機電一體化裝配系統(tǒng)安全性

羅 軍

重鋼西昌礦業(yè)有限公司，四川西昌 615000

0 引言

隨著電子技術(shù)、機械加工技術(shù)、機床技術(shù)以及軟件技術(shù)的發(fā)展，促進了自動裝配技術(shù)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用，逐漸替代低效率、高強度的手工勞動，如工業(yè)化自動生產(chǎn)線、自動高精度零件裝配等，大大提高了裝配的效率和精度，將人們從繁重的手工勞動中解脫出來，保證了裝配工作的一致性和裝配質(zhì)量的穩(wěn)定性。目前，在自動化裝配技術(shù)中，機械手和機床是兩種被廣泛使用的裝配形式，而使用機床的裝配技術(shù)更適于有高精度裝配要求的場合[1，2]。本文以Siemens 840D機床系統(tǒng)為例，介紹了使用機床構(gòu)造高精度裝配系統(tǒng)的原理，同時，在此構(gòu)造原理的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)的安全性進行了深入的剖析，為盡早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)安全性隱患、完善系統(tǒng)設(shè)計起到了積極的作用。

1 組成原理

使用機床構(gòu)造裝配系統(tǒng)時，機床及其控制系統(tǒng)，如NC，工件定位工裝、抓取工裝、工件位置測量系統(tǒng)是系統(tǒng)的基本組成部分。其中，抓取工裝使用真空氣動系統(tǒng)控制吸頭實現(xiàn)工件的抓取與放置；工件位置測量系統(tǒng)由高精度攝像頭和激光測距儀組成，實現(xiàn)工件的位置、偏心以及姿態(tài)測量。

840D NC是整個機床控制系統(tǒng)的核心，與驅(qū)動系統(tǒng)進行通信，執(zhí)行用戶編寫的裝配程序，對運動軸進行控制，實現(xiàn)既定的裝配線路和流程。

MMC為Siemens生產(chǎn)的人機交互界面，其使用MPI總線與840D NCU進行通信，以Intel CPU作為基礎(chǔ)架構(gòu)，運行Windows NT 4.0系統(tǒng)，為裝配人員提供編寫裝配程序的接口，同時，可以調(diào)用編寫的裝配程序，監(jiān)控系統(tǒng)中各種重要的信號。

PLC是840D機床系統(tǒng)的重要組成部分，具有控制功能強、可靠性高、使用靈活方便、易于擴展等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用與工業(yè)控制系統(tǒng)中。PLC被用于處理裝配系統(tǒng)外圍的各種I/O信號，包括各驅(qū)動軸的參考點、參考點確認、正限位，負限位、正超程、負超程、正向、負向、區(qū)域等信號，用于控制真空氣動系統(tǒng)，對吸頭進行吸放控制，以控制工件的吸取或放置。同時，通過Siemens的CP341模塊，實現(xiàn)與測量系統(tǒng)進行通信，發(fā)送測量任務(wù)，獲取測量結(jié)果，以實現(xiàn)工件的準確放置。

在Siemens 840D中，NC與PLC通過雙端口RAM進行通信，將各軸坐標從NC傳入PLC，以便通知測量系統(tǒng)，PLC將系統(tǒng)關(guān)心的各軸狀態(tài)、壓力傳感器狀態(tài)、測量結(jié)果等數(shù)據(jù)傳輸?shù)絅C系統(tǒng)。

2 全性分析

2.1 壓力監(jiān)測

為了獲取可靠的壓力數(shù)據(jù)，避免因壓力傳感器故障導(dǎo)致裝配異常，每個壓力傳感器安裝有兩個應(yīng)力片，通過二次儀表采集壓力傳感器的數(shù)據(jù)，并傳入PLC系統(tǒng)，系統(tǒng)對主輔壓力傳感器的壓力差進行實時計算，超過用戶設(shè)定值時判斷壓力傳感器故障，通知NC系統(tǒng)及時停止裝配過程，同時，通過PLC系統(tǒng)對壓力狀態(tài)進行實時檢測，若30ms內(nèi)壓力狀態(tài)未得到更新，判斷壓力傳感器故障，而且，在裝配過程中，對壓力的突變情況進行檢測，監(jiān)測壓力值是否超過用戶設(shè)定的最大值，避免因軸失控、過沖，導(dǎo)致工件損壞。為了盡最大可能地發(fā)現(xiàn)壓力監(jiān)測可能存在的安全性隱患，對其進行故障樹分析.

2.2 軸位置監(jiān)控

為了確保裝配精度，避免因硬件異常情況導(dǎo)致期望的軸位移與實際位移量不一致，在被驅(qū)動軸上安裝了二級編碼，以反映被驅(qū)動軸的實際位移，通過驅(qū)動系統(tǒng)或模擬控制模塊返回到NC控制系統(tǒng)，系統(tǒng)通過MMC上的二次開發(fā)，對電機編碼和二級編碼進行比較，超過用戶設(shè)定值時，利用PLC通知NC系統(tǒng)，實現(xiàn)報警并終止裝配過程。

2.3 限位及原點報警信號實時檢測

基于軸運動的安全性控制需要，避免軸過量運動碰撞機床硬件，在軸的運動線路上安裝了用于檢測正限位、負限位、正超程、負超程的接近開關(guān)，同時，為了確保系統(tǒng)各軸準確回原點，安裝了用于檢測參考點、參考點確認信號的接近開關(guān)，系統(tǒng)利用PLC軟件實時檢測以上軸安全控制信號，發(fā)現(xiàn)異常及時提示用戶并報警，終止機床運行。

2.4 保護爪及真空吸具狀態(tài)實時監(jiān)測

為了保護工件在搬移過程中的安全，系統(tǒng)以PLC作為控制，控制壓縮泵，驅(qū)動保護爪，保護工件在搬移過程中的安全。為此，在工件抓取、放置或搬運過程中，需要對保護爪、真空吸具的狀態(tài)實時監(jiān)測。在抓取工件時，確保在抓取工件之前保護爪可靠打開，在工件有效吸取后保護爪可靠閉合。在放置工件時，確保在用戶期望的位置保護爪可靠打開，在工件放置后，確保真空吸具可靠釋放。在搬運工件的過程中，確保保護爪一直處于閉合狀態(tài)、真空吸具一直處于吸合狀態(tài)。發(fā)現(xiàn)異常情況及時提醒用戶并報警，終止機床運行，保持機床的當前狀態(tài)。

2.5 測量系統(tǒng)安全性檢測

為了保證裝配過程的安全性，在控制系統(tǒng)搬移、抓取、放置工件的過程中，必須實時檢測測量系統(tǒng)的攝像頭、激光測距儀是否位于安全位置，在進行工件位置、偏心以及姿態(tài)測量時，必須保證工件或工件抓取工裝不碰撞到測量系統(tǒng)的攝像頭和激光測距儀。

3 結(jié)論

以Siemens 840D機床為主體，結(jié)合壓力傳感器、真空泵、壓縮泵以及測量系統(tǒng)高精度攝像頭、激光測距儀的使用，構(gòu)造了高精度、安全、可靠、穩(wěn)定的工件裝配系統(tǒng)。在此框架上，結(jié)合系統(tǒng)軟件設(shè)計，即NC、PLC、MMC二次開發(fā)，對系統(tǒng)的安全性進行了深入剖析.對相應(yīng)環(huán)節(jié)進行了故障樹分析，保證了整個裝配系統(tǒng)的安全性和可靠性，該方案及其安全性分析結(jié)果在實際工程項目中得到了廣泛的應(yīng)用。

[1]陳亞菊，尹玉生.XK2420×160數(shù)控龍門銑鏜床裝配新技術(shù)[J].制造技術(shù)與機床，2011(3).

[2]方坤禮，蔣曉英.基于實例推理的機床專用夾具虛擬裝配技術(shù)[J].機電工程，2009，26(8).