基于PLC的電動(dòng)多軸擰緊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳 飛,楊曉云,劉 艷,陳同興,張 陽

（中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 210031）

1 引言

隨著我國自動(dòng)控制生產(chǎn)技術(shù)的快速發(fā)展，節(jié)約成本降低勞動(dòng)力，大力提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率已成為工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。然而，在國內(nèi)大部分工業(yè)生產(chǎn)中，由于傳統(tǒng)工藝等原因，裝配生產(chǎn)線上廣泛采用手動(dòng)或氣動(dòng)扳手進(jìn)行螺紋擰緊。一方面，這給自動(dòng)化工業(yè)生產(chǎn)帶來了操作不方便、效率低下等困難。另一方面，在螺紋擰緊過程中氣動(dòng)和液動(dòng)扳手依靠較大的沖擊力來擰緊被測(cè)對(duì)象的，這直接導(dǎo)致了螺絲擰緊精度低及效果差的問題。尤其是在軌道交通、汽車、制冷壓縮機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等對(duì)螺紋擰緊的扭矩和角度要求很高的場(chǎng)合[1-2]。

目前，現(xiàn)有的裝配軌道車輛過程中存在以下幾個(gè)問題：首先，在軌道車輛車廂底部裝配時(shí)，人工或者液動(dòng)扳手不能多軸同時(shí)擰緊，進(jìn)而導(dǎo)致車廂底部裝配平面不能同時(shí)貼合。其次，單軸多次擰緊導(dǎo)致軌道車輛車廂底部8顆螺栓預(yù)緊力不同。最后，采用手動(dòng)擰緊扳手校驗(yàn)扭矩時(shí)，扭矩會(huì)根據(jù)操作工人的使用方法、熟練程度等發(fā)生變化。扭矩的誤差值也會(huì)增大。需要多個(gè)工序進(jìn)行作業(yè)，耗時(shí)長[3-5]。而且每次進(jìn)行操作時(shí)，都需要熟練的技術(shù)人員完成作業(yè)，專一性強(qiáng)。同時(shí)在裝配擰緊的過程中，因?yàn)榧兛渴謩?dòng)，無法復(fù)制精準(zhǔn)的裝配力度以及擰緊的調(diào)節(jié)精度。進(jìn)而導(dǎo)致軌道交通車輛底部裝配、維修等質(zhì)量無法得到保障，從而影響交通安全。

做為螺紋擰緊中最常用的控制方法扭矩控制法的特點(diǎn)是整個(gè)擰緊過程分為高速擰緊和低速擰緊兩個(gè)過程。為了保證裝配擰緊的精度，在低速擰緊過程中，通常需要將擰緊電機(jī)的速度調(diào)至很低，導(dǎo)致完成一個(gè)設(shè)備裝配需要較長的時(shí)間，無法滿足高效率自動(dòng)化生產(chǎn)需求。由于多軸自動(dòng)擰緊系統(tǒng)對(duì)閥帽和沖注閥帽是同時(shí)擰緊的，這就需要在擰緊過程中對(duì)兩臺(tái)伺服電機(jī)實(shí)行同步控制，防止因?yàn)閮膳_(tái)伺服電機(jī)之間的速度差異導(dǎo)致截止閥兩個(gè)閥帽受力不均勻，從而使得擰緊扭矩差異很大，不能保證一致性[6-7]。簡而言之，在多軸自動(dòng)擰緊過程中，兩臺(tái)或者多臺(tái)伺服電機(jī)盡可能要保持同步，即扭矩值盡可能一致。因此，探索伺服電機(jī)同步控制算法就顯得非常重要。

根據(jù)以上分析，本文立足于軌道交通車輛車廂底部多軸螺絲裝配，設(shè)計(jì)一種基于PLC 的電動(dòng)多軸擰緊控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用西門子PLC 做為核心控制器，為了進(jìn)一步提高多軸電機(jī)同步控制，本文引入一種模糊PID 優(yōu)化算法。通過試驗(yàn)表明，本文設(shè)計(jì)的多軸擰緊控制系統(tǒng)能夠進(jìn)一步提高裝配速度。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 控制系統(tǒng)總體方案

本文設(shè)計(jì)的多軸擰緊系統(tǒng)主要包括以擰緊車和輔助車兩部分組成，其中擰緊車包括：升降子系統(tǒng)、擰緊執(zhí)行器、PLC控制模塊以及人機(jī)交互界面。輔助車包括：變壓器、電源控制子系統(tǒng)以及氣路子系統(tǒng)，具體如圖1所示。

首先，針對(duì)升降子系統(tǒng)而言，主要包括：旋轉(zhuǎn)軸、縱向移動(dòng)機(jī)構(gòu)、定位固定板以及平移板，主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備的升降調(diào)節(jié)功能，以方便對(duì)車輛底部進(jìn)行工作。擰緊執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由電動(dòng)擰緊軸組成，主要實(shí)現(xiàn)擰緊任務(wù)；PLC控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)擰緊軸的控制；人機(jī)交互界面主要實(shí)現(xiàn)工作人員對(duì)整個(gè)設(shè)備的控制及數(shù)據(jù)顯示存儲(chǔ)；輔助車部分主要包括變壓器、電源控制子系統(tǒng)以及氣路子系統(tǒng)等。該設(shè)備是移動(dòng)車結(jié)構(gòu)。采用手動(dòng)推動(dòng)車體，人工對(duì)位的方式進(jìn)行操作。工件及擰緊軸升降采用氣缸帶動(dòng)，由平衡氣路控制，便于停留在任意位置。極大的減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。具體工作流程如圖2所示。

2.2 擰緊執(zhí)行器及PLC控制器

該系統(tǒng)的電器部分主要由擰緊執(zhí)行器及PLC控制器組成，采用485 和以太網(wǎng)總線的控制方式，減少相應(yīng)的接線，給維護(hù)帶來方便。同時(shí)各種保護(hù)設(shè)施齊全，執(zhí)行元件均采用直流24V電壓，操作安全，扭矩扳手選用日本第一電通DDK 品牌，該扳手的精度可以達(dá)到3%，滿足了汽車行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)[8-11]。

多軸自動(dòng)擰緊控制系統(tǒng)的開關(guān)設(shè)置在擰緊單元的操作手柄上，方便技術(shù)人員快捷操作；電動(dòng)4軸同時(shí)擰緊，具有各軸獨(dú)立控制功能。當(dāng)軸擰緊力矩達(dá)到設(shè)定值時(shí)，各軸同時(shí)自動(dòng)停止動(dòng)作，可通過開關(guān)快捷地控制軸的正反轉(zhuǎn)。軸旋轉(zhuǎn)時(shí)不偏擺，擰緊單元在120 度范圍內(nèi)可轉(zhuǎn)動(dòng)，整體尺寸便于操作者操作。當(dāng)各軸的擰緊力矩不合格時(shí)，分別有聲光提示迅速報(bào)警。圖3為PLC 控制器程序流程圖。從圖3中可以看出，整個(gè)擰緊過程分為兩大部分：高速擰緊和低速擰緊。其中高速擰緊以目標(biāo)扭矩的80%作為條件，當(dāng)滿足此條件后，自動(dòng)進(jìn)入低速擰緊階段。在低速擰緊狀態(tài)下，系統(tǒng)直接工作到目標(biāo)扭矩，最終完成擰緊控制。

圖4為擰緊執(zhí)行器及PLC 控制器實(shí)現(xiàn)框圖，其中該裝置上集成4根電動(dòng)擰緊軸、軸控制器、電控柜、電氣控制系統(tǒng)、操作控制面板等。通過該擰緊裝置上的電動(dòng)擰緊軸將裝配中心銷的8顆螺栓分2次擰緊（一次擰緊4顆）。擰緊數(shù)據(jù)可與條形碼綁定，并能存儲(chǔ)在工控機(jī)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)擰緊數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析和追溯等。

3 基于模糊PID的多軸電機(jī)同步控制算法設(shè)計(jì)

3.1 多軸擰緊電機(jī)同步控制實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)所采用的多軸自動(dòng)擰緊裝置需要同步控制四臺(tái)伺服電機(jī)以完成軌道車輛車廂底部多軸同時(shí)擰緊。要想保證四臺(tái)伺服電機(jī)最終扭矩一致，這就要保證四臺(tái)伺服電機(jī)在整個(gè)擰緊過程中的控制轉(zhuǎn)速不能有較大的偏差。比如當(dāng)其中一個(gè)電機(jī)出現(xiàn)工作不穩(wěn)定或者受到一定外界干擾時(shí)，其他三臺(tái)伺服電機(jī)就要迅速做出反應(yīng)及速度調(diào)整，以此保證四臺(tái)伺服電機(jī)具有同步的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)能力。本文提出一種基于模糊PID的多軸伺服電機(jī)控制算法來解決以上問題：運(yùn)用轉(zhuǎn)動(dòng)速度補(bǔ)償方法對(duì)多軸擰緊系統(tǒng)中的四臺(tái)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行補(bǔ)償，即通過修正對(duì)四臺(tái)伺服電機(jī)的指令速度達(dá)到伺服電機(jī)同步轉(zhuǎn)動(dòng)的目的。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的四電機(jī)同步控制原理如圖5所示。其中，N表示設(shè)定扭矩值，N1表示伺服電機(jī)1輸出扭矩值，N2 表示伺服電機(jī)2 輸出扭矩值，N3 表示伺服電機(jī)3 輸出扭矩值，N4 表示伺服電機(jī)4 輸出扭矩值。V1 表示伺服電機(jī)1實(shí)際速度，V2表示伺服電機(jī)2實(shí)際速度，V3表示伺服電機(jī)3實(shí)際速度，V4表示伺服電機(jī)4實(shí)際速度。圖5中分別有扭矩檢測(cè)1、扭矩檢測(cè)2、扭矩檢測(cè)3 和扭矩檢測(cè)4。當(dāng)四臺(tái)伺服電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)比對(duì)四個(gè)扭矩檢測(cè)值。當(dāng)某個(gè)電機(jī)的扭矩值過大或者過小時(shí)，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)四臺(tái)伺服電機(jī)的同步扭矩控制，

3.2 模糊PID控制算法實(shí)現(xiàn)思路

為了進(jìn)一步提高多軸擰緊過程中伺服電機(jī)的同步控制，本文在傳統(tǒng)PID 控制算法的基礎(chǔ)上引入模糊邏輯思想。該算法將傳統(tǒng)PID 和模糊邏輯控制器相結(jié)合，互相反饋。利用模糊邏輯推理的思路，根據(jù)伺服電機(jī)速度的偏差變化率對(duì)PID控制系統(tǒng)中的三個(gè)參數(shù)Kp、Ki、Kd進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)控制調(diào)整。PID控制器根據(jù)參數(shù)Kp、Ki、Kd對(duì)多軸擰緊系統(tǒng)中的四臺(tái)伺服電機(jī)輸出速度進(jìn)行控制。以滿足不同階段對(duì)控制參數(shù)的不同要求，從而使系統(tǒng)保持一定的穩(wěn)定性。其中，本系統(tǒng)中的四臺(tái)伺服電機(jī)分別采用不同的PID 參數(shù)，每臺(tái)伺服電機(jī)對(duì)應(yīng)自己的一組PID 參數(shù)，以保證各個(gè)電機(jī)控制的獨(dú)立性。因此，本文提出的模糊PID 控制算法兼具了PID 控制算法和模糊邏輯控制算法的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免了這兩個(gè)控制算法的弊端。

下面對(duì)本系統(tǒng)中的模糊控制器進(jìn)行詳細(xì)分析。模糊控制器是在人的大腦思考的基礎(chǔ)上，采用模糊邏輯/模糊語言來模擬人們平常的操作習(xí)慣和常識(shí)判斷的推理。在模糊邏輯控制系統(tǒng)中輸出偏差和輸入變化率（偏差的微分）作為輸入，PID 三個(gè)參數(shù)作為輸出。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)過程的控制。具體的本文模糊控制結(jié)構(gòu)包括輸入量的模糊化、模糊推理、解模糊化、知識(shí)庫等[12-14]，基本結(jié)構(gòu)如圖6所示。

根據(jù)圖6可知，V1是輸入速度，V2是目標(biāo)速度值，兩個(gè)速度進(jìn)行差值處理后得到模糊邏輯控制系統(tǒng)的偏差e和變化率ec。由于模糊邏輯系統(tǒng)是數(shù)字化控制，因此需要將偏差和偏差率進(jìn)行量化分別得到E和EC。其中E和EC即為模糊控制系統(tǒng)的輸入，圖中Kp、Ki、Kd三個(gè)參數(shù)是經(jīng)過模糊邏輯控制系統(tǒng)后的輸出。

根據(jù)以上分析可知，模糊PID控制器的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

(1) 確定模糊PID 控制器的輸入和輸出變量。輸入為E和EC，輸出為Kp、Ki、Kd，并確定控制系數(shù)初值。

(2) 確定控制變量的模糊集合，并將集合劃分為不同的區(qū)間，最后為其設(shè)定各自的模糊隸屬函數(shù)。

(3) 設(shè)計(jì)模糊邏輯控制規(guī)則，給出各個(gè)參數(shù)的基本原則控制表。

(4) 最后針對(duì)系統(tǒng)的控制特點(diǎn)選取合適的解模糊方法，根據(jù)建立的模糊規(guī)則計(jì)算模糊控制輸出三個(gè)參數(shù)Kp、Ki、Kd。

(5) 將通過模糊邏輯控制算法得到的Kp、Ki、Kd三個(gè)參數(shù)帶入PID伺服電機(jī)控制器中，對(duì)PID的控制進(jìn)行調(diào)整。

3.3 模糊PID控制算法軟件實(shí)現(xiàn)

根據(jù)3．2節(jié)模糊PID算法的流程分析可知，設(shè)計(jì)模糊PID控制算法的PLC軟件實(shí)現(xiàn)流程，如圖7所示。圖7表示了模糊PID算法軟件流程圖。在實(shí)際多軸擰緊系統(tǒng)工作過程中，控制器PLC 不斷通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器監(jiān)控四臺(tái)電機(jī)的速度，并實(shí)時(shí)計(jì)算出電機(jī)速度的偏差e 和偏差變化率ec，然后將其模糊化，得到相應(yīng)的量值E和EC。通過離線的方式存入控制器的模糊控制查詢表中，得到三個(gè)參數(shù)的調(diào)整量，從而完成PID參數(shù)的調(diào)節(jié)。

雖然模糊查詢具有一定的延時(shí)，但是模糊查詢表是離線進(jìn)行的。因此，從電機(jī)實(shí)時(shí)控制角度來考慮，該方法絲毫不會(huì)影響算法對(duì)伺服電機(jī)速度的實(shí)時(shí)控制。實(shí)際結(jié)果表明，完全能滿足實(shí)時(shí)控制的要求。

4 結(jié)果與分析

根據(jù)以上分析設(shè)計(jì)基于PLC的電動(dòng)多軸擰緊控制系統(tǒng)，其三維圖如圖8所示。這個(gè)設(shè)備尺寸較小，運(yùn)行方便，可通過手推進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工作。圖9為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖，包括整個(gè)設(shè)備架構(gòu)及控制器和顯示器。該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)軌道車輛底部的四個(gè)螺絲同時(shí)擰緊。

最后，為了驗(yàn)證本文提出的模糊PID控制算法性能，根據(jù)本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)多軸擰緊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下試驗(yàn)。多軸自動(dòng)擰緊裝置需要精確控制擰緊扭矩完成軌道車輛底部的擰緊過程，擰緊效果的好壞最終是由擰緊扭矩是否合格來判斷。本系統(tǒng)要求的軌道車輛底部的擰緊目標(biāo)扭矩為27N m，允許的最大扭矩偏差為0．1N m，軌道車輛底部的目標(biāo)扭矩為27N m，扭矩精度為1%。本文設(shè)計(jì)的多軸自動(dòng)擰緊裝置主要需要解決對(duì)軌道車輛底部的擰緊扭矩的精確控制，從而獲得良好的擰緊效果。

圖10是其中某個(gè)伺服電機(jī)采用本文提出的模糊PID控制算法和扭矩控制算法測(cè)試數(shù)據(jù)分布曲線圖。共進(jìn)行了50 次測(cè)試，即圖10中每種方法有50 個(gè)測(cè)試點(diǎn)。其中，藍(lán)色線表示扭矩控制算法，紅色線表示本文提出的模糊PID控制算法。直觀可以看出采用扭矩控制算法得到的測(cè)試數(shù)據(jù)波動(dòng)很大，偏離目標(biāo)扭矩最大值達(dá)到了0．4N m。通過計(jì)算可知，扭矩控制算法精度為1．4%，超出了要求的1%扭矩精度。而采用模糊PID控制算法（紅線）得到的測(cè)試數(shù)據(jù)相較于扭矩控制算法得到的測(cè)試數(shù)據(jù)較平穩(wěn)，偏離目標(biāo)扭矩最大只有0．1N m，扭矩控制精度達(dá)到了0．3%，滿足了扭矩精度要求。

5 結(jié)束語

針對(duì)目前軌道車輛車廂底部裝配問題，本文設(shè)計(jì)了一種多軸擰緊系統(tǒng)?；赑LC 控制器為核心，實(shí)現(xiàn)了多軸自動(dòng)擰緊功能。同時(shí)，引入模糊PID控制算法思想，在傳統(tǒng)PID 控制算法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高多軸擰緊性能。最后，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)多軸擰緊系統(tǒng)能夠滿足軌道車輛車廂底部裝配需求，保證裝配平面同時(shí)貼合；在施工時(shí)，扭矩的誤差值極小，保障了城軌的安全性能。