摘 要：机电一体化集成装配装置是为了解决产品的自动装配问题而研制的，它可以实现每个工件的可靠抓取，及产品加载等装配动作的全过程自动化操作。由于其安全性和任务可靠性方面还存在一些薄弱环节与不足之处，需要对电气系统进行优化和改进设计研究。
关键词：机电一体化；电气控制系统；优化和改进设计
中图分类号：TK221文献标识码：A
1 机电一体化集成装配装置概述
原有机电一体化集成装配装置主要由机械本体、控制系统、工控机测量系统、力传感器系统、真空系统和气动系统及工装等组成。由于工控机测量系统与控制系统是相对独立的一套系统，本论文将不论述。控制系统采用西门子840D和FM-NC数控系统来控制7个数字轴和2个模拟轴，其中840D系统控制7个数字轴（X、Y、Z、C1、C2、C3、W轴）的运动和处理力传感器的快速响应及相关实时控制，以及和工控机测量系统间的通讯和协调控制。FM-NC系统控制2个模拟轴(W1、W2轴)的运动，实现调姿机构的运动控制，从而达到对待装配工件的姿态调整。在上述的9个轴中，X、Y、Z、W、W1和W2轴是直线轴，C1、C2、C3轴是旋转轴，其中C1轴的旋转角度范围为0o～380o。W1、W2轴组成调姿机构，在调姿机构的下端装有拾取工件的真空吸盘和在移动过程中对工件起保护作用的气动手爪。W轴作为加载机构的加载轴在所有工件装配完成后对整个产品进行下压加载。C2轴作为装配工位，C3轴作为待装配工件放置工位装置的系统构成如图1所示，其中控制系统为SINUMERIK 840D数控系统（CNC），它包括：人机界面（MMC103）、机床控制面板（MCP）、数控装置模块（NCU）、SIMATICS7-300模块以及SIMODRIVE 611D数字伺服驱动系统，调姿机构由松下伺服驱动系统构成。FM-NC数控系统通过CPU315-DP模块提供的一个MPI总线接口，与840D采用MPI通信总线的方式对MMC103实现共享。
2 优化基本指导思想和改进思路
原有装配装置研制出来后，经过功能性试验，证明其基本功能已达到当初的设计要求，但由于所装配产品的特殊性，以及试验中暴露出来的问题，需要对装置作进一步的优化和改进设计。优化和改进的基本指导思想是，在不削减原有装置的功能的基础上，通过优化和改进设计，提高装置的安全性和任务可靠性，适当简化控制系统结构，使其硬件结构更紧凑，控制过程更简便。改进思路是，根据安全性和任务可靠性分析，在电气控制系统的电路结构上，根据可靠性设计方法，适当采用降额设计或冗余设计等技术来提高任务可靠性，同时增加一些安全检测部件来提高其安全性，并在软件设计中相应增加一些故障诊断和报警信息；通过优化，将原来较为繁琐的两套数控系统控制简化为一套数控系统来控制，从而既降低了应用软件的开发难度，使控制更易于实现，也减少了工作量，提高了工艺程序的灵活性，并且消除了两套系统间数据交换出现错误的隐患。
3 电气系统的优化和改进设计
3.1 冗余设计
针对气动手爪的张开和闭合以及真空吸具的吸合采用了工作冗余设计，以提高气动手爪和真空吸具工作的可靠性和产品装配过程中的安全性。其电路设计如图 2所示。为了防止气动手爪和真空吸具的误动作，在气动手爪不应该闭合的时候闭合或在不应该张开的时候张开，以及在真空吸具不应该吸合的时候吸合，同时又要求它们在应该动作的时候可靠地动作，在电路设计上采用了对同一个信号进行双模块输出控制，甚至对安全性要求更高的气动手爪闭合信号采用了混合并联冗余设计，针对每一个输出信号所控制的继电器也采用了并联冗余，但在继电器触点控制电路上又采用了串-并联设计或并-串联设计。
在图2中Gn和Gn+1是两块完全一样的SIEMENS DO模块，两个模块的对应输出点信号都是相同的，且两个模块同时工作。每个信号输出点所控制的两个并联继电器中只要其中一个继电器小失效，就能得到装配任务所需要的输出信号。尤其是对于气动手爪闭合信号，只要两个模块中有一个模块小失效，或者两个模块中非对应的两个输出点小同时失效，就能得到该输出信号。
3.2 抗干扰设计
在机电一体化系统中，既包含有高电压、大电流的电力电气设备，即强电设备，又包含有低电压、小电流的控制与信息处理设备和传感器，即弱电设备。强电设备产生的电磁噪声会对弱电设备造成极大的干扰，弱电设备之间也可能互相进行信号干扰。同时，供电系统以及环境电磁噪声也会对弱电设备产生严重的干扰。由此可见，电磁噪声的干扰是机电一体化设备中产生元器件失效或数据传输、处理失误、进而影响其可靠性的最常见和最主要的因素，因此抗干扰设计在机电一体化系统的可靠性设计中不容忽视。主要运用了以下几项技术来进行抗干扰设计。
3.2.1 屏蔽技术
屏蔽技术可抑制电磁噪声沿着空间的传播，及切断辐射电磁噪声的传输途径。在装置中，除了380V和220V电源电缆之外，其余电缆均使用了带屏蔽层的电缆，从而既隔断了本身信号对别的信号的干扰，也隔断了别的信号对自己信号的干扰。
3.2.2 接地技术
接地在电气控制系统的电路设计中充当着一个重要的角色。“地”为电路、系统提供了一个参考电位，电路、系统中的各部分电流都必须经“地线”或“地平面”构成电流回路。在本装置中，分别设计了保护地线、工作地线和屏蔽接地。其中，保护地线是将电气控制柜柜体、操作台机壳和装置本体都可靠接地；工作地线采用单点并联接地方式，很好地消除了共阻抗干扰；屏蔽接地是将所有的屏蔽电缆的屏蔽层通过接地线可靠地接到同一个接地铜排上，电源变压器和隔离变压器的屏蔽层接到保护地线。
3.2.3 滤波技术
滤波器是由电感、电容、电阻或铁氧体器件构成的频率选择性二端口网络，可以插入传输线中，抑制不需要的频率进行传播，能较小衰减地通过滤波器的频率段称为滤波器的通带。通过时受到很大衰减的频率段称为滤波器的阻带。为了抑制供电电网系统和装置周边环境用电设备所产生的电磁噪声对控制系统和驱动系统的影响，在SIEMENS840D 数控系统和SIMODRIVE611D数字伺服驱动系统的电源前端，以及松下模拟伺服驱动系统的主电路上分别设计了电源滤波器。除此之外，为了抑制电气系统中弱电器件的互相干扰，还采用了浪涌吸收器等措施。
3.3 热设计
制造电子元器件时所使用的材料有一定的温度极限，当超过这一个极限时，物理性能就会发生变化，元器件就不能发挥它预期的作用。元器件还可能在额定温度上由于持续工作的时间过长而发生故障，故障率的统计数据表明电子元器件的故障与其工作温度有密切关系。一般情况下，在高温或负温条件下元器件或电路容易发生故障。半导体元器件故障率随着温度的增加而呈指数上升趋势，其电性能参数，如耐压值、漏电流、放大倍数、允许功率等都是温度的函数。在本装置中，SINUMERIK840D数控系统、SIMODRIVE 611D 数字伺服驱动系统、松下模拟伺服驱动系统、可编程逻辑控制器（PLC）以及它们的电源都是模块化结构。每个模块内都有大量的电子元器件。在工作时，这些模块内的电路会产生大量的热量。虽然自身发热量较大的模块一般都安装有冷却风扇，或者设计了空气对流散热孔，但整个电气控制柜由于防护等级的需要是一个封闭的环境，工作时元器件产生的热量将会使柜内温度升高很多，从而影响部分元器件的正常工作。基于此原因，对电气控制柜和操作台进行热设计时，对控制柜采用了用强制制冷设备（空调）进行冷却的方式，使柜内温度维持在元器件能正常工作的一个较佳温度范围内，对操作台采用了安装带空气过滤器的冷却风扇进行强制风冷的方式。
参考文献
[1]方建军,田建君,郑青春编著.光机电一体化系统设计[M].北京：化学工业出版社，2003.
[2]秦孝英主编.可靠性维修性保障性概论[M].北京：国防工业出版社，2002.
[3]张泰华.SINUMERIK840D的调整[J].制造技术与机床，2002.
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