自动螺纹拧紧机的控制系统设计.pdf

第 l 0卷 第 3期 2 0 0 8年 5月 滁州 学 院学 报 J O U R N A L 0 F C H U Z I I O U U N E R S r I T 1 Vo 1 1 0 No 3 Ma y 2 0 0 8 自动螺纹拧紧机的控制系统设计 黄恭伟(滁州学院 电子信息工程系，安徽 滁州 2 3 9 0 0 0)摘要：自动螺纹拧紧机是现代制造业中高效率高精度的生产工具，其控制系统是 自动螺纹拧紧机的核心，研 究控制 系统和利用性能不断提高 的可编 程控制器(P L C)设计控制 系统，是使 自动螺纹拧 紧机 性能不断提高 的 有效途径 关键 词：拧 紧机；控制系统；P L C 中图分类号：T P 3 3 2 3 文献标识码：A 文章编号：1 6 7 3-1 7 9 4(2 0 0 8)0 3-0 0 6 1-0 4 作者简介：黄恭伟(1 9 7 6-)，男，安徽滁州人，硕士，滁州学院电子信 g-工程 系 1前 言 为了便于机器的制造、安装、运输、维修以及提高劳动生产率等。人们广泛地使用螺纹联接 螺栓虽然是一种极普通的机械零件，但是在重要设备中，一旦螺栓联接出现损坏，将造成严重后果 因此。人们对螺纹联接的拧紧精度越来越重视 同时，在大规模生产企业，尤其在以成本为核心竞争力的汽车制造行 业中，快速准确地装配大量螺栓能极大地减少产品生产时间和工人劳动强度 因此。在大、中型企业广泛使用高 效高精度拧紧工具 自动控制的电动拧紧机 这种拧紧工具首先是在国外产生，并被广泛应用于各汽车制造企业中 随着对国外先进拧紧技术和拧紧工 具技术 的消化，国内现在也有一些科 研院所和企业 自行设计和 开发具有 自主知识 产权 的拧紧机【n 但距离 国外 水平，在各方面，尤其控制系统的功能上有很大差距 因此，研究设计 自动控制的电动拧紧机控制系统，对提高 我国生产装备的自主创新水平有很大意义 2自动控制的电动拧紧机及其控制 系统原理简介 自动控制的电动拧紧机是电子技术与机械技术相结合的产物，主要是由两大部分组成的，一部分是完成 拧紧动作的执行机构，即拧紧轴单元 另一部分是控制和监视拧紧过程的控制系统 这种拧紧工具既可以对拧 紧过程施行 自动控制，又可对于拧紧结果进行统计分析，并具有精度高、噪音低、劳动强度低、劳动生产率高等 许多优点 目前欧美、日本等国的汽车业普遍采用这种拧紧设备。在国内近年来也越来越受到众多汽车业厂家 的青 睐 收稿 日期：2 0 0 8 0 5 1 1 61 维普资讯 http:/ 如 图 1 所 示，电动拧紧机系统 由四大部分组成：支 承部件、动力及传动系统(即拧紧轴单元)、升降系统、控 制系统 电动多轴拧紧机系统主要由动力及传动系统和控制系统两大部分组成 控制系统是拧紧机的核心 按控制 系统的核心部件的不 同，拧紧机分为基于工业控制计算机(i p c)的电动拧紧机【2】、基于可编程序控S U (P L C)的 电动拧紧机翻 和基于以单片机为核心开发的专用控制器的电动拧紧机州 三种控制器方案各有各 自的优点和缺 点，适用于不 同的工作场合 图 2是典型 电动多轴拧紧机 的系统原理图四 由图可 以看 出，典型 电动多轴 拧紧机控制系统 由各拧紧轴的 轴控单元、拧紧机的主控单元和拧紧机的显示单元组成，是三层结构 的控制系统 其 中，轴控单元层和主控单元 层 是控制系统 的核心 通 讯 打 印 机 图 2 典 型 电 动 多轴 拧 紧 机 系统 原 理 图(1)轴控单元的主要功能是：接 受主控单元的指令，并按指令控制 各所对应 的拧紧轴工作，将各种数据和 拧 紧结果传送给主控单元(2)主控单元的主要功能是：通过控制、协调各轴控单元来实现整个系统拧紧动作 的协调控制(3)显示 单元，或称监控单元 机 电一体 化的设备一般具有人机交互界面，显示单元就是人机界 面，即 H MI H u m a n M a c h i n e I n t e r f a c e)通过显示单元，拧紧机可 以将一些信 息，如报警号码、参数变化数值、运行 曲线显示 出来 使用者也可以设置、修改参数，并可 以及时了解运行状态 3基于多 P L C的模块化电动 多轴拧 紧机的控制系统设计 本文提 出的基于多 P L C的模块化电动多轴拧紧机的控制系统，如图 3 所示，该控制系统 由显示单元、主控 单元和轴控单元组成 轴控单元采用模块化结构，每一模块使用一台高性能小型 P L C 为了充 分发挥 P L C的强大功能，这里用一 个 P L C完成对两根拧紧轴拧紧过程 的控制 我们称之为 P L C轴控制单元 主控单元也采用 P L C协调轴控制单 元之间的动作 3 1电动 多轴拧紧机控制 系统 的硬件设 计 3 1 1 P L C轴控单元和主控 单元 P L C轴控制单元和主控单元采用 日本 O MR O N(欧姆龙)公司 0 5年底推出的具有高度扩展性的小型一 体化可编程序控制器 C P 1 H X A C P 1 H X A虽然定位于小型机，但它却是基于中型 P L C平台的，因此具备了 很多中型机的功能 该控 制器集成 了 4轴高速脉冲输 出、4轴高速计数器输入、内藏 4通道 A D和 2 通道 D A的模拟量输 入输 出等功能，并可选装 R S-2 3 2 C和 R S 一 4 2 2 A R S-4 8 5 接 口，可 以实现 P L C 之 问或 P L C与 I P C 之 间的联 网 使 一6 2 维普资讯 http:/ 用 P C L i n k协议可以实现 1台 P L C主站连接 8台 P L C轴控制单元 6】利用这些功能可以实现多个拧紧头 的 速度控制模式和多个转矩、角度传感器检测数据的读取 使用 R s 一 2 3 2 C串口，P L C可与可编程终端连接 罂 伺 伺 转 轴 转 轴 伺 轴 伺 轴 转 轴 转 璺 控 服 控 矩 传 矩 传 服控 服控 矩梧 短 传 制器制器思器感器 制器制器感器感器 图 3基 于多 P L C的模块化 电动 多轴拧 紧机的控制 系统结构 图 3 1 2人 机 界 面 人机界面采用台湾 H i T e c h公司的触摸屏 P W S 6 8 0 0 C-P，该屏可用汉字、数字、曲线同步显示主控系统的 运行状态、报警画面、历史趋势图及实时数据，并可进行监控、修正和设定各种参数，便于操作者人机对话 3 2电动多轴拧 紧机控制 系统 的软件设 计 3 2 1轴控单元控制软件 总体框 架 轴控单元的控制软件分为加载、卸载和调试三大任务，主轴控单元还包括参数设置任务，如图4所示 图 4轴 控 单 元 控 制 系统 结 构 框 图 加载任务是三大任务中的主要任务，是正常工作状态下用到最多的任务 卸载任务是用于遇到拧紧不合 格，需要拆卸螺栓时的情况 在正常工作状态下，拧紧不合格的情况发生的次数相对于合格次数要少得多。因 此，卸载任务使用得比较少 调试任务一般是安装调试人员使用的，目的是为了便于发现问题 出现的位置，以 减少查找 时间 3 2 2开机 与 系统 初 始 化 接通主机电源和可编程控制器 电源开关，程序开始启动 程序启动后，可编程控制器首先对各硬件进行 自检 如果没有发现故障，则对程序中各参数变量赋初值，系统进行初始化 然后程序进入任务选择状态，此 时，控制面板有三种转换开关可进行相应操作：自动与手动的切换、加载(拧紧)与卸载(拧松)的切换、手动 调试与参数设置的切换 3 2 3 加 栽任务 在任务选择界面下，将工作状态选择开关拨至自动位置，将加载御 载选择开关拨至加载位置，系统进入 一6 3 维普资讯 http:/ 加载任务，图 5 是加载任务控制软件流程简 图 当工作结束后 选择其它 开关，系统将退 出加载任务并进入其它任务 3 2 4卸栽 任 务 在任务选择状态下，将工作状态选择开关拨至 自动位置，将加载 卸载任务选择开关拨至卸载位置，进 入卸载任务 3 2 5主轴控 单元协调功能 的实现 主轴控单元的主要功能就是协调各轴控制单元按要求运行 协调功能是通过与其他轴控单元的通讯实 现的，而主轴控单元的 P L C与其他轴控单元 P L C的通讯，又是通过欧姆龙公司的 P C L i n k协议实现的 扭 矩 控 制 阶 段 扭 矩 监 测 图 5加 载 任 务 流 程 简 图 3 2结语 从上看 出 该控制系统硬件上充分发挥 了 P L C和 H M1 的作用，软件上 能实现 多种功 能，程序结构合 理 从实际应用的角度来说，是一款性价比很高的拧紧机控制系统 该控制系统硬件配置方案还具有稳定性和可 靠性高、响应快、开发周期较短、系统维护较容易等特点，可广泛应用于发动机气缸盖螺栓拧紧、连杆螺栓拧 紧、底盘变速箱螺栓拧紧、车轮螺栓拧紧、前后桥 U型螺栓拧紧等控制精度要求较高的场合，为汽车制造业 提高质量和效率、降低成本 发挥重要作用 参 考 文 献1 1 1 2道 柱 螺纹 自动拧 紧机 的研 制 D 1 合肥：合肥 工业大学，2 0 0 4 【2】任永 强，等 基 于力封 闭的多功 能螺母拧 紧机 系统设计 J】制造技 术与机床，2 0 0 4，(1)【3】胡洪国，等 新型汽车主锥全 自动拧 紧机控制 系统设计【J】机床 与液压，2 0 0 0，(1)4】冯德富，等 对 美国 自动拧 紧机的 国产化改造 J】汽 车工 艺与材料，2 0 0 3，(9)【5 1 单继平，等 电动多轴螺母拧紧机控制系统设计【J 组合机床与 自动 加工技术，1 9 9 9，(7)6】日本欧姆 龙公 司 C P1 H操作手册 MI 日本：欧姆龙公 司，2 0 0 5 6 4 审稿：倪受春；责编：万东升】维普资讯 http:/