基于PLC的電動多軸擰緊控制系統設計

陳 飛,楊曉云,劉 艷,陳同興,張 陽

（中車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇 南京 210031）

1 引言

隨著我國自動控制生產技術的快速發展，節約成本降低勞動力，大力提高勞動生產效率已成為工業發展的必然趨勢。然而，在國內大部分工業生產中，由于傳統工藝等原因，裝配生產線上廣泛采用手動或氣動扳手進行螺紋擰緊。一方面，這給自動化工業生產帶來了操作不方便、效率低下等困難。另一方面，在螺紋擰緊過程中氣動和液動扳手依靠較大的沖擊力來擰緊被測對象的，這直接導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、發動機、內燃機等對螺紋擰緊的扭矩和角度要求很高的場合[1-2]。

目前，現有的裝配軌道車輛過程中存在以下幾個問題：首先，在軌道車輛車廂底部裝配時，人工或者液動扳手不能多軸同時擰緊，進而導致車廂底部裝配平面不能同時貼合。其次，單軸多次擰緊導致軌道車輛車廂底部8顆螺栓預緊力不同。最后，采用手動擰緊扳手校驗扭矩時，扭矩會根據操作工人的使用方法、熟練程度等發生變化。扭矩的誤差值也會增大。需要多個工序進行作業，耗時長[3-5]。而且每次進行操作時，都需要熟練的技術人員完成作業，專一性強。同時在裝配擰緊的過程中，因為純靠手動，無法復制精準的裝配力度以及擰緊的調節精度。進而導致軌道交通車輛底部裝配、維修等質量無法得到保障，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是整個擰緊過程分為高速擰緊和低速擰緊兩個過程。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的速度調至很低，導致完成一個設備裝配需要較長的時間，無法滿足高效率自動化生產需求。由于多軸自動擰緊系統對閥帽和沖注閥帽是同時擰緊的，這就需要在擰緊過程中對兩臺伺服電機實行同步控制，防止因為兩臺伺服電機之間的速度差異導致截止閥兩個閥帽受力不均勻，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，在多軸自動擰緊過程中，兩臺或者多臺伺服電機盡可能要保持同步，即扭矩值盡可能一致。因此，探索伺服電機同步控制算法就顯得非常重要。

根據以上分析，本文立足于軌道交通車輛車廂底部多軸螺絲裝配，設計一種基于PLC 的電動多軸擰緊控制系統。該系統采用西門子PLC 做為核心控制器，為了進一步提高多軸電機同步控制，本文引入一種模糊PID 優化算法。通過試驗表明，本文設計的多軸擰緊控制系統能夠進一步提高裝配速度。

2 系統結構及工作原理

2.1 控制系統總體方案

本文設計的多軸擰緊系統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、擰緊執行器、PLC控制模塊以及人機交互界面。輔助車包括：變壓器、電源控制子系統以及氣路子系統，具體如圖1所示。

首先，針對升降子系統而言，主要包括：旋轉軸、縱向移動機構、定位固定板以及平移板，主要實現設備的升降調節功能，以方便對車輛底部進行工作。擰緊執行機構主要由電動擰緊軸組成，主要實現擰緊任務；PLC控制器實現對擰緊軸的控制；人機交互界面主要實現工作人員對整個設備的控制及數據顯示存儲；輔助車部分主要包括變壓器、電源控制子系統以及氣路子系統等。該設備是移動車結構。采用手動推動車體，人工對位的方式進行操作。工件及擰緊軸升降采用氣缸帶動，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強度。具體工作流程如圖2所示。

2.2 擰緊執行器及PLC控制器

該系統的電器部分主要由擰緊執行器及PLC控制器組成，采用485 和以太網總線的控制方式，減少相應的接線，給維護帶來方便。同時各種保護設施齊全，執行元件均采用直流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到3%，滿足了汽車行業的標準[8-11]。

多軸自動擰緊控制系統的開關設置在擰緊單元的操作手柄上，方便技術人員快捷操作；電動4軸同時擰緊，具有各軸獨立控制功能。當軸擰緊力矩達到設定值時，各軸同時自動停止動作，可通過開關快捷地控制軸的正反轉。軸旋轉時不偏擺，擰緊單元在120 度范圍內可轉動，整體尺寸便于操作者操作。當各軸的擰緊力矩不合格時，分別有聲光提示迅速報警。圖3為PLC 控制器程序流程圖。從圖3中可以看出，整個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扭矩的80%作為條件，當滿足此條件后，自動進入低速擰緊階段。在低速擰緊狀態下，系統直接工作到目標扭矩，最終完成擰緊控制。

圖4為擰緊執行器及PLC 控制器實現框圖，其中該裝置上集成4根電動擰緊軸、軸控制器、電控柜、電氣控制系統、操作控制面板等。通過該擰緊裝置上的電動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）。擰緊數據可與條形碼綁定，并能存儲在工控機內，實現擰緊數據的存儲、分析和追溯等。

3 基于模糊PID的多軸電機同步控制算法設計

3.1 多軸擰緊電機同步控制實現

本系統所采用的多軸自動擰緊裝置需要同步控制四臺伺服電機以完成軌道車輛車廂底部多軸同時擰緊。要想保證四臺伺服電機最終扭矩一致，這就要保證四臺伺服電機在整個擰緊過程中的控制轉速不能有較大的偏差。比如當其中一個電機出現工作不穩定或者受到一定外界干擾時，其他三臺伺服電機就要迅速做出反應及速度調整，以此保證四臺伺服電機具有同步的轉動速度和轉動能力。本文提出一種基于模糊PID的多軸伺服電機控制算法來解決以上問題：運用轉動速度補償方法對多軸擰緊系統中的四臺伺服電機的轉動速度進行補償，即通過修正對四臺伺服電機的指令速度達到伺服電機同步轉動的目的。本系統設計的四電機同步控制原理如圖5所示。其中，N表示設定扭矩值，N1表示伺服電機1輸出扭矩值，N2 表示伺服電機2 輸出扭矩值，N3 表示伺服電機3 輸出扭矩值，N4 表示伺服電機4 輸出扭矩值。V1 表示伺服電機1實際速度，V2表示伺服電機2實際速度，V3表示伺服電機3實際速度，V4表示伺服電機4實際速度。圖5中分別有扭矩檢測1、扭矩檢測2、扭矩檢測3 和扭矩檢測4。當四臺伺服電機開始轉動時，系統會實時比對四個扭矩檢測值。當某個電機的扭矩值過大或者過小時，系統會及時控制電機轉速，進而實現四臺伺服電機的同步扭矩控制，

3.2 模糊PID控制算法實現思路

為了進一步提高多軸擰緊過程中伺服電機的同步控制，本文在傳統PID 控制算法的基礎上引入模糊邏輯思想。該算法將傳統PID 和模糊邏輯控制器相結合，互相反饋。利用模糊邏輯推理的思路，根據伺服電機速度的偏差變化率對PID控制系統中的三個參數Kp、Ki、Kd進行動態實時控制調整。PID控制器根據參數Kp、Ki、Kd對多軸擰緊系統中的四臺伺服電機輸出速度進行控制。以滿足不同階段對控制參數的不同要求，從而使系統保持一定的穩定性。其中，本系統中的四臺伺服電機分別采用不同的PID 參數，每臺伺服電機對應自己的一組PID 參數，以保證各個電機控制的獨立性。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點，同時避免了這兩個控制算法的弊端。

下面對本系統中的模糊控制器進行詳細分析。模糊控制器是在人的大腦思考的基礎上，采用模糊邏輯/模糊語言來模擬人們平常的操作習慣和常識判斷的推理。在模糊邏輯控制系統中輸出偏差和輸入變化率（偏差的微分）作為輸入，PID 三個參數作為輸出。從而實現對工業過程的控制。具體的本文模糊控制結構包括輸入量的模糊化、模糊推理、解模糊化、知識庫等[12-14]，基本結構如圖6所示。

根據圖6可知，V1是輸入速度，V2是目標速度值，兩個速度進行差值處理后得到模糊邏輯控制系統的偏差e和變化率ec。由于模糊邏輯系統是數字化控制，因此需要將偏差和偏差率進行量化分別得到E和EC。其中E和EC即為模糊控制系統的輸入，圖中Kp、Ki、Kd三個參數是經過模糊邏輯控制系統后的輸出。

根據以上分析可知，模糊PID控制器的實現步驟如下：

(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間，最后為其設定各自的模糊隸屬函數。

(3) 設計模糊邏輯控制規則，給出各個參數的基本原則控制表。

(4) 最后針對系統的控制特點選取合適的解模糊方法，根據建立的模糊規則計算模糊控制輸出三個參數Kp、Ki、Kd。

(5) 將通過模糊邏輯控制算法得到的Kp、Ki、Kd三個參數帶入PID伺服電機控制器中，對PID的控制進行調整。

3.3 模糊PID控制算法軟件實現

根據3．2節模糊PID算法的流程分析可知，設計模糊PID控制算法的PLC軟件實現流程，如圖7所示。圖7表示了模糊PID算法軟件流程圖。在實際多軸擰緊系統工作過程中，控制器PLC 不斷通過電機驅動器監控四臺電機的速度，并實時計算出電機速度的偏差e 和偏差變化率ec，然后將其模糊化，得到相應的量值E和EC。通過離線的方式存入控制器的模糊控制查詢表中，得到三個參數的調整量，從而完成PID參數的調節。

雖然模糊查詢具有一定的延時，但是模糊查詢表是離線進行的。因此，從電機實時控制角度來考慮，該方法絲毫不會影響算法對伺服電機速度的實時控制。實際結果表明，完全能滿足實時控制的要求。

4 結果與分析

根據以上分析設計基于PLC的電動多軸擰緊控制系統，其三維圖如圖8所示。這個設備尺寸較小，運行方便，可通過手推進行現場工作。圖9為現場實物圖，包括整個設備架構及控制器和顯示器。該設備能夠實現對軌道車輛底部的四個螺絲同時擰緊。

最后，為了驗證本文提出的模糊PID控制算法性能，根據本文設計的電動多軸擰緊控制系統設計如下試驗。多軸自動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。本系統要求的軌道車輛底部的擰緊目標扭矩為27N m，允許的最大扭矩偏差為0．1N m，軌道車輛底部的目標扭矩為27N m，扭矩精度為1%。本文設計的多軸自動擰緊裝置主要需要解決對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是其中某個伺服電機采用本文提出的模糊PID控制算法和扭矩控制算法測試數據分布曲線圖。共進行了50 次測試，即圖10中每種方法有50 個測試點。其中，藍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試數據波動很大，偏離目標扭矩最大值達到了0．4N m。通過計算可知，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）得到的測試數據相較于扭矩控制算法得到的測試數據較平穩，偏離目標扭矩最大只有0．1N m，扭矩控制精度達到了0．3%，滿足了扭矩精度要求。

5 結束語

針對目前軌道車輛車廂底部裝配問題，本文設計了一種多軸擰緊系統?；赑LC 控制器為核心，實現了多軸自動擰緊功能。同時，引入模糊PID控制算法思想，在傳統PID 控制算法的基礎上，進一步提高多軸擰緊性能。最后，通過試驗驗證了本文設計的電動多軸擰緊系統能夠滿足軌道車輛車廂底部裝配需求，保證裝配平面同時貼合；在施工時，扭矩的誤差值極小，保障了城軌的安全性能。