機(jī)械裝配裝置電氣控制系統(tǒng)的優(yōu)化及數(shù)控參數(shù)的調(diào)整

白益文

（山西省輕工建設(shè)有限責(zé)任公司， 山西 太原 030012）

引言

近年來(lái)，隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，社會(huì)生產(chǎn)力得到明顯提升。對(duì)于零件而言，在機(jī)械設(shè)備自動(dòng)化水平和智能化水平的支撐下，其制造業(yè)已經(jīng)逐步進(jìn)入自動(dòng)化時(shí)代。但是，對(duì)于一個(gè)完整的機(jī)械設(shè)備或者大部件而言，其生產(chǎn)效率和質(zhì)量在很大程度上受制于其組成零部件的裝配效率和質(zhì)量[1]。也就是說(shuō)，機(jī)械制造水平和裝配水平差距較大，制約了整個(gè)機(jī)械制造行業(yè)的發(fā)展。因此，實(shí)現(xiàn)機(jī)械制造行業(yè)的全自動(dòng)化對(duì)降低行業(yè)的制造水平，降低生產(chǎn)成本，并保證最終制造并組裝產(chǎn)品的質(zhì)量具有重要意義。本文著重對(duì)機(jī)械裝配電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)其裝配系統(tǒng)的數(shù)控參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以提高機(jī)械制造行業(yè)的裝配效率。

1 機(jī)械裝配裝置概述

機(jī)械裝配裝置的主要組成部分包括有機(jī)械本體、控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)以及啟動(dòng)系統(tǒng)等。機(jī)械裝配裝置控制系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 機(jī)械裝配控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

機(jī)械裝配控制系統(tǒng)根據(jù)所裝配零部件的不同均按照如下順序完成裝配。具體順序如下：吸具退出—吸取待裝配的零件—根據(jù)待裝配零部件的位置關(guān)系對(duì)其姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果移動(dòng)裝配零件至指定位置，釋放待裝配零件。根據(jù)機(jī)械裝配系統(tǒng)的動(dòng)作先后次序及原理為其配置相應(yīng)的數(shù)控系統(tǒng)，為保證后期各個(gè)模塊維護(hù)便捷性和成本，采用模塊化設(shè)計(jì)理念對(duì)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括有人機(jī)界面系統(tǒng)、840D 數(shù)控系統(tǒng)和FM-NC 數(shù)控系統(tǒng)。其中，840D 為機(jī)械裝配系統(tǒng)的主控制系統(tǒng)，其主要完成系統(tǒng)各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)控制與上位機(jī)、FM-NC 系統(tǒng)和相關(guān)傳感器的通信外，還對(duì)整個(gè)裝配過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。

當(dāng)前機(jī)械裝配裝置控制系統(tǒng)在實(shí)際裝配過(guò)程中存在安全隱患，而且裝配所得產(chǎn)品存在一定的誤差[2]。因此，本文將從電氣系統(tǒng)改進(jìn)著手提高機(jī)械裝配裝置的可靠性和裝配精度。

2 電氣控制系統(tǒng)的優(yōu)化及改進(jìn)

本節(jié)擬通過(guò)對(duì)機(jī)械裝配裝置電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以提升裝配裝置的可靠性和安全性，使其對(duì)應(yīng)的硬件結(jié)構(gòu)更加緊湊，控制更加便捷?？傮w優(yōu)化改進(jìn)思路如下：

1）針對(duì)提高電氣控制系統(tǒng)的可靠性，擬采用冗余設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)；

2）針對(duì)提高電氣控制系統(tǒng)的安全性，擬通過(guò)增加相應(yīng)的檢測(cè)系統(tǒng)保證，并為其配置相應(yīng)的軟件系統(tǒng)，豐富故障診斷和報(bào)警功能；

3）為實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配裝置的便捷控制，對(duì)原先兩套控制系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，在降低軟件開(kāi)發(fā)難度的同時(shí)，提高控制程序的靈活性；同時(shí)，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化還可避免兩套控制系統(tǒng)通訊時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

本節(jié)將從電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩方面詳細(xì)闡述具體優(yōu)化改進(jìn)方案。

2.1 電氣系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)

針對(duì)電氣系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)著重對(duì)提升裝配裝置氣動(dòng)手爪和真空吸具的可靠性和安全性對(duì)其電氣系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。為解決真空吸具和氣動(dòng)手爪的誤動(dòng)作，采用雙模塊輸出對(duì)真空吸具和氣動(dòng)手爪進(jìn)行控制，以提高其可靠性；為進(jìn)一步提升真空吸具和氣動(dòng)手爪的安全性，對(duì)兩部件采用混合并聯(lián)冗余設(shè)計(jì)對(duì)其進(jìn)行控制[3]。

針對(duì)真空吸具和氣動(dòng)手爪電氣系統(tǒng)可靠性和安全性的優(yōu)化改進(jìn)如圖2 所示。

圖2 基于雙模塊輸出和冗余設(shè)計(jì)改進(jìn)電氣系統(tǒng)

此外，對(duì)于機(jī)械裝配裝置而言其中涉及了高電壓、大電流的電力電氣設(shè)備，在實(shí)際工作時(shí)由于線路中大電流以及電磁等均會(huì)對(duì)電氣系統(tǒng)的控制精度造成干擾。為此，對(duì)原機(jī)械裝配裝置電氣系統(tǒng)采用常規(guī)的屏蔽技術(shù)、接地技術(shù)以及濾波技術(shù)提升系統(tǒng)內(nèi)部的抗干擾能力。具體操作如下：

1）系統(tǒng)內(nèi)部的電纜均對(duì)其進(jìn)行屏蔽處理，在阻隔其他線路干擾的同時(shí)，也避免其對(duì)其他線路的干擾；

2）為裝配裝置設(shè)置虛擬地并形成一個(gè)電流回路實(shí)現(xiàn)接地，包括保護(hù)地線、工作地線和屏蔽接地。其中，針對(duì)屏蔽接地與電纜的屏蔽層聯(lián)合應(yīng)用，即將電纜的屏蔽層匯聚為一條線與接地銅排連接；

3）基于濾波技術(shù)主要對(duì)電氣系統(tǒng)中的電磁噪聲問(wèn)題進(jìn)行解決；除此之外，為電氣系統(tǒng)配置抑制器對(duì)元器件之間的浪涌問(wèn)題進(jìn)行解決。

2.2 控制系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)

針對(duì)機(jī)械裝配裝置采用兩套控制系統(tǒng)分別對(duì)數(shù)字伺服軸和模擬伺服軸控制時(shí)存在的兩套控制系統(tǒng)通訊容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，且對(duì)應(yīng)軟硬件結(jié)構(gòu)均相對(duì)復(fù)雜的問(wèn)題，對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化改造[4]?？傮w優(yōu)化改進(jìn)思路為將原來(lái)840D 和FM-NC 的兩套數(shù)控系統(tǒng)簡(jiǎn)化為基于ANA 模塊的840D 控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 基于ANA 模塊對(duì)840D 控制系統(tǒng)改進(jìn)后結(jié)構(gòu)圖

如圖3 所示，基于ANA 模塊840D 數(shù)控模塊對(duì)機(jī)械裝配裝置進(jìn)行改進(jìn)后主要特點(diǎn)在于采用ANA模塊替代原FM-NC 數(shù)控模塊對(duì)模擬伺服軸進(jìn)行控制。經(jīng)實(shí)踐表明，基于ANA 模塊對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)后對(duì)應(yīng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，更加緊湊；經(jīng)優(yōu)化改進(jìn)后的一套控制系統(tǒng)解決原兩套控制系統(tǒng)信號(hào)處理以及信號(hào)傳輸所導(dǎo)致的控制延時(shí)問(wèn)題，特別需要注意的是由于避免了兩套控制系統(tǒng)的通訊問(wèn)題，從而消除了由于通訊所導(dǎo)致的故障。

因此，基于ANA 模塊對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)后大大提升了系統(tǒng)的可靠性和安全性。

3 機(jī)械裝配裝置數(shù)控參數(shù)的調(diào)整

對(duì)機(jī)械裝配裝置數(shù)控系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)分別進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化后，為保證改進(jìn)后控制系統(tǒng)能夠按照預(yù)定要求對(duì)裝配過(guò)程進(jìn)行控制，還需對(duì)其數(shù)控參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，主要對(duì)PLC 控制器中的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，具體調(diào)整步驟如下：

1）將原PLC 控制器及對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)中的數(shù)據(jù)擦除；

2）根據(jù)機(jī)械裝配裝置控制要求對(duì)PLC 控制器中的參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)置，對(duì)改進(jìn)后控制系統(tǒng)的特殊功能進(jìn)行添加，重新對(duì)裝配裝置的定位精度檢測(cè)進(jìn)行設(shè)置[5]。

3.1 數(shù)據(jù)的清除

對(duì)于PLC 控制器中參數(shù)的重設(shè)需經(jīng)歷如下步驟:將控制系統(tǒng)的PLC 控制器電源關(guān)閉，即將開(kāi)關(guān)打至“STOP”的擋位；將PLC 控制器電源打開(kāi)，將開(kāi)關(guān)打至“MRES”的擋位，待“STOP”燈重新亮起后，松開(kāi)“MRES”檔位，反復(fù)操作完成PLC 控制器參數(shù)的清除工作。

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床中參數(shù)的重設(shè)需經(jīng)歷如下步驟：將標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床關(guān)閉，同時(shí)將標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床硬件開(kāi)關(guān)打至“1”的位置；將標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床開(kāi)機(jī)，待裝配裝置數(shù)控系統(tǒng)正常啟動(dòng)后，將標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床硬件開(kāi)關(guān)打至“0”的位置，至此完成標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床參數(shù)的清除工作。

3.2 數(shù)控系統(tǒng)精度檢測(cè)的調(diào)整

對(duì)于機(jī)械裝配裝置在實(shí)際操作過(guò)程中的誤差檢測(cè)主要通過(guò)雙頻激光干涉儀完成。在實(shí)際裝配過(guò)程中由于不同設(shè)備及部件的裝配允許誤差不同，故需根據(jù)實(shí)際裝配對(duì)象對(duì)精度進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于改進(jìn)后裝配裝置數(shù)控系統(tǒng)的精度而言，采用螺距的補(bǔ)償功能對(duì)其可達(dá)到的精度進(jìn)行調(diào)整。具體精度檢測(cè)調(diào)整步驟如下：

1）啟動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)中的螺距誤差補(bǔ)償測(cè)試程序，并采用雙頻激光干涉儀對(duì)當(dāng)前數(shù)控系統(tǒng)螺距誤差的具體值進(jìn)行檢測(cè)；

2）根據(jù)所測(cè)定的具體誤差數(shù)值寫入螺距誤差補(bǔ)償程序中，啟動(dòng)螺距誤差補(bǔ)償程序，從而完成對(duì)機(jī)械裝配裝置數(shù)控系統(tǒng)誤差的檢測(cè)和調(diào)整。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)制造業(yè)水平的不斷發(fā)展與進(jìn)步，目前針對(duì)多種特種零件的加工技術(shù)已經(jīng)取得了關(guān)鍵突破；同時(shí)，制造設(shè)備自動(dòng)化水平的不斷提升也大大提高了零件的加工效率。但是，對(duì)于一個(gè)設(shè)備而言，還需對(duì)加工好的零件進(jìn)行裝配，也就是說(shuō)零件裝配的質(zhì)量和效率在很大程度上決定了設(shè)備的質(zhì)量和加工速度。針對(duì)當(dāng)前機(jī)械裝配裝置可靠性低、裝配誤差大以及安全性低的問(wèn)題，基于雙模塊輸出和冗余設(shè)計(jì)改進(jìn)電氣系統(tǒng)，基于ANA 模塊對(duì)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化改造；此外，還對(duì)改進(jìn)后數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行重設(shè)，對(duì)改進(jìn)后裝配裝置誤差進(jìn)行重新調(diào)整設(shè)定。

總的來(lái)說(shuō)，為機(jī)械裝配裝置電氣控制系統(tǒng)增加相應(yīng)的冗余設(shè)計(jì)、屏蔽設(shè)計(jì)等理念，并將原有的兩個(gè)獨(dú)立的控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化為一個(gè)控制系統(tǒng)，大大簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，解決了原來(lái)兩個(gè)控制系統(tǒng)通訊故障的問(wèn)題，從根本上提升了機(jī)械裝配裝置的可靠性和安全性。