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英文題目：An Automatic Screw Tightening Shaft Based on Enhanced Variable Gain PID Control
翻譯：基于增強(qiáng)型變?cè)鲆?PID 控制的螺桿自動(dòng)擰緊機(jī)
資料來(lái)源： pdfs.semanticscholar.org
論文題目：基于增強(qiáng)型變?cè)鲆?PID 控制的螺桿自動(dòng) 擰緊機(jī)構(gòu)
學(xué)生姓名
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專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)
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教師職稱(chēng)
完成時(shí)間
基于增強(qiáng)型變?cè)鲆鍼ID 控制的螺桿自動(dòng)擰緊機(jī)構(gòu)
作者：S. H. Sengar1,*, A. G. Mohod1, Y. P. KhandetodSibang1， Liu2，3, Shuzhi Sam Ge4, Gang Qin2, Min Li5
作者所在單位：中國(guó)電子科技大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，成都611731
德日美工程與技術(shù)學(xué)院，達(dá)波里415712
摘要：本文提出了一種基于增強(qiáng)型變?cè)鲆?PID控制的模塊化自動(dòng)擰緊軸系統(tǒng)。 該螺旋擰緊軸適用于自主擰緊作業(yè)，具有巨大的工業(yè)應(yīng)用潛力。 由于螺桿的不確定性，將螺桿的擰緊軸和擰緊過(guò)程都建立了不確定反饋系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。 通過(guò)選擇合適的控制器參數(shù)，證明了閉環(huán)系統(tǒng)在魯斯穩(wěn)定性判據(jù)基礎(chǔ)上是穩(wěn)定的，而轉(zhuǎn)矩跟蹤誤差指數(shù)收斂到一個(gè)較小的殘差。 對(duì)螺旋擰緊軸系的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的螺旋擰緊自治系統(tǒng)是有效的。
關(guān)鍵詞：模塊化設(shè)計(jì)；自動(dòng)擰緊軸； 預(yù)緊力； PID 控制；可變?cè)鲆?
一 介紹
在裝配行業(yè)中，螺釘連接是最常見(jiàn)的連接方法之一，其中沖擊扳手起著重要的作用[1-3]。然而，在使用沖擊扳手從螺釘孔擰入或擰出螺釘?shù)倪^(guò)程中，需要操作員，這意味著預(yù)擰緊扭矩的適當(dāng)性和組裝過(guò)程的有效性取決于操作員的經(jīng)驗(yàn)。而且，預(yù)緊扭矩不合適可能會(huì)導(dǎo)致螺釘損壞或脫落。因此，在現(xiàn)代裝配行業(yè)中，高度可靠、高效的自動(dòng)螺絲擰緊機(jī)有著重要地位。
眾所周知，預(yù)緊力是螺釘擰緊過(guò)程中最重要的參數(shù)，它是使螺釘緊固在螺釘孔上而不會(huì)松動(dòng)的靜態(tài)力[4，5]。實(shí)際上，要求稍微調(diào)整扭矩以確保足夠的預(yù)緊力，但又不損壞螺釘。由于螺釘和工作條件的不同，即使是熟練的操作人員也很難用適當(dāng)?shù)牧?lái)固定所有螺釘。盡管在將螺絲釘擰入螺絲孔時(shí)，操作員可以輕松確定對(duì)齊方式，但是對(duì)于自動(dòng)機(jī)械而言，這并不是一件容易的事。因此，為了避免損壞螺絲和螺絲孔，需要一種控制方法或機(jī)械方式來(lái)學(xué)習(xí)對(duì)準(zhǔn)。
目前，PID（比例-積分-微分）控制是最常用的控制方法[6-8]，在實(shí)際應(yīng)用中已被廣泛接受并顯示出良好的性能。然而在線(xiàn)性問(wèn)題上，由于螺絲孔和螺絲之間的擰緊摩擦，螺絲和螺絲孔的材料，擰緊條件和環(huán)境溫度以及相應(yīng)的ASTS的動(dòng)力學(xué)，螺絲的擰緊過(guò)程是不確定的并且是非線(xiàn)性的。因此，具有比例、微分和積分增益的固定值的簡(jiǎn)單PID控制器可能無(wú)法提供所需的擰緊性能[9]。
在過(guò)去的幾十年中，由于以下原因，使用模糊邏輯系統(tǒng)（FL）和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NNs）[11、12]的基于逼近的控制[10]已廣泛應(yīng)用于動(dòng)力學(xué)未知的非線(xiàn)性系統(tǒng)[13-15]。它在某些緊定集上有通用逼近能力。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和FL在處理動(dòng)力學(xué)未知的復(fù)雜系統(tǒng)中具有出色的能力[16]，因此還采用了相關(guān)技術(shù)來(lái)解決實(shí)際系統(tǒng)中的控制問(wèn)題，包括機(jī)器人操縱器[17]，螺釘連接[18]和輪式倒立擺。 [19]。為了控制螺釘?shù)臄Q緊，在一些研究中提出了幾種方法和算法。在[9，18]中，提出了一種無(wú)模型的模糊控制方法。在[20]中，提出了一種預(yù)載控制方法，并提出了一個(gè)數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)摩擦補(bǔ)償?shù)目刂婆ぞ?。此外，在[21]中，提出了一種角度控制方法。
然而，盡管寶貴的研究文獻(xiàn)[22]、[5]、[9]、[20]、[21]都對(duì)擰緊螺釘做出了重要貢獻(xiàn)，但在設(shè)計(jì)螺釘擰緊工具時(shí)卻忽略了機(jī)械靈活性。并且盡最大知識(shí)儲(chǔ)備的作者，尚無(wú)重大研究報(bào)道將擰緊過(guò)程和螺釘擰緊軸集成為控制模型。在螺絲擰緊行業(yè)中，螺絲擰緊工具的機(jī)械靈活性非常重要，通過(guò)更精確的控制模型可以實(shí)現(xiàn)更好的控制性能。本文首次提出了一種模塊化設(shè)計(jì)的自動(dòng)螺絲擰緊軸（ASTS），它可以檢測(cè)螺絲和螺絲孔之間的未對(duì)準(zhǔn)情況。即使螺釘距螺釘孔偏離5mm，ASTS仍可以將螺釘擰至指定扭矩。ASTS的模型被認(rèn)為是連接有減速器的直流伺服電機(jī)。此外，結(jié)合緊固過(guò)程，設(shè)計(jì)了基于模型的增強(qiáng)型可變?cè)鲆鍼ID控制器?？刂颇繕?biāo)是使緊固扭矩達(dá)到給定扭矩。數(shù)值仿真和實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該控制方法的有效性。
然后，本文的其余部分組織如下。在第2節(jié)中，介紹了擰緊軸系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)。在第3節(jié)中，說(shuō)明了ASTS控制模型；在第4節(jié)中，介紹了增強(qiáng)型可變?cè)鲆鍼ID控制；在第5和第6節(jié)中，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提出控制的有效性；最后一節(jié)即第7節(jié)，是本文的結(jié)論。
二 擰緊軸系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)
從圖1可以看出，本文提出的ASTS安裝在自動(dòng)打開(kāi)密封裝置上，該裝置用于自動(dòng)打開(kāi)和密封400L金屬桶。找到螺絲或螺孔后，ASTS會(huì)自動(dòng)應(yīng)用到螺絲上。如圖2所示，螺釘擰緊軸結(jié)構(gòu)以伺服電機(jī)為動(dòng)力單元，減速器和聯(lián)軸器為傳動(dòng)部件，光電傳感器和動(dòng)態(tài)扭矩傳感器為實(shí)時(shí)扭矩檢測(cè)單元。此外，在前端，使彈簧感應(yīng)板，調(diào)節(jié)套筒和前端套筒適于螺釘?shù)恼{(diào)節(jié)。彈簧和調(diào)節(jié)套筒具有一定程度的拉伸自由度，因此可以促進(jìn)螺釘?shù)臄Q緊并且可以避免螺釘?shù)幕蝿?dòng)。同時(shí)，作為萬(wàn)向節(jié)，前端套筒可以適應(yīng)不同的螺釘偏轉(zhuǎn)角度，使螺釘?shù)钠钤?mm以?xún)?nèi)。此外，所有四個(gè)模塊都可以輕松卸下和更換。
圖1 電子科技大學(xué)機(jī)器人中心的ASTS 圖2.機(jī)械結(jié)構(gòu)組成：
（a）電動(dòng)機(jī); （b）減速器; （c）聯(lián)軸器; （d）扭矩和角度傳感器; （e）擰緊軸固定座; （f）彈簧; （g）光電傳感器;（h）感應(yīng)板; （i）調(diào)節(jié)套筒; （j）前端套筒
固定好定位螺釘后，如果ASTS的前端套筒偏離螺釘5毫米以上，則該螺釘將無(wú)法插入前端套筒。在這種情況下，調(diào)節(jié)模塊的彈簧將被壓縮，導(dǎo)致感應(yīng)板上升，然后由于感應(yīng)板的接近，光電傳感器將發(fā)出警報(bào)信號(hào)，并停止擰緊螺釘。但是，如果前端套筒與螺釘?shù)钠钚∮?mm，則可以將螺釘成功地插入前端套筒，然后擰緊借助調(diào)節(jié)模塊的靈活性，可以平穩(wěn)地?cái)Q緊螺絲。
在實(shí)際應(yīng)用中，擰緊指示器會(huì)給出擰緊扭矩和規(guī)定的擰緊角度。對(duì)于本文提到的ASTS，其指定角度為2160。10％，以避免在擰緊螺釘時(shí)發(fā)生螺釘卡住。換句話(huà)說(shuō)，角度傳感器和扭矩分別將螺絲擰緊角度和螺絲擰緊扭矩反饋給控制器，一旦螺絲擰緊扭矩達(dá)到所需的扭矩，扭矩控制器就會(huì)停止ASTS，而螺絲擰緊角度則不會(huì)。根據(jù)螺釘擰緊扭矩和螺釘擰緊角度之間的關(guān)系，定義了幾個(gè)規(guī)則來(lái)防止螺釘卡住。同時(shí)，ASTS機(jī)制的適應(yīng)性也防止了螺絲卡死的發(fā)生。
三 軸控制系統(tǒng)
根據(jù)螺絲和螺母的模型，給出了恒定擰緊力矩的擰緊指示器。 因此，控制鑄件達(dá)到給定的擰緊力矩成為控制目標(biāo)。 如圖3所示。
圖3. 控制框圖 圖4.預(yù)緊力與螺旋轉(zhuǎn)角的關(guān)系
A. 緊固過(guò)程模型
在擰緊過(guò)程中，有三個(gè)關(guān)鍵變量，即預(yù)緊力、螺桿轉(zhuǎn)角和擰緊力矩[5,22,23]。 預(yù)緊力與螺桿轉(zhuǎn)角的關(guān)系如圖4所示。 在圖4中，可以看到預(yù)緊力與螺桿轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系。 緊縮過(guò)程可分為四個(gè)階段: 閑置階段、換乘階段、線(xiàn)性階段和超收點(diǎn)階段，圖4分別表示為 oa 段、 ab 段、 bc 段和 cd 段。
在空轉(zhuǎn)階段，由于螺桿和螺孔在擰緊過(guò)程開(kāi)始時(shí)沒(méi)有接觸，因此不存在預(yù)緊力。 在固定階段，當(dāng)螺桿與螺孔接觸時(shí)，預(yù)緊力迅速增大。 然而，在這個(gè)階段，很難預(yù)測(cè)螺桿的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)。 一旦螺桿與螺孔完全連接，預(yù)緊力與螺桿轉(zhuǎn)角呈線(xiàn)性關(guān)系，稱(chēng)為線(xiàn)性階段。 超屈服點(diǎn)階段從螺桿到達(dá)塑性變形點(diǎn)開(kāi)始。 在這一階段，預(yù)緊力隨著螺桿轉(zhuǎn)角的增大而減小。 這個(gè)階段對(duì)螺釘和連接的目標(biāo)是有害的。 因此，在實(shí)際應(yīng)用中，擰緊力矩是在線(xiàn)性階段控制的。同時(shí)，作為最有效的螺桿擰緊方法之一，扭矩-角法首先通過(guò)調(diào)整輸出扭矩實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性擰緊，然后通過(guò)控制轉(zhuǎn)角實(shí)現(xiàn)給定的線(xiàn)性擰緊力矩。在實(shí)際操作中，由于空閑階段和合并階段是非常短暫的，我們假設(shè)緊縮過(guò)程發(fā)生在線(xiàn)性階段。
在線(xiàn)性階段，我們可以知道:
T = KFd ，（1）
F=Cs Spq/360，（2）
其中T和F分別為擰緊扭矩和預(yù)緊力;K是需要通過(guò)工程測(cè)試確認(rèn)的實(shí)變量；θq和d分別是螺釘?shù)男D(zhuǎn)角度和螺釘?shù)墓Q(chēng)直徑，而Cs和Sp是系統(tǒng)剛度和螺距。根據(jù)這個(gè)方程，所有沒(méi)有額外聲明的變量和函數(shù)都與時(shí)間有關(guān)。
根據(jù)（1）和（2），可以通過(guò)以下方式定義擰緊扭矩和螺釘旋轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系：
（3）
這里 是未知的扭矩角系數(shù)應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確認(rèn)。其實(shí)是因?yàn)镃S和SP都是常數(shù)，僅變量K* 受影響由K決定，該系數(shù)由綜合摩擦系數(shù)確定為變量。因此，當(dāng)綜合摩擦系數(shù)變化很小時(shí)，K幾乎等于未知常數(shù)。從（3）可以看出，螺絲轉(zhuǎn)動(dòng)角度和擰緊扭矩之間存在近似線(xiàn)性關(guān)系。
B. ASTS控制模型
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ASTS可以看作是齒輪減速機(jī)中的直流伺服電機(jī)。此外，直流伺服電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程可表示為:
Te = Kti ， （4）
機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程可以表示為：
（5）
同時(shí)，直流伺服電機(jī)的電樞電路電壓平衡方程為：
（6）
其中Te是電磁轉(zhuǎn)矩；Kt為轉(zhuǎn)矩常數(shù)；i代表電樞電路電流；TL是電機(jī)軸的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；為機(jī)械電機(jī)角速度；J表示電機(jī)軸的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；R是電樞電路電阻；B是電動(dòng)機(jī)的粘性阻尼系數(shù)；L和Ke分別為電樞電路電感和反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)；和u是微分算子和電樞電路電壓。
在ASTS中使用n：1減速器時(shí)，可以通過(guò)（3）將負(fù)載扭矩定義為
TL= Tn,（7）
ωr = 1nωm ,（8）
ωr是ASTS末端執(zhí)行器角速度。然后根據(jù)（3），有
, （9）
代入(4)、(7)、(8)至(5) ，可以得：
（10）
結(jié)合（6），（9）和（10），可以將ASTS控制模型化為：
（11）
其中n表示ASTS減速器的減速比。
四 增強(qiáng)型可變?cè)鲆鍼ID 控制器設(shè)計(jì)
對(duì)于普通的可變?cè)鲆鍼ID控制器，其基本思想是使積分值的累積速度與偏差的大小相匹配。積分作用減少為零以防止積分飽和系統(tǒng)偏差較大，但會(huì)加劇當(dāng)系統(tǒng)偏離時(shí)提高速度的穩(wěn)定性。更期望的是使比例系數(shù)的大小與偏差匹配。當(dāng)系統(tǒng)偏差較大時(shí)，比例零件的作用會(huì)增強(qiáng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，而當(dāng)系統(tǒng)偏差較小時(shí)，比例零件的作用會(huì)減少以防止過(guò)沖。本文提出了一種基于改進(jìn)的可變?cè)鲆鍼ID控制方法的增強(qiáng)型可變?cè)鲆鍼ID控制方法。
A.增強(qiáng)型可變?cè)鲆鍼ID方法
增強(qiáng)型可變?cè)鲆鍼ID控制算法的比例項(xiàng)和積分項(xiàng)可以表示為:
, (12)
其中Kp和Ki是比例增益和積分,常規(guī)PID控制方法的增益。T是采樣時(shí)間,x[e(k)] 和 y[e(k)]是偏差 e(k)的函數(shù)。 隨著e(k)增加，x[e(k)]增加，y[e(k)]相應(yīng)減少。 當(dāng) e(k)減少時(shí)，x[e(k)] 減少，y[e(k)]相應(yīng)增加。
x[e(k)]的表達(dá)式可描述為：
（13）
其中需要確認(rèn)參數(shù)e1，e2，kp1和kp2，以及0≤kp1≤kp2。一方面，選擇這四個(gè)參數(shù)的值必須滿(mǎn)足以下條件系統(tǒng)穩(wěn)定性。另一方面，選擇的e2值和kp2必須滿(mǎn)足更快轉(zhuǎn)矩的條件（受控對(duì)象）。而e1 和 kp1 必須滿(mǎn)足無(wú)扭矩超調(diào)的條件。
y[e(k)]的值在[ki1，1]之間變化，當(dāng)|e(k)|≤e3時(shí)，積分項(xiàng)與一般項(xiàng)相同，目的是將積分作用量增加到最大值，并累加e(k)的當(dāng)前值。當(dāng)e3≤|e(k)|≤e3 +e4時(shí)，y[e(k)]的值在[ki1，1]，隨 |e(k)| 的大小而變化，積分項(xiàng)累積部分電流值為e(k)。因此，積分速度的值在[],當(dāng)|e(k)|>e3+e4,y[e(k)]的值等于ki1，將積分作用減到最小或停止e(k)的當(dāng)前值的累加。
為了擴(kuò)大增強(qiáng)型變?cè)鲆?PID 控制器的調(diào)節(jié)范圍，在期望值變化不固定的情況下，參數(shù)e1、e2、e3 和e4 的取值必須根據(jù)最大偏差值來(lái)確定。 因此,通過(guò)（15）可以得到
（15）
其中最大emax 是控制器輸入變化后期望值和反饋值之間的最大偏差值。 參數(shù)n1，n2，n3 和n4 需要確定,這一定滿(mǎn)足0
和 Ki1>0確定。
表1 數(shù)據(jù)參數(shù)
參數(shù)
描述
值
PN
直流額定功率伺服馬達(dá)
400W
UN
直流額定電壓伺服馬達(dá)
48V
TN
直流額定轉(zhuǎn)矩伺服馬達(dá)
1.27Nm
nN
直流額定轉(zhuǎn)速伺服馬達(dá)
3000rpm
J
等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
0.000457kg.㎡
B
粘滯阻尼系數(shù)
0.03Nm/(rad/s)
L
直流伺服電機(jī)電抗
0.0036H
R
直流伺服電機(jī)的電阻
1.25Ω
Ke
反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)
0.0753V/(rad/s)
Kt
轉(zhuǎn)矩常數(shù)
0.49N.m/A
Tm
機(jī)電時(shí)間常數(shù)
0.53ms
n
減速比
100
A.不同控制方法的模擬測(cè)試
在該仿真中，將其他兩個(gè)控制器與采用的增強(qiáng)型可變?cè)鲆鍼ID控制器進(jìn)行了比較，它們分別是常規(guī)控制器和常規(guī)可變?cè)鲆鍼ID控制器。對(duì)應(yīng)于不同控制方法的螺釘擰緊扭矩如圖6所示，模擬結(jié)果如表2所示
圖6.擰緊扭矩的比較
（a）使用增強(qiáng)型可變?cè)鲆鍼ID控制器的轉(zhuǎn)矩
（b）使用常規(guī)可變?cè)鲆鍼ID控制器的轉(zhuǎn)矩
（c）使用常規(guī)PID控制器的轉(zhuǎn)矩
從圖6和表2中可以明顯看出，在擰緊時(shí)間最短且沒(méi)有超調(diào)的情況下，增強(qiáng)型可變?cè)鲆鍼ID控制器具有最佳的控制性能。實(shí)驗(yàn)測(cè)試將在下面進(jìn)行。
表2. 不同控制器的仿真結(jié)果
控制者
收緊時(shí)間（s）
最大扭矩/最終扭力（Nm）
常規(guī)PID控制器
13.1
51.2/50.375
常規(guī)可變?cè)鲆鍼ID控制器
10.2
50/50
增強(qiáng)型變?cè)鲆鍼ID控制器
9.1
50/50
B.不同最大擰緊速度的模擬測(cè)試
在該仿真中，探討了擰緊螺絲的速度對(duì)扭矩精度的影響。直流電動(dòng)機(jī)的實(shí)際額定轉(zhuǎn)速為3000rpm，在所有模擬。為了說(shuō)明角速度的影響，在此仿真中采用了三個(gè)最大角速度來(lái)調(diào)整減速器的減速比n。表3中示出了對(duì)應(yīng)于調(diào)整后的減小比n的ASTS的最大角速度的值。此外，由于此仿真中的電樞電路電流無(wú)限，而在實(shí)際操作中無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因此螺釘擰緊扭矩不會(huì)隨著n的減小而減小。對(duì)應(yīng)于不同n的螺釘擰緊扭矩如圖7所示，模擬結(jié)果如表4所示。
從圖7和表3-4中可以明顯看出，隨著n的減小，螺釘擰緊的扭矩精度不會(huì)降低，即螺釘擰緊的扭矩精度不會(huì)隨著高速而降低。這意味著使用增強(qiáng)型可變?cè)鲆鍼ID控制器，可以在較寬的擰緊速度范圍內(nèi)保證擰緊扭矩的精度。
表3. 不同速度的ASTS
減速比
ASTS的最大角速度
100：1
180°/s
50：1
360°/s
10：1
1800°/s
扭力：Nm
圖7.緊固扭矩的比較（a）減速比為100：1的扭矩
（b）減速比為50：1的扭矩（c）減速比為10：1的扭矩。
表4.不同控制器的仿真結(jié)果
減速比
收緊時(shí)間（s）
最大扭矩/最終扭力（Nm）
10:1
2.6
50/50
50:1
5.8
50/50
100:1
9.1
50/50
六 實(shí)驗(yàn)
進(jìn)行了兩次測(cè)試以驗(yàn)證控制器是否有效。在測(cè)試1中，將四個(gè)控制器應(yīng)用于ASTS以查看差異。在測(cè)試2中，設(shè)置了三個(gè)最大的ASTS擰緊速度，以證明不同的擰緊速度下擰緊精度的變化。ASTS擰緊過(guò)程如圖8所示。
A. 測(cè)試1：使用不同控制器的性能比較
在該測(cè)試中，采用了兩種恒速控制器和常規(guī)PID控制器來(lái)與增強(qiáng)型可變?cè)鲆鍼ID控制器進(jìn)行比較。在這兩種恒速控制器中，ASTS末端執(zhí)行器的轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為180°/ s和90°/s。對(duì)于PID控制器，通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)獲得比例、微分和積分增益。并且將螺釘擰緊扭矩的目標(biāo)設(shè)定為50Nm。在該測(cè)試中，進(jìn)行了三十次試驗(yàn)。但是，由于篇幅所限，在這所有30個(gè)試驗(yàn)的結(jié)果中，僅選擇了一組結(jié)果來(lái)說(shuō)明圖9中的不同控制性能。表5中列出了每個(gè)控制器的平均擰緊扭矩和擰緊時(shí)間。
圖8. ASTS擰緊過(guò)程
（a）螺釘已定位（b）螺釘正在擰緊
（c）螺釘正在擰緊（d）螺釘已擰緊
圖9.擰緊扭矩的比較
（a）恒速控制器的轉(zhuǎn)矩（速度為180°/s）（b）增強(qiáng)型可變?cè)鲆鍼ID控制器的轉(zhuǎn)矩（c）PID控制器的轉(zhuǎn)矩（d）恒速控制器的轉(zhuǎn)矩（具有速度90°/s）
從測(cè)試結(jié)果可以看出，采用高電機(jī)恒速控制時(shí)，緊固扭矩的最終值比設(shè)定扭矩的最終值高得多。但是，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低時(shí)，采用恒速控制的螺釘緊固速度較慢，并且仍然存在過(guò)轉(zhuǎn)矩現(xiàn)象。PID控制方法顯示出更好的輸出性能，但螺絲擰緊速度也很慢，最終扭矩為51.04Nm。不過(guò)，增強(qiáng)型可變?cè)鲆鍼ID控制器可以在確保擰緊速度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的精確控制。值得一提的是，由于采用了螺桿的加工工藝和扭矩傳感器的精度，即使使用增強(qiáng)型可變?cè)鲆鍼ID控制器也無(wú)法避免過(guò)轉(zhuǎn)矩。
表5.不同控制器的性能參數(shù)
控制器
平均收緊時(shí)間（s）
平均擰緊扭矩（Nm）
恒速控制器（速度180°/s）
11.4
70.105
增強(qiáng)型變量的PID 控制器
17.5
50.125
PID 控制器
23.56
51.04
恒速控制器（90°/s）
26
53.275
圖10.不同的最大擰緊速度在增強(qiáng)的可變?cè)鲆鍼ID控制下輸出的螺釘擰緊扭矩
（a）最大擰緊速度為180°/s的擰緊扭矩（b）最大擰緊速度為120°/s的擰緊扭矩最大擰緊速度為90°/s的擰緊扭矩
表6.不同最大擰緊速度的性能參數(shù)
最大擰緊速度（°/s）
平均收緊時(shí)間（s）
平均擰緊扭矩（Nm）
180
17.5
50.125
120
31.46
50.085
90
42.35
50.025
B. 測(cè)試2：不同的最大擰緊速度會(huì)導(dǎo)致擰緊精度發(fā)生變化
在此測(cè)試中，由于ASTS電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，并且由于無(wú)法使用通過(guò)減小減速比來(lái)提高擰緊軸轉(zhuǎn)速的方法（在V-B部分中采用），因此ASTS電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速被設(shè)置為最大轉(zhuǎn)速。并且將180°/s，120°/s和90°/s的轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為最大轉(zhuǎn)速。然后，使用建議的控制器，ASTS會(huì)以每個(gè)速度將螺釘擰緊十次，以便確定不同速度對(duì)擰緊精度的影響。與測(cè)試1相似，僅使用一組代表性的結(jié)果進(jìn)行演示，如圖10所示。同時(shí)，在三十次試驗(yàn)中獲得的平均值如表6所示。
從圖10和表6可以看出，隨著最大緊固速度的提高，螺釘緊固的精度降低。但是，從該實(shí)驗(yàn)中可以清楚地看到，將擰緊時(shí)間的實(shí)質(zhì)增加（增加142％）換成擰緊精度的小幅提高（提高0.2％）是不值得的。此外，還表明，所提出的控制器對(duì)于大范圍的擰緊速度具有良好的控制精度。
七 結(jié)論
本文研究了安裝在自動(dòng)開(kāi)封裝置上的自動(dòng)螺絲擰緊軸的PID控制方法。首先，模塊化設(shè)計(jì)介紹了由調(diào)節(jié)模塊、監(jiān)控模塊、傳動(dòng)模塊和驅(qū)動(dòng)模塊組成的自動(dòng)螺絲擰緊軸。然后，結(jié)合擰緊過(guò)程，獲得參數(shù)未知的三階控制對(duì)象。為了在未知時(shí)變參數(shù)的情況下實(shí)現(xiàn)緊固過(guò)程的良好控制性能，采用了增強(qiáng)型可變?cè)鲆鍼ID控制方法。模塊化設(shè)計(jì)有助于確保擰緊過(guò)程中具有一定程度的物理靈活性，并且增強(qiáng)的可變?cè)鲆鍼ID控制可確保穩(wěn)定而準(zhǔn)確的控制效果。最后，基于仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了所提控制方法的有效性。性能如下：
(1)所提出的控制方法即使在擰緊模型的部分參數(shù)未知的情況下也可以實(shí)現(xiàn)高精度的轉(zhuǎn)矩；
（2）與常規(guī)的PID控制相比，所提出的控制方法需要更短的擰緊時(shí)間以實(shí)現(xiàn)更高的擰緊精度。
（3）在相同的動(dòng)態(tài)條件下，所提出的控制方法的緊固精度受最大緊固速度不同的影響要小于等速控制。
致謝
這項(xiàng)工作得到了中國(guó)國(guó)家基礎(chǔ)研究計(jì)劃（973計(jì)劃）的資助（2011CB707005）。
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