基于新能源汽车换电站的加解锁螺栓电气控制方法

技术领域

本发明涉及新能源汽车换电站领域，具体涉及一种基于新能源汽车换电站的加解锁螺栓电气控制方法。

背景技术

螺丝组装在工业生产中是非常普遍的一道工序，关于螺丝自动组装技术近些年得到了广泛的发展，提高了生产效率和组装精度。

当下的锁螺丝机构普遍采用以小型PLC为核心的控制系统，通过伺服驱动器的输入端子或485通讯方式对负载进行速度和力矩控制，同时配合HMI实现人机交互、数据分析，从而达到自动化生产的目的。

然而绝大部分的自动组装设备只需考虑螺栓的单次、单根、加锁工艺，而换电站则需要考虑多次、多根、解锁、加锁工艺，后者对于螺栓螺母的机械特性及电气控制的稳定性要求更高。因此，需要提供一种基于新能源汽车换电站的加解锁螺栓电气控制方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于新能源汽车换电站的加解锁螺栓电气控制方法，采用该方法能够同时对多颗螺栓进行加锁或解锁，提高了工艺流程的稳定性、时效性和准确性。

本发明的技术方案是：一种基于新能源汽车换电站的加解锁螺栓电气控制方法，包括以下步骤：

步骤1，根据汽车生产厂家及机械设计给出的电池加解锁力矩，计算换电站换电时枪头与螺栓需要的电机负载轴力矩；

步骤2，根据步骤1中所述的力矩对换电站枪头与螺栓进行解锁或加锁；

步骤3，所述步骤2中解锁或加锁过程中出现故障则转入步骤4；

步骤4，设备停止加解锁。

进一步的，所述步骤1中电机负载轴力矩包括解锁认帽力矩、解锁力矩和加锁力矩；所述力矩的计算方法如下：T

T螺栓：表示螺栓拧紧时螺栓的实际力矩，单位为N.m；

i：表示加速伺服电机通过减速机连接螺栓，对应减速机速比；

T额定：表示伺服电机的额定力矩，单位为N.m；

T电机%：表示电机实际需要的额定力矩百分比，由PLC下发给伺服驱动器。

进一步的，还包括与所述PLC通过ModbusTCP通讯连接的HMI，所述HMI自带网口与PLC的LANA口通过双端超5类RJ45双绞屏蔽线连接；所述PLC与所述伺服驱动器采用EtherCAT总线控制方式。

进一步的，所述步骤2中包括解锁认帽、认帽完成等待、解锁和加锁流程。

进一步的，所述解锁认帽包括：根据枪头结构与螺栓结构在解锁之前需要进行认帽操作，认帽动作过程中，电机通过转矩模式以0.2r/s速度按照加锁方向旋转，达到认帽设定力矩时停止；解锁认帽过程中如果超出认帽时间力矩仍未达到，则会出现认帽超时报警。

进一步的，所述认帽完成等待包括：解锁认帽完成后，在200个扫描周期内进行解锁认帽完成等待，若在此过程中电机力矩不能保持为解锁认帽力矩，标示解锁认帽过程为误认帽；若在此过程中认帽力矩一直稳定，标示解锁认帽过程无误。

进一步的，所述解锁包括：解锁过程中枪头以1r/s的速度运行，在解锁流程开始时即开始对于伺服电机编码器实时位置进行读数，解锁完成时，要求枪头旋转圈数达到设定圈数；在解锁过程中若超出设定时限，则会报解锁失败报警。

进一步的，所述加锁包括：加锁过程即为螺栓拧紧过程；加锁开始时同样开始进行圈数累计计算，待电机力矩达到设定力矩时，同时核算加锁圈数，若两者同时达到即说明加锁完成；若力矩达到时加锁圈数没有达到或在约定时间内加锁圈数或力矩没有达到，则会报警加锁失败。

进一步的，还包括用于检测电池的微动开关，解锁或加锁之前所述微动开关能够检测所述电池；解锁完成时，所述微动开关能够检测所述电池；加锁完成后，所述微动开关无法检测所述电池。

进一步的，所述步骤3中的故障包括伺服轴故障。

本发明的有益技术效果是：

从设计工艺而言，根据电池的螺栓分布特性通过1-8号加解锁枪对螺栓同时加锁或解锁，加锁过程结合加锁力矩和圈数来判断，解锁过程经过认帽流程、解锁流程结合解锁圈数等进行较为完善的运动控制方式。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明的设备配置示意图；

图2为本发明的软件中的架构示意图；

图3为本发明的伺服轴参数示意图；

图4为本发明的HMI通讯参数之通讯协议示意图；

图5为本发明的PLC通讯参数之通讯时间及从站设备示意图；

图6为本发明的加解锁过程中力矩及转速设定示意图；

图7为本发明的工艺流程示意图；

图8为本发明的硬件连接框架示意图；

图9为本发明的解锁工艺流程示意图；

图10为本发明的加锁工艺流程示意图；

图11为本发明的加锁力矩曲线示意图。

实施方式

为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于实施例记载的以及附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图8所示，本发明具体涉及一种基于新能源汽车换电站的加解锁螺栓电气控制方法，首先建立一个加解锁枪部分控制框架图：主体采用汇川AC801-0221-U0R0智能机械可编程控制器（以下简称PLC）、IT7150E人机界面（以下简称HMI）、InoSV660N系列伺服进行控制。

根据电气元件选型搭建硬件连接框架、将架构图转化为在软件中的系统架构、配置相关参数、工艺详解、力矩换算、根据工艺要求编程（PLC及HMI）。

根据电气元件选型搭建硬件连接框架：

其中，PLC与HMI采用ModbusTCP通讯方式：在硬件上，HMI自带网口与PLC的LANA口通过双端超5类RJ45双绞屏蔽线连接；在软件上，HMI作为主站，PLC作为从站，两者之间通过AM600 Modbus TCP协议，设置为同一网段后增加关联变量即可实现数据交互。

PLC与伺服驱动器采用EtherCAT总线控制方式：EtherCAT是倍福开发的实时以太网络，它基于CANOPEN协议和以太网，但是与Inthernet通信或网络通信不同之处在于，它专门针对工业自动化系统控制进行了优化，是一种非常灵活的实时工业以太网协议。在本控制系统中，网线从PLC的LANC口连接到InoSV660N的IN口，各驱动器之间从前一个驱动器的OUT口到下一个驱动器的IN口通过首尾相连的方式进行连接。PLC作为EtherCAT主站，驱动器作为EtherCAT从站。

如图1所示，同时，将架构图转化为软件中的系统构架，包括以下步骤：

1、使用InoProshop软件新建工程，选择PLC型号为AC801-0221-U0R0，修改名称后点击“确认”。在左侧菜单栏打开Network Configuration，点击右侧设备树PLC，选择Ethernet（网口A/网口B）ModbusTCP 从站，选择EtherCAT（网口C）EtherCAT主站。

如图2所示，2、点击右侧网络设备列表，双击“SV660_1Axis_0091”即可添加InoSV660N伺服驱动器为从站设备，考虑到我们共有8把加解锁枪，按照同样方式添加8次即可。此时PLC与驱动器的设备树添加已完成。

3、上述1完成后软件左侧设备菜单自动生成MODBUS_TCP（ModbusTCP Device），此项即为HMI作为主站设备，IP地址设置为同一网段后，两者之间即可实现数据交互。

如图3所示，根据上述系统架构的设置配置相关的参数包括以下步骤：

1、配置伺服轴相关参数：双击左侧设备栏“ETHERCAT_C（EtherCAT masterSoftMotion）”下方“Axis”，选择配置减速比。电机负载轴带80:1的谐波减速机，因此我们在右侧选择“使用变速装置”，齿轮比分子设为80，齿轮比分母设为1；用户单位选用“度”；电机旋转一圈脉冲数设为“16#20000”，实际驱动器上电后，将伺服驱动器参数H05-07设为64，即可实现软件与硬件上一对一的数据比例。

如图4和图5所示，2、配置HMI相关参数。在InoTouchShop中新建HMI工程后，在左侧菜单栏“通讯”-“连接”中选择通讯协议为“AM600 Modbus TCP协议”，从站设备IP地址设定为PLC的IP地址。

如图7所示，根据上述架构的组建，具体实施步骤如下：

如图6所示，步骤1，根据汽车生产厂家及机械设计给出的电池加解锁力矩，机选换电站换电时需要的电机负载轴力矩；力矩换算：加解锁枪的机械结构为伺服电机→减速机→枪头，力矩表现为线性关系，具体公式如下。在实际控制过程中我们需要将螺栓需要的加解锁力矩转换为PLC需要下发给伺服驱动器的数据从而实现力矩控制。

T

其中，T螺栓：表示螺栓拧紧时螺栓的实际力矩，单位为N.m；

i：表示加速伺服电机通过减速机连接螺栓，对应减速机速比；

T额定：表示伺服电机的额定力矩，单位为N.m；

T电机%：表示电机实际需要的额定力矩百分比，由PLC下发给伺服驱动器。

步骤2，根据步骤1中所述的力矩对换电站枪头与螺栓进行解锁或加锁；

其中，步骤2中所述力矩包括解锁认帽、认帽完成等待、解锁和加锁流程。

如图8所示，解锁认帽包括：根据枪头结构与螺栓结构，在解锁之前需要进行认帽操作，认帽动作过程中，电机通过转矩模式以0.2r/s速度按照加锁方向旋转，达到认帽设定力矩时停止，以此确保在解锁之前枪头与螺栓之间已经咬合完成，避免因枪头与螺栓位置偏差导致解锁异常，同时可以有效核算实际解锁圈数，避免枪头在碰到螺栓之前的空转计算在解锁圈数当中。解锁认帽过程中如果超出认帽时间力矩仍未达到，则会出现认帽超时报警。

认帽完成等待包括：解锁认帽完成后，在200个扫描周期内进行解锁认帽完成等待，若在此过程中电机力矩不能保持为解锁认帽力矩即说明认帽过程为误认帽，枪头可能滑枪或者螺栓处有异物，会产生认帽超时报警。若在此过程中认帽力矩一直稳定，则说明解锁认帽过程无误，可进行下一步操作。

解锁包括：解锁过程中我们按照枪头以1r/s的速度运行，在解锁流程开始时即开始对于伺服电机编码器实时位置进行读数，解锁完成时，要求枪头旋转圈数达到设定圈数。在解锁过程中若超出设定时限，则会报解锁失败报警。

车辆解锁位置时，电池底部解接触平台上有3个微动开关进行电池检测。在解锁之前，微动开关可以检测到电池；解锁完成后，车辆抬升，电池依然留在平台上，微动开关仍应可以检测到电池，全面增加了电池保护功能。

如图9所示，加锁包括：加锁过程即为螺栓拧紧过程。加锁开始时同样开始进行圈数累计计算，待电机力矩达到设定力矩时，同时核算加锁圈数，若两者同时达到即说明加锁完成，若力矩达到时加锁圈数没有达到或在约定时间内加锁圈数或力矩没有达到，则会报警加锁失败。

车辆在加锁位置时，电池底部解接触平台上有3个微动开关进行电池检测。在加锁之前，微动开关可以检测到电池；加锁完成后车辆抬升，电池随车抬升，微动开关将会检测不到电池，全面增加了电池保护功能。

另，根据上述加解锁逻辑对螺栓进行加解锁调试，通过InoProShop软件的追踪功能监控加解锁枪对应伺服电机的力矩曲线，如图10所示，横坐标表示监控的时间轴，纵坐标表示当前伺服轴的实时力矩，从上到下依次为1-8号加解锁枪，从图示力矩可以看出，监控的过程包含了完整的加锁流程，螺栓未拧紧时，电机空转力矩约为20%；螺栓拧紧时，电机轴力矩约为75%。

通过上述加解锁工艺流程以及InoProShop软件的追踪监控能够对枪头与螺栓进行多组处理，处理过程中更加的稳定以及准确。

同时，通过该方法能够更加的规范性的对枪头与螺栓加解锁处理，保证了处理过程中的时效性以及准确性。

步骤3，所述步骤2中，解锁或加锁过程中出现故障则转入步骤4；

当设备在加锁或解锁过程中出现伺服轴故障或其他一类报警时，则设备停止加解锁。

步骤4，设备停止加解锁。

以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。