基于EtherCAT總線的發(fā)動(dòng)機(jī)壓裝閉環(huán)控制系統(tǒng)的研究

黃公安，高偉強(qiáng)，潘云龍，閻秋生，鄒敏清

(廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006)

發(fā)動(dòng)機(jī)中有許多過盈配合的零件(如:如氣門導(dǎo)管、座圈、碗塞等)需要通過壓力裝配(以下簡稱壓裝)來完成裝配過程，過盈零件的壓裝質(zhì)量對于發(fā)動(dòng)機(jī)的最終質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用［1］。在目前的壓裝系統(tǒng)中，國內(nèi)以采用液壓缸的壓裝力(以下簡稱壓力)半環(huán)控制和位置開環(huán)控制為主［2］，已不能滿足汽車制造業(yè)的高精度、高效、節(jié)能、數(shù)控化的需求，而國外已經(jīng)開始研究基于伺服電動(dòng)缸的數(shù)字化全閉環(huán)壓裝技術(shù)。

發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線的壓裝控制系統(tǒng)不僅要滿足可靠性、穩(wěn)定性的要求，還要滿足響應(yīng)速度快、實(shí)時(shí)性高、同步性好以及抗干擾能力強(qiáng)等要求。文中采用由德國倍福自動(dòng)化有限公司提出的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線技術(shù)EtherCAT，使用EtherCAT 數(shù)據(jù)幀進(jìn)行通信，能夠提高數(shù)據(jù)傳輸速度和可靠性，同時(shí)提高多軸的同步性能。

介紹了基于EtherCAT 實(shí)時(shí)總線的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化壓裝控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，提出了壓裝控制系統(tǒng)的基本要求，同時(shí)對模糊PID 控制算法在壓裝過程的應(yīng)用進(jìn)行了論述，最后根據(jù)控制要求搭建了控制軟件的整體架構(gòu)。

1 基于EtherCAT 總線的發(fā)動(dòng)機(jī)壓裝閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)電動(dòng)伺服壓裝閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本要求

發(fā)動(dòng)機(jī)過盈零件電動(dòng)伺服壓裝過程主要分為以下幾個(gè)步驟:(1)物料傳輸定位。將生產(chǎn)線上發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸蓋、缸體等機(jī)體零件(包容件)送入預(yù)定的壓裝位置，然后由夾具精確定位、夾緊;(2)振動(dòng)料斗將氣門座、導(dǎo)管、碗塞等小零件(被包容件)分選/定向、傳輸，送入壓裝頭定位;(3)壓裝頭快速移動(dòng)精確定位，保證壓裝零件與機(jī)體零件安裝孔同軸;(4)涂密封膠;(5)將小零件壓入機(jī)體零件;(6)重復(fù)步驟(2)～(5)，直至將其他零件壓裝完畢;(7)將壓裝好的機(jī)體零件送入運(yùn)輸線。

對于具有兩個(gè)或兩個(gè)以上壓裝頭的壓裝設(shè)備，還需要支持對多個(gè)壓裝頭的送料、運(yùn)動(dòng)定位、涂膠和壓裝等過程的控制。因此，壓裝控制系統(tǒng)應(yīng)具有較好的適應(yīng)性和擴(kuò)展性，以保證設(shè)備層的柔性可重構(gòu)。

在上述的壓裝過程中，過盈零件的壓入過程是影響壓裝質(zhì)量的關(guān)鍵步驟之一。壓入過程結(jié)束時(shí)包容件與被包容件結(jié)合狀況的好壞與否，通常需要借助壓裝過程中產(chǎn)生的壓力－位移曲線(F－s)間接判斷。

針對上述分析，提出了發(fā)動(dòng)機(jī)電動(dòng)伺服壓裝控制系統(tǒng)的基本要求:

(1)應(yīng)具有快速精確點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制能力，以實(shí)現(xiàn)壓裝頭高效準(zhǔn)確定位;

(2)應(yīng)具有較好的柔性可重構(gòu)性能，以適應(yīng)不同壓裝類型和多頭壓裝的需求;

(3)應(yīng)具有較強(qiáng)的壓力－ 位置控制能力，以確保壓裝零件裝配質(zhì)量;

(4)應(yīng)具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，以確保生產(chǎn)線連續(xù)可靠安全運(yùn)行;

(5)應(yīng)具有組網(wǎng)實(shí)時(shí)通信功能，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生產(chǎn)線聯(lián)網(wǎng)控制。

1.2 伺服電動(dòng)壓裝控制系統(tǒng)構(gòu)成

壓裝控制系統(tǒng)由界面層、控制層和設(shè)備層三部分組成。界面層提供人－機(jī)交互界面，主要完成參數(shù)設(shè)置、加工狀態(tài)監(jiān)測、生產(chǎn)線聯(lián)網(wǎng)通信等功能;控制層是系統(tǒng)的核心，完成實(shí)時(shí)信息采集處理、閉環(huán)控制及邏輯運(yùn)算等工作，并將控制信息以指令形式向設(shè)備層發(fā)送;設(shè)備層是系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它根據(jù)從控制層接收的指令信號(hào)完成送料、定位、涂膠、壓裝等工作。

該系統(tǒng)采用由伺服電動(dòng)缸、位置傳感器、測力傳感器等組成的控制系統(tǒng)替代原有的液壓控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)壓力裝配過程中的壓力－位置閉環(huán)控制。為保障系統(tǒng)的可靠性，使系統(tǒng)安裝調(diào)試更方便，設(shè)備層的柔性可重構(gòu)性能和擴(kuò)展性能更好，以及實(shí)現(xiàn)全數(shù)字閉環(huán)控制的目的，該系統(tǒng)采用了EtherCAT 總線實(shí)現(xiàn)控制層與設(shè)備層數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。圖1 為伺服電動(dòng)壓裝控制系統(tǒng)的構(gòu)成圖。

圖1 伺服電動(dòng)壓裝控制系統(tǒng)的構(gòu)成圖

IPC(工業(yè)PC)與TwinCAT 組態(tài)軟件一起構(gòu)成EtherCAT 主站，界面層和控制層在主站中得以實(shí)現(xiàn)。主站使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)控制器，利用網(wǎng)絡(luò)接口卡NIC(Network Interface Card)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與設(shè)備層的通信［3］。EtherCAT 模塊包括A/D 模塊、I/O模塊和脈沖計(jì)數(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)模塊，主要完成對位置、速度運(yùn)動(dòng)控制以及閥門開關(guān)量等控制信號(hào)的發(fā)送，以及實(shí)現(xiàn)對光柵尺、壓力傳感器和限位開關(guān)量等反饋信號(hào)的采集。

2 設(shè)備層執(zhí)行機(jī)構(gòu)

2.1 壓裝過程壓力－位置監(jiān)測控制機(jī)構(gòu)

壓裝過程壓力－位置監(jiān)測控制機(jī)構(gòu)是壓裝設(shè)備的核心，主要由光柵尺位置傳感器、應(yīng)變式壓力傳感器及其信號(hào)變送器、伺服電動(dòng)缸組成。圖2 是監(jiān)測控制機(jī)構(gòu)的示意圖。

圖2 壓裝過程壓力－位置監(jiān)測控制機(jī)構(gòu)示意圖

2.2 伺服電動(dòng)缸

伺服電動(dòng)缸是將伺服電機(jī)與絲杠一體化設(shè)計(jì)的模塊化產(chǎn)品，將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對速度、位置和推力的精確控制。與液壓壓裝系統(tǒng)相比，采用伺服電動(dòng)缸的壓裝系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、定位精度高、易實(shí)現(xiàn)數(shù)字全閉環(huán)控制等特點(diǎn)。

2.3 壓裝頭定位機(jī)構(gòu)

每個(gè)壓裝頭都帶有兩坐標(biāo)伺服電機(jī)，利用伺服電機(jī)自帶的編碼器構(gòu)成半閉環(huán)位置控制，實(shí)現(xiàn)快速精確平面定位，保證壓裝頭中心線與機(jī)體零件的裝配孔同軸。壓裝頭能否快速精確地定位影響著整個(gè)壓裝系統(tǒng)的壓裝效率和壓裝質(zhì)量，如果定位精度不夠，有可能會(huì)出現(xiàn)壓裝不能順利進(jìn)行、壓裝產(chǎn)品氣密性不夠好等問題。

2.4 其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)

把第2.2 節(jié)和第2.3 節(jié)所講的兩種機(jī)構(gòu)組裝起來已經(jīng)能夠完成基本的一次壓裝過程，但是在工業(yè)生產(chǎn)中需要滿足連續(xù)、穩(wěn)定、高效、安全生產(chǎn)的要求，這就需要相應(yīng)的輔助執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用于完成送料、定位、涂膠、限位等工作，這些機(jī)構(gòu)主要包括輥?zhàn)恿慵鬏敊C(jī)構(gòu)、光電控制預(yù)定位機(jī)構(gòu)、機(jī)械－液壓定位夾緊機(jī)構(gòu)、振動(dòng)料斗送料機(jī)構(gòu)，行程開關(guān)等。這樣，通過上述幾種機(jī)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的壓裝生產(chǎn)。

3 閉環(huán)控制原理

在壓裝控制系統(tǒng)中，主要對位置、速度和壓力3個(gè)參數(shù)進(jìn)行控制和監(jiān)測，遵循位置控制為主、壓力檢測為輔的原則。

壓裝位置的精度影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配質(zhì)量，壓裝過程中需嚴(yán)格控制。在此采用通用的光柵尺對執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)控制，獲取執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)位置，以及確保工件壓裝到位。

壓裝力受到負(fù)載因素和電機(jī)因素的影響。負(fù)載因素主要有工件之間的過盈量、摩擦因數(shù)等。電機(jī)因素主要是指電機(jī)的控制性能，由電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩公式T=9 550P/N 可知，在功率P 一定的情況下轉(zhuǎn)矩T 和轉(zhuǎn)速N 具有反比關(guān)系，所以通過控制速度可以調(diào)節(jié)壓裝力。

3.1 壓力－位置閉環(huán)控制

在壓裝系統(tǒng)中利用光柵尺得到實(shí)際的位移，然后根據(jù)位移的變化獲取速度，通過控制速度去調(diào)節(jié)壓力，同時(shí)把壓力傳感器反饋的實(shí)際壓裝力與理想的壓力進(jìn)行比較，根據(jù)比較的結(jié)果確定速度的變化趨勢，最終實(shí)現(xiàn)壓力－位置閉環(huán)控制。

但是在壓裝控制過程中，由于無法直接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，對壓裝過程中產(chǎn)生的壓力很難做到精確控制，只能通過改變速度去改變壓力，使壓力維持在一定的范圍內(nèi)，所以壓力的變化過程是一個(gè)非線性的動(dòng)態(tài)過程。根據(jù)零件的材料、配合件的過盈量，可通過實(shí)驗(yàn)或者采用有限元模擬仿真得到壓裝過程中壓力－位移(F－s)曲線的壓力上下極限控制范圍，在壓入的過程中實(shí)時(shí)檢測壓力F，通過改變速度v，使F維持在Fmax和Fmin之間，如果F 超出此范圍就把該次壓裝視為失敗。

3.2 模糊PID 控制

從上面的分析可以看出，壓裝過程中對壓力的控制是非線性的，具有時(shí)變、滯后等特性。常規(guī)PID 控制器以其成熟的技術(shù)已在工業(yè)控制中得到廣泛應(yīng)用，但是它只能利用一組固定的參數(shù)進(jìn)行控制，不能兼顧動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能，魯棒性較差，對非線性、大時(shí)滯、時(shí)變參數(shù)等難以獲得滿意的控制效果［4］。相反，模糊控制非常適用于那些數(shù)學(xué)模型難以獲取、動(dòng)態(tài)特性不易掌握(非線性)或變化非常顯著的對象，但是模糊控制器本身消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的性能比較差，難以達(dá)到較高的控制精度［7］。模糊PID 控制結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了兩者的不足，已經(jīng)在控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

在壓裝過程中，由于把壓力值作為主要監(jiān)視對象，通過改變速度的大小來改變壓力值的大小，所以在模糊控制器中把壓力值的變化量ΔF 以及變化率ΔF'作為輸入量，把速度值v 作為輸出量，根據(jù)以往的控制經(jīng)驗(yàn)建立相應(yīng)的隸屬函數(shù)和知識(shí)庫。模糊控制的主要任務(wù)就是要找出PID 控制的3 個(gè)參數(shù)(Kp，Ki，Kd)與ΔF 和ΔF'之間的模糊關(guān)系，在控制過程中不斷檢測ΔF 和ΔF'，根據(jù)確定的模糊控制規(guī)則對PID 3 個(gè)控制參數(shù)進(jìn)行在線整定，滿足不同ΔF 和ΔF'時(shí)對3 個(gè)參數(shù)的動(dòng)態(tài)要求，從而使PID 控制處于最優(yōu)工作狀態(tài)，滿足控制性能要求。

4 控制軟件設(shè)計(jì)

控制軟件在Windows 實(shí)時(shí)環(huán)境下采用TwinCAT組態(tài)軟件和QT 編程軟件開發(fā)，主要用于參數(shù)配置、狀態(tài)反饋顯示、運(yùn)動(dòng)控制與PLC 控制以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信處理等。

4.1 控制軟件的整體架構(gòu)

圖3 是控制軟件的整體架構(gòu)圖。

圖3 控制軟件的整體架構(gòu)

由圖3 可以看出，整個(gè)控制軟件主要在QT 環(huán)境下開發(fā)，主要包括3 個(gè)模塊:運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和顯示模塊、手動(dòng)控制模塊以及自動(dòng)控制模塊，其中自動(dòng)控制控制模塊包含有模糊PID 控制算法。控制軟件發(fā)出的命令數(shù)據(jù)必須通過TwinCAT 軟件才能到達(dá)設(shè)備層，同時(shí)設(shè)備層反饋的數(shù)據(jù)也必須先經(jīng)過TwinCAT軟件才能到達(dá)控制軟件，所以在壓裝控制過程中要同時(shí)啟動(dòng)控制軟件和TwinCAT 軟件，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)通信。

TwinCAT 組態(tài)軟件由實(shí)時(shí)環(huán)境和在開發(fā)環(huán)境中執(zhí)行控制程序的實(shí)時(shí)系統(tǒng)組成，主要用于編程、診斷和系統(tǒng)配置，可以實(shí)現(xiàn)軟PLC 控制和軟移動(dòng)控制。

4.2 TwinCAT 組態(tài)軟件與QT 的數(shù)據(jù)接口

為了方便用戶使用常用的編程軟件和編程語言進(jìn)行編程，TwinCAT 軟件提供了與其他編程軟件的接口R3IO，R3IO 提供了相應(yīng)的dll 文件、頭文件(.h)、庫文件(.lib)，只需把這些接口文件放到指定的位置，就可以實(shí)現(xiàn)QT 與TwinCAT 的數(shù)據(jù)通信。同時(shí)根據(jù)控制的需求，在TwinCAT 中添加相應(yīng)的輸出和輸入變量，然后生成相應(yīng)的頭文件，添加的變量以結(jié)構(gòu)體的形式包含在頭文件中，把此頭文件包含到QT 程序中，通過對頭文件中的變量進(jìn)行操作就可以實(shí)現(xiàn)對設(shè)備層的控制。

5 總結(jié)

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)壓裝系統(tǒng)的要求，使用伺服電動(dòng)缸代替液壓缸設(shè)計(jì)了一套發(fā)動(dòng)壓裝控制系統(tǒng)。新型的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT 總線技術(shù)的使用有效地提高了設(shè)備層和控制層之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性、快速性和穩(wěn)定性，同時(shí)降低了生產(chǎn)成本。把模糊PID 技術(shù)應(yīng)用到壓裝控制系統(tǒng)中，符合壓裝力控制的要求，實(shí)現(xiàn)了壓力－位置閉環(huán)控制。最終，把伺服電動(dòng)缸、EtherCAT技術(shù)和模糊PID 控制技術(shù)結(jié)合在一起，有效地提高了發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)化壓裝系統(tǒng)的控制性能和產(chǎn)品的質(zhì)量。

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