基于EtherNet/IP通訊的在線式變徑輪胎擰緊機

侯偉強 張新震 關欣

摘要：隨著國內(nèi)各類汽車總裝車間生產(chǎn)線柔性化的逐步推進，對各工位的自動化設備提出了適應多品種的要求。本文描述了一種在線式可控輪胎擰緊機，通過伺服系統(tǒng)，可以實現(xiàn)多種中心距的快速切換，實現(xiàn)無極變徑功能，滿足多車型生產(chǎn)的需求，并具備與其它系統(tǒng)交互接口及功能，可以實現(xiàn)在線可控，避免因人為因素導致的質(zhì)量問題。

關鍵詞：EtherNet/IP;伺服;NAT;擰緊機

0? 引言

國內(nèi)各大重型汽車制造商已經(jīng)逐步使用電動擰緊工具來代替以往的風扳機進行螺栓緊固，輪胎螺母擰緊機作為總裝線上重要的多軸擰緊設備，要適應多種車型實現(xiàn)柔性化生產(chǎn)，對于三種以上中心距，需要使用伺服滿足無級變徑的需求。

以往，線上的單軸、多軸設備僅僅作為工具，負責替代人工進行螺栓擰緊工作，對于工藝流程管理和數(shù)據(jù)可追溯性要求不高，容易造成返工和發(fā)生質(zhì)量問題時無法追隨，而隨著工業(yè)4.0的推進，各大主機廠對于擰緊過程和擰緊數(shù)據(jù)的管理要求越來越嚴格[1]，這也意味著擰緊設備需要提供各類的接口與MES系統(tǒng)、QCOS系統(tǒng)等進行對接。

本文針對目前主機廠對輪胎擰緊的需求，根據(jù)實際項目經(jīng)驗設計了本方案，在實現(xiàn)多種工藝擰緊的同時，兼顧防漏、防錯、控線、數(shù)據(jù)上傳等功能。

1? 系統(tǒng)總體設計

機械部分采用吊掛設計方案，使用氣缸將變徑箱體懸掛于二層軌上面，二層軌安裝于一層軌上，通過減速電機拖動二層軌道實現(xiàn)自動返回功能。

電氣控制部分包含擰緊控制系統(tǒng)以及變徑系統(tǒng)兩部分。擰緊控制系統(tǒng)部分，PLC通過EtherNet/IP總線與左右兩邊的控制器、分布式IO、伺服進行通訊，實現(xiàn)擰緊系統(tǒng)、IO信號的控制以及電機的變徑功能。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

2? 箱體結(jié)構(gòu)

機械結(jié)構(gòu)主要分為兩大部分：擰緊軸固定裝置以及電機旋轉(zhuǎn)變徑結(jié)構(gòu)，擰緊軸固定裝置包含前后安裝板、軸安裝板;電機旋轉(zhuǎn)變徑結(jié)構(gòu)包含滑軌、滑塊、變徑旋轉(zhuǎn)板、軌跡滾輪、導向輪、電機安裝板、連接桿等。

電機通過減速機帶動旋轉(zhuǎn)板轉(zhuǎn)動，軌跡滾輪在旋轉(zhuǎn)板滑槽內(nèi)移動，驅(qū)動軸安裝板沿滑軌方向移動，實現(xiàn)變徑。

機械結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。

3? 伺服系統(tǒng)

由于控制柜與箱體距離最遠能達40米，采用脈沖方式控制無法實現(xiàn)，因此選用總線形式伺服控制器，將控制器安裝于箱體上方控制柜內(nèi)，確保與電機距離最短，電機電源電纜和反饋電纜長度最長5米，最大程度減小信號衰減帶來的影響。

Kinetix 350單軸伺服驅(qū)動器適用于EtherNet/IP網(wǎng)絡上的ControlLogix控制器，與TLY伺服電機無縫集成，可以使用Studio 5000 Logix Designer應用程序進行編程、調(diào)試和維護[2]。為了避免設備斷電時導致位置變更，因此選擇使用支持Tamagawa 17位串行絕對值編碼器的TLY系列伺服電機，在保證性能滿足需求的前提下能夠最大程度減少成本。

編碼器接法如圖4所示。

4? PLC系統(tǒng)及網(wǎng)絡

本地PLC采用1769 CompactLogix系列產(chǎn)品，型號為1769-L33，搭配本地IO模塊，控制控制柜本體上安裝的IO信號;該產(chǎn)品集成了高性能和Logix平臺的優(yōu)勢，具有通用的編程環(huán)境、通用的網(wǎng)絡、通用的控制引擎，非常適合中小型設備級控制應用[3];遠程I/O分站選用1734AENT以及POINT IO模塊，接入操作按鈕、閥、指示燈等IO信號。

PLC系統(tǒng)與QCOS系統(tǒng)進行信號交互，1769-L33無法擴展地址，為避免其它系統(tǒng)與本地系統(tǒng)進行交互，因此使用了網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換（NAT）設備，采用ROCKWELL產(chǎn)品1783-NATR隔離兩個網(wǎng)絡并在該產(chǎn)品內(nèi)部做網(wǎng)絡映射。整體網(wǎng)絡設置如圖5所示。

雙方PLC系統(tǒng)使用MSG進行通訊，交互的信號有：握手狀態(tài)、RESET、VIN、JOBID、ENABLE、OK，整套設備動作的控制流程為分為握手判定、接收信息及狀態(tài)、設備工作、上傳結(jié)果四個部分，具體程序流程圖如圖6所示。

5? 上位機軟件

上位機系統(tǒng)主要包含三項主要功能，一是可以采集扭矩、角度、狀態(tài)、曲線等數(shù)據(jù)并顯示在界面上，通過 SPC 對擰緊數(shù)據(jù)進行分析，供客戶分析擰緊工藝。上位機軟件與擰緊軸控制器采用 API 接口進行通信;二是顯示設備運行狀態(tài)以及設備故障歷史記錄，通過OPC接口與PLC通信，獲取程序內(nèi)標簽對應的信號狀態(tài)并進行記錄，對應的故障記錄存儲于SQL數(shù)據(jù)庫中，供設備維修人員查看;三是將擰緊數(shù)據(jù)上傳到MES系統(tǒng)服務器ORACLE數(shù)據(jù)庫中。軟件采用C#開發(fā)，軟件系統(tǒng)架構(gòu)如圖7所示。

6? 結(jié)語

本文針對使用ROCKWELL系列產(chǎn)品的變徑輪胎擰緊機，提出了一種可以適應多種中心距的在線式方案，能夠?qū)崿F(xiàn)快速切換中心距，適合目前多種車型共線的汽車總裝車間。通過NAT設備將設備連接到QCOS系統(tǒng)中，實現(xiàn)車間對扭矩設備的管理，避免因為漏擰緊導致產(chǎn)品質(zhì)量隱患，還能實時上傳擰緊數(shù)據(jù)實現(xiàn)全生命周期的追溯，在實際使用中取得了良好的效果。

參考文獻：

[1]張新震，徐駿升，關欣.一種汽車總裝線擰緊設備數(shù)據(jù)采集方案[J].內(nèi)燃機與配件，2019（11）：15-17.

[2]Kinetix350單軸Etherne/IP伺服驅(qū)動器用戶手冊[M].美國：羅克韋爾自動化公司，2012.

[3]劉彥偉，趙龍錄，耿欣，姚福江.基于Ethernet/IP的全自動立式壓濾機控制系統(tǒng)設計[J].制造業(yè)自動化，2014（7）：23-26.

[4]陳凱，邊群星.柴油機缸蓋全自動擰緊機設計與應用[J].機床與液壓，2017（22）：47-49.

[5]PowerMACS 4000 User Guide[M]. Atlas Copco， 2007.