機電一體化集成裝配裝置的電氣系統的優化和改進設計

王承勛

（哈爾濱三環印刷包裝機械有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150001）

1 機電一體化集成裝配裝置概述

原有機電一體化集成裝配裝置主要由機械本體、控制系統、工控機測量系統、力傳感器系統、真空系統和氣動系統及工裝等組成。由于工控機測量系統與控制系統是相對獨立的一套系統，本論文將不論述?？刂葡到y采用西門子840D和FM-NC數控系統來控制7個數字軸和2個模擬軸，其中840D系統控制7個數字軸（X、Y、Z、C1、C2、C3、W軸）的運動和處理力傳感器的快速響應及相關實時控制，以及和工控機測量系統間的通訊和協調控制。FM-NC系統控制2個模擬軸(W1、W2軸)的運動，實現調姿機構的運動控制，從而達到對待裝配工件的姿態調整。在上述的9個軸中，X、Y、Z、W、W1和W2軸是直線軸，C1、C2、C3軸是旋轉軸，其中C1軸的旋轉角度范圍為0o～380o。W1、W2軸組成調姿機構，在調姿機構的下端裝有拾取工件的真空吸盤和在移動過程中對工件起保護作用的氣動手爪。W軸作為加載機構的加載軸在所有工件裝配完成后對整個產品進行下壓加載。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構成如圖1所示，其中控制系統為SINUMERIK 840D數控系統（CNC），它包括：人機界面（MMC103）、機床控制面板（MCP）、數控裝置模塊（NCU）、SIMATICS7-300模塊以及SIMODRIVE 611D數字伺服驅動系統，調姿機構由松下伺服驅動系統構成。FM-NC數控系統通過CPU315-DP模塊提供的一個MPI總線接口，與840D采用MPI通信總線的方式對MMC103實現共享。

圖1 機電一體化集成裝配裝置系統構成圖

2 優化基本指導思想和改進思路

原有裝配裝置研制出來后，經過功能性試驗，證明其基本功能已達到當初的設計要求，但由于所裝配產品的特殊性，以及試驗中暴露出來的問題，需要對裝置作進一步的優化和改進設計。優化和改進的基本指導思想是，在不削減原有裝置的功能的基礎上，通過優化和改進設計，提高裝置的安全性和任務可靠性，適當簡化控制系統結構，使其硬件結構更緊湊，控制過程更簡便。改進思路是，根據安全性和任務可靠性分析，在電氣控制系統的電路結構上，根據可靠性設計方法，適當采用降額設計或冗余設計等技術來提高任務可靠性，同時增加一些安全檢測部件來提高其安全性，并在軟件設計中相應增加一些故障診斷和報警信息；通過優化，將原來較為繁瑣的兩套數控系統控制簡化為一套數控系統來控制，從而既降低了應用軟件的開發難度，使控制更易于實現，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間數據交換出現錯誤的隱患。

3 電氣系統的優化和改進設計

3.1 冗余設計

針對氣動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計，以提高氣動手爪和真空吸具工作的可靠性和產品裝配過程中的安全性。其電路設計如圖 2所示。為了防止氣動手爪和真空吸具的誤動作，在氣動手爪不應該閉合的時候閉合或在不應該張開的時候張開，以及在真空吸具不應該吸合的時候吸合，同時又要求它們在應該動作的時候可靠地動作，在電路設計上采用了對同一個信號進行雙模塊輸出控制，甚至對安全性要求更高的氣動手爪閉合信號采用了混合并聯冗余設計，針對每一個輸出信號所控制的繼電器也采用了并聯冗余，但在繼電器觸點控制電路上又采用了串-并聯設計或并-串聯設計。

圖2 輸出模塊和控制繼電器的冗余設計

在圖2中Gn和Gn+1是兩塊完全一樣的SIEMENS DO模塊，兩個模塊的對應輸出點信號都是相同的，且兩個模塊同時工作。每個信號輸出點所控制的兩個并聯繼電器中只要其中一個繼電器小失效，就能得到裝配任務所需要的輸出信號。尤其是對于氣動手爪閉合信號，只要兩個模塊中有一個模塊小失效，或者兩個模塊中非對應的兩個輸出點小同時失效，就能得到該輸出信號。

3.2 抗干擾設計

在機電一體化系統中，既包含有高電壓、大電流的電力電氣設備，即強電設備，又包含有低電壓、小電流的控制與信息處理設備和傳感器，即弱電設備。強電設備產生的電磁噪聲會對弱電設備造成極大的干擾，弱電設備之間也可能互相進行信號干擾。同時，供電系統以及環境電磁噪聲也會對弱電設備產生嚴重的干擾。由此可見，電磁噪聲的干擾是機電一體化設備中產生元器件失效或數據傳輸、處理失誤、進而影響其可靠性的最常見和最主要的因素，因此抗干擾設計在機電一體化系統的可靠性設計中不容忽視。主要運用了以下幾項技術來進行抗干擾設計。

3.2.1 屏蔽技術

屏蔽技術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對別的信號的干擾，也隔斷了別的信號對自己信號的干擾。

3.2.2 接地技術

接地在電氣控制系統的電路設計中充當著一個重要的角色?！暗亍睘殡娐?、系統提供了一個參考電位，電路、系統中的各部分電流都必須經“地線”或“地平面”構成電流回路。在本裝置中，分別設計了保護地線、工作地線和屏蔽接地。其中，保護地線是將電氣控制柜柜體、操作臺機殼和裝置本體都可靠接地；工作地線采用單點并聯接地方式，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接地線可靠地接到同一個接地銅排上，電源變壓器和隔離變壓器的屏蔽層接到保護地線。

3.2.3 濾波技術

濾波器是由電感、電容、電阻或鐵氧體器件構成的頻率選擇性二端口網絡，可以插入傳輸線中，抑制不需要的頻率進行傳播，能較小衰減地通過濾波器的頻率段稱為濾波器的通帶。通過時受到很大衰減的頻率段稱為濾波器的阻帶。為了抑制供電電網系統和裝置周邊環境用電設備所產生的電磁噪聲對控制系統和驅動系統的影響，在SIEMENS840D數控系統和SIMODRIVE611D數字伺服驅動系統的電源前端，以及松下模擬伺服驅動系統的主電路上分別設計了電源濾波器。除此之外，為了抑制電氣系統中弱電器件的互相干擾，還采用了浪涌吸收器等措施。

3.3 熱設計

制造電子元器件時所使用的材料有一定的溫度極限，當超過這一個極限時，物理性能就會發生變化，元器件就不能發揮它預期的作用。元器件還可能在額定溫度上由于持續工作的時間過長而發生故障，故障率的統計數據表明電子元器件的故障與其工作溫度有密切關系。一般情況下，在高溫或負溫條件下元器件或電路容易發生故障。半導體元器件故障率隨著溫度的增加而呈指數上升趨勢，其電性能參數，如耐壓值、漏電流、放大倍數、允許功率等都是溫度的函數。在本裝置中，SINUMERIK840D數控系統、SIMODRIVE 611D數字伺服驅動系統、松下模擬伺服驅動系統、可編程邏輯控制器（PLC）以及它們的電源都是模塊化結構。每個模塊內都有大量的電子元器件。在工作時，這些模塊內的電路會產生大量的熱量。雖然自身發熱量較大的模塊一般都安裝有冷卻風扇，或者設計了空氣對流散熱孔，但整個電氣控制柜由于防護等級的需要是一個封閉的環境，工作時元器件產生的熱量將會使柜內溫度升高很多，從而影響部分元器件的正常工作?；诖嗽颍瑢﹄姎饪刂乒窈筒僮髋_進行熱設計時，對控制柜采用了用強制制冷設備（空調）進行冷卻的方式，使柜內溫度維持在元器件能正常工作的一個較佳溫度范圍內，對操作臺采用了安裝帶空氣過濾器的冷卻風扇進行強制風冷的方式。

[1]方建軍,田建君,鄭青春編著.光機電一體化系統設計[M].北京：化學工業出版社，2003.

[2]秦孝英主編.可靠性維修性保障性概論[M].北京：國防工業出版社，2002.

[3]張泰華.SINUMERIK840D的調整[J].制造技術與機床，2002.