浅谈柔性紧固系统的开发与应用

随着科学技术的不断进步，以电子信息技术为基础，集传统的机械制造，计算机，成组技术与现代控制，传感测控，信息处理，网络通讯，液压气动及光机电技术于一体的数控技术得到了迅猛的发展和广泛应用，使得普通机械设备逐渐被高效率，高精度的数控设备所替代，从而产生了巨大的生产力，为制造业带来了巨大变革。微机控制技术已成为现代制造技术的基础，它能够有效地解决复杂，精密的运动程序问题，能适应各种机械产品迅速更新替代的需求，经济效益显着。
1二/六轴柔性紧固系统研制的目标
本项目用于对南车洛阳机车有限公司（以下简称洛阳公司）柴油机箱体螺栓紧固专用设备（柔性拔帽机）的改造。由于该设备控制系统严重老化，经常发生故障，且维修资料不全，多次请厂家来厂维修，其维修费用高且周期长，影响了工厂机车大修生产的正常进行。为此，我们利用微机控制技术对该设备进行了改造，主要是研制具有较高水平的控制系统。
目前国内常用的螺纹连接件拧紧工艺有3种：轴向拉伸法，扭矩法和转角法。较为常用的是扭矩法，其优点是操作和检测方便，缺点是即使同样大小的扭矩，只要螺栓的材质，接触面的摩擦力，螺纹表面的润滑情况以及螺纹面是否有毛刺等等的不同，实际作用在螺栓连接副上的轴向拉力可能就不同。为克服这一缺点，在高档拧紧设备上，多采用多步扭紧和转角监控的办法：通过几次反复扭紧和松开，可部分消除螺栓的加工残余应力，部分消除毛刺和接触面摩擦力对最终扭矩的影响。通过转角监控，能检测螺栓的"错扣"，"花扣"以及过度拉伸对扭矩影响较大的毛刺等。
按照扭紧工艺，设计如下紧固步骤：（1）二轴：预紧（400Nm）→第1步（1000Nm）→第2步（2000Nm）
→第3步（3000Nm），具有同步监测，转速检测，转角监控，参数修改等多项功能。
（2）六轴：能实现DF4A，DF4B，DF4C和DF4D4种车型的紧固，第1步（450Nm）→第2步（900Nm）→第3步（1300Nm/1600Nm）3. <3：1300Nm/1600Nm表示1300Nm设定力矩用于DF4A，DF4B，DF4C车型，1600Nm设定力矩用于DF4D车型。 >按照工艺要求，本紧固机主要用于洛阳公司柴油机车间拆卸和装配柴油机缸头螺栓和主轴承螺栓。二轴紧固机用于主轴承螺栓拆卸和装配，六轴紧固机用于柴油机缸头螺栓拆卸和装配。经论证，采用一套控制系统实现二轴和六轴紧固机的控制功能是一个较为合理的方案，它不仅节约成本，同时节省空间和安装调试的时间。因机械紧固部件都是外购，故这里只介绍电控系统的设计。电控系统主要由TP270触摸屏，S7-200PLC和MI2 CROMASTER440（以下简称MM440）变频器组成。
TP270虽是较低成本的触摸屏，但仍提供了强大的功能。 TP270触摸屏必须使用SIMATICProToolCS组态软件，在组态计算机（PC或PU）上创建需要显示在操作单元上的图形，文本，自定义功能及操作和显示元素。为了将组态下载到操作单元，可以使用操作单元（即图1中的"IF1A"接口），通过串行MPI/PROFIBUS-DP网络，USB或以太网接口，或者通过标准调制解调器路径与组态计算机相连。组态被成功下载后，将操作单元连接到PLC，这样就可以与PLC进行通讯，并根据PLC中程序运行所组态的信息作出响应。
SIMATICS7-200系列PLC适用各种场合中的检测，监测及控制的自动化，本系统采用了CPU224和2个扩展模块，通讯模式采用PPI模式与触摸屏连接。
MM440变频器由微处理器控制并采用绝缘栅双极型晶体管IGBT作为功率输出器件，因而具有很高的可靠性和功能多样性，其脉宽调制的开关频率是可选的，降低了电动机运行的噪声，MM440变频器具有全面而完善的控制功能和保护功能，既可用于单机驱动也可集成到自动化系统中。
2控制系统设计
2.1设计方案
根据现场作业要求，确定系统的设计方案要点如下：（1）电控柜的防护等级应达到IP54，且应具有冷却或通风装置；交流电源线与24V电缆分开走线；电机的正反转应有互锁。
（2）接地方法必须遵守国家标准GB/T5526.1-1996；PE接地只能集中在一点接地，接地线截面积不得小于6mm 2，接地线严格禁止环绕；在接地状况不好时，控制变压器必须作浮地设计；电控柜中控制电源必须采用独立的隔离变压器；PLC，触摸屏，变频器的接地端必须等电位联结。
（3）PLC设计时应考虑输入信号的最高频率，也即PLC输入信号的ON时间或OFF时间必须比PLC的扫描周期长；PLC相邻两触点的输出电流之和不超过1A；PLC开关量所有输入信号必须为电平信号，模拟量输入不大于10VDC. 2.2系统功能
系统采用触摸屏实现监控，参数修改，操作等功能；采用PLC实现程序控制；采用变频器实现二，六轴控制，二轴与六轴之间用接触器互锁。紧固过程分3步完成：初扭→中扭→终扭，每步扭矩值均可在触摸屏上设定，在扭紧过程中实现非同步过程监控。同时，紧固机能够实时显示紧固力矩，速度，转角等参数，具有"合格"显示功能，以提示操作者该次作业的完成。此外，还应具有多种报警功能，如不同步，零漂过大，传感器断线等，用于非正常情况下对设备及螺栓进行保护。
2.3触摸屏画面设计
根据工艺需要，本项目的主画面为选择画面，即二轴与六轴的切换画面。如选择二轴画面，则进入二轴控制画面，进行参数设置（如果是首次开机还需先测试电机和传感器参数），同时传递参数至PLC，控制相应动作，。六轴与二轴的相同。
当画面设计完成后，还要设定相应的与PLC通讯的参数，用以控制PLC的动作。同时还要设置通讯波特率，波特率的设置，要考虑PLC的运算速度。
2.4PLC控制程序设计
本系统采用主程序调用子程序的方式，程序块共分1个主程序和14个子程序。主程序实现初始化，程序选择，二轴程序调用，六轴程序调用等功能。子程序主要解决数据采集处理，紧固步骤的实现，报警信号处理，二/六轴选择，变频器的控制，转角测定等。每个子程序分别完成独立的功能，子程序还可以嵌套子程序。二轴控制子程序其实是实现二轴紧固装置的所有功能的主程序，它需要调用5个子程序，分别为测试子程序，I/O子程序，轴控子程序，计数子程序和A/D处理子程序。
（1）测试子程序实现两个扭紧轴的空转性能试验，测试传感器的性能，电机转速情况等。
当传感器断线或空转测试值超差时，传递报警信号至触摸屏，同时该子程序中断执行将要进行的扭紧步骤。所有测试通过后才能进入下一个画面。
（2）I/O子程序实现轴的正反转和停止，处理数字量输入，输出信号及报警信息。
（3）轴控子程序实现轴的4步扭紧。当每步两轴扭矩值到达后，再进行下一步的扭紧，如果在扭紧过程中一个轴扭矩值达到设定值，而在设定的时间内，另一轴仍没有达到，则停止扭紧，同时发出不同步信息至触摸屏，待故障处理后才能重新执行紧固程序。当紧固步骤全部完成后，发出紧固完成信号。
（4）计数子程序用于电机转速和螺栓转角的监控，测试时如果转速出现异常便激活报警位。在扭紧螺栓的最后一步启动转角监控功能，当两个螺栓的最终转角符合设定值时，才能激活紧固完成信号，否则会发出报警信息。
（5）A/D处理子程序是将模拟量输入模块采集的电压信号进行数字处理，用于扭矩的控制。为防止干扰，采用求平均值法进行处理，采样次数为128次。由于电机正反转会产生相反的扭矩值，为显示正确的扭矩值，将采集的数据进行如下处理将输入为2.5V时定义为0，0V时为-4000Nm，5V时为4000Nm. 2.5变频器使用注意事项
变频器选型时要确定控制类型是恒压控制还是恒流控制及负载类型，应特别注意负载的性能曲线，为防干扰，与变频器有关的模拟信号线最好选用屏蔽双绞线，动力电缆选用屏蔽的三芯电缆，要求变频器接地端子的接地电阻越小越好，接地导线截面不小于4mm 2，长度不超过5m，应与动力设备的接地点分开，不能共地。信号线的屏蔽层一端接到变频器接地端，另一端浮空。
3结束语采用一套控制系统实现二轴和六轴紧固系统的控制，节约了成本和空间。二轴紧固机可实现单轴单独动作，便于操作定位。六轴拆卸力矩大，可满足DF4D车型的要求。系统采用模块化设计，可根据使用要求选配不同的元器件。由于编制了详尽的设备报警信息，使得操作更为方便，故障排除更为简单。