設(shè)計(jì)制造非標(biāo)電動(dòng)5軸擰緊機(jī)

凌文周

（陜西漢德車橋有限公司 西安）

一、概述

公司產(chǎn)品總成裝配流水線某工位，需對(duì)裝配端面10根螺栓進(jìn)行擰緊操作，因一般結(jié)構(gòu)擰緊設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)該工位擰緊作業(yè)，一直采用簡(jiǎn)易風(fēng)動(dòng)扳手實(shí)現(xiàn)螺栓擰緊。螺栓擰緊扭矩值主要靠裝配人員感覺(jué)評(píng)估，此工作方式強(qiáng)度大且主觀扭矩評(píng)測(cè)準(zhǔn)確性差，工藝過(guò)程中質(zhì)量穩(wěn)定性難以有效控制。根據(jù)公司產(chǎn)品質(zhì)量管控提升計(jì)劃和減輕職工勞動(dòng)強(qiáng)度需要，以及為促進(jìn)設(shè)備維修系統(tǒng)職工技術(shù)水平的提高，公司決定由內(nèi)部設(shè)備技術(shù)、維修人員自行設(shè)計(jì)制造1臺(tái)非標(biāo)5軸擰緊機(jī)，實(shí)現(xiàn)5組10根螺栓自動(dòng)、扭矩實(shí)時(shí)檢測(cè)控制的擰緊工藝過(guò)程。

二、設(shè)計(jì)方案

選用5根ESTIC電動(dòng)擰緊軸，擰緊軸采用2圓盤(pán)支撐固定，并通過(guò)升降氣缸和懸掛柱掛到桁架上，桁架可以在使用時(shí)方便地將設(shè)備滑行到擰緊位置。因產(chǎn)品不同放置高度將發(fā)生變化，所以用升降氣缸調(diào)整擰緊軸上下位置，以合適高度進(jìn)行擰緊作業(yè)，主體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。擰緊軸控制系統(tǒng)由ESTIC的主控制器、軸控制器、通信模塊組成，主控制器協(xié)調(diào)5根軸控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，用電機(jī)旋轉(zhuǎn)扭矩實(shí)現(xiàn)擰緊功能，并在到達(dá)設(shè)定扭矩時(shí)，控制電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)。通新模塊是協(xié)助ESTIC軸系統(tǒng)和PLC的通信。設(shè)備主體電氣控制系統(tǒng)選用西門子S7-300PLC，使用PLC的DP總線控制方式啟動(dòng)擰緊軸系統(tǒng)工作。西門子PLC與觸摸屏也通過(guò)DP總線通信，PLC將從擰緊軸讀取的擰緊結(jié)果值、軸狀態(tài)信息，以及PLC自身的I/O狀態(tài)，通過(guò)觸摸屏M277顯示，方便操作者通過(guò)HMI人機(jī)界面監(jiān)控扭矩工藝參數(shù)。此外，根據(jù)公司MES系統(tǒng)管理要求，通過(guò)PLC通信模塊CP3431以太網(wǎng)絡(luò)功能，將擰緊結(jié)果送入公司MES系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)扭矩工藝數(shù)據(jù)的可追溯性。

圖1 主體結(jié)構(gòu)圖

三、設(shè)計(jì)電氣原理圖及機(jī)械自制件圖紙

（1）繪制電氣控制原理圖。根據(jù)設(shè)計(jì)所需功能設(shè)計(jì)繪制電氣原理圖，5軸擰緊機(jī)功能主要包含，擰緊軸擰緊功能，擰緊機(jī)構(gòu)上升、下降高度位置調(diào)整功能，HMI人機(jī)對(duì)話及監(jiān)控等功能，PLC和公司MES通信功能。

（2）根據(jù)工藝對(duì)擰緊扭矩要求，選擇擰緊軸系統(tǒng)控制元件（表1）。

表1 系統(tǒng)控制元件

（3）根據(jù)電氣控制功能要求，選擇PLC各控制模塊（表2）。

（4）設(shè)計(jì)、制作軸固定懸掛機(jī)構(gòu)（圖2）。5根擰緊軸，通過(guò)均布安裝孔進(jìn)行固定連接，并根據(jù)作業(yè)方式需要進(jìn)行臥式懸掛。

表2 PLC各控制模塊

圖2 固定懸掛機(jī)構(gòu)

（5）畫(huà)電氣元件布置圖。根據(jù)所選控制元件外形尺寸，畫(huà)元件布置圖。后續(xù)將根據(jù)這些圖紙，進(jìn)行電氣控制柜內(nèi)元器件安裝接線。

四、編制電氣控制程序

（1）控制梯形圖。PLC梯形圖程序配合硬件實(shí)現(xiàn)功能：簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)量控制，如啟動(dòng)、上升、下降。通信功能，PLC和ESTIC軸控制器通信，將擰緊扭矩結(jié)果通過(guò)西門子MP277觸摸屏進(jìn)行顯示，方便操作者進(jìn)行監(jiān)控。同時(shí)，使用CP3431模塊實(shí)現(xiàn)PLC和MES系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信。編制程序首先進(jìn)行PLC硬件組態(tài)，如圖3所示。PLC梯形圖編制使用SIMATIC_STEP7_V5.5軟件，在進(jìn)行完硬件組態(tài)后開(kāi)始編制程序

（2）ESTIC軸系統(tǒng)程序設(shè)定（圖4）。ESTIC軸控制程序使用MANAGENT SYSTEM2軟件編寫(xiě)，首先，在啟動(dòng)框內(nèi)對(duì)緊固站編號(hào)設(shè)定項(xiàng)目進(jìn)行編輯，此項(xiàng)就是設(shè)置項(xiàng)目所需要的軸數(shù)量。其次，再對(duì)主控制器框內(nèi)項(xiàng)目設(shè)定，此框項(xiàng)目有軸和PLC通信設(shè)置，也有對(duì)程序結(jié)構(gòu)版式設(shè)定。例如，一次擰緊過(guò)程分若干程序段控制，在第一階段擰緊電機(jī)低速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行認(rèn)帽，所以較小扭矩結(jié)束第一階段擰緊。第二階段，電機(jī)高速擰緊作業(yè)距目標(biāo)較近時(shí)，轉(zhuǎn)為低速進(jìn)擰緊。最后是軸控制框項(xiàng)目編輯，在該項(xiàng)目?jī)?nèi)，站點(diǎn)是指擰緊軸的數(shù)目。通道為編制程序的數(shù)量，根據(jù)擰緊產(chǎn)品對(duì)扭矩值要求不同，可編制若干數(shù)量的程序。

圖3 PLC硬件組態(tài)

圖4 軸系統(tǒng)程序設(shè)定

五、安裝電氣控制元件及設(shè)備調(diào)試

根據(jù)電氣元件布置圖，進(jìn)行電氣元件安裝。為了消除電磁感應(yīng)帶來(lái)危害，應(yīng)保持強(qiáng)電部分線纜和弱電控制部分電纜相隔安全距離，最好安裝在不同線槽。

調(diào)試工作是最后一步，也是很重要的一步。將編制好的PLC程序、ESTIC擰緊軸程序，分別下載到PLC和ESTIC主控制器中。首先，調(diào)試PLC和擰緊軸通信參數(shù)，最后調(diào)試機(jī)床功能動(dòng)作是否符合設(shè)計(jì)要求。期中，參數(shù)設(shè)置主要是對(duì)通信模塊IP地址設(shè)定、擰緊軸軸號(hào)設(shè)定，以此實(shí)現(xiàn)PLC通過(guò)DP通信方式，對(duì)軸控制器運(yùn)行進(jìn)行控制。

調(diào)試完畢進(jìn)行批量螺栓擰緊作業(yè)，設(shè)備達(dá)到設(shè)計(jì)功能要求且性能穩(wěn)定。設(shè)備維修人員通過(guò)項(xiàng)目實(shí)施，對(duì)擰緊機(jī)控制技術(shù)有了更新的認(rèn)識(shí)，提高了擰緊設(shè)備維修業(yè)務(wù)技能水平。