国内拧紧机控制技术的领先发展趋势

朱博

摘   要：国内拧紧机的控制技术发展已经有15年，不论从用户的使用角度和研发人员的技术领域都有着不同程度上的认识和发展;可以说至今的拧紧机控制技术上已经与国外的拧紧控制技术不相上下，并在某些控制功能和实际使用方面甚至都超越外国技术许多。本文分析研究了国内拧紧机控制技术，以及领先发展趋势。

关键词：硬件说明  制作成本  PLC控制技术  拧紧核心技术  信号处理

中图分类号：U463                                  文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2020）02（a）-0110-02

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2020.04.110

1  拧紧机控制系统及硬件介绍

（1）应用集散体系理念，系统集中管理和分散控制。（2）采用直接控制层、操作监控层、生产管理层三层结构。（3）模块化管理可灵活地配置成小、中、大系统。（4）系统服务器可根据厂家的系统和网络要求进行配置。

2  PLC控制系统介绍（控制单元及转换模块介绍）

（1）控制单元为进口控制器品牌，具有多路开关量输入、开关量输出模块，开关量输入速度高达25μs，光频隔离器可隔离瞬间2500VDC，70VDC过载电压保护;开关量输出操作时间最大为5ms，释放时间最大为3ms，最大承受电压为250VAC，最大承受电流为2A。（2）A/D转换模块可对经过传感器检测单元处理的扭矩信号（模拟电压）进行数字转换至PLC，以便PLC进行高速运算及处理;D/A转换模块可对PLC的数字量进行模拟转换至伺服驱动单元，以便控制伺服电机使拧紧轴完成设定拧紧过程。（3）伺服驱动器分频处理的角度脉冲信号通过光耦输入给PLC的计数器，以便用来计算角度值。（4）PLC控制单元的通过RS-232通信口，来接收上位工控机传送的各种拧紧的工艺参数和控制参数，依据这些参数完成各种动作过程，并且把这些状态过程值通过它传送给主监控操作站。

3  老式单片机控制技术与现代PLC控制系统性能参数

性能参数对比表1所示：

從上表1中可以明显地看出，国内拧紧机的控制技术已经达到了现代工业的实际要求的能力与工艺要求;并且在制作成本上和维护成本上远远低于国外拧紧控制技术的制造成本;现代的PLC控制技术和基本响应速度与10年前甚至15年的PLC控制技术相比也已经有很大的超越，所以在使用拧紧系统的控制功能多元化方面也能够增加许多应用。

4  主监控工作站介绍

（1）主监控操作站采用工控机控制，显示屏幕LCD工业级触摸屏，工控机配置为CPU 3.2GHz、2G内存、集成显卡等，能够满足显示大量信息的需求。它的前面板上带有屏幕显示键和防水触控板、工业液晶显示屏;（2）维护人员可以在不使用任何外部键盘或鼠标的情况下方便地进行操作或输入数据。该显示器采用了不锈钢外壳设计，前面板采用了符合NEMA4/IP65标准的铝制结构。

5  伺服驱动器介绍

（1）全数字交流伺服驱动器，电压为三相200VAC，具有位置、速度、转矩控制功能，具有参数设置、故障诊断及报警显示功能。（2）自动调整：高性能的实时自动调整增益;根据负载惯重的变化，与自适应滤波器配合，从低刚性到高刚性都可以自动调整增益;通过显示面板操作，可以在监控实时调整情况的同时，进行设置和确认。（3）高速响应：速度响应频率最高达1kHz;内置有瞬时速度观测器，可以高速、高分辩率地检测出电机的转速;高性能的机械适应性。（4）低振动：内置自适应滤波器，可以根据机械共振频率不同而自动地调整陷波滤波器的频率。

6  拧紧轴介绍

6.1 电动扳手组成

电动扳手总成含电机、减速器、扭矩传感器、信号处理组件及动力输出轴五部分，其中电机、传感器及信号处理组件，是拧紧机设备的主要核心部件。

6.2 伺服电机介绍

伺服电机选用是松下MINAS A6系列伺服电机，与其驱动器配合使用。具有过电压、欠电压、过热、过载的保护功能;能够智能化地自动调整速度，其响应频率最高可达1kHZ、高性能的机械适应性，并且可控制由于机械不稳定及共振频率的变化而发生的噪音。此电机防护等级达IP65，环境适应性强。

6.3 行星减速器介绍

（1）高精减速器采用三级行星减速;（2）有不同的扭矩区间可选，可选能力由（0～5）到（0～3000）N·m多个品种;（3）密闭结构不需要维护添加润滑油;（4）有多种结构直式、偏置箱式、直角式可选。

6.4 扭矩传感器介绍

（1）扭矩传感器选用进口系列，应用先进的溅射和刻蚀工艺，将应变电桥直接制作弹性体上，确保传感器可靠性及抗蠕变特性;（2）测量不确定度0.5%FS;供桥电压：10～15V DC;（3）适应环境温度-20～60℃;频率响应100μs;过载能力：120%;（4）传感器寿命：100万次不失精度。

6.5 信号处理组件介绍

（1）信号处理组件采用进口芯片，与放大器、增益开关及滤波、防干扰器件集成为一体，用来处理和放大传感器信号，以便控制模块实时接收;（2）放大倍数可达1000倍;（3）处理精确度：小于0.001V;零点漂移度;小于0.001V;（4）适应环境温度-20～60℃;频率响应100μs。

参考文献

[1] 成大先.机械设计手册 单行本 减（变）速器·电机与电器[M].北京：化学工业出版社，2010.

[2] 张东京.弹体智能拧紧机控制系统的设计与实现[D].重庆大学，2015.

[3] 边群星.基于螺栓自动拧紧机拧紧控制方法分析[J].科学家，2016（11）：113-114.