工業機器人線纜服役可靠性加速實驗系統

倪 敬，任 旭，毋少峰

（杭州電子科技大學機械工程學院，杭州310018）

0 引 言

隨著智能制造業的發展，機器人專業得到了高校越來越多的青睞。同時，機器人相關的大學生創新實踐能力培養也得到了重視［1-3］。其中，機器人可靠性設計是一個涉及機械、材料和自動控制等多學科交叉的難題，具有專業性強、理論性強、研究內容廣等特點，對教學實驗平臺的需求尤其強烈。然而，現有教學實驗平臺由于存在各種問題，如不夠專業化、實驗內容單一、學科串聯度低等［4-5］，并不能滿足實驗教學需要。

本文結合機器人線纜服役可靠性［6-10］難題，設計了一種基于PLC控制的工業機器人線纜服役可靠性加速實驗系統。由于該系統以工業PLC為控制核心，結合機電伺服驅動技術［13］、摩擦負載傳感技術［14］和張力傳感技術等技術，同時，嵌入了服役可靠性加速測試方法、顯微觀測方法［15］和摩擦磨損評價方法，故可以實現可靠性理論、自動控制理論、機電一體化技術和同步驅動理論在此實驗系統上的有機結合，可以實現多學科綜合性實驗的教學目的。

1 實驗系統工作原理與性能指標

以如圖1所示的工業機器人為研究對象，針對其使用的線纜可靠性研發實驗系統。

圖1 工業機器人與機器人線纜

1.1 實驗系統

實驗系統的整體結構如圖2所示，主要由線纜互磨驅動部分、線纜摩擦負載感知部分、環境溫度控制部分和線纜磨損表面形貌觀測部分構成。

圖2 實驗系統總體結構示意圖

實驗系統的具體工作原理如下所述：

（1）線纜互磨驅動與負載感知部分工作原理。如圖3所示，包含線纜1的運動線纜機構；包含線纜2的固定線纜機構。實驗時，首先，PLC向伺服驅動器發送正向指令脈沖，驅動伺服電動機拖動運動線纜機構（安裝于同步帶滑臺上）產生與固定線纜機構的正向相對運動，完成兩線纜的正向摩擦運動；然后，PLC向伺服驅動器發送反向指令脈沖，以驅動伺服電動機拖動運動線纜機構產生反向相對運動，完成兩線纜的反向摩擦運動，依次往復，完成實驗。試驗中，線纜1、2的張力分別由各自拉力傳感器采集，兩者之間的正壓力由配重箱內配重調定，摩擦負載由壓力傳感器實時采集。

圖3 線纜互磨驅動與負載感知部分工作原理示意圖

（2）溫度PID控制系統工作原理。如圖2所示，本實驗系統用到的一個典型的恒值溫度閉環控制系統，其工作過程是，PLC在一個控制周期內通過熱電偶采集實時箱內溫度y（t）后，計算偏差值e（t）＝r（t）-y（t），再根據下式獲得控制量

由PLC的DA模塊輸出到加熱器，從而完成對溫控箱內溫度的恒值控制。式中：kp是比例參數；ki為積分參數；kd為微分參數。

（3）線纜服役性能評價系統工作原理。本系統采用摩擦負載和顯微表面形貌觀測兩種方法對線纜服役性能進行綜合評價。當兩線纜的摩擦負載升高到設定數值后，記錄兩者經歷的互磨次數n；然后，將兩線纜取出，通過電子顯微鏡觀測兩者表面磨損情況，并記錄其表面磨損形狀尺寸；最后，綜合評定互磨次數n與表面磨損情況，給出線纜服役性能的評價結果。

1.2 實驗系統的具體性能指標

根據此工業機器人線纜服役可靠性加速實驗系統的設計，本實驗系統的主要性能指標如下：①互磨線纜正負荷0～25 kg；② 線纜張緊力0～20 kg；③ 環境溫度0～70℃；④線纜互磨最大速度100 mm/s；⑤ 線纜互磨接觸長度0～50 mm；⑥ 電子顯微放大倍數1 000×。

2 線纜互磨伺服驅動機構設計

線纜互磨伺服驅動機構如圖4所示，是本實驗系統的核心部件，主要是由運動線纜機構、固定線纜機構和伺服驅動機構組成。其中，運動線纜機構由2件導軌、4件滑塊、下固定板、線纜、4件抱箍、2件導向輪、拉力傳感器和2件線纜張緊器組成。這里采用導軌滑塊機構，有效地保證了線纜在互磨過程中互磨位置的重復性。

圖4 線纜互磨驅動機構結構圖

固定線纜機構由配重箱（圖中未顯示）、上固定板、4件直線軸承、4件導向柱、線纜、4件抱箍、2件導向輪、線纜張力傳感器和2件線纜張緊器組成，線纜張力傳感器位于線纜與線纜張緊器之間。這里采用四柱導向結構，有效地保證了線纜之間正壓力的施加。另外，通過調整上固定板上方配重箱的重量，可以調整線纜之間的正壓力。

電伺服驅動機構由伺服電動機、同步帶滑臺、拖動撥叉和2件摩擦負載傳感器組成。其中，拖動撥叉通過壓縮左右2個摩擦負載傳感器將運動傳遞給運動線纜機構，以傳遞電伺服驅動機構所輸出的直線運動，進而實現線纜互磨運動。

根據上述線纜互磨伺服驅動機構設計，其主要的元器件選型如表1所示。

表1 線纜互磨伺服驅動機構主要元器件參數表

3 實驗系統電氣控制設計

3.1 電氣系統設計

（1）電氣原理設計。根據實驗系統的驅動、溫控及測試需求，本教學實驗臺電氣系統的設計如圖5所示，為PLC控制系統。

此系統主要由觸摸屏（HMI），PLC主機，伺服驅動器，伺服電動機，AD擴展模塊，擴展模塊DVP06XAE2，線纜張力傳感器、摩擦負載傳感器、溫度傳感器和加熱器等組成。其中，人機交互HMI通過RS-485通信電纜與CPU進行通信，實現互磨實驗參數（運動速度、實驗次數和運動位移等）的設定；PLC主機通過高速脈沖信號輸出口與伺服驅動器連接口CN1通信，將實驗的脈沖信號傳輸到驅動器；伺服驅動器通過位置檢測接口CN2與伺服電動機上的編碼器通信，進行位置環的反饋；CPU通過COM1接口實現與上位PC機通信，完成控制程序下載和系統驅動過程數據交流；PLC主機通過AD擴展模塊對摩擦負載和溫控箱溫度的實時采集，通過DA擴展模塊對加熱器的輸出功率控制。具體實驗系統的硬件配置如表2所示。

圖5 實驗系統控制原理圖

表2 實驗系統PLC系統硬件配置

（2）伺服電動機的驅動與控制回路設計。本系統中，伺服電動機驅動與控制回路設計如圖6所示，由控制信號回路和主驅動回路組成。主驅動回路起始于雙相交流電源L1和L2，經由總體空氣開關QF1連接到伺服電動機驅動器交流電輸入端子（R、S、T）上，經由伺服電動機驅動器U、V、W端子輸出接入伺服電動機的三相繞組中。同時，交流電源L1和L2通過QF2連接驅動器L1C和L2C端子，為驅動器供電。信號控制回路主要由元件供電回路、編碼器回路、PLC控制脈沖回路組成。編碼器回路由伺服驅動器CN2接口與伺服電動機的編碼器連接而成；PLC控制脈沖回路由伺服驅動器通過CN1接口與PLC的高速輸出口Y0～Y2連接而成，主要完成電機方向（Y0），控制脈沖（Y1）和使能信號（Y2）的傳輸。

（3）模擬信號采集回路設計。根據實驗系統的采集及溫控功能的設計要求，設計如圖7所示的摩擦負載、線纜張力、溫度和加熱器模擬信號采樣與控制回路圖。

圖6 伺服電動機的驅動與控制回路原理圖

圖7 實驗系統模擬信號采集原理設計

在模擬信號輸入端，采用屏蔽雙絞線實現傳感器與PLC擴展模塊中AD通道的連接。雙絞線的屏蔽層與AD通道的接地端（FE）連接，以保證模擬信號的可靠傳輸。

3.2 PLC控制軟件設計

基于臺達WPLSoft編程軟件，根據實驗系統的工作原理，結合線纜服役加速測試過程設計了PLC控制軟件。

（1）點動控制模塊。系統的最底層模塊，提供了點對點的有效控制及監測，主要用于系統單個執行元件的調試故障處理和后續分段控制與自動控制執行時的零點定位。

（2）分段控制模塊。系統中每個工作循環的自動運行模塊，是自動控制模塊的基礎和子模塊，提供了每個動作循環的有效控制和監視，主要用于單個工作循環的調試與故障處理，即運動線纜機構從零點沿正向運動后，反向運動回到零點的過程。

（3）自動控制模塊。此模塊的流程圖如圖8所示，是系統的關鍵模塊，提供了環境溫度和互磨驅動的自動控制，并進行摩擦負載自動檢測和判斷，同時實現互磨次數n，摩擦負載，溫度的記錄和顯示，并能實現性能評價和狀態報警。

（4）參數設置模塊。此模塊是系統運動控制中人機交互的關鍵模塊，提供了運動速度、運動距離、運動往復次數、溫度等參數的設置端口，能夠實現實驗人員對運動的準確控制。

圖8 系統自動控制流程圖

3.3 觸摸屏監控軟件系統設計

應用DOPSoft 2.00.07軟件，結合工業機器人線纜服役可靠性加速測試工作原理，編寫觸摸屏程序。該觸摸屏設計的功能主要有點動控制界面、分段測試界面、自動控制界面和參數設置界面。

（1）點動測試界面。主要用于測試單個元件的動作測試、數據顯示和狀態監控。

（2）分段測試界面。主要用于單個工作循環動作的測試、數據顯示和狀態監控。

（3）自動控制界面。如圖9所示，主要用于系統自動運行過程中的數據顯示和狀態監控。

圖9 實驗系統自動控制監控界面

（4）參數設置界面。主要用于設定點動、分段和自動控制測試界面中環境溫度、互磨運動速度、位移和次數等運行參數。

4 研究教學型實驗設計

最終的工業機器人線纜服役可靠性加速實驗系統樣機如圖10所示，占地僅0.35 m2，具有極高的空間利用率，結構緊湊，功能較多，支持基礎型、進階教學型、高階研究型實驗。

圖10 系統實物圖

（1）經典機電伺服傳動控制實驗。本實驗屬于基礎型教學實驗，通過對伺服電動機點動和精密驅動的控制，認識基礎電氣控制元器件。如開關電源、電磁繼電器、空氣開關，了解伺服驅動器工作原理。應用機電傳動技術知識繪制伺服電動機控制回路圖，讓學生走進工程實際應用，以提高學生實際動手能力。

（2）PID溫度控制實驗。本實驗屬于進階教學型實驗，通過向學生講解PID控制算法，讓學生自行編寫PID溫度控制程序，并對溫控箱進行控溫實驗。通過實驗加深學生對PID控制中的比例、積分和微分參數，峰值，超調量和調整時間等控制性能指標的理解，提高學生的興趣。

（3）線纜在環境溫度倍增工況下服役可靠性實驗。本實驗是高階研究型實驗，通過在環境溫度控制箱內形成倍增模式的溫度值（如10—20—40—60℃），進行線纜互磨和表面磨損形貌觀測實驗，讓學生了解和理解溫度環境“加速”工況對線纜服役可靠性的影響。

（4）線纜在互磨速度倍增工況下服役可靠性實驗。本實驗是高階研究型實驗，通過PLC控制運動線纜機構形成倍增模式的互磨速度值（如20—40—60—80—100 mm/s），進行線纜互磨和表面磨損形貌觀測實驗，讓學生了解和理解線纜互磨速度“加速”工況對線纜服役可靠性的影響。

（5）線纜在摩擦負載倍增工況下服役可靠性實驗。本實驗是高階研究型實驗，通過固定線纜機構上的配重箱形成倍增模式的線纜之間的正壓力，進行線纜互磨和表面磨損形貌觀測實驗，讓學生了解和理解線纜互磨正壓力“加速”工況對線纜服役可靠性的影響。

5 結 語

本文設計的工業機器人線纜服役可靠性加速實驗系統，與普通教學實驗設備相比，具有結構緊湊、操作方便和機電集成度高的特點，同時還具有以下的特色：

（1）該實驗系統配置了機電伺服驅動技術、PLC控制技術和拉壓傳感技術，能夠有效地完成經典機電傳動控制、PLC控制、張力傳感和摩擦負載傳感等基礎性教學實驗。

（2）該實驗系統集成了恒值PID控制技術、線纜磨損顯微觀測技術和服役可靠性加速實驗理論，還可以提供環境溫度、互磨正壓力和互摩速度倍增工況下線纜服役可靠性研究教學型實驗，能夠有效地滿足學生對機器人線纜服役可靠性設計學習所需的實驗設備需求。

（3）該實驗系統融合了服役可靠性加速測試方法，PLC自動控制技術和表面顯微觀測評價技術，充分展現了自動控制理論的應用和機電一體化設備的控制水平，為實驗教學系統提供了堅實的實用性與先進性的保障，具有較高的高階型實驗教學應用價值。