復(fù)合螺栓搓絲模板成型控制系統(tǒng)研究

王 洋,劉慶運(yùn),耿培濤,許杰峰

復(fù)合螺栓搓絲模板成型控制系統(tǒng)研究

王 洋1,劉慶運(yùn)2,耿培濤1,許杰峰1

（1.馬鋼股份有限公司車輪公司，安徽馬鞍山243000；2.安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽馬鞍山243002）

針對(duì)復(fù)合螺栓搓絲模板的成型特點(diǎn)，引入閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)液壓缸的位移、壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，首先設(shè)定位移、壓力值，其次對(duì)傳感器采集的數(shù)值與設(shè)定值比較，二者的偏差經(jīng)PID算法調(diào)節(jié)后送入比例放大器調(diào)節(jié)比例閥的開度，以控制液壓缸的動(dòng)作，最后利用CAN總線將傳感器采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸至觸摸屏，實(shí)現(xiàn)位移、壓力等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及生產(chǎn)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合螺栓搓絲模板表面在同一水平面上，用該模板加工而成的復(fù)合螺栓的螺紋牙底在同一圓柱面上，復(fù)合螺栓具有較好的可旋合性與防松可靠性。

復(fù)合螺栓；搓絲模板；閉環(huán)控制；PID；可旋合性與可靠性

1 前言

螺栓連接是緊固件連接中最基本的一種結(jié)構(gòu)形式，有著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代工業(yè)中被廣泛采用[1]。然而在沖擊、振動(dòng)、變載荷作用下或工作溫度變化很大時(shí)，螺栓連接可能松動(dòng)，這是采用螺栓連接的最大缺點(diǎn)，螺栓的松動(dòng)造成設(shè)備和人身事故的事例屢見不鮮，解決螺栓松動(dòng)是螺紋緊固件領(lǐng)域內(nèi)的重要課題。傳統(tǒng)的防松方式均存在著明顯的不足，現(xiàn)在出現(xiàn)了一種新的防松方式—復(fù)合螺栓。復(fù)合螺栓在軌道連接中的應(yīng)用，開拓了軌道連接裝置的嶄新結(jié)構(gòu)，軌距可調(diào)式和抗水平力大噸位行車軌道連接裝置的開發(fā)應(yīng)用，提高了軌道連接裝置的防振松性能。

復(fù)合螺栓是由左旋和右旋兩種旋向的螺紋復(fù)合而成的新型防松螺栓，左旋螺紋牙底與右旋螺紋牙底相互交叉，左旋螺紋牙頂與右旋螺紋牙頂重合。在聯(lián)接時(shí)，使用兩只不同旋向的螺母：緊固螺母（工作支承面上）和鎖緊螺母（非工作支承面上），使用時(shí)先后預(yù)緊緊固螺母和鎖緊螺母。在振動(dòng)、沖擊的情況下，緊固螺母發(fā)生松動(dòng)的趨勢(shì)，但由于緊固螺母的松退方向是鎖緊螺母的擰緊方向，鎖緊螺母的擰緊阻止了緊固螺母的松退，導(dǎo)致緊固螺母無法松脫[1][3]。

搓絲板是標(biāo)準(zhǔn)緊固件行業(yè)加工螺釘和螺栓螺紋時(shí)常用的螺紋工具，由于具有生產(chǎn)效率高，加工成本低，加工出的螺紋精度及強(qiáng)度高，表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛應(yīng)用[4]。傳統(tǒng)螺栓的螺紋大多數(shù)是正螺紋，也有少數(shù)是反螺紋，螺紋外表面為圓形，加工搓絲模板時(shí)滾柱軸線始終在同一水平面上，利用恒壓可以軋制出表面水平的模板。由于本文的螺栓為復(fù)合螺栓，左旋螺紋牙底與右旋螺紋牙底相互交叉，螺紋外表面為橢圓形，恒壓軋制出的螺紋橢圓大徑處軋制得深，橢圓小徑處軋制得淺，造成螺栓搓絲模板表面不平，影響待加工復(fù)合螺栓的可旋合性與可靠性。

為保證復(fù)合螺栓搓絲模板表面水平，本文引入閉環(huán)控制系統(tǒng)及PID（Proportional-Integral-Derivative比例-積分-微分）算法，開發(fā)出一種新型控制系統(tǒng)。利用控制系統(tǒng)在橢圓大徑處給系統(tǒng)減壓，橢圓小徑處增壓，對(duì)液壓缸的壓力與位移進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，既有效地防止了搓絲模板與絲錐的脫離，又防止了模板表面高低不平，大大提高了待加工復(fù)合螺栓的可旋合性與可靠性。

2 復(fù)合螺栓搓絲模板成型原理

復(fù)合螺栓搓絲模板成型原理如圖1所示。

圖1 復(fù)合螺栓搓絲模板成型原理圖

絲錐放于待加工下模板上，控制垂直液壓缸下降，運(yùn)動(dòng)至絲錐即將與待加工上模板接觸，控制水平液壓缸運(yùn)動(dòng)，根據(jù)待加工搓絲模板長度設(shè)定液壓缸左右極限。當(dāng)絲錐運(yùn)動(dòng)至左右極限時(shí)，開始反向運(yùn)動(dòng)。設(shè)定完成后，控制垂直液壓缸下降，直至絲錐被待加工上、下模板夾住，設(shè)定壓力值直至絲錐在模板上開始運(yùn)動(dòng)，利用PID算法調(diào)節(jié)液壓缸位移、壓力值與設(shè)定值的偏差，偏差送入比例放大器調(diào)節(jié)比例閥的開度，繼而控制液壓缸的動(dòng)作，直至偏差在穩(wěn)態(tài)誤差以內(nèi)，通過CAN總線將位移值、壓力值傳輸至觸摸屏上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，絲錐在待加工上、下模板之間來回反復(fù)的滾動(dòng)，最終在上下模板上壓出螺紋，復(fù)合螺栓搓絲模板就是這樣成型了。這個(gè)成型過程是個(gè)旋轉(zhuǎn)碾壓的過程，通過與工件相互滾壓，使之發(fā)生塑性變形，而軋壓出螺紋[4]。

3 控制系統(tǒng)組成與工作原理

控制系統(tǒng)主要由傳感與控制模塊、人機(jī)交互模塊、報(bào)警模塊等三部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

傳感與控制模塊：主要由基于CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)絡(luò)）總線的現(xiàn)場(chǎng)控制器、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、位移傳感器、壓力傳感器等構(gòu)成，完成傳感器等輸入信號(hào)的采集、運(yùn)算、處理和輸出信號(hào)的傳輸與發(fā)送。本文利用K-7110信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行RS-422到CAN總線協(xié)議的轉(zhuǎn)換，并通過CAN總線發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)控制器ESX-LTplus。

人機(jī)交互模塊：主要為控制系統(tǒng)、I/O模塊提供一個(gè)人性化的操作界面，并通過RS232、CAN總線等協(xié)議與控制系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)與控制指令。本系統(tǒng)利用觸摸屏作為人機(jī)交互模塊的硬件，觸摸屏與現(xiàn)場(chǎng)控制器通過CAN總線相連接，控制器將外部設(shè)備采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，傳輸發(fā)送至觸摸屏，實(shí)現(xiàn)位移、壓力等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示；同時(shí)利用觸摸屏上的按鍵，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置及修改。

報(bào)警模塊：主要是對(duì)壓力傳感器、CAN總線通訊、液壓系統(tǒng)油路進(jìn)行報(bào)警顯示，當(dāng)壓力傳感器出現(xiàn)故障、CAN總線通訊過程中出現(xiàn)故障、液壓系統(tǒng)油路出現(xiàn)堵塞等，蜂鳴器開始報(bào)警。

控制系統(tǒng)的工作原理為：控制系統(tǒng)以ESXLTplus為核心，通過CAN總線實(shí)現(xiàn)各單元之間的通信。通過程序指令給比例閥、電磁換向閥發(fā)送指令以控制它們的開啟與關(guān)閉，最終對(duì)液壓缸的動(dòng)作進(jìn)行控制。通過光柵尺、壓力傳感器將液壓缸的位移、壓力傳送至控制器中，控制器再發(fā)送動(dòng)作切換命令。信號(hào)經(jīng)過控制器處理后，再傳送至上位機(jī)在觸摸屏上以顯示，從而實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控。

控制系統(tǒng)引入了閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中位置閉環(huán)控制系統(tǒng)工作原理如圖3所示。光柵尺檢測(cè)的信號(hào)反饋至信號(hào)輸入端，與給定信號(hào)比較，產(chǎn)生的偏差經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后送入控制器中，經(jīng)過PID算法調(diào)節(jié)后再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換，送入比例放大器對(duì)其進(jìn)行處理、運(yùn)算和功率放大后轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，以此來調(diào)節(jié)比例閥的開度，繼而轉(zhuǎn)換為流量控制液壓缸的動(dòng)作，直至偏差在穩(wěn)態(tài)誤差以內(nèi)為止。壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)工作原理與位置閉環(huán)控制系統(tǒng)類似。由圖3可得出位置閉環(huán)控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖如圖4所示。

圖4 位置閉環(huán)控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖

系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為:

式中，比例放大器增益：Ka=1；比例閥增益：Kq= 1.954伊10-4(m3/sA)

位移傳感器增益：Km=10.64(V/m)；液壓缸的有效作用面積：Ah=8.042伊10-2(m2)

比例流量閥固有頻率：棕v=439.823（rad/s）；比例流量閥的阻尼比：δv=0.5；

液壓缸—負(fù)載質(zhì)量系統(tǒng)的固有頻率：棕h= 275.813（rad/s）；

液壓缸-負(fù)載質(zhì)量系統(tǒng)的阻尼比：δh=0.1；

由此可得，位置閉環(huán)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：通過串口接收來自光柵尺、壓力傳感器的信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過處理后傳送至觸摸屏中，以顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)，并對(duì)位移和壓力信號(hào)進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，以驅(qū)動(dòng)液壓缸完成要求的動(dòng)作。

本系統(tǒng)編程軟件采用了CoDeSys（Controlled Development System，即受控的開發(fā)系統(tǒng)）V2.3，CoDeSys是基于IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)，適用于工業(yè)控制器和PLC組件的編程工具，它的最大優(yōu)點(diǎn)在于把邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制和可視化集成于一體，不需要其他的組態(tài)軟件就可以輕松實(shí)現(xiàn)可視化[5]。

3.1 PID算法的實(shí)現(xiàn)

在工業(yè)生產(chǎn)中，一般用自動(dòng)控制方式來控制壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量。模擬量的PID調(diào)節(jié)是常見的一種控制方式。

PID控制因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)而成為目前工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的控制算法之一。它由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e(t）與輸出u(t）的關(guān)系為：

式（1）中，Kp為比例系數(shù)；T1為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)。

本系統(tǒng)的PID算法是在CoDeSys V2.3中實(shí)現(xiàn)。

3.2 人機(jī)界面的實(shí)現(xiàn)

人機(jī)界面是人與計(jì)算機(jī)之間傳遞、交換信息的媒介和對(duì)話接口，本系統(tǒng)采用觸摸屏進(jìn)行人機(jī)交互。觸摸屏是顯示器和觸摸開關(guān)一體型的可編程終端，是新一代高科技人機(jī)界面產(chǎn)品，用它作為人機(jī)界面，具有交互性好、可靠性高、編程簡(jiǎn)單以及與PLC連接簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)[6]。本系統(tǒng)的人機(jī)界面是在CoDeSys V2.3中完成的，包括幾個(gè)模塊，分別為指示燈模塊、動(dòng)態(tài)圖表模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)輸入模塊、報(bào)警模塊、靜態(tài)顯示模塊。

指示燈模塊：控制器I/O模塊，當(dāng)選擇位移控制、壓力控制、自動(dòng)、手動(dòng)時(shí)，其后面的指示燈顯示為綠色，當(dāng)電磁閥的線圈得電時(shí)，其后面的指示燈顯示為綠色，表示對(duì)狀態(tài)的顯示。

動(dòng)態(tài)圖表模塊：趨勢(shì)圖，用于實(shí)時(shí)的顯示軋制力與時(shí)間的變化關(guān)系曲線，方便用戶對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。

數(shù)據(jù)顯示模塊：數(shù)值顯示，如壓力值、上下柵值、左右柵值、PWM值等，當(dāng)信號(hào)經(jīng)過控制器處理后，通過CAN總線傳送至觸摸屏上以顯示。

數(shù)據(jù)輸入模塊：數(shù)值輸入，設(shè)PWM值，通過設(shè)置PWM值來調(diào)節(jié)比例閥的開度，實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的控制；設(shè)左限柵值、右限柵值，根據(jù)要求的螺栓搓絲模板長度來確定左右液壓缸換向的位置。

報(bào)警模塊：報(bào)警顯示，當(dāng)壓力傳感器出現(xiàn)故障、CAN總線通訊過程中出現(xiàn)故障、液壓系統(tǒng)油路堵塞，其后面的指示燈顯示為紅色，蜂鳴器開始報(bào)警。

靜態(tài)顯示模塊：圓，矩形，文字顯示，如位移控制、壓力控制、手動(dòng)、自動(dòng)、電磁閥后面的圓圈，界面上顯示的文字、文字上加的矩形等。

5 結(jié)論

本文針對(duì)傳統(tǒng)正、反螺栓可旋合性與可靠性低下的問題，以復(fù)合螺栓為基礎(chǔ)，構(gòu)建了復(fù)合螺栓搓絲模板成型系統(tǒng)。分析了復(fù)合螺栓搓絲模板成型原理，并對(duì)控制系統(tǒng)組成與原理、控制系統(tǒng)軟件及其人機(jī)界面進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究。通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)地現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，系統(tǒng)的穩(wěn)定性達(dá)到很高，可以軋制出高精度的復(fù)合螺栓搓絲模板。目前該系統(tǒng)已經(jīng)投入生產(chǎn)使用，不僅提高了設(shè)備的自動(dòng)化程度，方便對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控，而且提高了復(fù)合螺栓搓絲模板的精度，用以加工的復(fù)合螺栓可旋合性與可靠性都大大提高，復(fù)合螺栓的應(yīng)用前景將更加廣闊。

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Research on the Control System for Template Formation of Composite Bolt Twist Wire

Wang Yang1,Liu Qingyun2,Geng Peitao1,Xu Jiefeng1
(1.The Railway Wheel Company of Masteel; 2.the College of Mechanical Engineering of Anhui University of Technology,Maanshan,Anhui 243000,China)

According to the formation characteristics of composite bolt twist wire tem原plates,closed loop control system was introduced to real-time control the displacement and pressure of the hydraulic cylinder.First of all,displacement and pressure values were set; then the values collected by the sensors were compared with the preset ones and the devia原tion is sent to the proportional amplifier after adjustment by PID algorithm to regulate the opening of proportional valve and in turn to control the action of hydraulic cylinder;finally, the real-time sensor data is transmitted to the touch screen by the CAN bus,realizing realtime display of displacement and pressure.Through on-site test and production application,it is achieved that the surface of the composite bolt twist wire templates on the same horizontal plane and the thread bottom of composite bolts processed by the templates are on the same cylindrical surface,which proves the composite bolt has good screwing property and anti-loos原ening reliability.

composite bolt;twist wire template;closed loop control;PID;screwing prop原erty;anti-loosening reliability

TP27

B

1006-6764（2014）10-0080-04

2014-06-10

王洋（1968-），男，1991年畢業(yè)于西安交通大學(xué)信息與控制工程系自動(dòng)控制專業(yè)，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事電氣及自動(dòng)化專業(yè)技術(shù)工作。