機(jī)電一體化集成裝配裝置的電氣系統(tǒng)的優(yōu)化和改進(jìn)設(shè)計(jì)

王承勛

（哈爾濱三環(huán)印刷包裝機(jī)械有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150001）

1 機(jī)電一體化集成裝配裝置概述

原有機(jī)電一體化集成裝配裝置主要由機(jī)械本體、控制系統(tǒng)、工控機(jī)測(cè)量系統(tǒng)、力傳感器系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和氣動(dòng)系統(tǒng)及工裝等組成。由于工控機(jī)測(cè)量系統(tǒng)與控制系統(tǒng)是相對(duì)獨(dú)立的一套系統(tǒng)，本論文將不論述?？刂葡到y(tǒng)采用西門子840D和FM-NC數(shù)控系統(tǒng)來(lái)控制7個(gè)數(shù)字軸和2個(gè)模擬軸，其中840D系統(tǒng)控制7個(gè)數(shù)字軸（X、Y、Z、C1、C2、C3、W軸）的運(yùn)動(dòng)和處理力傳感器的快速響應(yīng)及相關(guān)實(shí)時(shí)控制，以及和工控機(jī)測(cè)量系統(tǒng)間的通訊和協(xié)調(diào)控制。FM-NC系統(tǒng)控制2個(gè)模擬軸(W1、W2軸)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)調(diào)姿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制，從而達(dá)到對(duì)待裝配工件的姿態(tài)調(diào)整。在上述的9個(gè)軸中，X、Y、Z、W、W1和W2軸是直線軸，C1、C2、C3軸是旋轉(zhuǎn)軸，其中C1軸的旋轉(zhuǎn)角度范圍為0o～380o。W1、W2軸組成調(diào)姿機(jī)構(gòu)，在調(diào)姿機(jī)構(gòu)的下端裝有拾取工件的真空吸盤和在移動(dòng)過(guò)程中對(duì)工件起保護(hù)作用的氣動(dòng)手爪。W軸作為加載機(jī)構(gòu)的加載軸在所有工件裝配完成后對(duì)整個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行下壓加載。C2軸作為裝配工位，C3軸作為待裝配工件放置工位裝置的系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，其中控制系統(tǒng)為SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)（CNC），它包括：人機(jī)界面（MMC103）、機(jī)床控制面板（MCP）、數(shù)控裝置模塊（NCU）、SIMATICS7-300模塊以及SIMODRIVE 611D數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，調(diào)姿機(jī)構(gòu)由松下伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成。FM-NC數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)CPU315-DP模塊提供的一個(gè)MPI總線接口，與840D采用MPI通信總線的方式對(duì)MMC103實(shí)現(xiàn)共享。

圖1 機(jī)電一體化集成裝配裝置系統(tǒng)構(gòu)成圖

2 優(yōu)化基本指導(dǎo)思想和改進(jìn)思路

原有裝配裝置研制出來(lái)后，經(jīng)過(guò)功能性試驗(yàn)，證明其基本功能已達(dá)到當(dāng)初的設(shè)計(jì)要求，但由于所裝配產(chǎn)品的特殊性，以及試驗(yàn)中暴露出來(lái)的問(wèn)題，需要對(duì)裝置作進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)設(shè)計(jì)。優(yōu)化和改進(jìn)的基本指導(dǎo)思想是，在不削減原有裝置的功能的基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化和改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高裝置的安全性和任務(wù)可靠性，適當(dāng)簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使其硬件結(jié)構(gòu)更緊湊，控制過(guò)程更簡(jiǎn)便。改進(jìn)思路是，根據(jù)安全性和任務(wù)可靠性分析，在電氣控制系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)上，根據(jù)可靠性設(shè)計(jì)方法，適當(dāng)采用降額設(shè)計(jì)或冗余設(shè)計(jì)等技術(shù)來(lái)提高任務(wù)可靠性，同時(shí)增加一些安全檢測(cè)部件來(lái)提高其安全性，并在軟件設(shè)計(jì)中相應(yīng)增加一些故障診斷和報(bào)警信息；通過(guò)優(yōu)化，將原來(lái)較為繁瑣的兩套數(shù)控系統(tǒng)控制簡(jiǎn)化為一套數(shù)控系統(tǒng)來(lái)控制，從而既降低了應(yīng)用軟件的開發(fā)難度，使控制更易于實(shí)現(xiàn)，也減少了工作量，提高了工藝程序的靈活性，并且消除了兩套系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交換出現(xiàn)錯(cuò)誤的隱患。

3 電氣系統(tǒng)的優(yōu)化和改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.1 冗余設(shè)計(jì)

針對(duì)氣動(dòng)手爪的張開和閉合以及真空吸具的吸合采用了工作冗余設(shè)計(jì)，以提高氣動(dòng)手爪和真空吸具工作的可靠性和產(chǎn)品裝配過(guò)程中的安全性。其電路設(shè)計(jì)如圖 2所示。為了防止氣動(dòng)手爪和真空吸具的誤動(dòng)作，在氣動(dòng)手爪不應(yīng)該閉合的時(shí)候閉合或在不應(yīng)該張開的時(shí)候張開，以及在真空吸具不應(yīng)該吸合的時(shí)候吸合，同時(shí)又要求它們?cè)趹?yīng)該動(dòng)作的時(shí)候可靠地動(dòng)作，在電路設(shè)計(jì)上采用了對(duì)同一個(gè)信號(hào)進(jìn)行雙模塊輸出控制，甚至對(duì)安全性要求更高的氣動(dòng)手爪閉合信號(hào)采用了混合并聯(lián)冗余設(shè)計(jì)，針對(duì)每一個(gè)輸出信號(hào)所控制的繼電器也采用了并聯(lián)冗余，但在繼電器觸點(diǎn)控制電路上又采用了串-并聯(lián)設(shè)計(jì)或并-串聯(lián)設(shè)計(jì)。

圖2 輸出模塊和控制繼電器的冗余設(shè)計(jì)

在圖2中Gn和Gn+1是兩塊完全一樣的SIEMENS DO模塊，兩個(gè)模塊的對(duì)應(yīng)輸出點(diǎn)信號(hào)都是相同的，且兩個(gè)模塊同時(shí)工作。每個(gè)信號(hào)輸出點(diǎn)所控制的兩個(gè)并聯(lián)繼電器中只要其中一個(gè)繼電器小失效，就能得到裝配任務(wù)所需要的輸出信號(hào)。尤其是對(duì)于氣動(dòng)手爪閉合信號(hào)，只要兩個(gè)模塊中有一個(gè)模塊小失效，或者兩個(gè)模塊中非對(duì)應(yīng)的兩個(gè)輸出點(diǎn)小同時(shí)失效，就能得到該輸出信號(hào)。

3.2 抗干擾設(shè)計(jì)

在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，既包含有高電壓、大電流的電力電氣設(shè)備，即強(qiáng)電設(shè)備，又包含有低電壓、小電流的控制與信息處理設(shè)備和傳感器，即弱電設(shè)備。強(qiáng)電設(shè)備產(chǎn)生的電磁噪聲會(huì)對(duì)弱電設(shè)備造成極大的干擾，弱電設(shè)備之間也可能互相進(jìn)行信號(hào)干擾。同時(shí)，供電系統(tǒng)以及環(huán)境電磁噪聲也會(huì)對(duì)弱電設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。由此可見(jiàn)，電磁噪聲的干擾是機(jī)電一體化設(shè)備中產(chǎn)生元器件失效或數(shù)據(jù)傳輸、處理失誤、進(jìn)而影響其可靠性的最常見(jiàn)和最主要的因素，因此抗干擾設(shè)計(jì)在機(jī)電一體化系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)中不容忽視。主要運(yùn)用了以下幾項(xiàng)技術(shù)來(lái)進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)。

3.2.1 屏蔽技術(shù)

屏蔽技術(shù)可抑制電磁噪聲沿著空間的傳播，及切斷輻射電磁噪聲的傳輸途徑。在裝置中，除了380V和220V電源電纜之外，其余電纜均使用了帶屏蔽層的電纜，從而既隔斷了本身信號(hào)對(duì)別的信號(hào)的干擾，也隔斷了別的信號(hào)對(duì)自己信號(hào)的干擾。

3.2.2 接地技術(shù)

接地在電氣控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)中充當(dāng)著一個(gè)重要的角色?！暗亍睘殡娐贰⑾到y(tǒng)提供了一個(gè)參考電位，電路、系統(tǒng)中的各部分電流都必須經(jīng)“地線”或“地平面”構(gòu)成電流回路。在本裝置中，分別設(shè)計(jì)了保護(hù)地線、工作地線和屏蔽接地。其中，保護(hù)地線是將電氣控制柜柜體、操作臺(tái)機(jī)殼和裝置本體都可靠接地；工作地線采用單點(diǎn)并聯(lián)接地方式，很好地消除了共阻抗干擾；屏蔽接地是將所有的屏蔽電纜的屏蔽層通過(guò)接地線可靠地接到同一個(gè)接地銅排上，電源變壓器和隔離變壓器的屏蔽層接到保護(hù)地線。

3.2.3 濾波技術(shù)

濾波器是由電感、電容、電阻或鐵氧體器件構(gòu)成的頻率選擇性二端口網(wǎng)絡(luò)，可以插入傳輸線中，抑制不需要的頻率進(jìn)行傳播，能較小衰減地通過(guò)濾波器的頻率段稱為濾波器的通帶。通過(guò)時(shí)受到很大衰減的頻率段稱為濾波器的阻帶。為了抑制供電電網(wǎng)系統(tǒng)和裝置周邊環(huán)境用電設(shè)備所產(chǎn)生的電磁噪聲對(duì)控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的影響，在SIEMENS840D數(shù)控系統(tǒng)和SIMODRIVE611D數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電源前端，以及松下模擬伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主電路上分別設(shè)計(jì)了電源濾波器。除此之外，為了抑制電氣系統(tǒng)中弱電器件的互相干擾，還采用了浪涌吸收器等措施。

3.3 熱設(shè)計(jì)

制造電子元器件時(shí)所使用的材料有一定的溫度極限，當(dāng)超過(guò)這一個(gè)極限時(shí)，物理性能就會(huì)發(fā)生變化，元器件就不能發(fā)揮它預(yù)期的作用。元器件還可能在額定溫度上由于持續(xù)工作的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而發(fā)生故障，故障率的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明電子元器件的故障與其工作溫度有密切關(guān)系。一般情況下，在高溫或負(fù)溫條件下元器件或電路容易發(fā)生故障。半導(dǎo)體元器件故障率隨著溫度的增加而呈指數(shù)上升趨勢(shì)，其電性能參數(shù)，如耐壓值、漏電流、放大倍數(shù)、允許功率等都是溫度的函數(shù)。在本裝置中，SINUMERIK840D數(shù)控系統(tǒng)、SIMODRIVE 611D數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、松下模擬伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、可編程邏輯控制器（PLC）以及它們的電源都是模塊化結(jié)構(gòu)。每個(gè)模塊內(nèi)都有大量的電子元器件。在工作時(shí)，這些模塊內(nèi)的電路會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。雖然自身發(fā)熱量較大的模塊一般都安裝有冷卻風(fēng)扇，或者設(shè)計(jì)了空氣對(duì)流散熱孔，但整個(gè)電氣控制柜由于防護(hù)等級(jí)的需要是一個(gè)封閉的環(huán)境，工作時(shí)元器件產(chǎn)生的熱量將會(huì)使柜內(nèi)溫度升高很多，從而影響部分元器件的正常工作。基于此原因，對(duì)電氣控制柜和操作臺(tái)進(jìn)行熱設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)控制柜采用了用強(qiáng)制制冷設(shè)備（空調(diào)）進(jìn)行冷卻的方式，使柜內(nèi)溫度維持在元器件能正常工作的一個(gè)較佳溫度范圍內(nèi)，對(duì)操作臺(tái)采用了安裝帶空氣過(guò)濾器的冷卻風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷的方式。

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