基于CAN總線與以太網(wǎng)的擰緊機(jī)控制系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)

邊群星，陳 凱

(中國北車集團(tuán) 濟(jì)南軌道交通裝備有限公司，濟(jì)南 250022)

螺紋副聯(lián)接是機(jī)械行業(yè)裝配作業(yè)所廣泛采用的一種方法，為確保裝配的質(zhì)量，必須對螺紋副的擰緊狀態(tài)予以控制。螺紋的擰緊普遍采用風(fēng)動和定值扭矩扳手完成，勞動強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，擰緊質(zhì)量不穩(wěn)定。因此，研究設(shè)計(jì)自動控制的電動擰緊機(jī)控制系統(tǒng)，對提高我國生產(chǎn)裝備的自主創(chuàng)新水平有很大意義。

1 系統(tǒng)原理分析

1.1 螺紋擰緊原理

要保證螺紋件聯(lián)接能克服被聯(lián)接零件所受的各種靜態(tài)或動態(tài)外力，對螺紋件聯(lián)接的擰緊要求是螺紋件對零件產(chǎn)生一定的“預(yù)緊力”。在彈性變形范圍內(nèi)，預(yù)緊力與螺栓的受力面積、伸長量及力學(xué)強(qiáng)度有關(guān)。典型的擰緊控制方法主要有扭矩控制法、扭矩/轉(zhuǎn)角控制法、屈服點(diǎn)控制法、落座點(diǎn)/轉(zhuǎn)角控制法和超聲波控制法。

1.2 CAN總線與以太網(wǎng)混合網(wǎng)絡(luò)

隨著以太網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和完善，特別是通信速率的提高和交互技術(shù)的應(yīng)用，使得以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場控制領(lǐng)域成為可能，但是已有的現(xiàn)場總線仍將繼續(xù)存在，工業(yè)以太網(wǎng)只能占領(lǐng)一定的市場。從現(xiàn)實(shí)來看，以太網(wǎng)擴(kuò)展了現(xiàn)有的系統(tǒng)，但是現(xiàn)場總線不可能完全被工業(yè)以太網(wǎng)替代，后者的潛力巨大，其應(yīng)用領(lǐng)域一定會不斷擴(kuò)大。所以，將現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)底層生產(chǎn)與上層管理的緊密集成，已經(jīng)成為一種趨勢。CAN總線作為國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，在我國也得到了廣泛的應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)以CAN總線作為工業(yè)現(xiàn)場總線，實(shí)現(xiàn)其與以太網(wǎng)的互聯(lián)。

2 擰緊機(jī)控制系統(tǒng)原理

基于CAN總線與以太網(wǎng)的螺栓擰緊機(jī)控制系統(tǒng)方案采用模塊化的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，充分體現(xiàn)了集中管理和分散控制的設(shè)計(jì)思想。該系統(tǒng)由2層結(jié)構(gòu)組成：CAN總線現(xiàn)場控制層，以太網(wǎng)總線生產(chǎn)管理層如圖1。

現(xiàn)場控制層：以工控機(jī)或嵌入式主機(jī)作為工作站主控單元，負(fù)責(zé)對每個(gè)軸控模塊進(jìn)行配置，協(xié)調(diào)模塊間的運(yùn)動，并實(shí)時(shí)顯示各模塊的狀態(tài)。主控單元與軸控模塊之間通過CAN總線相連，軸控模塊與伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)和檢測單元組成相對獨(dú)立的控制單元，直接對螺栓進(jìn)行擰緊等各種操作，每個(gè)控制單元把擰緊的過程變化量和狀態(tài)變化量反饋給工作站，以便主控單元對擰緊過程進(jìn)行監(jiān)視、操作和管理。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

生產(chǎn)管理層：采用以太網(wǎng)總線控制架構(gòu)，各工作站通過交換機(jī)與服務(wù)器及其他控制系統(tǒng)相連，接收各主監(jiān)控操作站的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)備份和綜合分析等，并且可以和其他系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接來實(shí)現(xiàn)企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化制造。

3 硬件和軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件實(shí)現(xiàn)

（1）CAN總線軸控模塊設(shè)計(jì)：CAN總線軸控模塊是整個(gè)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的核心。它是在完成設(shè)備功能的基礎(chǔ)上加入一個(gè)CAN通信控制器接口芯片，實(shí)現(xiàn)與CAN總線網(wǎng)絡(luò)的連接?？紤]到開發(fā)成本和靈活性，設(shè)計(jì)中選用獨(dú)立CAN通信控制器SJA1000芯片和CAN總線收發(fā)器82C250芯片。軸控模塊結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 軸控模塊結(jié)構(gòu)圖

伺服電機(jī)采用位置控制模式，由C P L D（EPM570）實(shí)現(xiàn)脈沖的分頻輸出和伺服電機(jī)編碼器反饋計(jì)數(shù)從而實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制。為增強(qiáng)扭矩檢測信號的抗干擾能力，一般在扭矩檢測環(huán)節(jié)都采用4 mA～20 mA電流信號作為輸入，因此需要250 Ω作為I/V轉(zhuǎn)換，采用ADS7841作為12位AD轉(zhuǎn)換。

（2）以太網(wǎng)設(shè)備接口設(shè)計(jì)：本文所設(shè)計(jì)的以太網(wǎng)控制框架采用典型的星形以太網(wǎng)架構(gòu)，每個(gè)工作站通過以太網(wǎng)交換機(jī)與服務(wù)器相連。同時(shí)，其他外圍監(jiān)控系統(tǒng)也可以接入，以實(shí)現(xiàn)企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化管理。

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)

整個(gè)擰緊機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為4部分：CAN總線設(shè)備接口通信程序、軸控模塊擰緊過程控制程序、各工作站主控程序和以太網(wǎng)層監(jiān)控程序設(shè)計(jì)。其中，CAN總線設(shè)備接口通信程序、CAN控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊程序主要由SJA1000的寄存器決定，以太網(wǎng)監(jiān)控程序采用標(biāo)準(zhǔn)的TCP C/S架構(gòu)，與其他采用此類總線產(chǎn)品相似。本文主要討論擰緊過程控制程序、各工作站主控程序設(shè)計(jì)。

（1）工作站主控程序：該程序負(fù)責(zé)對軸控模塊進(jìn)行配置，協(xié)調(diào)各模塊之間的運(yùn)動過程，實(shí)時(shí)監(jiān)控各模塊的工作狀態(tài)，顯示擰緊曲線及參數(shù)。螺栓擰緊過程可分為認(rèn)帽→高速擰緊→落座→預(yù)擰→終擰→合格后卸荷幾個(gè)部分，為了提高螺栓擰緊的精度和效率，對每個(gè)螺栓擰緊過程進(jìn)行分段處理，每一段可以根據(jù)產(chǎn)品的工藝需求采用扭矩控制或轉(zhuǎn)角控制，主控程序根據(jù)各模塊的工作狀態(tài)發(fā)送相應(yīng)的控制模式指令。主控程序流程如圖3。

（2）擰緊過程控制：每個(gè)軸控模塊的擰緊過程獨(dú)立性進(jìn)行。工作站首先要對軸控模塊進(jìn)行配置，根據(jù)配置和運(yùn)行指令，選擇扭矩控制或轉(zhuǎn)角控制運(yùn)行該段的擰緊過程，在此過程中被動向主控工作站發(fā)送當(dāng)前狀態(tài)，軸控模塊的程序流程和每一段的工作過程如圖4。

4 結(jié)束語

本文介紹了一種可快速重組、高柔性的螺栓(母)自動擰緊機(jī)控制系統(tǒng)。在對系統(tǒng)控制原理分析和設(shè)備實(shí)際工作過程的基礎(chǔ)上，探討了基于CAN總線與以太網(wǎng)構(gòu)建模塊化的螺栓擰緊機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)已成功地運(yùn)行于多條曲軸連桿和鐵路貨車裝配線上，提高了裝配精度和生產(chǎn)率，穩(wěn)定了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了工人勞動強(qiáng)度。

圖3 主控程序流程

圖4 軸控模塊程序結(jié)構(gòu)

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