_rTorqueLimit, g_rTorqueLimit);
PID参数整定技巧：
- 先设Ti=∞, Td=0，逐渐增大Kp至系统出现轻微振荡
- 取振荡时Kp值的60%作为最终比例增益
- 积分时间Ti设为振荡周期的1/2
- 微分时间Td设为Ti的1/4
4. 伺服系统配置
4.1 QD77MS关键参数
| 参数编号 | 参数说明 | 设定值 | 单位 |
|---|---|---|---|
| PA01 | 控制模式 | 0x2100 | - |
| PA04 | 位置环增益 | 35 | rad/s |
| PA05 | 速度环增益 | 120 | 1/s |
| PA06 | 速度积分时间 | 20 | ms |
| PA07 | 转矩滤波器 | 5 | kHz |
4.2 J4-B伺服调试要点
- 执行在线自动调谐（Fn002）
- 机械刚性设为45-50档
- 振动抑制参数（Fn203-Fn205）设为默认值的70%
- 转矩指令滤波器设为3kHz
实测发现：刚性过高会导致末端抖动，建议通过FFT分析调整抑振参数
5. 触摸屏界面设计
威伦通EBPro中的关键画面元素：
- 双曲线显示区：左侧Y轴显示位置(mm)，右侧Y轴显示压力(N)
- 参数设置区：
- 目标位置/压力设定
- PID参数调整
- 模式切换阈值设置
- 状态监控区：
- 当前控制模式指示
- 实际位置/压力数值显示
- 伺服报警状态
javascript复制// 双Y轴曲线实现代码
{
"Axes": [
{
"Position": "Left",
"Title": "位置(mm)",
"Min": 0,
"Max": 150
},
{
"Position": "Right",
"Title": "压力(N)",
"Min": 0,
"Max": 100
}
]
}
6. 电气设计注意事项
EPLAN图纸中的关键设计：
- 伺服抱闸回路必须与急停串联
- QD77MS的同步周期设置为2ms
- 模拟量输入通道加RC滤波（R=100Ω, C=100nF）
- 动力线与编码器线分层走线，间距>30mm
常见故障排查：
- 模式切换时抖动：检查转矩指令滤波参数，适当增加过渡时间
- 压力控制超调：降低PID比例增益，增加微分作用
- 位置偏差过大：检查机械传动间隙，调整位置环增益
7. 项目优化经验
-
机械适配技巧：
- 使用弹性联轴器吸收轴向偏差
- 导向轴加装直线轴承减小摩擦
- 压力传感器安装部位加装聚氨酯缓冲垫
-
程序优化建议：
- 在模式切换点加入10ms的过渡斜坡
- 对压力采样值进行移动平均滤波（窗口大小5-10）
- 增加压力超限时的自动回退功能
-
调试方法论：
- 先空载调试位置控制
- 再模拟负载调试转矩控制
- 最后带实际工件联调
这个方案经过半年产线验证，压力控制精度稳定在±0.3N以内，生产效率提升40%。三菱这套系统的最大优势在于模式切换无需重新初始化，这在频繁换产的生产线上特别实用。