基于分布式的四軸履帶螺栓擰緊機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

丁蘇赤，王林剛

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009)

基于分布式的四軸履帶螺栓擰緊機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

丁蘇赤，王林剛

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009)

文章主要針對不同品種不同節(jié)距的履帶以及人工擰緊履帶效率低下和不可靠性的問題，設(shè)計一種可以對履帶螺栓進(jìn)行自動批量擰緊的設(shè)備。采用了以S7-200為主站，AtlasCopco擰緊控制器和CEU2行程可讀氣缸控制器為從站的分布控制方案，能適應(yīng)各種類型的履帶螺栓的擰緊，而且能精確控制螺栓的擰緊扭矩，并生成履帶每根螺栓的擰緊質(zhì)量報告記錄，可節(jié)省40%的生產(chǎn)時間，大大提高履帶的生產(chǎn)效率。文章主要闡述所設(shè)計的四軸履帶螺栓擰緊機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、配置、分布式控制方案及擰緊機(jī)工作流程。

螺栓擰緊機(jī);擰緊機(jī)控制系統(tǒng);PTC I/O通信;CEU2 I/O通信

0 引言

螺栓是履帶上很重要的機(jī)械聯(lián)接零件之一，螺栓擰緊質(zhì)量的好壞很大程度上影響履帶正常行駛的穩(wěn)定性。一旦履帶上的螺栓扭矩沒達(dá)到要求，不僅會影響履帶的壽命，而且會使重型機(jī)械的行駛埋下嚴(yán)重的隱患。履帶類型較多，有濕地履帶板，有平板履帶板等，適用的場合不同其履帶板的高度和節(jié)距也不同，導(dǎo)致螺栓的分布不一樣，其擰緊軸的擰緊工位也不相同。因此如何提供一個有效的、可靠的、自適應(yīng)不同類型履帶的擰緊方案是本文關(guān)鍵要解決的問題。

本文主要結(jié)合山推四軸履帶自動擰緊機(jī)的項目，闡述四軸履帶自動擰緊機(jī)的系統(tǒng)配置及工作原理。此設(shè)備采用了先進(jìn)的Atlas Copco擰緊裝備，以及SMC行程可讀氣缸，為保證履帶螺栓擰緊質(zhì)量，提供高可靠性的自動擰緊方案，對每個螺栓的扭矩進(jìn)行精確控制，完整檢測，全面記錄。所設(shè)計的四軸履帶螺栓擰緊機(jī)能達(dá)到平均10s的擰緊周期，大大提高了履帶的生產(chǎn)效率。

1 硬件設(shè)計

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

四軸履帶螺栓擰緊機(jī)的機(jī)械部分主要由輸料機(jī)構(gòu)、擰緊機(jī)構(gòu)、推送機(jī)構(gòu)等組成。其中輸料機(jī)構(gòu)主要負(fù)責(zé)載送履帶，并可以調(diào)整履帶在擰緊頭下方的工位，保證履帶不偏離擰緊工位和擰緊頭能對準(zhǔn)螺栓。擰緊機(jī)構(gòu)是當(dāng)履帶在正確工位時，進(jìn)行螺栓擰緊操作的機(jī)構(gòu)。推送機(jī)構(gòu)的功能是當(dāng)履帶螺栓擰緊完畢后，將履帶往前推送一節(jié)。如圖1所示是四軸履帶螺栓擰緊機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。

圖1 四軸履帶螺栓擰緊機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

1.2 硬件配置

本系統(tǒng)采用西門子S7-200 PLC、TP177B 6"PN/DP觸摸屏、PowerMACS 4000控制器、擰緊軸、研華工控機(jī)、CEU2控制器、CE2行程可讀氣缸。如圖2所示是四軸履帶螺栓擰緊機(jī)硬件配置圖。

圖2 擰緊機(jī)系統(tǒng)硬件配置

1.2.1 S7-200 PLC

本系統(tǒng)采用了西門子CPU 226 CN AC/DC/繼電器型PLC，內(nèi)有24個輸入/16個輸出以及2個RS485接口。RS485接口主要用來與西門子觸摸屏?xí)r行通信。在此系統(tǒng)上另增加了2個數(shù)字?jǐn)U展模塊EM 223 DC16/16 RELAY，用來與CEU2氣缸控制器以及PTC間進(jìn)行分布式通信。

1.2.2 PowerMACS 4000擰緊驅(qū)動器

Power MACS 4000是Atlas Copco最新的最高級的擰緊控制器，為各種裝配部件中的擰緊操作提供完美的解決方案。憑借智能化的擰緊控制器和ToolsTalk PowerMacs所提供的簡潔配置方式，以及先進(jìn)的擰緊策略，可以使每個擰緊節(jié)點達(dá)到較好的質(zhì)量，較快的速度。

PowerMACS 4000擰緊控制器主要分為兩種:主控制器(Primary TC)和從控制器(Secondary TC)。與標(biāo)準(zhǔn)控制器相比，主控制器作為工作站主控制器(Station Primary TC)，具有更多的外部功能接口，其主要是用來控制與擰緊相關(guān)的各種工作，如驅(qū)動和控制擰緊軸、角度和扭矩的測量和保存、內(nèi)置PLC的驅(qū)動以及與從控制器的通信等。每個從控制器也包含了監(jiān)測和控制一根擰緊軸的所有功能。

PowerMACS 4000集成以太網(wǎng)交換機(jī)，通過以內(nèi)網(wǎng)與ToolsTalk PowerMACS平臺進(jìn)行通信的控制器，主要完成如存儲驅(qū)動器從ToolsTalk PowerMACS得到的系統(tǒng)設(shè)置、新的系統(tǒng)設(shè)置時啟動系統(tǒng)的操作等。并且方便了基于以太網(wǎng)的客戶端監(jiān)控系統(tǒng)的使用，可以在上位機(jī)上有效地監(jiān)控和整理螺栓擰緊的質(zhì)量數(shù)據(jù)。

PowerMACS 4000控制器內(nèi)置了多種擰緊策略，其中主要用到扭矩法，當(dāng)扭矩大于目標(biāo)扭矩，擰緊軸停止擰緊。如果峰值扭矩大于最小扭矩和小于最大扭矩時，則擰緊合格。

1.2.3 SMC行程可讀氣缸及CEU2控制器

行程可讀氣缸是一種活塞桿上帶有磁尺，氣缸缸體上裝有位置檢測傳感器的氣缸。其位置檢測傳感器每移動0.1mm或0.01mm，就發(fā)一個脈沖信號并計數(shù)，傳感器與外接計數(shù)器相連，行程可隨時讀出，最大傳送距離為150m。本系統(tǒng)選用CEU2系列氣缸及控制器，其氣缸的檢測分辨率為0.1mm;工作壓力范圍為0.1～1.0MPa;使用速度范圍為50～500mm/s;缸徑為100mm;行程為500 mm的氣缸。

CEU2氣缸控制器的行程控制精度可以達(dá)到0.1mm，配合采用氣動抱閘的行程可讀氣缸，停止精度在±0.5mm?？刂破鲀?nèi)部可以預(yù)置16套程序，每套程序可以指定運(yùn)動步驟及位移。每套程序最多可以設(shè)置32步，足以用來調(diào)整定位履帶的擰緊工位。因此可以用來針對不同的節(jié)距的履帶，指定此品種履帶對應(yīng)的程序號控制氣缸到達(dá)擰緊位置，保證擰緊機(jī)在指定工位順利識別螺帽。并且使用行程可讀氣缸，可以保證更換品種時首次只需手動示教好每種履帶品種的位置參數(shù)，存儲在控制器中，每回在生產(chǎn)某品種的履帶時，只要調(diào)用設(shè)置好參數(shù)的程序號，就能控制氣缸運(yùn)行到此品種履帶所需的擰緊工位。

1.2.4 系統(tǒng)單元之間的交互通信

整個系統(tǒng)只有在各單元有機(jī)的配合下，才能發(fā)揮系統(tǒng)的功能，而單元間的協(xié)調(diào)配合是通過系統(tǒng)單元之間的通信完成，如圖3所示為各單元間的交互總圖。

本擰緊機(jī)控制系統(tǒng)主要功能是完成以S7-200為中心的，與CEU2及PTC單元進(jìn)行分布式通信的過程。工控機(jī)與PTC間的通信是基于以內(nèi)網(wǎng)的交互通信;觸摸屏與 S7-200采用 RS-485接口交互通信;CEU2氣缸控制器與PLC之間是通過數(shù)字I/O模塊進(jìn)行通信的;PTC與PLC之間也是通過I/O模塊進(jìn)行通信的。如圖4所示，是PLC與CEU2控制器及PTC之間信號通信過程圖。主要有以下幾個階段信號通信及處理:

圖3 單元間交互總圖

圖4 單元間信號通信過程圖

(1)初始化階段:檢測CEU2氣缸控制器有無異常及報警;檢測擰緊軸是否準(zhǔn)備就緒。

(2)產(chǎn)品參數(shù)選擇階段:根據(jù)指定的產(chǎn)品參數(shù)，把氣缸程序發(fā)給CEU2控制器以及把該產(chǎn)品的扭矩程序號發(fā)給擰緊控制器。

(3)驗證程序號階段:把PLC發(fā)送過來的擰緊扭矩程序號，反饋給PLC進(jìn)行驗證，以確保選擇扭矩程序的準(zhǔn)確性。

(4)行程可讀氣缸運(yùn)動控制階段:PLC控制氣缸到指定工位，并反饋PLC當(dāng)前氣缸運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)氣缸的狀態(tài)，把是否可執(zhí)行擰緊指令發(fā)送給擰緊控制器。

(5)擰緊驅(qū)動器工作控制階段:PLC發(fā)送信號給擰緊控制器，進(jìn)行擰緊操作，并把擰緊是否合格的結(jié)果反饋給PLC進(jìn)行擰緊決策。合格則進(jìn)入下一節(jié)履帶擰緊，不合格則可以選擇重擰或者強(qiáng)制擰緊下一節(jié)。

2 軟件設(shè)計

2.1 控制程序架構(gòu)設(shè)計

履帶擰緊方式?jīng)Q定了PLC控制程序架構(gòu)，而一個程序架構(gòu)的好壞，決定了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定與否。本擰緊系統(tǒng)主要結(jié)合可編程控制器與擰緊軸的工作方式，編寫了控制程序流程。主要分為初始化控制、CEU2氣缸控制以及擰緊控制三大方面，如圖5所示是擰緊機(jī)控制程序的主要流程。

圖5 擰緊機(jī)控制程序流程

2.2 人機(jī)界面設(shè)計

人機(jī)界面采用的是西門子公司的TP 177B 6"PN/DP觸摸屏，該屏可用漢字、數(shù)字、曲線同步顯示主控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、報警畫面、實時數(shù)據(jù)，并可進(jìn)行監(jiān)控、修正和設(shè)定各種參數(shù)，便于操作者人機(jī)對話。根據(jù)現(xiàn)場需求主要設(shè)計了登錄界面、產(chǎn)品選擇界面、產(chǎn)品編輯界面、運(yùn)行監(jiān)控界面、手動調(diào)試界面、系統(tǒng)維護(hù)指示界面、編程氣缸校準(zhǔn)界面以及故障處理界面，來協(xié)調(diào)控制設(shè)備完成指定的擰緊流程。如圖6所示是其中一個界面——運(yùn)行監(jiān)控主界面。

圖6 運(yùn)行監(jiān)控主界面

3 結(jié)束語

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)把S7-200、高可靠性能的AtlasCopco擰緊控制器、SMC CEU2行程可讀氣缸有機(jī)得搭配起來，提供了方便靈活的螺栓擰緊方案，充分發(fā)揮了各個硬件的功能。從實際應(yīng)用角度看，此設(shè)備及其控制系統(tǒng)極大地實現(xiàn)了適應(yīng)變節(jié)距、變品種履帶螺栓的擰緊，并解決了履帶螺栓人工擰緊效率低下和不可靠的問題。

［1］阿特拉斯.科普柯.中文PM4000使用指導(dǎo)［S］.2007.

［2］SMC.Stroke Reading Cylinder with Brake Series CE2［S］.2010.

［3］西門子(中國)有限公司.S7-200可編程控制器操作手冊［S］.2010.

［4］衛(wèi)道柱.螺紋自動擰緊機(jī)的研制［D］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2004.

［5］黃健.汽車裝配自動擰緊機(jī)［D］.上海:上海交通大學(xué)，2008.

［6］江駿，劉志鋒，等.基于IPC的自動擰緊機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.控制與檢測，2006(11):57-68.

Distributed Control System Design for the Four Spindle Track Bolts Tightening Machine

DING Su-chi，WANG Lin-gang
(School of Mechanical and Automobile Engineering Hefei University of Technology，Hefei 23009，China)

The paper mainly aims at designing an automatic blot tightening machine for the various types of tracks and solving the problem of inefficiency and unsteady quality tightened by hand.In this equipment，the distributed control scheme that S7-200 as the master station and the AtlasCopco Power-MAC4000 also CEU2 stroke reading cylinder controller as the slave station is adopted.The tightening torque can be precisely controlled，and the qualities of bolts tightening can be recorded detailedly and traced easily.Therefore about 40%of producing time can be saved and the track productivity is greatly improved.In this paper the tightening system’s structure and configuration are mainly dissertated，as well as the distributed control scheme and the working flowchart.

bolt tightening machine;tightening machine control system;PTC I/O Communication;CEU2 I/O Communication

TH16;TG65

A

1001-2265(2012)01-0077-04

2011-06-13

丁蘇赤(1954—)，男，合肥人，合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院副教授，主要從事機(jī)電一體化控制、汽車試驗臺等研究，(E-mail)dingsuchi@gmail.com通訊作者:王林剛(1986—)，男，福建長樂人，合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院碩士，主要從事機(jī)電一體化控制、汽車試驗臺等研究，(E-mail)lingang.wang@gmail.com。

(編輯 李秀敏)