隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，以電子信息技術(shù)為基礎(chǔ)，集傳統(tǒng)的機(jī)械制造，計算機(jī)，成組技術(shù)與現(xiàn)代控制，傳感測控，信息處理，網(wǎng)絡(luò)通訊，液壓氣動及光機(jī)電技術(shù)于一體的數(shù)控技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，使得普通機(jī)械設(shè)備逐漸被高效率，高精度的數(shù)控設(shè)備所替代，從而產(chǎn)生了巨大的生產(chǎn)力，為制造業(yè)帶來了巨大變革。微機(jī)控制技術(shù)已成為現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)，它能夠有效地解決復(fù)雜，精密的運動程序問題，能適應(yīng)各種機(jī)械產(chǎn)品迅速更新替代的需求，經(jīng)濟(jì)效益顯著。
1二/六軸柔性緊固系統(tǒng)研制的目標(biāo)
本項目用于對南車洛陽機(jī)車有限公司（以下簡稱洛陽公司）柴油機(jī)箱體螺栓緊固專用設(shè)備（柔性拔帽機(jī)）的改造。由于該設(shè)備控制系統(tǒng)嚴(yán)重老化，經(jīng)常發(fā)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(jī)車大修生產(chǎn)的正常進(jìn)行。為此，我們利用微機(jī)控制技術(shù)對該設(shè)備進(jìn)行了改造，主要是研制具有較高水平的控制系統(tǒng)。
目前國內(nèi)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(zhuǎn)角法。較為常用的是扭矩法，其優(yōu)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(zhì)，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(shè)備上，多采用多步扭緊和轉(zhuǎn)角監(jiān)控的辦法：通過幾次反復(fù)扭緊和松開，可部分消除螺栓的加工殘余應(yīng)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(zhuǎn)角監(jiān)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(shè)計如下緊固步驟：（1）二軸：預(yù)緊（400Nm）→第1步（1000Nm）→第2步（2000Nm）
→第3步（3000Nm），具有同步監(jiān)測，轉(zhuǎn)速檢測，轉(zhuǎn)角監(jiān)控，參數(shù)修改等多項功能。
?。?）六軸：能實現(xiàn)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(shè)定力矩用于DF4A，DF4B，DF4C車型，1600Nm設(shè)定力矩用于DF4D車型。>按照工藝要求，本緊固機(jī)主要用于洛陽公司柴油機(jī)車間拆卸和裝配柴油機(jī)缸頭螺栓和主軸承螺栓。二軸緊固機(jī)用于主軸承螺栓拆卸和裝配，六軸緊固機(jī)用于柴油機(jī)缸頭螺栓拆卸和裝配。經(jīng)論證，采用一套控制系統(tǒng)實現(xiàn)二軸和六軸緊固機(jī)的控制功能是一個較為合理的方案，它不僅節(jié)約成本，同時節(jié)省空間和安裝調(diào)試的時間。因機(jī)械緊固部件都是外購，故這里只介紹電控系統(tǒng)的設(shè)計。電控系統(tǒng)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(qiáng)大的功能。TP270觸摸屏必須使用SIMATICProToolCS組態(tài)軟件，在組態(tài)計算機(jī)（PC或PU）上創(chuàng)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(tài)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(wǎng)絡(luò)，USB或以太網(wǎng)接口，或者通過標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制解調(diào)器路徑與組態(tài)計算機(jī)相連。組態(tài)被成功下載后，將操作單元連接到PLC，這樣就可以與PLC進(jìn)行通訊，并根據(jù)PLC中程序運行所組態(tài)的信息作出響應(yīng)。
SIMATICS7-200系列PLC適用各種場合中的檢測，監(jiān)測及控制的自動化，本系統(tǒng)采用了CPU224和2個擴(kuò)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(diào)制的開關(guān)頻率是可選的，降低了電動機(jī)運行的噪聲，MM440變頻器具有全面而完善的控制功能和保護(hù)功能，既可用于單機(jī)驅(qū)動也可集成到自動化系統(tǒng)中。
2控制系統(tǒng)設(shè)計
2.1設(shè)計方案
根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)要求，確定系統(tǒng)的設(shè)計方案要點如下：（1）電控柜的防護(hù)等級應(yīng)達(dá)到IP54，且應(yīng)具有冷卻或通風(fēng)裝置；交流電源線與24V電纜分開走線；電機(jī)的正反轉(zhuǎn)應(yīng)有互鎖。
?。?）接地方法必須遵守國家標(biāo)準(zhǔn)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(yán)格禁止環(huán)繞；在接地狀況不好時，控制變壓器必須作浮地設(shè)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(lián)結(jié)。
?。?）PLC設(shè)計時應(yīng)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(guān)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(tǒng)功能
系統(tǒng)采用觸摸屏實現(xiàn)監(jiān)控，參數(shù)修改，操作等功能；采用PLC實現(xiàn)程序控制；采用變頻器實現(xiàn)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(shè)定，在扭緊過程中實現(xiàn)非同步過程監(jiān)控。同時，緊固機(jī)能夠?qū)崟r顯示緊固力矩，速度，轉(zhuǎn)角等參數(shù)，具有"合格"顯示功能，以提示操作者該次作業(yè)的完成。此外，還應(yīng)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(shè)備及螺栓進(jìn)行保護(hù)。
2.3觸摸屏畫面設(shè)計
根據(jù)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(jìn)入二軸控制畫面，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置（如果是首次開機(jī)還需先測試電機(jī)和傳感器參數(shù)），同時傳遞參數(shù)至PLC，控制相應(yīng)動作，。六軸與二軸的相同。
當(dāng)畫面設(shè)計完成后，還要設(shè)定相應(yīng)的與PLC通訊的參數(shù)，用以控制PLC的動作。同時還要設(shè)置通訊波特率，波特率的設(shè)置，要考慮PLC的運算速度。
2.4PLC控制程序設(shè)計
本系統(tǒng)采用主程序調(diào)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?qū)崿F(xiàn)初始化，程序選擇，二軸程序調(diào)用，六軸程序調(diào)用等功能。子程序主要解決數(shù)據(jù)采集處理，緊固步驟的實現(xiàn)，報警信號處理，二/六軸選擇，變頻器的控制，轉(zhuǎn)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(xiàn)二軸緊固裝置的所有功能的主程序，它需要調(diào)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(shù)子程序和A/D處理子程序。
?。?）測試子程序?qū)崿F(xiàn)兩個扭緊軸的空轉(zhuǎn)性能試驗，測試傳感器的性能，電機(jī)轉(zhuǎn)速情況等。
當(dāng)傳感器斷線或空轉(zhuǎn)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(zhí)行將要進(jìn)行的扭緊步驟。所有測試通過后才能進(jìn)入下一個畫面。
?。?）I/O子程序?qū)崿F(xiàn)軸的正反轉(zhuǎn)和停止，處理數(shù)字量輸入，輸出信號及報警信息。
?。?）軸控子程序?qū)崿F(xiàn)軸的4步扭緊。當(dāng)每步兩軸扭矩值到達(dá)后，再進(jìn)行下一步的扭緊，如果在扭緊過程中一個軸扭矩值達(dá)到設(shè)定值，而在設(shè)定的時間內(nèi)，另一軸仍沒有達(dá)到，則停止扭緊，同時發(fā)出不同步信息至觸摸屏，待故障處理后才能重新執(zhí)行緊固程序。當(dāng)緊固步驟全部完成后，發(fā)出緊固完成信號。
?。?）計數(shù)子程序用于電機(jī)轉(zhuǎn)速和螺栓轉(zhuǎn)角的監(jiān)控，測試時如果轉(zhuǎn)速出現(xiàn)異常便激活報警位。在扭緊螺栓的最后一步啟動轉(zhuǎn)角監(jiān)控功能，當(dāng)兩個螺栓的最終轉(zhuǎn)角符合設(shè)定值時，才能激活緊固完成信號，否則會發(fā)出報警信息。
?。?）A/D處理子程序是將模擬量輸入模塊采集的電壓信號進(jìn)行數(shù)字處理，用于扭矩的控制。為防止干擾，采用求平均值法進(jìn)行處理，采樣次數(shù)為128次。由于電機(jī)正反轉(zhuǎn)會產(chǎn)生相反的扭矩值，為顯示正確的扭矩值，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)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(fù)載類型，應(yīng)特別注意負(fù)載的性能曲線，為防干擾，與變頻器有關(guān)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(dǎo)線截面不小于4mm 2，長度不超過5m，應(yīng)與動力設(shè)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(jié)束語采用一套控制系統(tǒng)實現(xiàn)二軸和六軸緊固系統(tǒng)的控制，節(jié)約了成本和空間。二軸緊固機(jī)可實現(xiàn)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(tǒng)采用模塊化設(shè)計，可根據(jù)使用要求選配不同的元器件。由于編制了詳盡的設(shè)備報警信息，使得操作更為方便，故障排除更為簡單。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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