程敏

合力光橋智慧科技（北京）有限公司 北京 100000

引言

隨著機電一體化水平的提升，機電一體化裝置中的電氣控制系統(tǒng)智能化程度獲得了增強。然而，在實際的工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程中，一體化、集成化裝置應(yīng)用時，不僅會出現(xiàn)安全問題，而且受到電磁干擾與溫度過高的條件下，會降低其應(yīng)用效果[1]。因此，在新時期應(yīng)用機電一體化裝置時，多數(shù)企業(yè)增強了對其電氣控制系統(tǒng)的優(yōu)化與改進，預(yù)期通過此類方式，解決實際存在的問題，從而在根本上推動工業(yè)企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。下面先對機電一體化裝置的結(jié)構(gòu)與原理做出說明。

1 機電一體化裝置概述

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

機電一體化裝置應(yīng)用時，要求結(jié)合規(guī)定時間、確定裝置空間、明確功能操作、實際應(yīng)用需求等多項因素，設(shè)置電氣控制系統(tǒng)并開展裝置控制與管理。從系統(tǒng)構(gòu)成方面看，機電一體化裝置由多個系統(tǒng)組成，主要包括：①傳感器系統(tǒng)；②輔助系統(tǒng)；③機械主體；④伺服系統(tǒng)；⑤視頻系統(tǒng)；⑥控制系統(tǒng)；⑦操作系統(tǒng)；⑧編程系統(tǒng)等（各系統(tǒng)關(guān)系如圖1）。由于此類裝置應(yīng)用時集成化程度較高，具有運行速度快、使用效率高的基本特點，因而在實際應(yīng)用該系統(tǒng)時，需要盡可能規(guī)避故障問題，才能保證生產(chǎn)效率與應(yīng)用效果。

圖1 機電一體化裝置系統(tǒng)構(gòu)成示意

1.2 工作原理

以某品牌的840D機電設(shè)備為例，應(yīng)用了FM-NC數(shù)控系統(tǒng)，預(yù)設(shè)的主要功能是對7個數(shù)字軸與2個模擬軸進行控制，從整體裝置裝配過程看，設(shè)置了拾起部件與放下部件，并且通過兩個簡單的運用進行操作。抓取系統(tǒng)主要以優(yōu)傲UR10六軸協(xié)作機器人為主，配置安裝的抓取夾采用氣動控制。控制系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)分別應(yīng)用力士樂、基因士CA-035C。反饋方面的設(shè)置了伺服電機反饋與接近開關(guān)反饋。該裝置工作時涉及吸具的退出、吸取工件、工件姿態(tài)測量、移動、裝配、釋放工作多個流程，因而增加了配套的設(shè)置定位以滿足其實際操作需求。雖然該機電一體化裝置的工作原理比較簡單，但是工作流程相對復(fù)雜，而且在應(yīng)用時需要做進一步的優(yōu)化，才能較好的保障其高效、安全應(yīng)用。該裝置工作流程如圖2：

圖2 某品牌機電一體化裝置工作流程示意

2 機電一體化裝置電氣控制系統(tǒng)優(yōu)化思路

2.1 優(yōu)化思路

通過對上述某品牌機電一體裝置的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)裝置設(shè)計方面與應(yīng)用需求趨于一致，然而正式投入生產(chǎn)后，存在較大缺陷[2]。首先，在氣動手爪應(yīng)用時進行閉合動作牽涉到多個裝置工作流程，無論哪個環(huán)節(jié)發(fā)生問題，均會造成一系列風(fēng)險。其次，該裝置配套的弱電裝置運用過程中存在自干擾問題，此類干擾包括電磁干擾與噪聲干擾，不利于電氣控制系統(tǒng)信號的精準(zhǔn)傳輸。第三，數(shù)據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、緊湊性較差，需要對其進行優(yōu)化。除此之外，隨著裝置的使用溫度會增高，當(dāng)溫度超出標(biāo)準(zhǔn)上限時會導(dǎo)致電子元器件的損壞。綜合考慮后，設(shè)計人員通過會議討論，確定按照“具體問題→具體分析→針對性解決”的基本思路，對現(xiàn)用機電一體化裝置進行優(yōu)化與改進。

2.2 優(yōu)化目標(biāo)

設(shè)計人員確定優(yōu)化設(shè)計思路后，根據(jù)該裝置電氣控制系統(tǒng)優(yōu)化需求，提出提高安全等級、清除無效部分、簡化操作流程，使整個裝置結(jié)構(gòu)趨于合理化的基本目標(biāo)。具體設(shè)計方案應(yīng)用時預(yù)期通過硬件與軟件的雙重優(yōu)化方式進行優(yōu)化操作，優(yōu)化內(nèi)容包括三大部分，具體如圖3所示：

圖3 某品牌機電一體化裝置優(yōu)化內(nèi)容示意

3 機電一體化裝置電氣控制系統(tǒng)優(yōu)化措施

3.1 冗余設(shè)計

首先，伺服系統(tǒng)以同步帶利用裝貨托盤進行上下運輸，為了保障有效運行與即時反饋，按照分別控制的思路，原設(shè)計方案中設(shè)置了兩組限位接近開關(guān)，一方面可以對一組開關(guān)進行定位，另一方面實現(xiàn)對另一組開關(guān)進行超程檢測。具體應(yīng)用監(jiān)測結(jié)果表明，一旦發(fā)生超程現(xiàn)象，該系統(tǒng)能夠自動預(yù)警并停止動作。然而，在實際的運維管理中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)漲緊輪調(diào)整至正常狀態(tài)后，同步帶運行時會產(chǎn)生拉伸問題。在這種情況下，帶輪滑移時常發(fā)生，由此也導(dǎo)致了在沒有發(fā)生超程現(xiàn)象時的假預(yù)警、誤預(yù)警的情況。經(jīng)分析后，設(shè)計人員選擇了加裝機械開關(guān)的優(yōu)化措施，具體優(yōu)化時將其安裝于限位傳感器的外側(cè)位置，使其對系統(tǒng)進行冗余保護。

其次，在冗余設(shè)計軟件優(yōu)化時，先對PLC工業(yè)控制系統(tǒng)進行了調(diào)試與分析，優(yōu)化目標(biāo)直接定位在部件掉落監(jiān)測、故障動作監(jiān)測等方面，旨在保障電氣控制系統(tǒng)運行時的安全可靠性[3]。具體優(yōu)化時設(shè)計人員選擇了加裝冗余傳感器的辦法，具體位置以關(guān)鍵多風(fēng)險部位為準(zhǔn)。安裝后進行調(diào)試并對觸點信號開展重復(fù)檢測與運算監(jiān)測。同時，在機器人編程方面，根據(jù)信號邏輯關(guān)系保障冗余軟件設(shè)計在“是”與“非”狀態(tài)下的有效應(yīng)用。

3.2 抗干擾設(shè)計

在裝置中，需要通過電氣設(shè)備保障電氣控制系統(tǒng)的有效運行，實質(zhì)上這種電氣設(shè)備以弱電系統(tǒng)進行控制相同。從應(yīng)用經(jīng)驗看，弱電設(shè)備或電流充分裝置運行時，此類裝置本身會受到強電裝置的電磁干擾與聲音頻率干擾，從而影響到其他信號的正常傳輸，間接導(dǎo)致電氣控制系統(tǒng)控制失靈等情況。設(shè)計人員對其干擾因素分析后，選擇了增加抗干擾設(shè)計的辦法。具體包括了接地設(shè)計、電磁噪聲濾波處理，以及干擾因素屏蔽等優(yōu)化措施。分述如下：

首先，該裝置電氣控制系統(tǒng)中的接地設(shè)計包括了保護接地線與屏蔽地線，從設(shè)計原理看，意圖借助對屏蔽電纜屏蔽層記性接地的同排連接，以及保護接地線與電源變壓器、隔離變壓器屏蔽層的連接，發(fā)揮屏蔽作用。但是，在實際的應(yīng)用電氣控制系統(tǒng)時，需要對控制柜與操作進行保護，才能從整體上提升其抗干擾效果。所以，設(shè)計人員將保護地線與其進行接地處理，具體操作時以單點并聯(lián)方式實施，有效增強了接線方面的抗干擾能力。

其次，要降低電磁噪聲干擾需要應(yīng)用電干擾設(shè)備，通過對伺服系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計進行分析，發(fā)現(xiàn)僅設(shè)置了一臺具備電磁干擾敏感性的設(shè)備，而且該設(shè)備自身攜帶有電磁噪聲源，除了受到強電裝置干擾，也存在內(nèi)部干擾，不僅沒有起到應(yīng)有的作用，反而增加了電磁干擾。因此，設(shè)計人員先將伺服控制器進行優(yōu)化，將其在獨立的控制柜體后，利用聯(lián)機的方式，將是機與驅(qū)動機通過金屬屏蔽層動力線纜進行了連接，在完成控制柜、電機、驅(qū)動機接地后，達到了控制電磁噪聲的目的。另外，伺服驅(qū)動系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)在整個電氣控制系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，為了將電磁噪聲干擾降低到最低程度，于兩個子系統(tǒng)前端設(shè)置了濾波器，從根本上阻隔干擾?？紤]到電磁噪聲的傳播以空間為主，為了有效抑制其傳播配套應(yīng)用了帶有屏蔽層的電纜。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

該裝置中的數(shù)控系統(tǒng)有兩套，因而在引薦結(jié)構(gòu)中設(shè)置了兩套SIMATICS7-300模塊，通過MPI總線連接后，兩個數(shù)控系統(tǒng)可以進行聯(lián)用，雖然從應(yīng)用效果上看差強人意，但是實際的結(jié)構(gòu)比較松散，而且使系統(tǒng)硬件趨于復(fù)雜化[4]。為了簡化硬件結(jié)構(gòu)，使其趨于緊湊，并對數(shù)字伺服軸進行更高效的控制，設(shè)計人員選擇了其中的一套數(shù)控系統(tǒng)進行了優(yōu)化，在模塊優(yōu)化方面將SIMATICS7-300模塊改成了ANA模塊，這樣做實際上相當(dāng)于更換了其中的一套數(shù)控系統(tǒng)。為了保障其數(shù)字伺服軸控制效果，配置了SIMDRIVE 611D數(shù)字驅(qū)動系統(tǒng)，由此也實現(xiàn)了ANA控制模擬伺服軸、SIMDRIVE 611D控制數(shù)字伺服軸的優(yōu)化目標(biāo)。另外，原系統(tǒng)設(shè)計方案下調(diào)姿時存在自動應(yīng)答信號處理需求，需要進行數(shù)據(jù)傳輸以保障兩個系統(tǒng)的同步使用。優(yōu)化后簡化了該系統(tǒng)，省去了數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)與自動應(yīng)答信號處理時開發(fā)配套軟件的環(huán)節(jié)，而且有效降低了系統(tǒng)開發(fā)工作量與難度。

3.4 熱設(shè)計

通過冗余設(shè)計、抗干擾設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計部分的優(yōu)化處理，整個裝置的電氣控制系統(tǒng)優(yōu)勢得到了極大提升，一方面簡化了控制過程，另一方面降低了軟件開發(fā)難度，而且提高了裝配裝置的運行安全可靠性，尤其是狀態(tài)監(jiān)測與信號檢測功能的配套設(shè)置，使裝置的運行有了實際保障。但是，并沒有解決整個裝置連續(xù)運行過程中，發(fā)生溫度超標(biāo)后（包括溫度過高或溫度過低兩種超標(biāo)情況）給電子元器件造成的損害問題。經(jīng)過分析，設(shè)計人員認為大量熱量來自各模塊，而模塊冷卻風(fēng)扇并不能從整體上起到調(diào)節(jié)密閉電氣控制柜溫度的作用。因此，設(shè)計人員經(jīng)過分析后，于控制柜中加裝了一套溫濕度傳感器與空氣循環(huán)系統(tǒng)及外部制冷系統(tǒng)，可以即時的根據(jù)內(nèi)部熱空氣流動監(jiān)測數(shù)據(jù)與溫濕度數(shù)據(jù)，實時通過兩大系統(tǒng)的自動控制進行控制柜中的空氣交換，以及制冷控制。從而起到了對高溫條件、低溫條件的雙重控制目標(biāo)。

4 結(jié)束語

總之，現(xiàn)代機電設(shè)備通過一體化與集成化發(fā)展，其裝置中增強了對電氣控制系統(tǒng)的應(yīng)用。由于此類裝置的應(yīng)用頻率高、系統(tǒng)控制自動化水平較高，受到溫度、電磁干擾、運維管理等主客觀因素影響后，會降低其使用效果。因此，在新時期工業(yè)企業(yè)向著高質(zhì)量目標(biāo)努力奮斗的過程中，應(yīng)該增強系統(tǒng)優(yōu)化意識，在充分解析機電一體化裝置結(jié)構(gòu)與原理的基礎(chǔ)上，選擇科學(xué)的優(yōu)化思路，在確定優(yōu)化目標(biāo)后開展有利于解決現(xiàn)實問題的優(yōu)化措施。建議采用具體問題，具體分析，針對性解決的基本思路，加強冗余、抗干擾、熱設(shè)計，提升其應(yīng)用效果。