基于分布式的四轴履带螺栓拧紧机控制系统设计

丁苏赤，王林刚

(合肥工业大学机械与汽车工程学院，合肥 230009)

基于分布式的四轴履带螺栓拧紧机控制系统设计

丁苏赤，王林刚

(合肥工业大学机械与汽车工程学院，合肥 230009)

文章主要针对不同品种不同节距的履带以及人工拧紧履带效率低下和不可靠性的问题，设计一种可以对履带螺栓进行自动批量拧紧的设备。采用了以S7-200为主站，AtlasCopco拧紧控制器和CEU2行程可读气缸控制器为从站的分布控制方案，能适应各种类型的履带螺栓的拧紧，而且能精确控制螺栓的拧紧扭矩，并生成履带每根螺栓的拧紧质量报告记录，可节省40%的生产时间，大大提高履带的生产效率。文章主要阐述所设计的四轴履带螺栓拧紧机系统的结构、配置、分布式控制方案及拧紧机工作流程。

螺栓拧紧机;拧紧机控制系统;PTC I/O通信;CEU2 I/O通信

0 引言

螺栓是履带上很重要的机械联接零件之一，螺栓拧紧质量的好坏很大程度上影响履带正常行驶的稳定性。一旦履带上的螺栓扭矩没达到要求，不仅会影响履带的寿命，而且会使重型机械的行驶埋下严重的隐患。履带类型较多，有湿地履带板，有平板履带板等，适用的场合不同其履带板的高度和节距也不同，导致螺栓的分布不一样，其拧紧轴的拧紧工位也不相同。因此如何提供一个有效的、可靠的、自适应不同类型履带的拧紧方案是本文关键要解决的问题。

本文主要结合山推四轴履带自动拧紧机的项目，阐述四轴履带自动拧紧机的系统配置及工作原理。此设备采用了先进的Atlas Copco拧紧装备，以及SMC行程可读气缸，为保证履带螺栓拧紧质量，提供高可靠性的自动拧紧方案，对每个螺栓的扭矩进行精确控制，完整检测，全面记录。所设计的四轴履带螺栓拧紧机能达到平均10s的拧紧周期，大大提高了履带的生产效率。

1 硬件设计

1.1 机械结构

四轴履带螺栓拧紧机的机械部分主要由输料机构、拧紧机构、推送机构等组成。其中输料机构主要负责载送履带，并可以调整履带在拧紧头下方的工位，保证履带不偏离拧紧工位和拧紧头能对准螺栓。拧紧机构是当履带在正确工位时，进行螺栓拧紧操作的机构。推送机构的功能是当履带螺栓拧紧完毕后，将履带往前推送一节。如图1所示是四轴履带螺栓拧紧机的机械结构图。

图1 四轴履带螺栓拧紧机机械结构图

1.2 硬件配置

本系统采用西门子S7-200 PLC、TP177B 6"PN/DP触摸屏、PowerMACS 4000控制器、拧紧轴、研华工控机、CEU2控制器、CE2行程可读气缸。如图2所示是四轴履带螺栓拧紧机硬件配置图。

图2 拧紧机系统硬件配置

1.2.1 S7-200 PLC

本系统采用了西门子CPU 226 CN AC/DC/继电器型PLC，内有24个输入/16个输出以及2个RS485接口。RS485接口主要用来与西门子触摸屏时行通信。在此系统上另增加了2个数字扩展模块EM 223 DC16/16 RELAY，用来与CEU2气缸控制器以及PTC间进行分布式通信。

1.2.2 PowerMACS 4000拧紧驱动器

Power MACS 4000是Atlas Copco最新的最高级的拧紧控制器，为各种装配部件中的拧紧操作提供完美的解决方案。凭借智能化的拧紧控制器和ToolsTalk PowerMacs所提供的简洁配置方式，以及先进的拧紧策略，可以使每个拧紧节点达到较好的质量，较快的速度。

PowerMACS 4000拧紧控制器主要分为两种:主控制器(Primary TC)和从控制器(Secondary TC)。与标准控制器相比，主控制器作为工作站主控制器(Station Primary TC)，具有更多的外部功能接口，其主要是用来控制与拧紧相关的各种工作，如驱动和控制拧紧轴、角度和扭矩的测量和保存、内置PLC的驱动以及与从控制器的通信等。每个从控制器也包含了监测和控制一根拧紧轴的所有功能。

PowerMACS 4000集成以太网交换机，通过以内网与ToolsTalk PowerMACS平台进行通信的控制器，主要完成如存储驱动器从ToolsTalk PowerMACS得到的系统设置、新的系统设置时启动系统的操作等。并且方便了基于以太网的客户端监控系统的使用，可以在上位机上有效地监控和整理螺栓拧紧的质量数据。

PowerMACS 4000控制器内置了多种拧紧策略，其中主要用到扭矩法，当扭矩大于目标扭矩，拧紧轴停止拧紧。如果峰值扭矩大于最小扭矩和小于最大扭矩时，则拧紧合格。

1.2.3 SMC行程可读气缸及CEU2控制器

行程可读气缸是一种活塞杆上带有磁尺，气缸缸体上装有位置检测传感器的气缸。其位置检测传感器每移动0.1mm或0.01mm，就发一个脉冲信号并计数，传感器与外接计数器相连，行程可随时读出，最大传送距离为150m。本系统选用CEU2系列气缸及控制器，其气缸的检测分辨率为0.1mm;工作压力范围为0.1～1.0MPa;使用速度范围为50～500mm/s;缸径为100mm;行程为500 mm的气缸。

CEU2气缸控制器的行程控制精度可以达到0.1mm，配合采用气动抱闸的行程可读气缸，停止精度在±0.5mm。控制器内部可以预置16套程序，每套程序可以指定运动步骤及位移。每套程序最多可以设置32步，足以用来调整定位履带的拧紧工位。因此可以用来针对不同的节距的履带，指定此品种履带对应的程序号控制气缸到达拧紧位置，保证拧紧机在指定工位顺利识别螺帽。并且使用行程可读气缸，可以保证更换品种时首次只需手动示教好每种履带品种的位置参数，存储在控制器中，每回在生产某品种的履带时，只要调用设置好参数的程序号，就能控制气缸运行到此品种履带所需的拧紧工位。

1.2.4 系统单元之间的交互通信

整个系统只有在各单元有机的配合下，才能发挥系统的功能，而单元间的协调配合是通过系统单元之间的通信完成，如图3所示为各单元间的交互总图。

本拧紧机控制系统主要功能是完成以S7-200为中心的，与CEU2及PTC单元进行分布式通信的过程。工控机与PTC间的通信是基于以内网的交互通信;触摸屏与 S7-200采用 RS-485接口交互通信;CEU2气缸控制器与PLC之间是通过数字I/O模块进行通信的;PTC与PLC之间也是通过I/O模块进行通信的。如图4所示，是PLC与CEU2控制器及PTC之间信号通信过程图。主要有以下几个阶段信号通信及处理:

图3 单元间交互总图

图4 单元间信号通信过程图

(1)初始化阶段:检测CEU2气缸控制器有无异常及报警;检测拧紧轴是否准备就绪。

(2)产品参数选择阶段:根据指定的产品参数，把气缸程序发给CEU2控制器以及把该产品的扭矩程序号发给拧紧控制器。

(3)验证程序号阶段:把PLC发送过来的拧紧扭矩程序号，反馈给PLC进行验证，以确保选择扭矩程序的准确性。

(4)行程可读气缸运动控制阶段:PLC控制气缸到指定工位，并反馈PLC当前气缸运行状态，并根据气缸的状态，把是否可执行拧紧指令发送给拧紧控制器。

(5)拧紧驱动器工作控制阶段:PLC发送信号给拧紧控制器，进行拧紧操作，并把拧紧是否合格的结果反馈给PLC进行拧紧决策。合格则进入下一节履带拧紧，不合格则可以选择重拧或者强制拧紧下一节。

2 软件设计

2.1 控制程序架构设计

履带拧紧方式决定了PLC控制程序架构，而一个程序架构的好坏，决定了设备运行的稳定与否。本拧紧系统主要结合可编程控制器与拧紧轴的工作方式，编写了控制程序流程。主要分为初始化控制、CEU2气缸控制以及拧紧控制三大方面，如图5所示是拧紧机控制程序的主要流程。

图5 拧紧机控制程序流程

2.2 人机界面设计

人机界面采用的是西门子公司的TP 177B 6"PN/DP触摸屏，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、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。根据现场需求主要设计了登录界面、产品选择界面、产品编辑界面、运行监控界面、手动调试界面、系统维护指示界面、编程气缸校准界面以及故障处理界面，来协调控制设备完成指定的拧紧流程。如图6所示是其中一个界面——运行监控主界面。

图6 运行监控主界面

3 结束语

该系统结构把S7-200、高可靠性能的AtlasCopco拧紧控制器、SMC CEU2行程可读气缸有机得搭配起来，提供了方便灵活的螺栓拧紧方案，充分发挥了各个硬件的功能。从实际应用角度看，此设备及其控制系统极大地实现了适应变节距、变品种履带螺栓的拧紧，并解决了履带螺栓人工拧紧效率低下和不可靠的问题。

［1］阿特拉斯.科普柯.中文PM4000使用指导［S］.2007.

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

［3］西门子(中国)有限公司.S7-200可编程控制器操作手册［S］.2010.

［4］卫道柱.螺纹自动拧紧机的研制［D］.合肥:合肥工业大学，2004.

［5］黄健.汽车装配自动拧紧机［D］.上海:上海交通大学，2008.

［6］江骏，刘志锋，等.基于IPC的自动拧紧机控制系统设计［J］.控制与检测，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

丁苏赤(1954—)，男，合肥人，合肥工业大学机械与汽车工程学院副教授，主要从事机电一体化控制、汽车试验台等研究，(E-mail)dingsuchi@gmail.com通讯作者:王林刚(1986—)，男，福建长乐人，合肥工业大学机械与汽车工程学院硕士，主要从事机电一体化控制、汽车试验台等研究，(E-mail)lingang.wang@gmail.com。

(编辑 李秀敏)