基于微機控制技術(shù)的柔性緊固系統(tǒng)研制

1、基于微機控制技術(shù)的柔性緊固系統(tǒng)研制工程機械事業(yè)部 常衛(wèi)軍摘要：柔性緊固系統(tǒng)運行是一個自動控制過程，它把來自人機界面中的各種動作指令經(jīng)控制計算機處理后，對各種動作的順序、扭矩以及轉(zhuǎn)角實現(xiàn)自動控制。本課題從實際應(yīng)用的角度出發(fā)，以西門子產(chǎn)品為基礎(chǔ)，以柔性緊固系統(tǒng)的研制為樣例，介紹了人機界面、plc等微機控制系統(tǒng)的基本原理和應(yīng)用方法。本文在對各種參數(shù)分析后，編制了系統(tǒng)參數(shù)，根據(jù)工藝要求設(shè)計了plc梯形圖。經(jīng)反復(fù)調(diào)試和測量，使各種參數(shù)均滿足工藝要求。關(guān)鍵詞： 微機控制技術(shù)； 觸摸屏；plc； 參數(shù)； 程序。1概述11 引言設(shè)備技術(shù)是20世紀70年代發(fā)展起來的一種機床設(shè)備自動控制技術(shù)。30多年來，隨著電子

2、器件、計算機、傳感與檢測、機械制造技術(shù)的不斷進步，以電子信息技術(shù)為基礎(chǔ)，集傳統(tǒng)的機械制造技術(shù)、計算機技術(shù)、成組技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)，傳感測控技術(shù)、信息處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、液壓氣動技術(shù)、光機電技術(shù)于一體的數(shù)控技術(shù)得到迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，使得普通機械逐漸被高效率、高精度的數(shù)控設(shè)備所替代，從而形成了巨大的生產(chǎn)力，導(dǎo)致了制造業(yè)發(fā)生了根本性變化，微機控制技術(shù)已成為現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)，其水平高低是衡量一個國家工業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。目前，微機控制技術(shù)在制造業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，主要是因為它有效地解決了復(fù)雜、精密的運動程序問題，能適應(yīng)各種機械產(chǎn)品迅速更新替代的需要，經(jīng)濟效益顯著，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：1、

3、 生產(chǎn)效率高，比普通設(shè)備提高35倍；2、 減少工裝，減少人為誤差，提高加工精度，具有廣泛的適用性和靈活性；3、 縮短新產(chǎn)品的試制和生產(chǎn)周期，易于組織多品種生產(chǎn)，使企業(yè)能對市場需求作出快速響應(yīng)；4、 能減輕勞動強度，改善勞動條件，節(jié)省人力，能降低勞動成本；5、 可實現(xiàn)軟件誤差補償和優(yōu)化控制。 12微機控制技術(shù)應(yīng)用的目的設(shè)備是企業(yè)發(fā)展生產(chǎn)技術(shù)和實現(xiàn)經(jīng)營目標(biāo)的物質(zhì)基礎(chǔ)。設(shè)備的技術(shù)性能和技術(shù)狀態(tài)不但直接影響產(chǎn)品質(zhì)量，還關(guān)系工時、材料和能源的有效利用，同時對企業(yè)的經(jīng)濟效益也會產(chǎn)生深遠影響。設(shè)備的技術(shù)微機控制技術(shù)應(yīng)用和更新直接影響企業(yè)的技術(shù)進步、產(chǎn)品開發(fā)和市場開拓。因此，從企業(yè)產(chǎn)品更新替代、發(fā)展品種、提高

4、質(zhì)量、降低能耗，提高勞動生產(chǎn)率和經(jīng)濟效益的實際出發(fā)，進行充分的技術(shù)分析，有針對性的用新技術(shù)研制和更新現(xiàn)有設(shè)備，是提高企業(yè)素質(zhì)和市場競爭力的一種有效方法。13 二六軸柔性緊固系統(tǒng)研制131問題的提出本項目是基于我廠柴油機箱體螺栓緊固專用設(shè)備（柔性拔帽機）的改造。由于該設(shè)備控制系統(tǒng)嚴重老化，經(jīng)常發(fā)生故障。而且維修資料不全，多次請廠家來廠維修，其維修費用高且周期長，使得設(shè)備長期不能正常發(fā)揮機能，影響工廠機車大修生產(chǎn)的正常進行。目前，國內(nèi)生產(chǎn)該專用設(shè)備的廠家為數(shù)不多。我們想在改造設(shè)備的同時，研制出具有同類水平或較高水平的控制系統(tǒng)。132擰緊工藝目前國內(nèi)對螺紋連接件擰緊工藝常用的有三種：軸向拉伸法，扭矩

5、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，實際作用在螺栓聯(lián)接副上軸向拉力可能就不同。為克服這種缺點，在高檔擰緊設(shè)備上，多采用多步扭緊和轉(zhuǎn)角監(jiān)控的辦法克服。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。133工藝要求：按照扭緊工藝，設(shè)計如下緊固步驟，。 1）、二軸：分四步實現(xiàn)緊固過程預(yù)緊(400nm ) 第一步(1000nm) 第二步(2000n

6、m) 第三步(3000nm) 具有同步監(jiān)測、轉(zhuǎn)速檢測、轉(zhuǎn)角監(jiān)控、參數(shù)修改等功能。2）、六軸：能實現(xiàn)abcd四種車型的緊固。分三步實現(xiàn)緊固過程第一步(450nm) 第二步(900nm) 第三步(1300nm/1600 nm)(1)134解決方案：按照工藝要求，本裝置主要用于我廠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，六軸用于柴油機缸頭螺栓拆卸和裝配。經(jīng)過論證，采用一套控制系統(tǒng)實現(xiàn)二軸和六軸緊固機的控制功能是一個較為節(jié)約的方案，它不僅節(jié)約成本，同時節(jié)省空間和安裝調(diào)試的時間。機械緊固部件采用外購方式。故本文主要介紹電控系統(tǒng)的設(shè)計。電控系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分

7、組成。將在第三部分介紹硬件和軟件的設(shè)計。注：（1）、1300nm/1600 nm表示：1300nm設(shè)定力矩用于東風(fēng)4abc車型，1600nm設(shè)定力矩用于東風(fēng)4d車型。2控制系統(tǒng)構(gòu)成21系統(tǒng)組成與連接本系統(tǒng)主要控制功能由tp270觸摸屏、s7-200plc和mm440變頻器組成。系統(tǒng)連接框圖如下： tp270 plc i/o至變頻器 圖2-1 觸摸屏與plc連接圖至plc 圖2-2 變頻器連接框圖22 各部件簡介 221觸摸屏此產(chǎn)品定位于最優(yōu)化過程和應(yīng)用組件之間的產(chǎn)品層中，例如一方面是操作面板和plc，另一方面是工業(yè)pc。tp270觸摸屏必須使用protool cs 進行組態(tài)，首先必須使用sim

8、atic protool cs 組態(tài)軟件在組態(tài)計算機(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，組態(tài)計算機必須被連接到操作單元(參見圖2-1 中的“if1a”接口)?？梢酝ㄟ^串行的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)器路徑建立連接。一旦組態(tài)已經(jīng)被成功地下載，將操作單元連接到plc。然后操作單元就可以與plc 通訊，并根據(jù)為在plc 中運行程序所組態(tài)的信息作出響應(yīng)。tp 270是較低成本的觸摸屏(彩顯10吋屏),但仍然提供強大的功能。本操作單元包括下列優(yōu)點：1）、 組態(tài)效率很高，2）、 可

9、在組態(tài)計算機上模擬組態(tài)(不需要plc)，3）、通過基于windows 的用戶界面可以對過程進行清晰地顯示和方便地操作。4）、在組態(tài)期間有大量預(yù)定義的畫面對象可供選擇，5）、 可動態(tài)使用畫面對象(例如移動對象)，6）、 可在配方畫面和配方視圖中簡單快速地處理配方和數(shù)據(jù)記錄，7）、 歸檔消息、過程值和登錄/退出過程，8）、 無需外部圖形編輯器，使用simatic protool cs 組態(tài)軟件創(chuàng)建向量圖形。9） 下載： 自動切換到下載模式 通過mpi、profibus/dp、usb 和ethernet (以太網(wǎng))傳送， 串行下載， 通過teleservice (遠程服務(wù))傳送。10）、 可與sim

10、atic s5/dp、simatic s7 和simatic 505 以及其它廠商生產(chǎn)的plc 進行標(biāo)準(zhǔn)連接。222 s7-200 plcsimatic s7-200 系列plc 適用各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化，s7-200 系列的強大功能使其無論在獨立運行中或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實現(xiàn)復(fù)雜控制功能因此s7-200 系列具有極高的性能/價格比。s7-200 系列出色表現(xiàn)在以下幾個方面：1）、 極高的可靠性和 極豐富的指令集2）、 易于掌握 便于的操作3）、 豐富的內(nèi)置集成功能，實時特性、 強勁的通訊能力和 豐富的擴展模塊s7-200 系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強大功能，使用范圍可覆蓋從

11、替代繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動化控制。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛覆蓋所有與自動檢測自動化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域。s7-200 系列plc 可提供4 個不同的基本型號。本系統(tǒng)采用的是cpu224和2個擴展模塊。通訊模式采用ppi模式與觸摸屏連接（見圖2-1）。223 變頻器micromaster 440是適合用于三相電動機速度控制和轉(zhuǎn)矩控制的變頻器，功率范圍涵蓋120 w 至 200 kw的多種型號。本變頻器由微處理器控制并采用具有現(xiàn)代先進技術(shù)水平的絕緣柵雙極型晶體管igbt 作為功率輸出器件，因此它們具有很高的運行可靠性和功能的多樣性，其脈沖寬度調(diào)制的開關(guān)頻率是可選的，因而降低了電動機運行的噪聲，

12、全面而完善的保護功能為變頻器和電動機提供了良好的保護。由于micromaster440 具有全面而完善的控制功能，在設(shè)置相關(guān)參數(shù)以后它也適合用于需要多種功能的電動機控制系統(tǒng)，micromaster 440 既可用于單機驅(qū)動系統(tǒng)也可集成到自動化系統(tǒng)中。其主要特性如下：1）、易于安裝調(diào)試2)、牢固的emc 設(shè)計，可由it 中性點不接地電源供電3）、對控制信號的響應(yīng)是快速和可重復(fù)的4）、參數(shù)設(shè)置的范圍很廣確保它可對廣泛的應(yīng)用對象進行配置5）、具有多個繼電器輸出，具有多個模擬量輸出0 - 20ma6）、6個帶隔離的數(shù)字輸入并可切換為npn/pnp 接線，2個模擬輸入 ain1 0 - 10 v 0 -

13、 20ma 和-10 至 +10 v ain2 0 - 10 v 0 - 20ma7）、2 個模擬輸入可以作為第7 和第8 個數(shù)字輸入8）、bico 二進制互聯(lián)連接技術(shù)9）、模塊化設(shè)計配置非常靈活10）、脈寬調(diào)制的頻率高因而電動機運行的噪音低10）、內(nèi)置的rs485 串行通訊接口11）、詳盡的變頻器狀態(tài)信息和全面的信息功能3控制系統(tǒng)設(shè)計31設(shè)計原則1、電控柜的防護等級應(yīng)達到ip54，且應(yīng)具有冷卻或通風(fēng)裝置；2、接地方法必須遵守國標(biāo)gb/t5526.11996標(biāo)準(zhǔn)；3、pe接地只能集中在一點接地，接地線截面積必須6mm2，接地線嚴格禁止出現(xiàn)環(huán)繞；4、電控柜中控制電源必須采用獨立的隔離變壓器；5、

14、在接地狀況不好時，控制變壓器必須作浮地設(shè)計；6、plc設(shè)計時應(yīng)考慮輸入信號的最高頻率，也就是說：plc輸入信號的on時間或off時間，必須比plc掃描周期長；7、plc、觸摸屏、變頻器的接地端必須等電位聯(lián)結(jié)；8、plc相鄰兩觸點的輸出電流之和不超過1a；9、電機的正反轉(zhuǎn)應(yīng)有互鎖。10、在電柜布線時，交流電源線必須與24v電纜分開走線。11、plc開關(guān)量所有輸入信號必須為電平信號，即“0”電平-35vdc和“1” 電平1130vdc。模擬量的輸入10vdc。32 系統(tǒng)概述本系統(tǒng)的主要功能如下：1、系統(tǒng)硬件：采用觸摸屏實現(xiàn)監(jiān)控、參數(shù)修改、操作等功能；plc實現(xiàn)程序控制；變頻器實現(xiàn)二、六軸控制。兩軸

15、與六軸之間采用接觸器實現(xiàn)互鎖功能。2、系統(tǒng)軟件：緊固完成步驟分三步（多步）：初扭中扭終扭。每步的扭矩值可設(shè)定（觸摸屏畫面上設(shè)定）。在扭緊過程中實現(xiàn)非同步過程監(jiān)控。3、緊固機能實時顯示緊固力矩、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。4、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)備及螺栓進行保護。 本文將從觸摸屏、plc、變頻器三部分來介紹設(shè)計思路。33 觸摸屏畫面設(shè)計根據(jù)工藝需要，確定控制畫面和各畫面顯示內(nèi)容。觸摸屏必須有一個主畫面，即開機后直接進入的畫面，然后，在主畫面中進行各畫面的切換。本項目的主畫面是選擇畫面，即二軸與六軸的切換畫面。

16、如選擇二軸畫面，則進入二軸控制畫面，同時傳遞參數(shù)至plc，控制相應(yīng)動作，如吸合控制二軸變頻器的接觸器等。各畫面切換的流程圖見圖3-1。車型選擇鍵參數(shù)設(shè)置鍵ynn測試通過？y參數(shù)設(shè)置運行操作按運行操作鍵運行操作畫面按參數(shù)設(shè)置鍵參數(shù)設(shè)置畫面按運行操作鍵車型選擇鍵同二軸電機與傳感器參數(shù)測試畫面選擇畫面首次開機？開始 二軸 六軸圖3-1 觸摸屏畫面設(shè)計流程圖按照流程圖，設(shè)計的部分畫面如下： 圖3-2 觸摸屏選擇畫面圖3-3 觸摸屏二軸測試畫面圖3-3 觸摸屏二軸運行操作畫面當(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

17、速度。33 plc控制程序設(shè)計plc程序設(shè)計一般采用狀態(tài)流程圖編制，它能完整地描述控制系統(tǒng)的工作過程、功能和特性。狀態(tài)流程圖是分析和設(shè)計電控系統(tǒng)控制程序的重要工具。其步驟如下：1、 按照機械運動或工藝過程的工作內(nèi)容、步驟、順序和控制要求畫出狀態(tài)流程圖。2、 在畫出的狀態(tài)流程圖上以plc輸入點或其他元件定義狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件。3、 按照電氣執(zhí)行元件功能表，在狀態(tài)流程圖上對每個狀態(tài)和動作命令配畫上實現(xiàn)該狀態(tài)或動作命令的控制功能的電氣執(zhí)行元件，并以對應(yīng)的plc輸出點的編號定義這些電氣執(zhí)行元件。本例中，plc程序采用主程序調(diào)用子程序的方式組成，主程序ob1包含4個子程序（梯形圖見3-4），程序塊共分1個主程

18、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，子程序可以嵌套子程序。各子程序的編制方法基本相同，本文主要介紹二軸控制子程序（圖3-5）。圖3-4 主程序梯形圖3.3.1 二軸控制子程序 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，是主程序的子程序，同時它又調(diào)用5個子程序，這5個子程序分別是測試子程序、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、電機轉(zhuǎn)

19、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，使監(jiān)視畫面顯示報警信息。 同時該子程序中斷執(zhí)行將要進行的扭緊步驟。只有所有測試通過后才能進入下一個畫面。 圖3-5 二軸控制子程序梯形圖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)軸的四步扭緊。當(dāng)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(shè)定值，而在設(shè)定的時間內(nèi)，另一軸仍沒有達到，則停止扭緊程序的執(zhí)行，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)子程序用于電機轉(zhuǎn)速和螺栓轉(zhuǎn)角的監(jiān)控，當(dāng)測試時如果轉(zhuǎn)速出現(xiàn)

20、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。2.5v5v4000nmv-4000a/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(shù)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(shù)為128次。由于電機正反轉(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)進行如下處理(見圖3-6),將輸入為2.5v時定義為0nm，0v時為-4000 nm，5v時為4000 nm。圖3-6 電壓-扭矩轉(zhuǎn)換34 變頻器設(shè)計變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置?，F(xiàn)在常

21、用的變頻器主要采用交直交方式（vvvf變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為igbt三相橋式逆變器，且輸出為pwm波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。3.4.1變頻器選型變頻器選型時要確定以下幾點：1) 采用變頻的目的；恒壓控制或恒流控制等。2) 變頻器的負載類型；如風(fēng)機泵類、機械加工類等，特別注意負載的性能曲線，性能曲線決定了應(yīng)用時的方式方法。3) 變頻器與負載的匹配問題。4) 在使用變

22、頻器驅(qū)動高速電機時，由于高速電機的電抗小，高次諧波增加導(dǎo)致輸出電流值增大。因此用于高速電機的變頻器的選型，其容量要稍大于普通電機的選型。 3.4.2變頻器使用中應(yīng)注意的事項 1） 電磁波干擾。變頻器在工作中由于整流和變頻，周圍產(chǎn)生了很多的干擾電磁波，這些高頻電磁波對附近的儀表、儀器有一定的干擾。因此，柜內(nèi)儀表和電子系統(tǒng)，應(yīng)該選用金屬外殼，屏蔽變頻器對儀表的干擾。所有的元器件均應(yīng)可靠接地，除此之外，各電氣元件、儀器及儀表之間的連線應(yīng)選用屏蔽控制電纜，且屏蔽層應(yīng)接地。如果處理不好電磁干擾，往往會使整個系統(tǒng)無法工作，導(dǎo)致控制單元失靈或損壞。2） 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

23、用屏蔽的三芯電纜（其規(guī)格要比普通電機的電纜大檔）或遵從變頻器的用戶手冊。3) 變頻器的接地變頻器正確接地是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，抑制噪聲能力的重要手段。變頻器的接地端子的接地電阻越小越好，接地導(dǎo)線的截面不小于4mm，長度不超過5m。變頻器的接地應(yīng)和動力設(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的接地端，另一端浮空。變頻器與控制柜之間電氣相通。3.4.3 變頻器的運行和相關(guān)參數(shù)的設(shè)置變頻器的設(shè)定參數(shù)多，每個參數(shù)均有一定的選擇范圍，使用中常常遇到因個別參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，導(dǎo)致變頻器不能正常工作的現(xiàn)象?？刂品绞剑杭此俣瓤刂啤⑥D(zhuǎn)距控制、pid控制或其他方式。采取控制方式后，一般要根據(jù)控制精度，需要進行靜態(tài)或動態(tài)辨識。最低運行頻率：即電機運行的最小轉(zhuǎn)速，電機在低轉(zhuǎn)速下運行時，其散熱性能很差，電機長時間運行在低轉(zhuǎn)速下，會導(dǎo)致電機燒毀。而且低速時，其電纜中的電流也會增大，也會導(dǎo)致電纜發(fā)熱。最高運行頻率：一般的變頻器最大頻率到400 hz，高頻率將使電機高速運轉(zhuǎn)，這對普通電機來說，其軸承不能長時間的超額定轉(zhuǎn)速運行，電機的轉(zhuǎn)子是否能承受這樣的離心力。載波頻率：載波頻率設(shè)置的越高其高次諧波分量越大，這和電纜的長度，電機發(fā)熱，電纜發(fā)熱變頻器發(fā)熱等因素是密切相關(guān)的。電機參數(shù)：變頻器在參數(shù)中設(shè)定電機的功率、電流、電壓