基于PLC控制的轨道螺栓作业机研究与设计.pdf

第 6 期 总第 1 6 3 期 2 0 1 0年 】 2月 机 械 工 程 与 自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEERI NG AUT0MAT1 0N No ．6 De c ． 文章 编 号 1 6 7 2 ～ 6 4 1 3 2 0 1 0 0 6 0 1 4 6 0 3 基于 P L C控制的轨道螺栓作业机研究与设计 王 惠 山西机 电职业技术学院， 山西 长治0 4 6 0 1 1 摘要 介 绍 了适合铁路螺栓拧紧的测量方法，并简要说明 了能实现该测量的基于 P L C控制的轨道螺栓 作业机 的硬件结构及相关软件的设 计流程。 关键词 P L C控制 ；轨道螺栓 ；螺栓扭矩 中图分类号 TP 2 7 3 U2 1 6 ． 6 文献标识码A 0 引 言 铁路运输 是 国民经 济的动脉 ，为 了适应经 济的高 速发 展 ，我 国 已进 行 了 6次大提 速 ，同时开通 了多条 高速铁路 ，特别是为应对 国际金融危机 ，国家又推出 了 4万亿拉动内需的投资，其中 2 ． 5 万亿将用于新开 铁路 建设 。可想而 知 ，今后 对铁 路机械 化 、 自动化养 护 的需求必然 日益 紧迫 。现在专用 的作业 机具 ，没有 除锈 去垢 的功 能 ，更 不能保 证作业 质量 ，易造成 螺纹 间隔夹杂锈和垢 。同时，还存在人工作业时间长、劳 动强度大、工作效率低等弊端 。一般的机具 ，很难适 用在高海拔、高寒 、沙漠、大风等恶劣环境中和无电 源区间条件下正常使用 ，严重影响着铁路运输 的安全 和正常 的运 输秩序 。本 文结合 市场实 际需求 ，进行 了 基 于 P L C控 制的轨 道螺栓 作业机研 究与 设计 ， 在一定 程度上提高了轨道螺栓作业的工作质量。 1 螺栓拧 紧方法 的研 究 长期以来 ，人们十分重视螺纹连接的设计 ，但是 对螺栓拧紧工艺及设备却不太重视。从而，出现螺栓 没有 拧紧或 力度过 大 ，给生产 、生活带 来了很 大的影 响 。 国外在拧 紧方法 的研究 方面进行 了大量 的试 验 ， 并 不断制定和修改螺栓拧紧方面的标准。其采用的方法 有扭矩法 、扭矩／ 转角法、屈服点法 、螺栓伸长法等。 根据 实 际应 用和 大量 的试验 以及 对 以上方法 的总 结 ，人们 推 出了适 合 铁路螺栓 拧紧 的测量方 法 时 间法。用此方法对螺栓拧紧进行测量得出的试验数据 见表 1 ，时 间法 测扭 矩平 均值 曲线 见 图 1 。 收稿 日期 2 0 1 o - 0 9 2 1 作者简介 王惠 1 9 7 3 一 ， 女 ， 山西太原人 ， 讲师 ， 硕士， 研究方向 自动化技术。 试 验 发现 随 着 冲 击 时 间 的增 加 其 扭 矩 也 随 之 增 加 ， 当扭矩增 加到 一定 的程 度 ， 其 冲击的 时间再增 加 ， 扭矩 上升 的幅度 会很小 ，直至 螺栓损 坏 。试 验 中还发 现紧固螺栓的扭矩并不是只由冲击时间来决定的，还 受一 些外 在因素 的影响 ，如轨 道弹簧 的 弹力 、垫 片与 垫 片之 间的摩 擦力 、螺 杆与螺 帽 的摩擦 力等 。 表 1 时 间 法 测量 螺 栓 拧 紧 数 据 表 N m 击时 间 s 螺栓一 螺栓二 螺栓三 螺栓四 螺栓五 螺栓六 平均值 f 1 9 0 8 0 9 0 1 0 0 1 0 0 9 O 9 0 I 1 ． 1 9 0 1 0 0 1 O 0 l O O 8 0 1 0 0 9 5 L 5 1 3 O 1 3 O 1 1 0 l 2 O l 3 O l 1 0 1 2 O 1 ． 6 l 3 0 1 3 0 l 3 0 l 3 O l 5 0 1 3 O l 3 0 1 ． 7 l 3 0 1 3 0 1 4 0 1 4 0 1 5 0 1 3 O 1 4 0 1 ． 8 l 5 O 1 5 0 1 3 0 1 5 O 1 6 0 1 4 0 1 5 0 1 ．9 1 7 0 l 8 0 1 8 O 2 O O 1 8O 1 8 O l 8 0 2 1 8 O 1 8 0 l 9 0 l 9 O l 9 0 1 8 0 1 8 5 舍 圣 图 1 时 间法 测 扭 矩 平 均 值 曲 线 2控 制 系统 的设计 轨道螺栓作业机在控制系统中采用 了P I C控制 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年 第 6期 王 惠 基 于 PL C控 制 的轨 道 螺 栓 作 业 机 研 究 与设 计 1 4 7 在控制系统的设计过程中，从现场 “ 螺栓涂油”作业 实际出发，按 铁路线路维修规则中人工作业要点， 设定机器出厂的 “ 技术条件” ， 并借鉴了国际智能机械 外型 构思 的成 功经验 。核 心控制 部件全 部采用 高质量 的进 口产品 ，使其具 有小 型化 、智 能化 、机 电一体化 、 简便化等优点 ，安全、可靠、耐用。 轨道螺栓作业机控制、动力及传动系统原理框图 如图 2所示 。 按 照螺 栓作业 流程 的实 际要 求 ， 选 择 、 调 整 、设定条 件参数 ，编 制计算 机控制 作业 软件 。操作 者向计算机发出指令，整机 自动、高速、高质量进行 作业 。各 电动系统 及机构 同时对 两个 螺栓进 行异 步的 “ 除垢 ” 、“ 旋松” 、“ 旋转涂油” 、“ 紧固”作业 ，连续作 业 时间只用 1 0 S ，一个 螺栓作 业最 快只需 4 S 。本 机可 完全 替代人工 和半机 械 电动 作 业 ，极 大地减 轻 了劳 动者的工作强度 ， 提高工作效率在 2 0倍以上， 是 目前 螺栓作业 中理想 的工具 。 图 2 轨道螺栓作业机控制 、动 力及传动 系统原理框图 3 P LC选 型 输入 点 控 制扭矩 大小 以及旋 松是 否到位 ，采用 光 电传感 器来 传 出信 号I O ． 0 ～ I O ． 3 ； 机 器 的机 械手 可 以两边 同时作业 ，也可 以单独 作业 ，因此需 要输 入点 I 1 ． o 控 制左机 械手 和 I 1 ． 1 控制 右机 械手 ；根据 不 同型号的轨道 ，其拧紧所需要的扭矩也不同，需要有 选择扭矩 的输入 点 I O ． 6 、 1 0 ． 7 ； 机 械手要 完成 的动作 有 旋松 、涂油 、紧 固 ， 根据 不 同需要来 选择 不 同的动作 ， 所 以需 要输 入 点 I 1 ． 2 控 制 旋 松 、 I 1 ． 4 控 制 涂 油 、 I 1 ． 3 控 制 紧固 。 输出点左、右机械手的旋松与紧固设定输出点 Qo ． 0 ～Q0 ． 3 ；机 械 手 的 上 升 与 下 降 设 定 输 出 点 Qo ． 4 ～Q0 ． 5 ； 喷油输出左 、 右分别设定输出点Q0 ． 6 ～ Q0 ． 7 。 根 据 以上 I ／ O 的划 分 ，采用 1 4 点 输入 、1 o点输 出 。根据 机器所 需要 的反应 灵敏 度 以及 性价 比选用 西 门子s 7 2 0 0系列 C P u2 2 4型号的 P L C，能够满足机 器的需要 。表 2为输入输 出配置表 。 4 控 制 程序 设计 本轨道螺栓作业机的控制工作过程如下 1 开始时，启动发电机 ，上电后按下操作面板 上的复位按键 ，对机器进行初始化，工作状态处于待 机 状态 。 2 在操作面板上按下旋松按键后 ，驱动启动按 钮 ，机械 手下 降 自动对 位 ，如 出现 对位没 有对准 ，可 按 对位按 钮 ，再 次进行 对位 ，对 准后 ，再 按下驱 动按 钮 ，机械 手进行 旋松动 作 ，螺 栓松 开后 ，机械手 自动 上 升 。如 需要左 、右单 方面作 业 时 ，可在操 作面 板上 进行选 择 。 3 在操 作 面板上 按下紧 固按键 ，选择 相应 的扭 矩后 ，驱动启动按钮，机械手下降 自动对位 ，如出现 对 位没 有对 准 ，可按 对位 按钮 ，再次进 行对位 ，对 准 后 ，再 按下 驱动按 钮 ，机 械手进 行 紧固动作 ，紧 固完 成 后机 械手 自动上 升 。 表 2输 入 输 出 配 置表 I O ． o 左传感器上升沿 l 1 ． 3 紧固 I O ． 1 左传感器下 降沿 I 1 ． 4 涂油 1 0 ． 2 右传感器上升沿 I 1 ． 5 总复位 1 0 ． 3 右传感器下降沿 Qo ． o 左机械手旋松 I O ． 4 对位 Qo ． 1 左机 械手紧 固 1 0 ． 5 启动按钮 Qo ． 2 右机 械手旋松 I O ． 6 扭矩选择 8 0Nm Q0 ． 3 右机械手紧 固 I O ． 7 扭矩选择 l 2 0 N m Q0 ． 4 机械手上升 I 1 ． O 左边 Q0 ． 5 机械手下降 I 1 ． 1 右边 Q0 ． 6 左喷油 I 1 ． 2 旋松 Q0 ． 7 右喷油 4 在操作 面板 上按 下涂油按 键 ，选择 相应 的扭 矩 后 ，驱动启 动按 钮 ，机 械手 下降 自动对位 ，如 出现 对位 没有 对准 ，可按 对位按 钮 ，再次进 行对位 ，对 准 后 ，驱动 启动 按钮 ，首先对 螺栓 进行旋 转涂 油 ，涂 油 完成后，自动对螺栓进行紧固动作 ，紧固完成后机械 手 自动上升 。 5 在 操作 面板 上按下涂 油按 键 ，选 择相 应扭矩 后 ，驱 动启 动按钮 ，机 械手 自动下 降对位 ，如 出现对 位 没有 对准 ，可按对 位按钮 ， 再 次进行 对位 ， 对 准后 ， 驱动启动按钮 ，首先对螺栓进行旋松动作 ，当螺栓松 开 后 ，涂 油 机构对 螺栓进 行涂 油 ，涂 油完成 后 ， 自动 对螺栓进行紧固动作 ，紧固完成后机械手 自动上升 。 具体工作流程如图 3 所示。 本控 制 系统 采用 了西 门子 S 7 2 0 0系列 的 V4 ． 0 S TE P 7 Mi c r o wI N S P 5软件完 成相关 程序 的编写 。 文 章篇幅有限，只给出部分程序梯形图仅供参考 ，如图 4所 示 。 以上紧固程序通过主程序对 M6 ． 0的控制使其接 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 8 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 0年 第 6期 通 ，触发 此 紧固程序 ，机械手 开始对 螺栓 实施 紧固工 作 ， T5 4 、 T5 6 两个定时器是控制机械手对螺栓的拧紧 时间 ，定 时时 间到 ，开始 触发下 一工作 程序 。 图 3控 制 流 程 图 5结束 语 基 于 P I C 控制 电动 冲击铁 轨 螺 栓拧 紧 机 的控 制 系统 ，结构简 单 、开发 容易 、稳定 可靠 ，是一款 性价 比很 高 的控 制 系统 ，它已经在 实际 中得 到 了应 用 ，即 将推 向市 场 。本 系统在 控制扭 矩方 面虽然达 到 了国家 标准 ，但是想要进一步让它完美，还要继续努力 ，使 扭矩达到最理想的标准， 使其更加稳定、 高效地工作。 l M 6 ． 0 M1 ．1 M 6． 1 H} - _ I I P} - _ s M1 0 卜 - P 1 ． 1 T 51 卜 卜 P l 0 3 T5 3 卜 卜 P ．i 6 I M 6 0 T 5 8 M 1 0 ． 1 H卜 一 卜 _ P 卜 _ - - 卜 卜 卜 _ P卜 - 一 一 S 卜 一 P j M 5 6 图 4 部分程序梯形图 参 考 文 献 [ 1 ] 黄恭伟 ． 螺纹拧 紧技术研究 及拧 紧控 制系统设计 [ D ] ． 合 肥 合肥工业大学 ， 2 0 0 7 3 - 5 ． Re s e a r c h a nd De s i g n o f Tr a c k Bo l t Op e r a t i ng M a c h i n e Ba s e d o n PLC W ANG Hu i Sh a n xi I n s t i t u t e o f M e c h a n i c a l a n d El e c t r i c a l En g i n e e r i n g． Ch a n g z h i 0 4 6 01 l ， Ch i na Abs t r a c tThi s a r t i c l e de s c r i be s t he me t h o d of me as ur i ng t he f a s t e ni n g bo l t s on r ai l r o a d， a nd b r i e f l y i n t r o du c e d t h e h ar d wa r e s t r u c t ur e a nd s of t wa r e de s i gn p r o c e s s of a PLC c on t r ol l e d t r a c k b ol t ope r a t i on ma c hi ne whi c h i s us e d t O a c hi e v e t he me a s ur e me nt ． Ke y wo r ds PLC c ont r ol ；t r a c k bo l t ； bo l t t or qu e ． ] [ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m