智能螺栓拧紧机自动控制系统设计[1].pdf

1、2008年 4月第 36卷 第 4期机 床 与 液 压MACH INE TOOL 螺 栓 拧 紧 ; 扭 矩 控 制 ; 图 像 处 理中 图 分 类 号 : TH69 文 献 标 识 码 : B 文 章 编 号 : 1001 - 3881 (2008) 4 - 114 - 3The D esign for Automa tic Con trol System of the In telligen t Bolt Fa sten ingYANG Kunyi, DU Hairuo(College of Mechanical Engineering, Southwest J iaotong Univ

2、ersity, Chengdu 610031, China)Abstract: The design for automatic control system of the intelligent bolt was studied combined with ascertaining locality of boltcentral position by image figure intelligent recognition and based on the control of the fastening force by the torque control p rincip le.Th

3、e hardware and software of intelligent bolt fastening machine was analyzed.Keywords: Automatic control; Bolt fastening; Torque control; Image recognition0 引 言螺 纹 联 接 由 于 简 单 可 靠 、 拆 卸 方 便 在 铁 路 道 轨 螺栓 紧 固 中 得 到 广 泛 应 用 。 目 前 , 螺 纹 的 拧 紧 普 遍 采 用风 动 和 电 动 扳 手 来 完 成 , 由 于 风 动 扳 手 和 气 动 扳 手 在拧 紧 过 程 中 是

4、 依 靠 大 冲 击 力 来 拧 紧 螺 纹 装 置 , 所 以 拧紧 扭 矩 值 误 差 范 围 比 较 大 , 另 外 风 动 和 电 动 的 定 值 扭矩 扳 手 不 宜 于 在 大 扭 矩 状 况 下 工 作 , 这 样 不 仅 劳 动 强度 大 , 而 且 生 产 效 率 低 , 拧 紧 质 量 不 稳 定 。 因 此 , 对智 能 识 别 螺 栓 自 动 拧 紧 机 的 研 究 具 有 迫 切 的 现 实 意义 。1 系 统 原 理 分 析111 扭 矩 控 制 法 分 析表 1 螺 栓 拧 紧 控 制 方 法 区 域 表拧 紧 方 法 控 制 值 控 制 区 域扭 矩 控 制 法

5、 扭 矩 弹 性 区 域扭 矩 /转 角 法 角 度 弹 性 区 域塑 性 区 域屈 服 点 法 扭 矩 斜 率 塑 性 区 域 边 缘落 座 点 /转 角 控 制 法 角 度 弹 性 区 域塑 性 区 域超 声 波 控 制 法 螺 栓 的 长 度 弹 性 区 域塑 性 区 域控 制 螺 纹 拧 紧 质 量 的 关 键 并 不 是 控 制 拧 紧 扭 矩 而是 控 制 轴 向 预 紧 力 , 装 配 拧 紧 的 实 质 是 通 过 螺 栓 的 轴向 预 紧 力 将 两 个 工 件 可 靠 地 联 接 在 一 起 , 因 此 , 对 轴向 预 紧 力 的 准 确 控 制 是 保 证 装 配 质

6、量 的 基 础 。 典 型 的拧 紧 控 制 方 法 主 要 有 扭 矩 控 制 法 、 扭 矩 /转 角 控 制 法 、屈 服 点 控 制 法 、 落 座 点 /转 角 控 制 法 和 超 声 波 控 制 法 ,表 1是 五 种 拧 紧 方 法 的 区 域 表 。目 前 , 国 内 大 部 分 用 户 因 为 联 接 件 的 质 量 分 散 性大 而 采 用 扭 矩 控 制 法 , 由 于 扭 矩 控 制 法 易 于 利 用 扭 矩传 感 器 来 检 查 拧 紧 质 量 , 当 螺 纹 尺 寸 及 形 状 确 定 后 ,采 用 扭 矩 控 制 法 其 预 紧 力 不 仅 与 拧 紧 扭 矩

7、有 关 , 且 与螺 纹 副 实 际 摩 擦 因 数 及 螺 母 与 支 撑 面 间 的 摩 擦 系 数 有关 , 实 际 中 在 控 制 螺 纹 件 摩 擦 因 数 的 同 时 , 在 螺 纹 副实 际 摩 擦 因 数 及 螺 母 与 支 撑 面 间 进 行 毛 刺 清 洗 和 润 滑处 理 , 另 外 还 可 以 采 用 二 次 拧 紧 以 补 偿 联 接 件 间 的 间隙 或 其 自 身 的 粗 糙 度 。112 螺 栓 轮 廓 图 像 识 别由 于 从 现 场 实 时 采 集 螺 栓 图 片 , 所 以 光 线 、 暴 光的 不 均 匀 等 因 素 给 图 片 带 来 噪 声 , 如

8、果 不 进 行 噪 声 的去 除 , 会 对 以 后 的 图 像 分 割 、 图 像 增 强 、 图 像 的 分 析和 判 断 产 生 影 响 , 所 以 采 用 邻 域 平 均 法 去 除 彩 色 图 像中 的 噪 声 , 然 后 应 用 RGB颜 色 模 式 处 理 变 换 原 始 图像 并 对 变 换 图 像 进 行 快 速 滤 波 以 大 幅 度 提 高 处 理 速度 , 适 应 实 时 处 理 的 需 要 。经 过 上 述 处 理 的 图 像 中 可 能 包 括 垫 圈 、 杂 物 和 地面 背 景 , 需 要 将 螺 栓 从 复 杂 的 背 景 中 分 离 出 来 , 阈 值分 割

9、 法 可 以 把 目 标 物 从 复 杂 的 背 景 中 提 取 出 来 。 现 在阈 值 分 割 的 方 法 有 很 多 种 , 但 是 阈 值 的 分 割 方 法 并 不适 用 于 所 有 情 况 的 图 像 。 根 据 螺 栓 识 别 的 要 求 , 分 别采 用 可 变 阈 值 法 、 最 大 方 差 法 、 基 于 梯 度 均 值 法 和O tsups法 进 行 对 比 分 析 , 找 到 较 理 想 的 分 割 效 果 实 现对 图 像 的 二 值 化 。本 文 应 用 形 态 学 理 论 分 析 螺 栓 和 杂 物 的 特 征 , 当结 构 元 素 选 择 恰 当 , 利 用 形

10、 态 学 算 法 中 的 腐 蚀 技 术 能有 效 地 分 离 出 杂 物 。 图 像 在 结 构 元 素 的 腐 蚀 作 用 下 ,消 除 图 像 的 边 缘 点 , 会 使 图 像 缩 小 。 腐 蚀 可 以 把 小 于结 构 元 素 的 目 标 物 去 除 , 这 样 选 取 不 同 大 小 的 结 构 元素 , 就 可 以 去 掉 不 同 大 小 的 物 体 。螺 栓 中 心 位 置 的 确 定 , 可 以 设 螺 栓 投 影 中 心 的 像素 位 置 为 ( i, j) , 则 螺 栓 中 心 的 位 置 ( x, y) 为x = iq; y = jq式 中 : q为 单 位 图 像

11、 长 度 对 应 的 CCD采 样 长 度 。2 拧 紧 机 的 结 构 和 工 作 过 程图 1 螺 栓 自 动 拧 紧 机 结 构 框 图螺 栓 自 动 拧 紧 机整 体 结 构 由 四 大 部 分组 成 : 控 制 部 分 、 动力 及 传 动 部 分 、 扭 矩信 号 检 测 部 分 和 图 像采 集 部 分 , 其 结 构 框图 如 图 1 所 示 。 控 制系 统 以 扭 矩 的 检 测 控制 和 螺 栓 拧 紧 扳 手 位置 检 测 控 制 为 核 心 。 工 控 机 将 扭 矩 信 号 检 测 部 分 输 出的 扭 矩 信 号 和 预 先 设 定 值 进 行 比 较 , 其 比

12、 较 结 果 决 定伺 服 电 机 的 运 行 状 态 , 即 : 通 过 动 力 及 传 动 部 分 、 信号 检 测 部 分 、 控 制 部 分 所 组 成 的 闭 环 系 统 来 实 现 螺 栓的 拧 紧 。 CCD摄 像 通 过 图 像 采 集 卡 传 输 给 工 控 机 ,确 定 螺 栓 位 置 , 从 而 决 定 伺 服 电 机 的 运 行 状 态 , 即 通过 动 力 及 传 动 部 分 、 图 像 采 集 部 分 和 控 制 部 分 所 组 成的 闭 环 系 统 来 实 现 当 螺 栓 拧 紧 扳 手 的 行 程 。工 作 过 程 : 当 螺 栓 拧 紧 扳 手 到 达 初 始

13、 位 置 时 , 通过 CCD摄 像 传 输 给 工 控 机 进 行 图 像 处 理 确 定 螺 栓 中心 点 , 并 传 输 至 螺 栓 位 置 检 测 部 分 , 通 过 动 力 及 传 动部 分 使 螺 栓 拧 紧 扳 手 到 螺 栓 的 正 上 方 , 定 位 完 成 后 ,推 动 主 轴 下 降 , 将 安 装 在 主 轴 下 端 的 扭 矩 加 载 头 送 进到 拧 紧 位 置 , 随 即 进 入 认 帽 过 程 : 伺 服 电 机 带 动 主 轴初 速 转 动 使 螺 母 滑 入 加 载 头 , 开 始 拧 紧 操 作 。 在 拧 紧过 程 初 期 , 螺 母 处 于 松 动 状

14、 态 时 主 轴 高 速 转 动 , 以 便短 时 间 内 使 螺 母 拧 紧 扭 矩 达 到 门 槛 扭 矩 。 达 到 门 槛 扭矩 后 说 明 螺 母 已 经 与 弹 簧 垫 片 接 触 , 主 轴 转 速 自 动 切换 为 低 速 状 态 , 至 螺 母 拧 紧 扭 矩 达 到 预 设 值 停 止 。 在主 轴 上 升 前 , 主 轴 作 小 角 度 慢 速 反 转 以 便 加 载 头 与 螺栓 脱 离 , 伺 服 电 机 带 动 主 轴 升 起 , 回 到 初 始 位 置 。3 控 制 系 统311 软 件 部 分 设 计系 统 采 用 模 块 化 设 计 , 模 块 框 图 见 图

15、 2, 其 中 加卸 载 模 块 为 该 控 制 程 序 的 主 要 模 块 , 图 中 标 出 了 其 程序 流 程 。图 2 螺 栓 自 动 拧 紧 机 软 件 设 计 模 块 框 图(1) 初 始 化 模 块 。 程 序 启 动 后 , 对 控 制 参 数 和DAQ卡 进 行 初 始 化 , 继 而 进 入 主 界 面 , 在 主 界 面 内可 进 行 产 品 和 有 效 轴 的 设 定 。(2) 横 向 进 给 模 块 。 在 横 向 进 给 模 块 中 , 按 下 机床 控 制 盒 上 进 给 按 扭 , 通 过 图 像 识 别 反 馈 的 螺 栓 中 心 点位 置 与 扳 手 初

16、始 位 置 相 比 较 , 扳 手 自 动 完 成 横 向 进 给 。(3) 加 卸 载 模 块 。 进 入 加 卸 载 模 块 后 , 按 下 机 床控 制 盒 上 加 载 和 卸 载 按 扭 , 拧 紧 机 按 照 程 序 设 定 自 动完 成 加 载 和 卸 载 操 作 。 此 模 块 为 支 持 拧 紧 机 自 动 工 作的 主 要 模 块 , 通 过 DAQ卡 与 伺 服 电 机 驱 动 器 通 信 , 实时 采 集 主 轴 工 作 状 况 的 各 种 数 据 , 并 通 过 工 控 机 分 别对 各 主 轴 发 出 控 制 命 令 来 保 证 加 卸 载 系 统 协 同 工 作 。

17、(4) 参 数 修 改 模 块 。 进 入 参 数 修 改 界 面 可 在 线修 改 各 种 预 设 扭 矩 、 转 速 、 延 时 和 系 数 的 值 , 以 满 足实 际 生 产 的 需 要 。(5) 手 动 调 试 模 块 。 可 对 系 统 各 个 运 动 环 节 进行 单 轴 单 步 控 制 、 检 查 及 进 行 传 感 器 的 安 装 和 调 整 ,用 于 设 备 的 安 装 调 试 、 维 修 和 维 护 。 在 此 界 面 下 能 分别 进 行 主 轴 的 上 升 、 下 降 、 切 换 高 速 、 切 换 低 速 、 正转 和 反 转 等 动 作 , 以 检 查 各 个 部

18、 件 运 动 是 否 正 常 。312 硬 件 部 分 设 计图 3 螺 栓 自 动 拧 紧 机 硬 件 设 计 模 块 框 图511第 4期 杨 坤 怡 等 : 智 能 螺 栓 拧 紧 机 自 动 控 制 系 统 设 计 系 统 硬 件 部 分 的 结 构 如 图 3所 示 , 主 要 由 扭 矩 采集 、 图 像 采 集 、 电 机 控 制 、 数 字 量 控 制 和 电 源 系 统 五部 分 组 成 。 现 分 别 介 绍 如 下 :(1) 扭 矩 采 集 。 在 伺 服 电 机 、 加 速 器 、 输 出 轴等 所 组 成 的 系 统 中 , 通 过 反 作 用 扭 矩 使 每 个 螺

19、 栓 的扭 矩 信 号 被 各 自 的 扭 矩 传 感 器 拾 起 。 在 12V稳 定 电压 的 激 磁 下 , 当 扭 矩 传 感 器 达 到 满 量 程 时 , 其 输 出为 毫 伏 级 电 压 信 号 , 因 此 必 须 通 过 高 精 密 功 放 才 能放 大 到 多 通 道 A /D卡 准 确 拾 起 的 程 度 。 扭 矩 采 集 是实 现 扭 矩 控 制 的 关 键 , 它 关 系 到 整 个 系 统 的 控 制 精度 , 因 此 , 需 要 采 用 线 性 度 好 、 精 度 高 的 扭 矩 传 感器 。图 4 图 像 处 理 系 统( 2 ) 图 像 采 集 。图 像 处

20、理 系 统 由 摄 像机 、 图 像 采 集 卡 、 工控 机 和 伺 服 电 机 组 成 ,如 图 4所 示 。 摄 像 机 多 为 CCD, 它 具 有 惰 性 小 、 灵 敏度 高 、 几 何 失 真 小 、 均 匀 性 好 、 体 积 小 、 寿 命 长 的 优点 , 非 常 适 合 于 实 时 高 精 度 的 图 像 采 集 。 图 像 采 集 卡实 现 对 摄 像 机 输 出 的 视 频 信 号 进 行 实 时 采 集 , 并 在A /D转 换 后 将 数 字 图 像 存 放 在 图 像 存 储 单 元 的 一 个甚 至 多 个 通 道 中 。 工 控 机 是 图 像 处 理 系

21、统 的 大 脑 , 在电 脑 中 对 采 集 的 图 像 预 处 理 、 图 像 分 割 和 螺 栓 轮 廓 的提 取 其 中 心 点 , 反 馈 给 控 制 部 分 。(3) 电 机 控 制 。 电 机 控 制 由 多 通 道 D /A卡 、 I/O卡 和 交 流 伺 服 电 机 驱 动 器 组 成 。 多 通 道 D /A卡 接 受工 控 机 的 电 压 数 字 指 令 量 并 转 化 为 模 拟 量 指 令 电 压 ,其 通 过 交 流 伺 服 电 机 驱 动 器 驱 动 电 机 。 I/O卡 接 收 交流 伺 服 电 机 驱 动 器 的 各 种 数 字 信 号 , 通 过 I/O卡 ,

22、 虚拟 仪 器 控 制 系 统 可 以 准 确 地 判 断 伺 服 电 机 的 工 作 状 态并 控 制 伺 服 电 机 按 指 令 要 求 工 作 。(4) 数 字 量 控 制 。 数 字 量 控 制 包 括 交 流 伺 服 电机 驱 动 器 的 安 全 和 使 能 控 制 , 各 种 按 钮 的 开 关 量 的 输入 、 各 种 信 号 灯 的 数 字 量 输 出 , 电 磁 阀 和 行 程 开 关 的控 制 。(5) 电 源 系 统 。 电 源 系 统 是 通 过 各 种 变 压 器 取得 系 统 需 要 的 电 源 。4 结 论当 前 铁 路 道 轨 螺 栓 的 拧 紧 多 采 用 人

23、 工 拧 紧 和 手 动螺 纹 拧 紧 机 来 完 成 , 自 动 化 程 度 很 低 , 并 且 无 法 保 证较 高 的 控 制 精 度 。 本 文 结 合 螺 纹 拧 紧 原 理 、 自 动 化 控制 技 术 和 图 像 处 理 原 理 介 绍 了 如 何 开 发 具 有 力 封 闭 、自 动 识 别 螺 栓 等 特 点 的 多 功 能 拧 紧 机 控 制 系 统 , 很 大程 度 地 提 高 了 拧 紧 扭 矩 、 装 配 精 度 和 工 作 效 率 , 降 低了 工 人 的 劳 动 强 度 。参 考 文 献【 1】 孙 兆 林 1MATLAB 61X图 像 处 理 M 1北 京 :

24、清 华大 学 出 版 社 , 20021【 2】 董 玉 红 1数 控 技 术 M 1北 京 : 高 等 教 育 出 版 社 ,20041【 3】 李 恩 光 1机 电 伺 服 控 制 技 术 M 1上 海 : 中 国 纺 织大 学 出 版 社 , 20031【 4】 傅 德 胜 , 寿 益 禾 , 等 1图 形 图 像 处 理 学 M 1南 京 :东 南 大 学 出 版 社 , 20011【 5】 郭 庆 鼎 , 等 1交 流 伺 服 系 统 M 1北 京 : 机 械 工 业出 版 社 , 19981【 6】 飞 思 科 技 产 品 研 发 中 心 1MATLAB 615 辅 助 图 像 处

25、 理M 1北 京 : 电 子 工 业 出 版 社 , 20031【 7】 李 兰 忖 1多 工 位 钻 镗 组 合 机 床 自 动 控 制 系 统 设 计 J . 设 计 与 研 究 , 2006 (3) : 55 - 591【 8】 江 俊 , 刘 志 峰 , 等 1基 于 IPC的 自 动 拧 紧 机 控 制 系 统设 计 J 1控 制 与 检 测 , 2006 (11) : 57 - 591【 9】 郭 永 博 , 隋 秀 凛 , 等 1基 于 PMAC多 轴 运 动 控 制 器 的自 动 铝 带 饶 片 机 数 控 系 统 设 计 J 1自 动 化 技 术 与 应用 , 2006 (8

26、) : 79 - 811【 10】 姜 立 华 1发 动 机 螺 栓 连 接 及 拧 紧 工 具 应 用 技 术 D .吉 林 大 学 , 20041【 11】 张 玲 , 吴 巍 , 等 1图 像 处 理 在 工 业 制 造 中 的 应 用 J 1计 算 机 与 数 字 工 程 , 2006 (12) : 105 - 1071【 12】 刘 志 峰 , 王 志 礼 , 等 1螺 母 拧 紧 机 实 时 检 测 系 统 设计 J 1控 制 与 检 测 , 2006 (10) : 67 - 691【 13】 沈 维 政 , 张 长 利 1基 于 计 算 机 视 觉 的 田 间 杂 草 识 别方

27、法 研 究 J 1农 机 化 研 究 , 2006 ( 7 ) : 163 -1651(上 接 第 81页 )【 3】 和 栗 雄 太 郎 1 润 滑 诸 问 题 C 1日 本 机 械 学 会 九 州 支 部 特 别 讲 演 会 讲 演 资 料 集 ,1982121【 4】 蔡 锐 彬 , 林 慧 斌 1机 油 添 加 剂 对 改 善 汽 车 发 动 机 润 滑性 能 的 研 究 J 1润 滑 与 密 封 , 2002 (1) 1【 5】 王 明 华 , 等 1内 燃 机 节 能 手 册 M 1北 京 : 化 学 工业 出 版 社 , 19871121【 6】 蔡 锐 彬 , 等 1汽 车 发

28、 动 机 机 油 添 加 剂 摩 擦 节 能 效 果 的试 验 研 究 J 1润 滑 与 密 封 , 1999 (1) 1【 7】 蒋 德 明 1内 燃 机 燃 烧 与 排 放 学 M 1西 安 : 西 安 交通 大 学 出 版 社 , 2002111【 8】 广 州 机 械 科 学 研 究 院 机 械 工 业 油 品 检 验 评 定 中 心 1油品 检 验 报 告 1广 州 , 20061121【 9】 蔡 锐 彬 , 等 1世 界 能 源 和 车 用 燃 料 品 质 的 动 向 J 1汽 车 技 术 , 1999 (1) 1【 10】 汪 燮 卿 1炼 油 工 业 与 汽 车 工 业 协 调 发 展 1中 国 (广州 ) 汽 车 发 展 论 坛 , 20041111【 11】 中 国 汽 车 技 术 研 究 中 心 , 中 国 汽 车 工 业 协 会 1中 国汽 车 工 业 年 鉴 1北 京 , 2006191【 12】 福 建 汽 车 工 程 技 术 研 究 所 1FPS节 能 减 摩 剂 发 动 机 台架 试 验 报 告 1福 州 , 2000111611 机 床 与 液 压 第 36卷