李 文，嚴(yán)良文，徐鳳平

LI Wen, YAN Liang-wen, XU Feng-ping

（上海大學(xué) 機電工程與自動化學(xué)院，上海 200072）

基于PLC的螺栓組順序擰緊監(jiān)控系統(tǒng)

Bolts fastening sequence supervise system base on PLC

李 文，嚴(yán)良文，徐鳳平

LI Wen, YAN Liang-wen, XU Feng-ping

（上海大學(xué) 機電工程與自動化學(xué)院，上海 200072）

本文介紹了一種基于西門子S7-200的PLC的螺栓組順序擰緊監(jiān)控系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)、功能、軟件設(shè)計。該系統(tǒng)通過接近開關(guān)作為位置傳感器，由PLC監(jiān)控加工順序的正確性，從而保證了裝配質(zhì)量。

PLC；螺栓擰緊；順序；組態(tài)王

0 引言

某柴油內(nèi)燃機生產(chǎn)線上有一道工序是對缸體端蓋螺栓組擰緊加工，螺栓組擰緊的順序和預(yù)緊力的大小決定了各個螺栓受力是否均勻以及被連接件的緊密性[1]，為保證裝配質(zhì)量該工序嚴(yán)格規(guī)定了螺栓組擰緊的順序、各個螺栓預(yù)緊力、螺栓旋入角度等參數(shù)，如圖1所示，圖上的數(shù)字表示螺栓擰緊的先后順序。

圖1 螺栓擰緊順序示意圖

為保證裝配質(zhì)量，有兩種方案可供選擇：1）裝備自動擰緊機器人設(shè)備，雖然可以保證裝配質(zhì)量，但這樣的設(shè)備昂貴復(fù)雜，對于現(xiàn)場條件來說，初期投資過大，維護(hù)難度高。2）購買電動擰緊機，通過人工選擇被擰螺栓，將擰緊器手柄對準(zhǔn)螺栓后扣動扳機，擰緊機按預(yù)先設(shè)置好參數(shù)進(jìn)行擰緊，如此逐個擰緊。雖然這種方式設(shè)備成本比機器人要低很多，但由于該內(nèi)燃機有多個不同型號的產(chǎn)品，其螺栓數(shù)量、預(yù)緊力、擰緊順序各不相同，人工選擇難免會犯錯誤，影響裝配質(zhì)量。因此需要一個輔助監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控人工操作，該系統(tǒng)可以通過工件上的條碼識別工件型號，并逐個提示工人被擰緊螺栓的位置，并對工人的工作進(jìn)行監(jiān)控，如果工人擰緊的順序發(fā)生錯誤，則拒絕加工并發(fā)出警告，每加工完一個螺栓，都判斷加工是否合格，如果合格則提示加工下一個，否則提示繼續(xù)加工本螺栓，直到該工件所有螺栓加工完畢，提示工人加工合格，放行當(dāng)前工件，進(jìn)入下一工件操作。從而避免擰緊參數(shù)及擰緊順序錯亂。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

如圖2所示，系統(tǒng)由上位機、西門子S7-200 PLC、掃描槍、擰緊機、電感式接近開關(guān)、PPIPCI電纜、通訊接頭等組成。條碼掃描槍的通訊接口為串口，使用一個RS232轉(zhuǎn)485的接頭將掃描槍與PLC通訊端口相連接，掃描槍讀取到的字符即可傳遞給PLC來判斷工件型號。PLC使用PPI/PCI電纜與上位機相連接并完成數(shù)據(jù)交換。使用PLC的數(shù)字量輸出對擰緊機進(jìn)行參數(shù)宏選擇，不同輸出點對應(yīng)不同的參數(shù)宏，各參數(shù)宏中的擰緊參數(shù)提前在擰緊機中設(shè)置好，包括預(yù)緊力、旋轉(zhuǎn)角度、螺栓數(shù)量等。接近開關(guān)按螺栓組的分布形狀布置在活動機架上，其信號發(fā)送至PLC數(shù)字量輸入口，用來檢測擰緊器將要加工的螺栓是否符合規(guī)定順序，如果順序正確，即可加工，否則禁止加工。單個螺栓加工完成后，合格信號由擰緊機的數(shù)字量信號反饋給PLC。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 軟件設(shè)計

3.1 PLC獲取條碼信息

PLC采用自由通訊口方式讀取條碼的信息，即CPU的串行通信接口可以由用戶程序控制，可以用發(fā)送指令、接受指令、接受完成中斷、字符接受中斷和發(fā)送完成中斷來控制通信過程[2]主要用到SMB30寄存器設(shè)置接受指令參數(shù)。SMB30用于設(shè)置端口0的通信波特率、奇偶校驗、數(shù)據(jù)位數(shù)目等參數(shù)。

pp ：奇偶校驗控制字，d：每個字符的數(shù)據(jù)位，bbb：自由端口波特率，mm：協(xié)議選擇[3]

本系統(tǒng)的SMB30設(shè)置為00001001，即參數(shù)為：無校驗、8位數(shù)據(jù)位、9600波特、自由端口協(xié)議。

使用接受指令RCV接收COM端口的整條消息，然后在完成消息接收后，生成程序中斷。通過指定的通信端口（PORT），接受的信息存儲在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（TBL）中。數(shù)據(jù)緩沖區(qū)第一個字節(jié)用來累計接收到的字節(jié)數(shù)。

圖3 RCV指令

3.2 PLC邏輯控制程序

PLC的控制程序采用西門子的編程軟件STEP7完成，編寫完成之后通過上位機傳送給PLC，其程序結(jié)構(gòu)流程如圖4所示。

圖4 程序流程圖

當(dāng)工件被送至操作位，先使用掃描槍掃描工件條碼，PLC針對條碼信息判斷工件型號，并設(shè)置擰緊參數(shù)宏。隨后布置有接近開關(guān)的機架移動至工件的正上方，上位計算機提示工人首個被擰緊螺栓位置，工人將擰緊手柄移至該螺栓加工位，同時接近開關(guān)判斷擰緊器是否在正確的操作位置，如果操作位置正確，允許工人操作，否則禁止工人操作，并在上位顯示器上進(jìn)行報警提示。當(dāng)前螺栓加工停止后，擰緊機判斷加工是否合格，并將判斷結(jié)果發(fā)送給PLC，若合格，則上位機提示下一個被加工螺栓位置；否則提示本螺栓未完成請繼續(xù)加工，直至蓋螺栓加工合格。如此循環(huán)直至該工件所有螺栓擰緊完成，接近開關(guān)布置架上移，放行本工件，進(jìn)行下一個工件的操作。

3.3 上位機程序

圖5 上位顯示畫面

如圖5所示，上位機程序采用組態(tài)王編寫，通過PPI/PCI電纜與PLC連接，當(dāng)PLC判定型號后，上位機程序調(diào)取輔助畫面，畫面中的被加工螺栓通過紅綠交替閃爍提示工人操作，操作完成之后讀取PLC中狀態(tài)變量判斷加工是否合格，加工合格后畫面顯示為紅色表示該螺栓加工完成，然后閃爍提示下一個被加工螺栓位置。操作人員按照規(guī)定的順序?qū)⑺新菟〝Q緊，則提示當(dāng)前工件加工完畢，放行本工件，并進(jìn)入下一工件操作，如此反復(fù)。

4 結(jié)束語

現(xiàn)場實際使用表明本系統(tǒng)滿足工藝要求，并具有具有可靠性好，實時性高，工作穩(wěn)定等特點。避免了人工裝配質(zhì)量的不穩(wěn)定性，大大的降低了次品率，而且投資較少，適合于不具備裝備全自動擰緊機器人條件的生產(chǎn)線，以較低的成本獲得一個較高的裝配質(zhì)量。

[1] 郭紹光.關(guān)于螺栓組擰緊順序的探討[J].山西建筑,2003,4:74-75.

[2] 張智杰.基于PLC的條碼監(jiān)控系統(tǒng)[J].PLC,工控機與集散控制系統(tǒng),2004,11.

[3] 廖常初.S7-200 PLC編程及應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008,141-143.

TP277

B

1009-0134(2010)11(上)-0030-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.11(上).10

2010-06-09

李文 （1985 -），男，湖北荊門人，碩士在讀，研究方向為工業(yè)自動化。