機器人電氣接插件可靠性加速實驗系統(tǒng)設(shè)計

倪 敬，史 雨，何利華

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

1 工業(yè)機器人與電氣接插件

隨著智能制造行業(yè)的迅猛發(fā)展，工業(yè)機器人可靠性越來越受到國內(nèi)外高等院校的重視[1-2]。工業(yè)機器人可靠性設(shè)計是一門理論性較強的專業(yè)性課程之一，課程實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)必不可少。

然而，當(dāng)前機器人可靠性相關(guān)的教學(xué)實驗平臺還相對較少，在一定程度上限制了學(xué)生學(xué)習(xí)機器人可靠性設(shè)計相關(guān)課程的積極性和趣味性。因此，本文面向工業(yè)機器人可靠性設(shè)計課程對教學(xué)實驗的迫切需要，設(shè)計了一種基于PLC 控制的工業(yè)機器人電氣接插件服役可靠性加速實驗系統(tǒng)。圖1 為工業(yè)機器人與電氣接插件。該系統(tǒng)以PLC 控制技術(shù)[3-5]和機電伺服傳動控制技術(shù)[6]為基礎(chǔ)，融合可靠性加速實驗理論[7-9]、恒值溫度PID 控制技術(shù)[10-12]、插拔力測試技術(shù)、接觸電阻測量技術(shù)和顯微觀測技術(shù)等方面的知識，不僅可以開展大學(xué)生機電類專業(yè)基礎(chǔ)性教學(xué)實驗，還可以面向大學(xué)生或研究生開展與機器人可靠性設(shè)計相關(guān)的進(jìn)階型和高階型實驗。這對促進(jìn)機器人可靠性設(shè)計知識的普及和拓展應(yīng)用具有非常重要的意義。

圖1 工業(yè)機器人與電氣接插件

2 實驗系統(tǒng)工作原理與性能指標(biāo)

2.1 實驗系統(tǒng)工作原理

工業(yè)機器人電氣接插件可靠性加速實驗系統(tǒng)的整體框架如圖2 所示，主要由插拔驅(qū)動與負(fù)載感知系統(tǒng)、溫度PID 控制系統(tǒng)和接插件性能評價系統(tǒng)組成。各部分具體工作原理如下所述：

（1）插拔驅(qū)動與負(fù)載感知系統(tǒng)工作原理。首先，PLC 通過高速輸出接口向伺服驅(qū)動器發(fā)送正向指令脈沖；然后，伺服驅(qū)動器根據(jù)脈沖的頻率和數(shù)量，驅(qū)動伺服電機拖動接插件公端（安裝于同步帶滑臺上）以設(shè)定速度向固定不動的接插件母端運動，并最終完成插接動作；最后，PLC 向伺服驅(qū)動器發(fā)送反向指令脈沖，實現(xiàn)伺服電機拖動接插件公端從母端口的拔出分離動作，同時電氣接插件公端和母端的插拔力由拉壓傳感器實時向PLC 反饋采集。

圖2 實驗系統(tǒng)圖

（2）溫度PID 控制系統(tǒng)工作原理。首先，PLC 在一個控制周期內(nèi)，通過熱電偶采集實時箱內(nèi)溫度y(t)；然后，計算偏差值 e(t)=r(t)–y(t)，r(t)為設(shè)定值；最后，根據(jù)式（1）獲得控制量u(t)，并由PLC 的DA模塊輸出到加熱器的控制端子，從而完成對溫控箱內(nèi)溫度的恒值控制。

式中kp為比例參數(shù)，ki為積分參數(shù)，kd為微分參數(shù)。

（3）接插件性能評價系統(tǒng)工作原理。從插拔力測試、接觸電阻測量和顯微表面形貌觀測三方面對接插件的性能可靠性進(jìn)行評價。首先，接插件在經(jīng)歷n 次插拔實驗后，其插拔力降低到一定數(shù)值；其次，將接插件公端插針和母端插座取出，進(jìn)行接觸電阻測量；然后，通過電子顯微鏡對接插件表面磨損情況進(jìn)行觀測；最后，通過綜合三方面的數(shù)據(jù)，給出接插件的性能可靠性評價結(jié)果。

2.2 實驗系統(tǒng)的具體性能指標(biāo)

本文設(shè)計的實驗系統(tǒng)主要性能指標(biāo)如下：

（1）電氣接插件插拔力：0～50 N。

（2）環(huán)境溫度：0～70 ℃。

（3）接觸電阻測量精度：0.1 mΩ。

（4）插針表面形貌放大倍數(shù)：1 000 倍。

（5）同步帶直線滑臺行程：0～300 mm。

（6）同步帶直線滑臺速度：0～100 mm/s。

3 接插件插拔驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計

接插件插拔驅(qū)動機構(gòu)是本實驗系統(tǒng)的核心部件，是在普通同步帶滑臺的基礎(chǔ)上，附加伺服電動機構(gòu)成。接插件插拔驅(qū)動機構(gòu)如圖3 所示，主要是由接插件微動機構(gòu)、接插件運動機構(gòu)和伺服驅(qū)動機構(gòu)組成。接插件母端、安裝座、拉壓傳感器和墊塊組成接插件固定機構(gòu)。這種固定機構(gòu)的設(shè)計有效地保證了公端與母端在插拔過程中位置的可靠性。接插件公端、導(dǎo)軌、滑塊和安裝座組成接插件運動機構(gòu)。這種導(dǎo)軌滑塊機構(gòu)的設(shè)計有效地保證了公端和母端在插拔過程中的位置重復(fù)性。伺服電機、同步帶滑臺和撥叉構(gòu)成伺服驅(qū)動機構(gòu)。公端由伺服驅(qū)動機構(gòu)通過撥叉撥動運動座，從而實現(xiàn)公端的正反方向驅(qū)動，完成接插件的插拔運動。如圖3 所示，撥叉安裝在同步帶滑臺上，接插件公端安裝在運動座上，接插件母端安裝在微動座上，運動座和微動座分別通過滑塊安裝在導(dǎo)軌上。各元件的相關(guān)參數(shù)見表1。這樣，伺服電機可以通過同步帶滑臺實現(xiàn)驅(qū)動接插件公端和接插件母端的平穩(wěn)插拔運動。

圖3 接插件插拔驅(qū)動機構(gòu)原理圖

表1 元器件參數(shù)

4 實驗系統(tǒng)電氣控制設(shè)計

4.1 電氣系統(tǒng)設(shè)計

4.1.1 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)實驗系統(tǒng)的加速測試需求，設(shè)計了如圖4 所示的PLC 控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要是由觸摸屏（HMI）、PLC、AD 擴(kuò)展模塊、DA 擴(kuò)展模塊、伺服驅(qū)動器、伺服電動機、拉壓傳感器和溫度控制器組成。其中，HMI通過RS485 通信電纜與CPU 進(jìn)行通信，完成實驗參數(shù)（運動速度、實驗次數(shù)、運動位移）的設(shè)定；PLC通過與伺服驅(qū)動器的通信，實現(xiàn)對伺服電動機的控制；PLC 通過AD 擴(kuò)展模塊實現(xiàn)對接插件插拔力（拉壓傳感器）和溫控箱溫度（熱電偶）的實時采集；PLC 通過DA 擴(kuò)展模塊實現(xiàn)對加熱器的輸出功率控制。

圖4 PLC 控制系統(tǒng)

PLC 控制系統(tǒng)的硬件配置及相關(guān)具體參數(shù)如表2所示。

表2 PLC 控制系統(tǒng)硬件配置

4.1.2 伺服電機的驅(qū)動和控制回路設(shè)計

具體伺服電動機的驅(qū)動和控制回路設(shè)計如圖5 所示，主要由強電和弱電回路組成。強電回路經(jīng)由空氣開關(guān)QF1 接入伺服驅(qū)動器R、S 端子，然后伺服驅(qū)動器輸出U、V、W 端子連接伺服電動機三相繞組，為伺服電動機提供強電流驅(qū)動。弱電回路主要由控制供電回路、編碼器回路和控制信號回路組成。伺服驅(qū)動器控制回路由空氣開關(guān)QF2 連接伺服驅(qū)動器L1C和L2C端子實現(xiàn)；編碼器回路由伺服驅(qū)動器CN2 接口與伺服電機的編碼器連接而成；伺服驅(qū)動器控制回路由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。

圖5 伺服電動機的驅(qū)動與控制回路原理圖

4.1.3 模擬信號的采樣與控制回路設(shè)計

根據(jù)實驗系統(tǒng)的設(shè)計要求，設(shè)計了如圖6 所示的模擬信號采樣與控制電路。模擬信號輸入采用屏蔽雙絞線實現(xiàn)傳感器與PLC 中AD 擴(kuò)展模塊通道的連接，雙絞線的屏蔽層與AD 擴(kuò)展模塊的相應(yīng)通道接地端（FE）連接。

4.2 PLC 控制軟件設(shè)計

基于臺達(dá)WPLSoft 編程軟件，根據(jù)實驗系統(tǒng)的工作原理，接插件加速測試系統(tǒng)自動控制流程圖見圖7。該控制軟件主要由點動控制模塊、分段控制模塊、自動控制模塊和參數(shù)設(shè)置模塊組成。

（1）點動控制模塊是實驗系統(tǒng)的最底層模塊，提供了點對點控制信號有效性的監(jiān)測功能，主要用于該系統(tǒng)每個執(zhí)行元件的調(diào)試和故障處理。

（2）分段控制模塊是實驗系統(tǒng)中每個工作循環(huán)的自動運行模塊，是自動控制模塊的基礎(chǔ)和子模塊，提供了每個插拔動作循環(huán)有效性的監(jiān)視和控制功能，主要用于單個插拔工作循環(huán)的調(diào)試與故障處理。

（3）自動控制模塊是系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊，是所有實驗工作循環(huán)的自動運行模塊。它提供了環(huán)境溫度和插拔驅(qū)動的自動控制功能，插拔力自動檢測和判斷功能，插拔次數(shù)、插拔力、溫度記錄和顯示等功能，以及性能評價和狀態(tài)報警功能。

圖6 實驗系統(tǒng)模擬信號采樣與控制原理電路

圖7 系統(tǒng)自動控制流程圖

4.3 觸摸屏監(jiān)控軟件設(shè)計

利用臺達(dá)觸摸屏DOPSoft 2.00.07 編程軟件平臺，根據(jù)PLC 控制軟件的設(shè)計思路，設(shè)計了相應(yīng)的監(jiān)控HMI軟件界面。該觸摸屏軟件設(shè)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(shù)設(shè)置界面。

（1）點動控制界面主要用于進(jìn)行接插件插拔測試過程中的單個動作測試、數(shù)據(jù)顯示和狀態(tài)監(jiān)控。

（2）分段測試界面主要用于接插件插拔測試過程中的單次插拔動作測試、數(shù)據(jù)顯示和狀態(tài)監(jiān)控。

（3）自動控制界面主要用于系統(tǒng)自動運行過程中的數(shù)據(jù)顯示和狀態(tài)監(jiān)控，圖8 是接插件自動插拔測試時的系統(tǒng)監(jiān)控界面。

圖8 實驗系統(tǒng)自動控制監(jiān)控界面

（4）參數(shù)設(shè)置界面主要用于設(shè)定點動、分段和自動控制測試界面中環(huán)境溫度、插拔速度、位移和次數(shù)等具體運行參數(shù)。

5 實驗設(shè)計

本實驗系統(tǒng)實物圖見圖9，本實驗系統(tǒng)占地面積僅有0.26 m2，結(jié)構(gòu)緊湊，功能較多，可進(jìn)行多項實驗。

圖9 實驗系統(tǒng)實物圖

（1）機電伺服傳動控制實驗。本實驗屬于基礎(chǔ)型實驗，通過對伺服電機點動和精密驅(qū)動的控制，認(rèn)識基礎(chǔ)電氣控制元氣件例如開關(guān)電源、電磁繼電器、空氣開關(guān)，了解伺服驅(qū)動器工作原理。應(yīng)用機電傳動技術(shù)知識繪制伺服電機控制回路圖，讓學(xué)生走進(jìn)工程實際應(yīng)用，以提高學(xué)生實際動手能力。

（2）恒值PID 溫度控制實驗。本實驗屬于進(jìn)階型實驗，通過向?qū)W生講解PID 控制算法，讓學(xué)生自行編寫PID 溫度控制程序，并對溫控箱進(jìn)行控溫實驗。這可以讓學(xué)生更深一層次地理解PID 控制中的比例、積分和微分參數(shù)，明確控制間隔、峰值、超調(diào)量和調(diào)整時間等性能指標(biāo)的含義，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)經(jīng)典控制理論的興趣。

（3）插拔力（拉壓傳感器）觀測實驗。本實驗屬于高階型實驗，通過對接插件在不斷插拔過程中的插拔力觀測，讓學(xué)生探索接插件的表面摩擦磨損與插拔力演化的相關(guān)聯(lián)系，鼓勵他們自行探究插拔力演化的原因，從而培養(yǎng)學(xué)生的自我分析問題能力。

（4）四點法接觸電阻測量實驗。本實驗屬于高階型實驗，將恒流源提供的電流通過兩個探針接觸接插件，用電壓表測試兩個測試點之間的電壓，所測得的電壓電流之比即為接觸電阻。該實驗可以讓學(xué)生了解接插件接觸電阻、測量誤差、測量方法和測量不確定性的含義，以及接觸電阻的演化特性和影響因素，從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)實驗精神。

（5）接插件表面形貌觀測實驗。本實驗屬于高階型實驗，通過電子顯微鏡對磨損后插針表面進(jìn)行觀測，對比并測量不同插拔次數(shù)后插針表面磨損情況，用以解釋接觸電阻的變化趨勢，從而培養(yǎng)學(xué)生自我分析和解決問題的能力。

6 結(jié)語

本文所設(shè)計的工業(yè)機器人電氣接插件服役可靠性加速實驗系統(tǒng)具有以下的特色和創(chuàng)新之處：

（1）該實驗系統(tǒng)融合了恒值溫度PID 控制技術(shù)、電伺服驅(qū)動技術(shù)、PLC 控制技術(shù)、插拔力檢測技術(shù)和機電傳動控制技術(shù)，能夠完成經(jīng)典機電伺服傳動控制、插拔力傳感和溫度PID 控制等基礎(chǔ)性教學(xué)實驗；

（2）該實驗系統(tǒng)集成服役可靠性加速實驗理論，插拔力觀測對比技術(shù)、表面形貌顯微觀測技術(shù)和接觸電阻檢測技術(shù)于一體，能夠完成電氣接插件在不同環(huán)境溫度和插拔速度等參數(shù)倍增工況下服役可靠性加速測試實驗，具有較好的教學(xué)實驗設(shè)備先進(jìn)性；

（3）該實驗系統(tǒng)還可以根據(jù)插拔力、接觸電阻和插針表面摩擦磨損形貌的演化觀測，開展接插件服役可靠性的數(shù)據(jù)分析和討論，能有效滿足大學(xué)生進(jìn)階型和高階型培養(yǎng)所需的實驗設(shè)備要求，具有較高的實驗和研究應(yīng)用價值。