基于PLC的电动多轴拧紧控制系统设计

陈 飞,杨晓云,刘 艳,陈同兴,张 阳

（中车南京浦镇车辆有限公司，江苏 南京 210031）

1 引言

随着我国自动控制生产技术的快速发展，节约成本降低劳动力，大力提高劳动生产效率已成为工业发展的必然趋势。然而，在国内大部分工业生产中，由于传统工艺等原因，装配生产线上广泛采用手动或气动扳手进行螺纹拧紧。一方面，这给自动化工业生产带来了操作不方便、效率低下等困难。另一方面，在螺纹拧紧过程中气动和液动扳手依靠较大的冲击力来拧紧被测对象的，这直接导致了螺丝拧紧精度低及效果差的问题。尤其是在轨道交通、汽车、制冷压缩机、发动机、内燃机等对螺纹拧紧的扭矩和角度要求很高的场合[1-2]。

目前，现有的装配轨道车辆过程中存在以下几个问题：首先，在轨道车辆车厢底部装配时，人工或者液动扳手不能多轴同时拧紧，进而导致车厢底部装配平面不能同时贴合。其次，单轴多次拧紧导致轨道车辆车厢底部8颗螺栓预紧力不同。最后，采用手动拧紧扳手校验扭矩时，扭矩会根据操作工人的使用方法、熟练程度等发生变化。扭矩的误差值也会增大。需要多个工序进行作业，耗时长[3-5]。而且每次进行操作时，都需要熟练的技术人员完成作业，专一性强。同时在装配拧紧的过程中，因为纯靠手动，无法复制精准的装配力度以及拧紧的调节精度。进而导致轨道交通车辆底部装配、维修等质量无法得到保障，从而影响交通安全。

做为螺纹拧紧中最常用的控制方法扭矩控制法的特点是整个拧紧过程分为高速拧紧和低速拧紧两个过程。为了保证装配拧紧的精度，在低速拧紧过程中，通常需要将拧紧电机的速度调至很低，导致完成一个设备装配需要较长的时间，无法满足高效率自动化生产需求。由于多轴自动拧紧系统对阀帽和冲注阀帽是同时拧紧的，这就需要在拧紧过程中对两台伺服电机实行同步控制，防止因为两台伺服电机之间的速度差异导致截止阀两个阀帽受力不均匀，从而使得拧紧扭矩差异很大，不能保证一致性[6-7]。简而言之，在多轴自动拧紧过程中，两台或者多台伺服电机尽可能要保持同步，即扭矩值尽可能一致。因此，探索伺服电机同步控制算法就显得非常重要。

根据以上分析，本文立足于轨道交通车辆车厢底部多轴螺丝装配，设计一种基于PLC 的电动多轴拧紧控制系统。该系统采用西门子PLC 做为核心控制器，为了进一步提高多轴电机同步控制，本文引入一种模糊PID 优化算法。通过试验表明，本文设计的多轴拧紧控制系统能够进一步提高装配速度。

2 系统结构及工作原理

2.1 控制系统总体方案

本文设计的多轴拧紧系统主要包括以拧紧车和辅助车两部分组成，其中拧紧车包括：升降子系统、拧紧执行器、PLC控制模块以及人机交互界面。辅助车包括：变压器、电源控制子系统以及气路子系统，具体如图1所示。

首先，针对升降子系统而言，主要包括：旋转轴、纵向移动机构、定位固定板以及平移板，主要实现设备的升降调节功能，以方便对车辆底部进行工作。拧紧执行机构主要由电动拧紧轴组成，主要实现拧紧任务；PLC控制器实现对拧紧轴的控制；人机交互界面主要实现工作人员对整个设备的控制及数据显示存储；辅助车部分主要包括变压器、电源控制子系统以及气路子系统等。该设备是移动车结构。采用手动推动车体，人工对位的方式进行操作。工件及拧紧轴升降采用气缸带动，由平衡气路控制，便于停留在任意位置。极大的减轻了工人的劳动强度。具体工作流程如图2所示。

2.2 拧紧执行器及PLC控制器

该系统的电器部分主要由拧紧执行器及PLC控制器组成，采用485 和以太网总线的控制方式，减少相应的接线，给维护带来方便。同时各种保护设施齐全，执行元件均采用直流24V电压，操作安全，扭矩扳手选用日本第一电通DDK 品牌，该扳手的精度可以达到3%，满足了汽车行业的标准[8-11]。

多轴自动拧紧控制系统的开关设置在拧紧单元的操作手柄上，方便技术人员快捷操作；电动4轴同时拧紧，具有各轴独立控制功能。当轴拧紧力矩达到设定值时，各轴同时自动停止动作，可通过开关快捷地控制轴的正反转。轴旋转时不偏摆，拧紧单元在120 度范围内可转动，整体尺寸便于操作者操作。当各轴的拧紧力矩不合格时，分别有声光提示迅速报警。图3为PLC 控制器程序流程图。从图3中可以看出，整个拧紧过程分为两大部分：高速拧紧和低速拧紧。其中高速拧紧以目标扭矩的80%作为条件，当满足此条件后，自动进入低速拧紧阶段。在低速拧紧状态下，系统直接工作到目标扭矩，最终完成拧紧控制。

图4为拧紧执行器及PLC 控制器实现框图，其中该装置上集成4根电动拧紧轴、轴控制器、电控柜、电气控制系统、操作控制面板等。通过该拧紧装置上的电动拧紧轴将装配中心销的8颗螺栓分2次拧紧（一次拧紧4颗）。拧紧数据可与条形码绑定，并能存储在工控机内，实现拧紧数据的存储、分析和追溯等。

3 基于模糊PID的多轴电机同步控制算法设计

3.1 多轴拧紧电机同步控制实现

本系统所采用的多轴自动拧紧装置需要同步控制四台伺服电机以完成轨道车辆车厢底部多轴同时拧紧。要想保证四台伺服电机最终扭矩一致，这就要保证四台伺服电机在整个拧紧过程中的控制转速不能有较大的偏差。比如当其中一个电机出现工作不稳定或者受到一定外界干扰时，其他三台伺服电机就要迅速做出反应及速度调整，以此保证四台伺服电机具有同步的转动速度和转动能力。本文提出一种基于模糊PID的多轴伺服电机控制算法来解决以上问题：运用转动速度补偿方法对多轴拧紧系统中的四台伺服电机的转动速度进行补偿，即通过修正对四台伺服电机的指令速度达到伺服电机同步转动的目的。本系统设计的四电机同步控制原理如图5所示。其中，N表示设定扭矩值，N1表示伺服电机1输出扭矩值，N2 表示伺服电机2 输出扭矩值，N3 表示伺服电机3 输出扭矩值，N4 表示伺服电机4 输出扭矩值。V1 表示伺服电机1实际速度，V2表示伺服电机2实际速度，V3表示伺服电机3实际速度，V4表示伺服电机4实际速度。图5中分别有扭矩检测1、扭矩检测2、扭矩检测3 和扭矩检测4。当四台伺服电机开始转动时，系统会实时比对四个扭矩检测值。当某个电机的扭矩值过大或者过小时，系统会及时控制电机转速，进而实现四台伺服电机的同步扭矩控制，

3.2 模糊PID控制算法实现思路

为了进一步提高多轴拧紧过程中伺服电机的同步控制，本文在传统PID 控制算法的基础上引入模糊逻辑思想。该算法将传统PID 和模糊逻辑控制器相结合，互相反馈。利用模糊逻辑推理的思路，根据伺服电机速度的偏差变化率对PID控制系统中的三个参数Kp、Ki、Kd进行动态实时控制调整。PID控制器根据参数Kp、Ki、Kd对多轴拧紧系统中的四台伺服电机输出速度进行控制。以满足不同阶段对控制参数的不同要求，从而使系统保持一定的稳定性。其中，本系统中的四台伺服电机分别采用不同的PID 参数，每台伺服电机对应自己的一组PID 参数，以保证各个电机控制的独立性。因此，本文提出的模糊PID 控制算法兼具了PID 控制算法和模糊逻辑控制算法的优点，同时避免了这两个控制算法的弊端。

下面对本系统中的模糊控制器进行详细分析。模糊控制器是在人的大脑思考的基础上，采用模糊逻辑/模糊语言来模拟人们平常的操作习惯和常识判断的推理。在模糊逻辑控制系统中输出偏差和输入变化率（偏差的微分）作为输入，PID 三个参数作为输出。从而实现对工业过程的控制。具体的本文模糊控制结构包括输入量的模糊化、模糊推理、解模糊化、知识库等[12-14]，基本结构如图6所示。

根据图6可知，V1是输入速度，V2是目标速度值，两个速度进行差值处理后得到模糊逻辑控制系统的偏差e和变化率ec。由于模糊逻辑系统是数字化控制，因此需要将偏差和偏差率进行量化分别得到E和EC。其中E和EC即为模糊控制系统的输入，图中Kp、Ki、Kd三个参数是经过模糊逻辑控制系统后的输出。

根据以上分析可知，模糊PID控制器的实现步骤如下：

(1) 确定模糊PID 控制器的输入和输出变量。输入为E和EC，输出为Kp、Ki、Kd，并确定控制系数初值。

(2) 确定控制变量的模糊集合，并将集合划分为不同的区间，最后为其设定各自的模糊隶属函数。

(3) 设计模糊逻辑控制规则，给出各个参数的基本原则控制表。

(4) 最后针对系统的控制特点选取合适的解模糊方法，根据建立的模糊规则计算模糊控制输出三个参数Kp、Ki、Kd。

(5) 将通过模糊逻辑控制算法得到的Kp、Ki、Kd三个参数带入PID伺服电机控制器中，对PID的控制进行调整。

3.3 模糊PID控制算法软件实现

根据3．2节模糊PID算法的流程分析可知，设计模糊PID控制算法的PLC软件实现流程，如图7所示。图7表示了模糊PID算法软件流程图。在实际多轴拧紧系统工作过程中，控制器PLC 不断通过电机驱动器监控四台电机的速度，并实时计算出电机速度的偏差e 和偏差变化率ec，然后将其模糊化，得到相应的量值E和EC。通过离线的方式存入控制器的模糊控制查询表中，得到三个参数的调整量，从而完成PID参数的调节。

虽然模糊查询具有一定的延时，但是模糊查询表是离线进行的。因此，从电机实时控制角度来考虑，该方法丝毫不会影响算法对伺服电机速度的实时控制。实际结果表明，完全能满足实时控制的要求。

4 结果与分析

根据以上分析设计基于PLC的电动多轴拧紧控制系统，其三维图如图8所示。这个设备尺寸较小，运行方便，可通过手推进行现场工作。图9为现场实物图，包括整个设备架构及控制器和显示器。该设备能够实现对轨道车辆底部的四个螺丝同时拧紧。

最后，为了验证本文提出的模糊PID控制算法性能，根据本文设计的电动多轴拧紧控制系统设计如下试验。多轴自动拧紧装置需要精确控制拧紧扭矩完成轨道车辆底部的拧紧过程，拧紧效果的好坏最终是由拧紧扭矩是否合格来判断。本系统要求的轨道车辆底部的拧紧目标扭矩为27N m，允许的最大扭矩偏差为0．1N m，轨道车辆底部的目标扭矩为27N m，扭矩精度为1%。本文设计的多轴自动拧紧装置主要需要解决对轨道车辆底部的拧紧扭矩的精确控制，从而获得良好的拧紧效果。

图10是其中某个伺服电机采用本文提出的模糊PID控制算法和扭矩控制算法测试数据分布曲线图。共进行了50 次测试，即图10中每种方法有50 个测试点。其中，蓝色线表示扭矩控制算法，红色线表示本文提出的模糊PID控制算法。直观可以看出采用扭矩控制算法得到的测试数据波动很大，偏离目标扭矩最大值达到了0．4N m。通过计算可知，扭矩控制算法精度为1．4%，超出了要求的1%扭矩精度。而采用模糊PID控制算法（红线）得到的测试数据相较于扭矩控制算法得到的测试数据较平稳，偏离目标扭矩最大只有0．1N m，扭矩控制精度达到了0．3%，满足了扭矩精度要求。

5 结束语

针对目前轨道车辆车厢底部装配问题，本文设计了一种多轴拧紧系统。基于PLC 控制器为核心，实现了多轴自动拧紧功能。同时，引入模糊PID控制算法思想，在传统PID 控制算法的基础上，进一步提高多轴拧紧性能。最后，通过试验验证了本文设计的电动多轴拧紧系统能够满足轨道车辆车厢底部装配需求，保证装配平面同时贴合；在施工时，扭矩的误差值极小，保障了城轨的安全性能。