機電一體化集成裝配裝置安全性分析與措施

趙璟妮

[摘要]隨著現代制造技術的不斷發展，社會生產力得到了極大提高。零件的制造加工、金屬的成型等日益實現自動化。對于適應中小批量生產。高質量、高效率、高秉性的機電一體化裝配系統的研究與開發，對適應自動裝配的新產品設計途徑，對未來工業發展有著特殊的重要意義。對機電一體化集成裝配裝置安全性分析及措施進行研究。

[關鍵詞]機電一體化集成裝配裝置安全性措施

中圖分類號：TM92文獻標識碼：A文章編號：1671—7597(2009)1020154--01

隨著人們對現代工業產品質量的要求越來越高，產品的可靠性已經廣泛地被人們所重視，尤其在軍用裝備中，可靠性被作為一項衡量產品質量的必不可少的重要技術指標。本文的研究對象帆電一體化集成裝配裝置主要由機械本體、控制系統、工控機測量系統、力傳感器系統、真空系統和氣動系統及工裝等組成。控制系統采用西門子840D~FM—NC數控系統來控制7個數字軸和2個模擬軸，其中840D系統控制7個數字軸(x、Y、z、c1、c2、c3、w軸)的運動和處理力傳感器的快速響應及相關實時控制，以及和工控機測量系統間的通訊和協調控制。FM-NC系統控制2個模擬軸(wl、w2軸)的運動，實現調姿機構的運動控制，從而達到對待裝配工件的姿態調整。

一、機電一體化集成裝配置的可靠性

從應用的角度，把可靠性分為固有可靠性和使用可靠性。固有可靠性用于描述產品的設計和制造的可靠性水平；使用可靠性用于描述產品在計劃的環境中使用的可靠性水平。

從設計的角度，把可靠性分為基本可靠性和任務可靠性。基本可靠性是指產品在規定的條件下，無故障的持續時間或概率。它考慮要求保障的所有故障的影響，用于描述產品無需保障的工作能力，包括與維修和供應有關的可靠性。反映了產品對維修人力、維修資源的要求。任務可靠性則是產品在規定的任務剖面內完成規定功能的能力。它考慮造成任務失敗的故障影響，用于描述產品完成任務的能力，反映了產品對任務成功性的要求。在機電一體化集成裝配裝置中，由于被裝配產品的特殊性，要求在任何時候都必須保證產品裝配任務安全、可靠地完成，所以在進行設計時，任務可靠性將是最重要的。

可靠性分析的目的主要是為了提高系統的可靠性，因此，必須對系統及其組成單元的故障進行詳細的分析。在進行故障分析時，最常用的方法就是采用故障模式影響分析和故障樹分析。

二、安全性分析及措施

在自動裝配裝置中，安全性問題主要從兩方面考慮：一方面是人(操作者)的安全：另一方面是被裝配工件或產品的安全。對于人的安全主要靠警示語和嚴格按操作規程執行來保證。對于工件或產品的安全通常是由于電氣控制系統的誤動作造成的。本文將主要針對工件或產品的安全性進行分析。對于電氣控制系統的誤動作，一方面靠裝置電氣控制系統設計的完善，另一方面在設計電氣控制系統時，應采取預防誤動作的防護措施。通常當系統的任務可靠性提高了，其安全性也必然提高。

在裝配裝置中，可能存在的工件或產品的安全性問題有：工件或產品跌落和碰撞擠壓。在吸起階段，導致工件或產品跌落的原因有：(1)意外斷電，真空泵停機：(2)吸盤或真空氣路泄漏。針對意外斷電所采取的措施是，在氣路上設計了容量一定的真空罐，增大了真空腔。經過試驗驗證，在工件吸取后(真空度68KPa)吊在空中，關閉真空泵，模擬意外斷電，工件仍能在吸具上保持30～40分鐘(不同工件略有不同)。

針對吸盤或真空氣路泄漏所采取的措施是，從工裝設計方面考慮，在真空吸盤吸起工件到裝配前的運動過程中，由保護氣動手爪來保護工件，以防止跌落。從控制系統設計方面考慮，在工件吸起過程中，系統不執行后續的程序，而進行雙路檢測靠近吸盤端的真空度，只有兩個信號都檢測到后，系統才認為工件已可靠吸附，才能啟動后續程序，控制相應的軸運動；工件在運動過程中，一旦真空度低于預設值，控制系統便以聲音和信息提示報警：對保護氣動手爪的張開和閉合控制是通過氣缸來執行的，在缸上有兩個檢測元件來檢測手爪所處的狀態，當產品吸附后，控制手爪閉合，暫停執行后續程序，只有系統檢測到兩個檢測元件都指示手爪已閉合的狀態，方可啟動后續程序，控制軸的運動，手爪的狀態不變，除非有手爪張開的指令。另外，從管理方面考慮，定期對吸盤進行更換，定期對真空氣路進行檢查和工件裝配前做好工件的吸附試驗。導致工件或產品碰撞擠壓的原因較多，通常有如下幾種情況。

1、在裝配過程中，由于測量系統軟、硬件故障，測量與控制系統間的數據傳輸錯誤以及操作人員對測量界面的操作不正確，致使工件參數的測量不準確，而控制系統產生錯誤的校正。針對此種情況，首先，測量數據處理算法采用成熟算法，并在調試階段進行反復驗證；其次，測量和控制系統間采用工業標準的3964(R)通訊協議進行數據傳輸，同時控制系統對接收的數據進行經驗判定，對出現異常的數據不予處理：再次，測量用激光傳感器采用高品質的高精度的傳感器和采取良好的抗干擾措施來消除一些隨機因素對傳感器進行數據采集結果的影響，同時在數據處理時增加抗干擾措施及其判斷，采用按其使用壽命定期更換，并在使用期內定期檢驗等方法；最后，采取嚴格的操作流程，在軟件中設計避免誤操作的條件限制，同時對測量結果值結合經驗值進行校核，對異常結果值不予執行，盡量杜絕人為誤操作引起的安全性問題。

2、在裝置主體z軸運動，進行工件抓取的過程中，因z軸運動失控，而發生定位工裝與工件發生碰撞和擠壓，其碰撞和擠壓的嚴重程度與z軸所處的位置和失控的距離有關，同樣，對于產品加載過程中，由于w軸運動失控，也會對產品產生擠壓。此種情況與控制系統工作的可靠性緊密相關，采取的措施是：控制系統硬件采用廣泛應用于數控加工設備的西門予840D數控系統，構成該系統的CNC數控裝置、PLC、伺服驅動系統、伺服電機、輸入／輸出模塊等也完全選用西門子的配套產品，這些產品都是按照相關的工業標準進行了嚴格的電磁兼容測試，產品在國內外已得到廣泛應用，其本身的質量，已經得到用戶的廣泛認同。

3、完成工件的吸取和釋放是通過x、Y、z軸運動，完成工件的加載是通過w軸的運動，但各軸運動的實際位置坐標是通過參數來設定的，如果運動軸在每次開機時回參考點不準確，將導致工件承受較大的擠壓力或碰撞，甚至壓壞力傳感器。針對此種情況，在硬、軟件設計中，增加軸回參考點的檢測確認信號，以及力傳感器的超程信號。對力傳感器系統的選用，要求能實時給出傳感器系統工作不正常的信號，以便能隨時停止軸的運動，并且在裝配前，對傳感器進行檢查，以確定其正常工作。