设计制造非标电动5轴拧紧机

凌文周

（陕西汉德车桥有限公司 西安）

一、概述

公司产品总成装配流水线某工位，需对装配端面10根螺栓进行拧紧操作，因一般结构拧紧设备难以实现该工位拧紧作业，一直采用简易风动扳手实现螺栓拧紧。螺栓拧紧扭矩值主要靠装配人员感觉评估，此工作方式强度大且主观扭矩评测准确性差，工艺过程中质量稳定性难以有效控制。根据公司产品质量管控提升计划和减轻职工劳动强度需要，以及为促进设备维修系统职工技术水平的提高，公司决定由内部设备技术、维修人员自行设计制造1台非标5轴拧紧机，实现5组10根螺栓自动、扭矩实时检测控制的拧紧工艺过程。

二、设计方案

选用5根ESTIC电动拧紧轴，拧紧轴采用2圆盘支撑固定，并通过升降气缸和悬挂柱挂到桁架上，桁架可以在使用时方便地将设备滑行到拧紧位置。因产品不同放置高度将发生变化，所以用升降气缸调整拧紧轴上下位置，以合适高度进行拧紧作业，主体结构见图1。拧紧轴控制系统由ESTIC的主控制器、轴控制器、通信模块组成，主控制器协调5根轴控制器驱动电机旋转，用电机旋转扭矩实现拧紧功能，并在到达设定扭矩时，控制电机停止旋转。通新模块是协助ESTIC轴系统和PLC的通信。设备主体电气控制系统选用西门子S7-300PLC，使用PLC的DP总线控制方式启动拧紧轴系统工作。西门子PLC与触摸屏也通过DP总线通信，PLC将从拧紧轴读取的拧紧结果值、轴状态信息，以及PLC自身的I/O状态，通过触摸屏M277显示，方便操作者通过HMI人机界面监控扭矩工艺参数。此外，根据公司MES系统管理要求，通过PLC通信模块CP3431以太网络功能，将拧紧结果送入公司MES系统，实现扭矩工艺数据的可追溯性。

图1 主体结构图

三、设计电气原理图及机械自制件图纸

（1）绘制电气控制原理图。根据设计所需功能设计绘制电气原理图，5轴拧紧机功能主要包含，拧紧轴拧紧功能，拧紧机构上升、下降高度位置调整功能，HMI人机对话及监控等功能，PLC和公司MES通信功能。

（2）根据工艺对拧紧扭矩要求，选择拧紧轴系统控制元件（表1）。

表1 系统控制元件

（3）根据电气控制功能要求，选择PLC各控制模块（表2）。

（4）设计、制作轴固定悬挂机构（图2）。5根拧紧轴，通过均布安装孔进行固定连接，并根据作业方式需要进行卧式悬挂。

表2 PLC各控制模块

图2 固定悬挂机构

（5）画电气元件布置图。根据所选控制元件外形尺寸，画元件布置图。后续将根据这些图纸，进行电气控制柜内元器件安装接线。

四、编制电气控制程序

（1）控制梯形图。PLC梯形图程序配合硬件实现功能：简单开关量控制，如启动、上升、下降。通信功能，PLC和ESTIC轴控制器通信，将拧紧扭矩结果通过西门子MP277触摸屏进行显示，方便操作者进行监控。同时，使用CP3431模块实现PLC和MES系统数据通信。编制程序首先进行PLC硬件组态，如图3所示。PLC梯形图编制使用SIMATIC_STEP7_V5.5软件，在进行完硬件组态后开始编制程序

（2）ESTIC轴系统程序设定（图4）。ESTIC轴控制程序使用MANAGENT SYSTEM2软件编写，首先，在启动框内对紧固站编号设定项目进行编辑，此项就是设置项目所需要的轴数量。其次，再对主控制器框内项目设定，此框项目有轴和PLC通信设置，也有对程序结构版式设定。例如，一次拧紧过程分若干程序段控制，在第一阶段拧紧电机低速旋转进行认帽，所以较小扭矩结束第一阶段拧紧。第二阶段，电机高速拧紧作业距目标较近时，转为低速进拧紧。最后是轴控制框项目编辑，在该项目内，站点是指拧紧轴的数目。通道为编制程序的数量，根据拧紧产品对扭矩值要求不同，可编制若干数量的程序。

图3 PLC硬件组态

图4 轴系统程序设定

五、安装电气控制元件及设备调试

根据电气元件布置图，进行电气元件安装。为了消除电磁感应带来危害，应保持强电部分线缆和弱电控制部分电缆相隔安全距离，最好安装在不同线槽。

调试工作是最后一步，也是很重要的一步。将编制好的PLC程序、ESTIC拧紧轴程序，分别下载到PLC和ESTIC主控制器中。首先，调试PLC和拧紧轴通信参数，最后调试机床功能动作是否符合设计要求。期中，参数设置主要是对通信模块IP地址设定、拧紧轴轴号设定，以此实现PLC通过DP通信方式，对轴控制器运行进行控制。

调试完毕进行批量螺栓拧紧作业，设备达到设计功能要求且性能稳定。设备维修人员通过项目实施，对拧紧机控制技术有了更新的认识，提高了拧紧设备维修业务技能水平。