基于EtherCAT總線的發動機壓裝閉環控制系統的研究

黃公安，高偉強，潘云龍，閻秋生，鄒敏清

(廣東工業大學機電工程學院，廣東廣州510006)

發動機中有許多過盈配合的零件(如:如氣門導管、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，過盈零件的壓裝質量對于發動機的最終質量起著至關重要的作用［1］。在目前的壓裝系統中，國內以采用液壓缸的壓裝力(以下簡稱壓力)半環控制和位置開環控制為主［2］，已不能滿足汽車制造業的高精度、高效、節能、數控化的需求，而國外已經開始研究基于伺服電動缸的數字化全閉環壓裝技術。

發動機裝配線的壓裝控制系統不僅要滿足可靠性、穩定性的要求，還要滿足響應速度快、實時性高、同步性好以及抗干擾能力強等要求。文中采用由德國倍福自動化有限公司提出的實時以太網總線技術EtherCAT，使用EtherCAT 數據幀進行通信，能夠提高數據傳輸速度和可靠性，同時提高多軸的同步性能。

介紹了基于EtherCAT 實時總線的發動機數字化壓裝控制系統的總體結構，提出了壓裝控制系統的基本要求，同時對模糊PID 控制算法在壓裝過程的應用進行了論述，最后根據控制要求搭建了控制軟件的整體架構。

1 基于EtherCAT 總線的發動機壓裝閉環控制系統結構

1.1 發動機電動伺服壓裝閉環控制系統的基本要求

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

對于具有兩個或兩個以上壓裝頭的壓裝設備，還需要支持對多個壓裝頭的送料、運動定位、涂膠和壓裝等過程的控制。因此，壓裝控制系統應具有較好的適應性和擴展性，以保證設備層的柔性可重構。

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

針對上述分析，提出了發動機電動伺服壓裝控制系統的基本要求:

(1)應具有快速精確點位運動控制能力，以實現壓裝頭高效準確定位;

(2)應具有較好的柔性可重構性能，以適應不同壓裝類型和多頭壓裝的需求;

(3)應具有較強的壓力－ 位置控制能力，以確保壓裝零件裝配質量;

(4)應具有較高的可靠性和穩定性，以確保生產線連續可靠安全運行;

(5)應具有組網實時通信功能，以實現自動生產線聯網控制。

1.2 伺服電動壓裝控制系統構成

壓裝控制系統由界面層、控制層和設備層三部分組成。界面層提供人－機交互界面，主要完成參數設置、加工狀態監測、生產線聯網通信等功能;控制層是系統的核心，完成實時信息采集處理、閉環控制及邏輯運算等工作，并將控制信息以指令形式向設備層發送;設備層是系統的執行機構，它根據從控制層接收的指令信號完成送料、定位、涂膠、壓裝等工作。

該系統采用由伺服電動缸、位置傳感器、測力傳感器等組成的控制系統替代原有的液壓控制系統實現壓力裝配過程中的壓力－位置閉環控制。為保障系統的可靠性，使系統安裝調試更方便，設備層的柔性可重構性能和擴展性能更好，以及實現全數字閉環控制的目的，該系統采用了EtherCAT 總線實現控制層與設備層數據的實時傳輸。圖1 為伺服電動壓裝控制系統的構成圖。

圖1 伺服電動壓裝控制系統的構成圖

IPC(工業PC)與TwinCAT 組態軟件一起構成EtherCAT 主站，界面層和控制層在主站中得以實現。主站使用標準的以太網控制器，利用網絡接口卡NIC(Network Interface Card)發送和接收數據，實現與設備層的通信［3］。EtherCAT 模塊包括A/D 模塊、I/O模塊和脈沖計數、伺服驅動模塊，主要完成對位置、速度運動控制以及閥門開關量等控制信號的發送，以及實現對光柵尺、壓力傳感器和限位開關量等反饋信號的采集。

2 設備層執行機構

2.1 壓裝過程壓力－位置監測控制機構

壓裝過程壓力－位置監測控制機構是壓裝設備的核心，主要由光柵尺位置傳感器、應變式壓力傳感器及其信號變送器、伺服電動缸組成。圖2 是監測控制機構的示意圖。

圖2 壓裝過程壓力－位置監測控制機構示意圖

2.2 伺服電動缸

伺服電動缸是將伺服電機與絲杠一體化設計的模塊化產品，將伺服電機的旋轉運動轉換成直線運動，能夠實現對速度、位置和推力的精確控制。與液壓壓裝系統相比，采用伺服電動缸的壓裝系統具有響應速度快、定位精度高、易實現數字全閉環控制等特點。

2.3 壓裝頭定位機構

每個壓裝頭都帶有兩坐標伺服電機，利用伺服電機自帶的編碼器構成半閉環位置控制，實現快速精確平面定位，保證壓裝頭中心線與機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壓裝系統的壓裝效率和壓裝質量，如果定位精度不夠，有可能會出現壓裝不能順利進行、壓裝產品氣密性不夠好等問題。

2.4 其他執行機構

把第2.2 節和第2.3 節所講的兩種機構組裝起來已經能夠完成基本的一次壓裝過程，但是在工業生產中需要滿足連續、穩定、高效、安全生產的要求，這就需要相應的輔助執行機構，用于完成送料、定位、涂膠、限位等工作，這些機構主要包括輥子零件傳輸機構、光電控制預定位機構、機械－液壓定位夾緊機構、振動料斗送料機構，行程開關等。這樣，通過上述幾種機構就可以實現自動化的壓裝生產。

3 閉環控制原理

在壓裝控制系統中，主要對位置、速度和壓力3個參數進行控制和監測，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動機的裝配質量，壓裝過程中需嚴格控制。在此采用通用的光柵尺對執行機構實現位置閉環控制，獲取執行機構的實時位置，以及確保工件壓裝到位。

壓裝力受到負載因素和電機因素的影響。負載因素主要有工件之間的過盈量、摩擦因數等。電機因素主要是指電機的控制性能，由電機的輸出轉矩公式T=9 550P/N 可知，在功率P 一定的情況下轉矩T 和轉速N 具有反比關系，所以通過控制速度可以調節壓裝力。

3.1 壓力－位置閉環控制

在壓裝系統中利用光柵尺得到實際的位移，然后根據位移的變化獲取速度，通過控制速度去調節壓力，同時把壓力傳感器反饋的實際壓裝力與理想的壓力進行比較，根據比較的結果確定速度的變化趨勢，最終實現壓力－位置閉環控制。

但是在壓裝控制過程中，由于無法直接控制電機的轉矩，對壓裝過程中產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，所以壓力的變化過程是一個非線性的動態過程。根據零件的材料、配合件的過盈量，可通過實驗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，在壓入的過程中實時檢測壓力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，具有時變、滯后等特性。常規PID 控制器以其成熟的技術已在工業控制中得到廣泛應用，但是它只能利用一組固定的參數進行控制，不能兼顧動態和靜態性能，魯棒性較差，對非線性、大時滯、時變參數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學模型難以獲取、動態特性不易掌握(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穩態誤差的性能比較差，難以達到較高的控制精度［7］。模糊PID 控制結合了兩者的優點，彌補了兩者的不足，已經在控制領域得到了廣泛的應用。

在壓裝過程中，由于把壓力值作為主要監視對象，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，根據以往的控制經驗建立相應的隸屬函數和知識庫。模糊控制的主要任務就是要找出PID 控制的3 個參數(Kp，Ki，Kd)與ΔF 和ΔF'之間的模糊關系，在控制過程中不斷檢測ΔF 和ΔF'，根據確定的模糊控制規則對PID 3 個控制參數進行在線整定，滿足不同ΔF 和ΔF'時對3 個參數的動態要求，從而使PID 控制處于最優工作狀態，滿足控制性能要求。

4 控制軟件設計

控制軟件在Windows 實時環境下采用TwinCAT組態軟件和QT 編程軟件開發，主要用于參數配置、狀態反饋顯示、運動控制與PLC 控制以及實時數據通信處理等。

4.1 控制軟件的整體架構

圖3 是控制軟件的整體架構圖。

圖3 控制軟件的整體架構

由圖3 可以看出，整個控制軟件主要在QT 環境下開發，主要包括3 個模塊:運行狀態的實時監控和顯示模塊、手動控制模塊以及自動控制模塊，其中自動控制控制模塊包含有模糊PID 控制算法。控制軟件發出的命令數據必須通過TwinCAT 軟件才能到達設備層，同時設備層反饋的數據也必須先經過TwinCAT軟件才能到達控制軟件，所以在壓裝控制過程中要同時啟動控制軟件和TwinCAT 軟件，才能實現數據的實時通信。

TwinCAT 組態軟件由實時環境和在開發環境中執行控制程序的實時系統組成，主要用于編程、診斷和系統配置，可以實現軟PLC 控制和軟移動控制。

4.2 TwinCAT 組態軟件與QT 的數據接口

為了方便用戶使用常用的編程軟件和編程語言進行編程，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，就可以實現QT 與TwinCAT 的數據通信。同時根據控制的需求，在TwinCAT 中添加相應的輸出和輸入變量，然后生成相應的頭文件，添加的變量以結構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行操作就可以實現對設備層的控制。

5 總結

根據發動機壓裝系統的要求，使用伺服電動缸代替液壓缸設計了一套發動壓裝控制系統。新型的實時工業以太網EtherCAT 總線技術的使用有效地提高了設備層和控制層之間數據傳輸的準確性、快速性和穩定性，同時降低了生產成本。把模糊PID 技術應用到壓裝控制系統中，符合壓裝力控制的要求，實現了壓力－位置閉環控制。最終，把伺服電動缸、EtherCAT技術和模糊PID 控制技術結合在一起，有效地提高了發動機自動化壓裝系統的控制性能和產品的質量。

【1】潘云龍，高偉強，閻秋生，等.基于有限元方法的發動機壓裝工藝仿真研究［J］.機電工程技術，2012，40(10):92－96.

【2】涂富田.全自動輪對壓裝機的研制［D］.成都:西南交通大學，2004.

【3】郇極，劉艷強.工業以太網現場總線EtherCAT 驅動程序設計及應用［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2010.

【4】王童謠，胡建易.模糊PID 自整定算法在PLC 中的實現［J］.遼寧科技大學學報，2010，33(2):149－152.

【5】史小磊.基于BECKHOFFTwinCAT 的開放式數控軟件的開發［D］.哈爾濱:哈爾濱工業大學，2011.

【6】王曉亮.基于EtherCAT 協議的網絡控制系統研究［D］.大連:大連理工大學，2010.

【7】劉曙光，王志宏，費佩燕，等.模糊控制的發展與展望［J］.機電工程，2000，17(1):9－12.

【8】霍玉芳，趙天明，郭玉坤.壓力、位移監測系統在缸蓋導管閥座壓裝中的應用研究［J］.工藝裝備，2011(5):73－75.