工業(yè)機(jī)器人線纜服役可靠性加速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

倪 敬，任 旭，毋少峰

（杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，杭州310018）

0 引 言

隨著智能制造業(yè)的發(fā)展，機(jī)器人專業(yè)得到了高校越來(lái)越多的青睞。同時(shí)，機(jī)器人相關(guān)的大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)也得到了重視［1-3］。其中，機(jī)器人可靠性設(shè)計(jì)是一個(gè)涉及機(jī)械、材料和自動(dòng)控制等多學(xué)科交叉的難題，具有專業(yè)性強(qiáng)、理論性強(qiáng)、研究?jī)?nèi)容廣等特點(diǎn)，對(duì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的需求尤其強(qiáng)烈。然而，現(xiàn)有教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由于存在各種問(wèn)題，如不夠?qū)I(yè)化、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一、學(xué)科串聯(lián)度低等［4-5］，并不能滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要。

本文結(jié)合機(jī)器人線纜服役可靠性［6-10］難題，設(shè)計(jì)了一種基于PLC控制的工業(yè)機(jī)器人線纜服役可靠性加速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)以工業(yè)PLC為控制核心，結(jié)合機(jī)電伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)［13］、摩擦負(fù)載傳感技術(shù)［14］和張力傳感技術(shù)等技術(shù)，同時(shí)，嵌入了服役可靠性加速測(cè)試方法、顯微觀測(cè)方法［15］和摩擦磨損評(píng)價(jià)方法，故可以實(shí)現(xiàn)可靠性理論、自動(dòng)控制理論、機(jī)電一體化技術(shù)和同步驅(qū)動(dòng)理論在此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上的有機(jī)結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)多學(xué)科綜合性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作原理與性能指標(biāo)

以如圖1所示的工業(yè)機(jī)器人為研究對(duì)象，針對(duì)其使用的線纜可靠性研發(fā)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

圖1 工業(yè)機(jī)器人與機(jī)器人線纜

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由線纜互磨驅(qū)動(dòng)部分、線纜摩擦負(fù)載感知部分、環(huán)境溫度控制部分和線纜磨損表面形貌觀測(cè)部分構(gòu)成。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的具體工作原理如下所述：

（1）線纜互磨驅(qū)動(dòng)與負(fù)載感知部分工作原理。如圖3所示，包含線纜1的運(yùn)動(dòng)線纜機(jī)構(gòu)；包含線纜2的固定線纜機(jī)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先，PLC向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送正向指令脈沖，驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)運(yùn)動(dòng)線纜機(jī)構(gòu)（安裝于同步帶滑臺(tái)上）產(chǎn)生與固定線纜機(jī)構(gòu)的正向相對(duì)運(yùn)動(dòng)，完成兩線纜的正向摩擦運(yùn)動(dòng)；然后，PLC向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送反向指令脈沖，以驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)運(yùn)動(dòng)線纜機(jī)構(gòu)產(chǎn)生反向相對(duì)運(yùn)動(dòng)，完成兩線纜的反向摩擦運(yùn)動(dòng)，依次往復(fù)，完成實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)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(nèi)配重調(diào)定，摩擦負(fù)載由壓力傳感器實(shí)時(shí)采集。

圖3 線纜互磨驅(qū)動(dòng)與負(fù)載感知部分工作原理示意圖

（2）溫度PID控制系統(tǒng)工作原理。如圖2所示，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用到的一個(gè)典型的恒值溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)，其工作過(guò)程是，PLC在一個(gè)控制周期內(nèi)通過(guò)熱電偶采集實(shí)時(shí)箱內(nèi)溫度y（t）后，計(jì)算偏差值e（t）＝r（t）-y（t），再根據(jù)下式獲得控制量

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

（3）線纜服役性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)工作原理。本系統(tǒng)采用摩擦負(fù)載和顯微表面形貌觀測(cè)兩種方法對(duì)線纜服役性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。當(dāng)兩線纜的摩擦負(fù)載升高到設(shè)定數(shù)值后，記錄兩者經(jīng)歷的互磨次數(shù)n；然后，將兩線纜取出，通過(guò)電子顯微鏡觀測(cè)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(píng)定互磨次數(shù)n與表面磨損情況，給出線纜服役性能的評(píng)價(jià)結(jié)果。

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的具體性能指標(biāo)

根據(jù)此工業(yè)機(jī)器人線纜服役可靠性加速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)如下：①互磨線纜正負(fù)荷0～25 kg；② 線纜張緊力0～20 kg；③ 環(huán)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(zhǎng)度0～50 mm；⑥ 電子顯微放大倍數(shù)1 000×。

2 線纜互磨伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

線纜互磨伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖4所示，是本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心部件，主要是由運(yùn)動(dòng)線纜機(jī)構(gòu)、固定線纜機(jī)構(gòu)和伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。其中，運(yùn)動(dòng)線纜機(jī)構(gòu)由2件導(dǎo)軌、4件滑塊、下固定板、線纜、4件抱箍、2件導(dǎo)向輪、拉力傳感器和2件線纜張緊器組成。這里采用導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)，有效地保證了線纜在互磨過(guò)程中互磨位置的重復(fù)性。

圖4 線纜互磨驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

固定線纜機(jī)構(gòu)由配重箱（圖中未顯示）、上固定板、4件直線軸承、4件導(dǎo)向柱、線纜、4件抱箍、2件導(dǎo)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(dǎo)向結(jié)構(gòu)，有效地保證了線纜之間正壓力的施加。另外，通過(guò)調(diào)整上固定板上方配重箱的重量，可以調(diào)整線纜之間的正壓力。

電伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由伺服電動(dòng)機(jī)、同步帶滑臺(tái)、拖動(dòng)撥叉和2件摩擦負(fù)載傳感器組成。其中，拖動(dòng)撥叉通過(guò)壓縮左右2個(gè)摩擦負(fù)載傳感器將運(yùn)動(dòng)傳遞給運(yùn)動(dòng)線纜機(jī)構(gòu)，以傳遞電伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)所輸出的直線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)線纜互磨運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)上述線纜互磨伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，其主要的元器件選型如表1所示。

表1 線纜互磨伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要元器件參數(shù)表

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電氣控制設(shè)計(jì)

3.1 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）電氣原理設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)、溫控及測(cè)試需求，本教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖5所示，為PLC控制系統(tǒng)。

此系統(tǒng)主要由觸摸屏（HMI），PLC主機(jī)，伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服電動(dòng)機(jī)，AD擴(kuò)展模塊，擴(kuò)展模塊DVP06XAE2，線纜張力傳感器、摩擦負(fù)載傳感器、溫度傳感器和加熱器等組成。其中，人機(jī)交互HMI通過(guò)RS-485通信電纜與CPU進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)互磨實(shí)驗(yàn)參數(shù)（運(yùn)動(dòng)速度、實(shí)驗(yàn)次數(shù)和運(yùn)動(dòng)位移等）的設(shè)定；PLC主機(jī)通過(guò)高速脈沖信號(hào)輸出口與伺服驅(qū)動(dòng)器連接口CN1通信，將實(shí)驗(yàn)的脈沖信號(hào)傳輸?shù)津?qū)動(dòng)器；伺服驅(qū)動(dòng)器通過(guò)位置檢測(cè)接口CN2與伺服電動(dòng)機(jī)上的編碼器通信，進(jìn)行位置環(huán)的反饋；CPU通過(guò)COM1接口實(shí)現(xiàn)與上位PC機(jī)通信，完成控制程序下載和系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)過(guò)程數(shù)據(jù)交流；PLC主機(jī)通過(guò)AD擴(kuò)展模塊對(duì)摩擦負(fù)載和溫控箱溫度的實(shí)時(shí)采集，通過(guò)DA擴(kuò)展模塊對(duì)加熱器的輸出功率控制。具體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件配置如表2所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制原理圖

表2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)PLC系統(tǒng)硬件配置

（2）伺服電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)與控制回路設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)中，伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制回路設(shè)計(jì)如圖6所示，由控制信號(hào)回路和主驅(qū)動(dòng)回路組成。主驅(qū)動(dòng)回路起始于雙相交流電源L1和L2，經(jīng)由總體空氣開(kāi)關(guān)QF1連接到伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器交流電輸入端子（R、S、T）上，經(jīng)由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器U、V、W端子輸出接入伺服電動(dòng)機(jī)的三相繞組中。同時(shí)，交流電源L1和L2通過(guò)QF2連接驅(qū)動(dòng)器L1C和L2C端子，為驅(qū)動(dòng)器供電。信號(hào)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(qū)動(dòng)器CN2接口與伺服電動(dòng)機(jī)的編碼器連接而成；PLC控制脈沖回路由伺服驅(qū)動(dòng)器通過(guò)CN1接口與PLC的高速輸出口Y0～Y2連接而成，主要完成電機(jī)方向（Y0），控制脈沖（Y1）和使能信號(hào)（Y2）的傳輸。

（3）模擬信號(hào)采集回路設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的采集及溫控功能的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)如圖7所示的摩擦負(fù)載、線纜張力、溫度和加熱器模擬信號(hào)采樣與控制回路圖。

圖6 伺服電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)與控制回路原理圖

圖7 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模擬信號(hào)采集原理設(shè)計(jì)

在模擬信號(hào)輸入端，采用屏蔽雙絞線實(shí)現(xiàn)傳感器與PLC擴(kuò)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(hào)的可靠傳輸。

3.2 PLC控制軟件設(shè)計(jì)

基于臺(tái)達(dá)WPLSoft編程軟件，根據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理，結(jié)合線纜服役加速測(cè)試過(guò)程設(shè)計(jì)了PLC控制軟件。

（1）點(diǎn)動(dòng)控制模塊。系統(tǒng)的最底層模塊，提供了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的有效控制及監(jiān)測(cè)，主要用于系統(tǒng)單個(gè)執(zhí)行元件的調(diào)試故障處理和后續(xù)分段控制與自動(dòng)控制執(zhí)行時(shí)的零點(diǎn)定位。

（2）分段控制模塊。系統(tǒng)中每個(gè)工作循環(huán)的自動(dòng)運(yùn)行模塊，是自動(dòng)控制模塊的基礎(chǔ)和子模塊，提供了每個(gè)動(dòng)作循環(huán)的有效控制和監(jiān)視，主要用于單個(gè)工作循環(huán)的調(diào)試與故障處理，即運(yùn)動(dòng)線纜機(jī)構(gòu)從零點(diǎn)沿正向運(yùn)動(dòng)后，反向運(yùn)動(dòng)回到零點(diǎn)的過(guò)程。

（3）自動(dòng)控制模塊。此模塊的流程圖如圖8所示，是系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊，提供了環(huán)境溫度和互磨驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)控制，并進(jìn)行摩擦負(fù)載自動(dòng)檢測(cè)和判斷，同時(shí)實(shí)現(xiàn)互磨次數(shù)n，摩擦負(fù)載，溫度的記錄和顯示，并能實(shí)現(xiàn)性能評(píng)價(jià)和狀態(tài)報(bào)警。

（4）參數(shù)設(shè)置模塊。此模塊是系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制中人機(jī)交互的關(guān)鍵模塊，提供了運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)距離、運(yùn)動(dòng)往復(fù)次數(shù)、溫度等參數(shù)的設(shè)置端口，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)人員對(duì)運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確控制。

圖8 系統(tǒng)自動(dòng)控制流程圖

3.3 觸摸屏監(jiān)控軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

應(yīng)用DOPSoft 2.00.07軟件，結(jié)合工業(yè)機(jī)器人線纜服役可靠性加速測(cè)試工作原理，編寫(xiě)觸摸屏程序。該觸摸屏設(shè)計(jì)的功能主要有點(diǎn)動(dòng)控制界面、分段測(cè)試界面、自動(dòng)控制界面和參數(shù)設(shè)置界面。

（1）點(diǎn)動(dòng)測(cè)試界面。主要用于測(cè)試單個(gè)元件的動(dòng)作測(cè)試、數(shù)據(jù)顯示和狀態(tài)監(jiān)控。

（2）分段測(cè)試界面。主要用于單個(gè)工作循環(huán)動(dòng)作的測(cè)試、數(shù)據(jù)顯示和狀態(tài)監(jiān)控。

（3）自動(dòng)控制界面。如圖9所示，主要用于系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)顯示和狀態(tài)監(jiān)控。

圖9 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)自動(dòng)控制監(jiān)控界面

（4）參數(shù)設(shè)置界面。主要用于設(shè)定點(diǎn)動(dòng)、分段和自動(dòng)控制測(cè)試界面中環(huán)境溫度、互磨運(yùn)動(dòng)速度、位移和次數(shù)等運(yùn)行參數(shù)。

4 研究教學(xué)型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

最終的工業(yè)機(jī)器人線纜服役可靠性加速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)樣機(jī)如圖10所示，占地僅0.35 m2，具有極高的空間利用率，結(jié)構(gòu)緊湊，功能較多，支持基礎(chǔ)型、進(jìn)階教學(xué)型、高階研究型實(shí)驗(yàn)。

圖10 系統(tǒng)實(shí)物圖

（1）經(jīng)典機(jī)電伺服傳動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)屬于基礎(chǔ)型教學(xué)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)點(diǎn)動(dòng)和精密驅(qū)動(dòng)的控制，認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)電氣控制元器件。如開(kāi)關(guān)電源、電磁繼電器、空氣開(kāi)關(guān)，了解伺服驅(qū)動(dòng)器工作原理。應(yīng)用機(jī)電傳動(dòng)技術(shù)知識(shí)繪制伺服電動(dòng)機(jī)控制回路圖，讓學(xué)生走進(jìn)工程實(shí)際應(yīng)用，以提高學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力。

（2）PID溫度控制實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)屬于進(jìn)階教學(xué)型實(shí)驗(yàn)，通過(guò)向?qū)W生講解PID控制算法，讓學(xué)生自行編寫(xiě)PID溫度控制程序，并對(duì)溫控箱進(jìn)行控溫實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)加深學(xué)生對(duì)PID控制中的比例、積分和微分參數(shù)，峰值，超調(diào)量和調(diào)整時(shí)間等控制性能指標(biāo)的理解，提高學(xué)生的興趣。

（3）線纜在環(huán)境溫度倍增工況下服役可靠性實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)是高階研究型實(shí)驗(yàn)，通過(guò)在環(huán)境溫度控制箱內(nèi)形成倍增模式的溫度值（如10—20—40—60℃），進(jìn)行線纜互磨和表面磨損形貌觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生了解和理解溫度環(huán)境“加速”工況對(duì)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(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)是高階研究型實(shí)驗(yàn)，通過(guò)PLC控制運(yùn)動(dòng)線纜機(jī)構(gòu)形成倍增模式的互磨速度值（如20—40—60—80—100 mm/s），進(jìn)行線纜互磨和表面磨損形貌觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生了解和理解線纜互磨速度“加速”工況對(duì)線纜服役可靠性的影響。

（5）線纜在摩擦負(fù)載倍增工況下服役可靠性實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)是高階研究型實(shí)驗(yàn)，通過(guò)固定線纜機(jī)構(gòu)上的配重箱形成倍增模式的線纜之間的正壓力，進(jìn)行線纜互磨和表面磨損形貌觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生了解和理解線纜互磨正壓力“加速”工況對(duì)線纜服役可靠性的影響。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人線纜服役可靠性加速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，與普通教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便和機(jī)電集成度高的特點(diǎn)，同時(shí)還具有以下的特色：

（1）該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)配置了機(jī)電伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、PLC控制技術(shù)和拉壓傳感技術(shù)，能夠有效地完成經(jīng)典機(jī)電傳動(dòng)控制、PLC控制、張力傳感和摩擦負(fù)載傳感等基礎(chǔ)性教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

（2）該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)集成了恒值PID控制技術(shù)、線纜磨損顯微觀測(cè)技術(shù)和服役可靠性加速實(shí)驗(yàn)理論，還可以提供環(huán)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(xué)型實(shí)驗(yàn)，能夠有效地滿足學(xué)生對(duì)機(jī)器人線纜服役可靠性設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)所需的實(shí)驗(yàn)設(shè)備需求。

（3）該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)融合了服役可靠性加速測(cè)試方法，PLC自動(dòng)控制技術(shù)和表面顯微觀測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)，充分展現(xiàn)了自動(dòng)控制理論的應(yīng)用和機(jī)電一體化設(shè)備的控制水平，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)提供了堅(jiān)實(shí)的實(shí)用性與先進(jìn)性的保障，具有較高的高階型實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用價(jià)值。