多轴电动螺纹拧紧监控管理程序设计与实现
第 1 章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
随着现代化工业的高速发展，现代集成化生产已成为一种重要的生产方式 ，相对于大中型产品设备，通过实施并行工程，敏捷生产来完成产品的生产加工，来自多方的零部件，最后都要通过总装配形成产品的部件或最终完整的产品。在产品的装配工艺中，螺纹连接作为一种重要的构件手段和连接方式，有着广泛应用，并随着人们探索能力的提高和探索区域的扩大，对螺纹连接的要求也越来越高。先进的技术设备和手段是提高生产能力的物质基础，工欲善其事，必先利其器;。在器件及产品设备在组装过程中，大部分是靠螺纹连接来实现的，各部位的螺纹连接要求也不尽相同。在实际应用当中，由螺纹连接引发的设备故障也多有发生。为确保螺纹连接的可靠性和安全性，国外最先采用计算机自动控制螺纹拧紧机，它即能满足很高的精度要求，高质量的计量标准，以及多样复杂的拧紧过程，也能跟上快速的生产节拍。这些通常由人手工劳动无法完成和实现；更不能实现多个螺丝同时拧紧。从经济角度看，由金属螺栓、螺母组成的螺纹副本身价值是有限的，但螺纹副所连接的产品却可以是昂贵的。
计算机自动控制拧紧机是由一套专用软件系统来控制对螺纹实现自动拧紧的自动化设备，它能实现对多个螺纹副同时拧紧，并把加工过程中的重要数据以及控制数据记录并保存下来。以备质量追踪查阅，一些或作为标称数据交给用户，确保整个产品的质量标准得以实施；还要满足生产线的快速节拍要求。
国内早期对电动螺纹拧紧机这种设备需求是靠引进国外产品，为此遭受过许多困扰：产品及配件供货周期长，使用技术上交接不完善，产品供货方在使用技术和控制技术上有保密要求，如使用方不得拆卸维修，售后服务不及时等；给应用上带来许多不便，进口产品价格又极高。
螺纹连结加工涉及国防、科研、生活、生产，为此开发一整套电动拧紧机控制系统软件，以适应国内市场的不断增长的需求。本产品的开发与应用，可大大改善工人劳动强度；提高被加工产品的质量与可靠性；增强质量管理的标准；完善国产现代化生产线的环节，提高制造业的水平；实现生产力的转变，都有着极其重要的意义。
1.2 课题国内外研究及发展现状
国外最先进的应数瑞典的阿特拉斯?科普柯集团（Atlas Copco Group ）生产的，Atlas Copco 电动拧紧机是全球唯一全部通过福特汽车公司认证的工具品牌，Atlas Copco 电动拧紧机在全球汽车行业和发动机行业保持70%以上占有率，现在在中国市场保有量已近2000套，是一些欧美合资企业指定用具。再有美国英格索兰（INGERSOLL-RAND）公司、美国库柏公司（COOPER）、美国史丹利公司(The Stanley Wors)、德国博世（BOSCH）；这些欧美的设备不仅在机械结构上占优势，在计算机控制方面也有完善的设计，全面软硬件接口，软件组态、网络数据传输、用户自我编程都很方便；再有日本第一电通株式会社 DD 的，软件功能较全面，但操作界面和过程有些繁锁；这些国外的稳定性，可靠性稍差一些是英格索兰和日本 DD 的；其它的稳定性都很好。这些国外产品先进性依托于起步、发展早的制造业及发达的整体相关技术，还有雄厚的资金支持，每一个部件都是真对应用开发。
以下对Atlas Copco电动拧紧控制系统和日本第一电通株式会社DD的拧紧控制系统，做以简介：
控制系统都采用标准的分布式控制系统DCS，拧紧监控管理（工控）机→上位机协调控制单元→下位机执行单元
1. Atlas Copco：
拧紧监控管理机：拧紧控制系统应用环境操作系统采用 Windows 982000XP 或 嵌入式触摸屏 HMI Windows CE 5.0 WIN-TC 开发；数据库采用 ORACLE 和 SAP 网络采用Ether、RE-422、CAN
上位机协调控制单元：嵌入式，无操作系统；具有下位机一样的操作执行功能，通过软件可设为主站；网络：Ether、RE-422、CAN
下位机执行系统：嵌入式，无操作系统；传感器数据类型-数字；与上位机通讯-Ether (并行分布式)。
国内这类产品可靠性差，不稳定，大多用在笨重的大型机械装配加工上，不会对重型机械产生太大的损害，相对生产节拍也慢，产生错误后，纠正和维修的时间也充足。而在那些节奏快，要求精度高的加工环节上，很少有采用国内的产品。
第 2 章 系统需求分析
2.1 系统需求分析
需求分析的任务，从用户和实践中了解对象的工作过程，获取技术规格需求，确定对系统综合要求；获取系统需要处理的数据和信息，分析系统对数据的需求；应用建立数据模型、数据字典方法及图形辅助工具等软件工程开发技术，说明系统的规格及功能，规划出系统的逻辑模型；通过分析加深对系统的了解，修正系统开发计划；最终确定系统开发范畴来创建实现自动拧紧的控制系统。
2.1.1 螺纹拧紧工艺简要分析
对螺纹拧紧工艺做简要分析，用来指导软件开发其自动拧紧控制过程。螺纹连接加工是一个复杂的过程，优其是多个螺栓形成的螺栓组连接，它涉及机械结构和材料等诸多技术约束。
本人多年来对国内外自动拧紧技术应用做了一些总结，以螺纹副材料的物理特性为分析基点，通过拧紧过程中材料的物理和几何变化来判断拧紧的效果，确定对应的拧紧方式。螺纹拧紧的实质是将螺纹的轴向预紧力给予恰当的控制，来获得最佳的载荷力而又不导致螺纹失效的过程。而螺纹上的轴向预紧力，在工作现场很难直接检测，只能进行间接检测控制。预紧力常用检测方法有：扭矩法、扭矩转角法、屈服点控制法、拉伸法。在多种的检测方法中，最基本、最直接的是采用拧紧力矩，来间接地控制螺纹预紧力，通过下面的经验公式2.1，可见拧紧力矩与预紧力间的线性关系。
式中T为拧紧力矩，T1为螺纹副拧紧时，克服螺纹副间的螺纹力矩，T2为螺母支撑面上的摩擦力矩，F0为预紧力，d 为螺栓的直径， 为拧紧力矩因子，它代表螺纹副一组几何尺寸及支撑面摩擦因数相关的关系式。
拧紧力矩因子中各项变量都对拧紧力矩有着一定的影响，它们来自上一级加工的累积工差。在对零部件的一致性进行控制的情况下，应用扭矩法来实现拧紧加工是便捷可靠的。
2.2 系统的功能需求
在科学与工程应用方面的过程控制及复杂的数值分析过程中对顺序处理信息且含有较少层次数据结构的系统，常常采用Yourdon软件开发方法。Yourdon方法是1978年，E. Yourdon 和L. Constantine提出的，即结构化分析（SA）、结构化设计（SD）方法，也称面向数据流的开发方法。其精髓是自顶向下、逐步求精。运用软件工程方法学的方法和工具，以数据流为分析对象，将系统的功能逐步分解，用数据流图来描绘数
据在系统中变换过程来划分成各个阶段。以自动拧紧控制过程中信息管理为主用例，通过建模，图表等各种说明手段，对各种用例、现实机划分，划分出各个物理模块，从逻辑关系中提取需求数据，为下一步设计提供可靠的技术依据。
从用户需求中总结概括出系统应具有的主要功能可以划分为两个部分：自动拧紧加工控制功能、系统的测量及数据管理和统计分析功能。系统的测量和数据记录管理是在自动拧紧实施过程中实现，数据分析过程是自动拧紧实施以外的过程。
2.2.1 系统管理控制功能需求划分
基于上述用例需求，以物理结构对应用系统的管理功能进行模块划分：拧紧操作控制面板信息管理、人机交互窗体信息管理、下位机连机协调信息管理、网络远程数据传递等四个主要模块如图2.5。
第3 章 系统的设计与实现 ................. 34
3.1 系统运行环境构建 .................... 34
3.1.1 硬件系统实现 .............. 34
3.1.2 系统软件配置 ............. 35
第4 章 系统调试与应用 .......... 72
4.1 系统的调试与测试 ........... 72
4.2 系统运行与应用 .............. 73
4.3 系统维护及故障处理 .................. 74
第5 章 总结与展望 ................... 76
5.1 总结 ...................... 76
5.2 展望 .................. 76
第 4 章 系统调试与应用
4.1 系统的调试与测试
由于系统采用结构化设计，每一个事件过程都经过模块单独运行测试，再经过功能过程结合测试，最后进行合装;。
启动运行本系统，输入控制数据、测试数据；比较测试数据，加工过程中查看主控系统的监控监测功能；系统设有专门用来对系统进行调试检测用的多个窗体，可充分利用。
根据工程文档，对各窗体模块进行运行测试，控件功能实现，逻辑过程实现，运行加工能力实现，按需求文档，逐项测试，测试结果也建有文档。
系统属标准化加工工具，具有测量工具的特点可计量，先做校准标定，根据拧紧加工要求，完成定量工作，对数据进行分析评定。
定制标准结构模型，对标准结构模型进行模拟加工测试，加工三次以上，检查有数据记录各环节记录情况。按国家检测标准进行。
表4.1是一份本人为多个厂家提供用来检查验收（软件系统）总表单（的一部分）。
第 5 章 总结与展望
5.1 总结
作为拧紧控制管理的专业应用软件，本系统做了很多的研究、尝试和探索。国内外也有一些不用专业的上位机控制系统，或采用组态软件，或采用嵌入系统作为上位机来管理多个轴控制系统，在数据采集和应用方面针对性差。随着数字化加工的普及和深入，加工过程中数据是一重要产品;和财富。创建一个完善的上位机控制管理系统，提高系统数字化加工设备的智能;与智慧;。
系统在后期迭代更新中，新版本充分利用了角度这一重要参量在拧紧控制中的作用，采用角度补偿算法;，对角度在拧紧中的增量，进行计算和判断并加以控制，对4.2 节中的案例现象，可对零部件提出警告和报警。
本系统在研究和探索中积累了大量的经验和数据，为下一步升级换代奠定了坚实的基础。
5.2 展望
应用系统通过结构化极限编程获取的数据结构与数据关系中发现，本系统更适宜利用构件来创建。应用面向对象编程技术，利用构件在系统纵向上获取控制过程复制，实现加工过程多样化，在横向上取得控制单元复制，实现拧紧轴系统增加。
智能化：通过增加环节增强自我故障检测能力；在一定容错机制中提高纠错能力；为上下级加工环节提供可靠加工数据。
专家系统：应用对标准结构模型模拟加工采集标准数据，作为分析测试基准数据；对拧紧系统检验校准数据进行记录，作为系统数据变差分析依据和系统老化;依据；对被加工产品的理论设计数据进行录入，与工件在实际拧紧过程中发现螺纹副特性数据共同建立预紧力数据模型，用于推断被加工产品的工作能力及使用寿命。对现有数据库进行扩容;与改进。应用数据挖掘理论与算法，对实际工件加工过程作出合理判，决定螺纹副最佳拧紧方案。
参考文献（略）