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

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)測量系統(tǒng)、力傳感器系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和氣動系統(tǒng)及工裝等組成。由于工控機(jī)測量系統(tǒng)與控制系統(tǒng)是相對獨立的一套系統(tǒng)，本論文將不論述。控制系統(tǒng)采用西門子840D和FM-NC數(shù)控系統(tǒng)來控制7個數(shù)字軸和2個模擬軸，其中840D系統(tǒng)控制7個數(shù)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(yīng)及相關(guān)實時控制，以及和工控機(jī)測量系統(tǒng)間的通訊和協(xié)調(diào)控制。FM-NC系統(tǒng)控制2個模擬軸(W1、W2軸)的運動，實現(xiàn)調(diào)姿機(jī)構(gòu)的運動控制，從而達(dá)到對待裝配工件的姿態(tài)調(diào)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(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過程中對工件起保護(hù)作用的氣動手爪。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整個產(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)動系統(tǒng)，調(diào)姿機(jī)構(gòu)由松下伺服驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)成。FM-NC數(shù)控系統(tǒng)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(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后，經(jīng)過功能性試驗，證明其基本功能已達(dá)到當(dāng)初的設(shè)計要求，但由于所裝配產(chǎn)品的特殊性，以及試驗中暴露出來的問題，需要對裝置作進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)設(shè)計。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，通過優(yōu)化和改進(jìn)設(shè)計，提高裝置的安全性和任務(wù)可靠性，適當(dāng)簡化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使其硬件結(jié)構(gòu)更緊湊，控制過程更簡便。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)計方法，適當(dāng)采用降額設(shè)計或冗余設(shè)計等技術(shù)來提高任務(wù)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(shè)計中相應(yīng)增加一些故障診斷和報警信息；通過優(yōu)化，將原來較為繁瑣的兩套數(shù)控系統(tǒng)控制簡化為一套數(shù)控系統(tǒng)來控制，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)錯誤的隱患。

3 電氣系統(tǒng)的優(yōu)化和改進(jìn)設(shè)計

3.1 冗余設(shè)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(shè)計，以提高氣動手爪和真空吸具工作的可靠性和產(chǎn)品裝配過程中的安全性。其電路設(shè)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(yīng)該閉合的時候閉合或在不應(yīng)該張開的時候張開，以及在真空吸具不應(yīng)該吸合的時候吸合，同時又要求它們在應(yīng)該動作的時候可靠地動作，在電路設(shè)計上采用了對同一個信號進(jìn)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(lián)冗余設(shè)計，針對每一個輸出信號所控制的繼電器也采用了并聯(lián)冗余，但在繼電器觸點控制電路上又采用了串-并聯(lián)設(shè)計或并-串聯(lián)設(shè)計。

圖2 輸出模塊和控制繼電器的冗余設(shè)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(yīng)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(lián)繼電器中只要其中一個繼電器小失效，就能得到裝配任務(wù)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(yīng)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(shè)計

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。強電設(shè)備產(chǎn)生的電磁噪聲會對弱電設(shè)備造成極大的干擾，弱電設(shè)備之間也可能互相進(jìn)行信號干擾。同時，供電系統(tǒng)以及環(huán)境電磁噪聲也會對弱電設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。由此可見，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和最主要的因素，因此抗干擾設(shè)計在機(jī)電一體化系統(tǒng)的可靠性設(shè)計中不容忽視。主要運用了以下幾項技術(shù)來進(jìn)行抗干擾設(shè)計。

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(shù)

接地在電氣控制系統(tǒng)的電路設(shè)計中充當(dāng)著一個重要的角色。“地”為電路、系統(tǒng)提供了一個參考電位，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、操作臺機(jī)殼和裝置本體都可靠接地；工作地線采用單點并聯(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(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(wǎng)系統(tǒng)和裝置周邊環(huán)境用電設(shè)備所產(chǎn)生的電磁噪聲對控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)的影響，在SIEMENS840D數(shù)控系統(tǒng)和SIMODRIVE611D數(shù)字伺服驅(qū)動系統(tǒng)的電源前端，以及松下模擬伺服驅(qū)動系統(tǒng)的主電路上分別設(shè)計了電源濾波器。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

制造電子元器件時所使用的材料有一定的溫度極限，當(dāng)超過這一個極限時，物理性能就會發(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)工作的時間過長而發(fā)生故障，故障率的統(tǒng)計數(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，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)動系統(tǒng)、松下模擬伺服驅(qū)動系統(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)。每個模塊內(nèi)都有大量的電子元器件。在工作時，這些模塊內(nèi)的電路會產(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)計了空氣對流散熱孔，但整個電氣控制柜由于防護(hù)等級的需要是一個封閉的環(huán)境，工作時元器件產(chǎn)生的熱量將會使柜內(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，對電氣控制柜和操作臺進(jìn)行熱設(shè)計時，對控制柜采用了用強制制冷設(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較佳溫度范圍內(nèi)，對操作臺采用了安裝帶空氣過濾器的冷卻風(fēng)扇進(jìn)行強制風(fēng)冷的方式。

[1]方建軍,田建君,鄭青春編著.光機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：化學(xué)工業(yè)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(yè)出版社，2002.

[3]張?zhí)┤A.SINUMERIK840D的調(diào)整[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2002.