（上海海事大学）
摘要：拧紧机是汽车发动机装配生产中一个十分重要的环节，它的自动化程度影响到发动机的生产质量和生产效率。本文中系统采用Profibus—DP现场总线通讯方式，实现了控制系统和CPU以及远程I/O站点ET200S、ET200eco之间的通讯。实现对拧紧系统的精确控制、信息监视与共享以及存储等功能，具有较高的实时性和可靠性。
关键字：拧紧机；现场总线；远程I/O站点
1 拧紧机系统构成
该工位采用的拧紧机为四轴拧紧机，整个系统包含三个部分：西门子PLC
控制器、拧紧驱动器、伺服控制器。该设备主要针对汽车发动机缸盖的主轴承盖螺栓拧紧，主轴承的主要作用是支撑发动机的曲轴。基于客户生产加工时间的需求考虑，厂家采用四轴联动拧紧机进行拧紧。同时采用西门子S120伺服电机和MM420变频器作为拧紧机的驱动设备，使拧紧工艺更加快速而且准确。
2 机床拧紧机拧紧程序的控制流程
拧紧设备分为悬挂式和机床结构式，可根据用户螺母(栓)装配数量及工件来确定电动拧紧轴的数量和拧紧机是否采用立式、卧式、倾斜式、悬挂式的拧紧方法。在本设计中，采用的是悬挂式、4轴联动的COOPER拧紧机。该拧紧机一次可同时拧紧4个螺栓，只需4次即可完成整个主轴承盖的拧紧。主轴承盖的螺栓一共有16个，将16个螺栓分为4组， 2、6、10、14号螺栓为第一组，3、7、11、15号螺栓为第二组，4、8、12、16号螺栓为第三组，1、5、9、13号螺栓为第四组，四轴电动拧紧机将按组别依次完成拧紧。
当系统开始运行后，系统首先判断有无工件在位并将其夹紧，当工件夹紧后，拧紧枪开始动作，按组别依次将螺栓都拧紧好，当所有螺栓都拧紧完成后，拧紧枪上升并移回原点位置，夹手松开解脱工件，让已经完成拧紧工作的工件离开并等待下一工件的到来。拧紧枪具体动作如下：当确定工件夹紧后，然后判断拧紧枪是否在原点位置（原点位置即为1号拧紧位置），若不在原点位置，要先将拧紧枪移到原点位置，再将其下降到拧紧位置，拧紧枪得到PLC的指令后开始拧紧。当1号位置拧紧结束后，拧紧枪上升，PLC发送指令到S120，使其驱动电机，将拧紧枪移动到2号拧紧位置，拧紧枪下降并开始拧紧，拧紧结束后上升。3号和4号位置拧紧方式类似，当4号拧紧完成后，拧紧枪上升，S120驱动电机，将拧紧枪移回原点位置，一个工件的整个拧紧工作完成。
3 基于 PLC 的拧紧系统实现方案
发动机缸盖的主轴承螺栓拧紧机是一个完全自动的拧紧机，整个拧紧过程从工件到位至离开加工工位不需要人工操作。自动拧紧过程由西门子PLC进行控制，CPU通过Profibus—DP总线与SIMATIC TP1200触摸屏通讯，操作人员可以根据需要自行选择手自动运行方式在触摸屏上进行操作。
3.1 系统组成
整个拧紧系统主要由三个部分组成：控制器部分（PLC）、执行机构（Mpro400s拧紧枪）、监控部分（HMI），如图4所示。PLC作为主控制器，通过I/O 模块采集数据信号，通过对拧紧枪发出指令，完成拧紧动作；TP1200触摸屏作为人机界面，主要作用是：过程可视化 、操作人员对过程监控 、报警显示 、归档过程值和报警、过程值与报警记录、设备以及过程参数管理。
3.2 硬件配置
（1）控制器由SIMATIC ET200S的接口模IM151-8FPN/DP 系列PLC构成，同时选用西门子公司的SINAMICS S120伺服驱动器，采用二者相结合的方式可以实现对拧紧枪进行精确、快速控制。
（2）监控部分的触摸屏选择SIMATIC TP1200型号，通过PC机上的TIA Portal V13软件进行HMI的画面组态，将组太好的画面通过以太网下载到TP1200触摸屏中
控制系统的硬件组态在step7 V5.5中完成，step7是一种用于对SIMATIC可编程逻辑控制器进行组态和编程的标准软件包，它是SIMATIC工业软件的一部分，用于整个项目流程的设计。其中，主站的地址设置为2；从站中S120伺服驱动器的地址设置为21，FESTO驱动器的地址设置为40，射频发生器的地址设置为5。组态和参数设置完成后通过以太网通讯协议将程序从PC机下载到西门子PLC中。
3.3 控制部分软件组成
控制系统的软件分为3 部分： 采用STEP7 V5.5软件对控制器西门子PLC进行模块化编程，主要采用LAD语言进行编程。上位机触摸屏TP1200人机交互界面采用TIA Portal V13组态软件，PLC和触摸屏之间采用以太网为通讯协议进行通讯。
3.3.1 HMI人机界面组态设计
TIA Portal V13（博途V13）是西门子公司最新发布的一款软件，是一个可以解决所有自动化任务的工程软件平台。该软件集成了SINAMICS STEP7 V13，SINAMICS WinCC V13，SINAMICS StartDrive V13软件包，这些软件包可以在这个平台上同时运行。通过在TIA Portal进行组态可以将整个控制过程在屏幕上显示出来。操作人员可在该界面中手动设置拧紧枪的移动位置及运动速度，同时也可读取拧紧枪移动的实时位置与速度。
3.3.2 故障报警模块
如果在拧紧的过程中出现不合格数据，显示屏会进行报警提示，不合格的工件从流水线流出后在重新加工。在报警文本中预先组态了系统可能会出现的错误或故障，例如拧紧超时、气缸夹紧超时等，当这些故障被触发后，将会出现在报警窗口中，提示操作人员动作。
以西门子PLC作为控制器通过以太网连接TP1200触摸屏组成的四轴联动拧紧控制系统已正常投入生产，能够保证整个流水线稳定生产。同时，拧紧枪的快速、准确定位满足了用户对生产质量的需求。
参考文献
[1]黄健.汽车装配自动拧紧机 [D]. 上海 : 上海交通大学 ,2008.
[2]陈欣，王浩宇，郎朗.基于 OPC 技术的上位机与西门子 PLC的通信[J]. 自动化与仪器仪表 ,2008(1):70-73.
[3]周喆.PLC 在螺母拧紧机中的应用[J].电力机械, 2006(3): 72-75.
论文作者:涂俊,薛士龙,刘晓蓉,廖金团
论文发表刊物:《电力设备》2016年第5期
论文发表时间:2016/6/18
标签：螺栓论文; 工件论文; 组态论文; 位置论文; 触摸屏论文; 控制器论文; 原点论文; 《电力设备》2016年第5期论文;