淺談柔性緊固系統的開發與應用 _知識百科

隨著科學技術的不斷進步，以電子信息技術為基礎，集傳統的機械制造，計算機，成組技術與現代控制，傳感測控，信息處理，網絡通訊，液壓氣動及光機電技術于一體的數控技術得到了迅猛的發展和廣泛應用，使得普通機械設備逐漸被高效率，高精度的數控設備所替代，從而產生了巨大的生產力，為制造業帶來了巨大變革。微機控制技術已成為現代制造技術的基礎，它能夠有效地解決復雜，精密的運動程序問題，能適應各種機械產品迅速更新替代的需求，經濟效益顯著。
1二/六軸柔性緊固系統研制的目標
本項目用于對南車洛陽機車有限公司（以下簡稱洛陽公司）柴油機箱體螺栓緊固專用設備（柔性拔帽機）的改造。由于該設備控制系統嚴重老化，經常發生故障，且維修資料不全，多次請廠家來廠維修，其維修費用高且周期長，影響了工廠機車大修生產的正常進行。為此，我們利用微機控制技術對該設備進行了改造，主要是研制具有較高水平的控制系統。
目前國內常用的螺紋連接件擰緊工藝有3種：軸向拉伸法，扭矩法和轉角法。較為常用的是扭矩法，其優點是操作和檢測方便，缺點是即使同樣大小的扭矩，只要螺栓的材質，接觸面的摩擦力，螺紋表面的潤滑情況以及螺紋面是否有毛刺等等的不同，實際作用在螺栓連接副上的軸向拉力可能就不同。為克服這一缺點，在高檔擰緊設備上，多采用多步扭緊和轉角監控的辦法：通過幾次反復扭緊和松開，可部分消除螺栓的加工殘余應力，部分消除毛刺和接觸面摩擦力對最終扭矩的影響。通過轉角監控，能檢測螺栓的"錯扣"，"花扣"以及過度拉伸對扭矩影響較大的毛刺等。
按照扭緊工藝，設計如下緊固步驟：（1）二軸：預緊（400Nm）→第1步（1000Nm）→第2步（2000Nm）
→第3步（3000Nm），具有同步監測，轉速檢測，轉角監控，參數修改等多項功能。
（2）六軸：能實現DF4A，DF4B，DF4C和DF4D4種車型的緊固，第1步（450Nm）→第2步（900Nm）→第3步（1300Nm/1600Nm）3. <3：1300Nm/1600Nm表示1300Nm設定力矩用于DF4A，DF4B，DF4C車型，1600Nm設定力矩用于DF4D車型。 >按照工藝要求，本緊固機主要用于洛陽公司柴油機車間拆卸和裝配柴油機缸頭螺栓和主軸承螺栓。二軸緊固機用于主軸承螺栓拆卸和裝配，六軸緊固機用于柴油機缸頭螺栓拆卸和裝配。經論證，采用一套控制系統實現二軸和六軸緊固機的控制功能是一個較為合理的方案，它不僅節約成本，同時節省空間和安裝調試的時間。因機械緊固部件都是外購，故這里只介紹電控系統的設計。電控系統主要由TP270觸摸屏，S7-200PLC和MI2 CROMASTER440（以下簡稱MM440）變頻器組成。
TP270雖是較低成本的觸摸屏，但仍提供了強大的功能。 TP270觸摸屏必須使用SIMATICProToolCS組態軟件，在組態計算機（PC或PU）上創建需要顯示在操作單元上的圖形，文本，自定義功能及操作和顯示元素。為了將組態下載到操作單元，可以使用操作單元（即圖1中的"IF1A"接口），通過串行MPI/PROFIBUS-DP網絡，USB或以太網接口，或者通過標準調制解調器路徑與組態計算機相連。組態被成功下載后，將操作單元連接到PLC，這樣就可以與PLC進行通訊，并根據PLC中程序運行所組態的信息作出響應。
SIMATICS7-200系列PLC適用各種場合中的檢測，監測及控制的自動化，本系統采用了CPU224和2個擴展模塊，通訊模式采用PPI模式與觸摸屏連接。
MM440變頻器由微處理器控制并采用絕緣柵雙極型晶體管IGBT作為功率輸出器件，因而具有很高的可靠性和功能多樣性，其脈寬調制的開關頻率是可選的，降低了電動機運行的噪聲，MM440變頻器具有全面而完善的控制功能和保護功能，既可用于單機驅動也可集成到自動化系統中。
2控制系統設計
2.1設計方案
根據現場作業要求，確定系統的設計方案要點如下：（1）電控柜的防護等級應達到IP54，且應具有冷卻或通風裝置；交流電源線與24V電纜分開走線；電機的正反轉應有互鎖。
（2）接地方法必須遵守國家標準GB/T5526.1-1996；PE接地只能集中在一點接地，接地線截面積不得小于6mm 2，接地線嚴格禁止環繞；在接地狀況不好時，控制變壓器必須作浮地設計；電控柜中控制電源必須采用獨立的隔離變壓器；PLC，觸摸屏，變頻器的接地端必須等電位聯結。
（3）PLC設計時應考慮輸入信號的最高頻率，也即PLC輸入信號的ON時間或OFF時間必須比PLC的掃描周期長；PLC相鄰兩觸點的輸出電流之和不超過1A；PLC開關量所有輸入信號必須為電平信號，模擬量輸入不大于10VDC. 2.2系統功能
系統采用觸摸屏實現監控，參數修改，操作等功能；采用PLC實現程序控制；采用變頻器實現二，六軸控制，二軸與六軸之間用接觸器互鎖。緊固過程分3步完成：初扭→中扭→終扭，每步扭矩值均可在觸摸屏上設定，在扭緊過程中實現非同步過程監控。同時，緊固機能夠實時顯示緊固力矩，速度，轉角等參數，具有"合格"顯示功能，以提示操作者該次作業的完成。此外，還應具有多種報警功能，如不同步，零漂過大，傳感器斷線等，用于非正常情況下對設備及螺栓進行保護。
2.3觸摸屏畫面設計
根據工藝需要，本項目的主畫面為選擇畫面，即二軸與六軸的切換畫面。如選擇二軸畫面，則進入二軸控制畫面，進行參數設置（如果是首次開機還需先測試電機和傳感器參數），同時傳遞參數至PLC，控制相應動作，。六軸與二軸的相同。
當畫面設計完成后，還要設定相應的與PLC通訊的參數，用以控制PLC的動作。同時還要設置通訊波特率，波特率的設置，要考慮PLC的運算速度。
2.4PLC控制程序設計
本系統采用主程序調用子程序的方式，程序塊共分1個主程序和14個子程序。主程序實現初始化，程序選擇，二軸程序調用，六軸程序調用等功能。子程序主要解決數據采集處理，緊固步驟的實現，報警信號處理，二/六軸選擇，變頻器的控制，轉角測定等。每個子程序分別完成獨立的功能，子程序還可以嵌套子程序。二軸控制子程序其實是實現二軸緊固裝置的所有功能的主程序，它需要調用5個子程序，分別為測試子程序，I/O子程序，軸控子程序，計數子程序和A/D處理子程序。
（1）測試子程序實現兩個扭緊軸的空轉性能試驗，測試傳感器的性能，電機轉速情況等。
當傳感器斷線或空轉測試值超差時，傳遞報警信號至觸摸屏，同時該子程序中斷執行將要進行的扭緊步驟。所有測試通過后才能進入下一個畫面。
（2）I/O子程序實現軸的正反轉和停止，處理數字量輸入，輸出信號及報警信息。
（3）軸控子程序實現軸的4步扭緊。當每步兩軸扭矩值到達后，再進行下一步的扭緊，如果在扭緊過程中一個軸扭矩值達到設定值，而在設定的時間內，另一軸仍沒有達到，則停止扭緊，同時發出不同步信息至觸摸屏，待故障處理后才能重新執行緊固程序。當緊固步驟全部完成后，發出緊固完成信號。
（4）計數子程序用于電機轉速和螺栓轉角的監控，測試時如果轉速出現異常便激活報警位。在扭緊螺栓的最后一步啟動轉角監控功能，當兩個螺栓的最終轉角符合設定值時，才能激活緊固完成信號，否則會發出報警信息。
（5）A/D處理子程序是將模擬量輸入模塊采集的電壓信號進行數字處理，用于扭矩的控制。為防止干擾，采用求平均值法進行處理，采樣次數為128次。由于電機正反轉會產生相反的扭矩值，為顯示正確的扭矩值，將采集的數據進行如下處理將輸入為2.5V時定義為0，0V時為-4000Nm，5V時為4000Nm. 2.5變頻器使用注意事項
變頻器選型時要確定控制類型是恒壓控制還是恒流控制及負載類型，應特別注意負載的性能曲線，為防干擾，與變頻器有關的模擬信號線最好選用屏蔽雙絞線，動力電纜選用屏蔽的三芯電纜，要求變頻器接地端子的接地電阻越小越好，接地導線截面不小于4mm 2，長度不超過5m，應與動力設備的接地點分開，不能共地。信號線的屏蔽層一端接到變頻器接地端，另一端浮空。
3結束語采用一套控制系統實現二軸和六軸緊固系統的控制，節約了成本和空間。二軸緊固機可實現單軸單獨動作，便于操作定位。六軸拆卸力矩大，可滿足DF4D車型的要求。系統采用模塊化設計，可根據使用要求選配不同的元器件。由于編制了詳盡的設備報警信息，使得操作更為方便，故障排除更為簡單。