機電一體化裝配系統安全性

羅 軍

重鋼西昌礦業有限公司，四川西昌 615000

0 引言

隨著電子技術、機械加工技術、機床技術以及軟件技術的發展，促進了自動裝配技術在各個領域的應用，逐漸替代低效率、高強度的手工勞動，如工業化自動生產線、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量的穩定性。目前，在自動化裝配技術中，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機床系統為例，介紹了使用機床構造高精度裝配系統的原理，同時，在此構造原理的基礎上，對系統的安全性進行了深入的剖析，為盡早發現系統安全性隱患、完善系統設計起到了積極的作用。

1 組成原理

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

840D NC是整個機床控制系統的核心，與驅動系統進行通信，執行用戶編寫的裝配程序，對運動軸進行控制，實現既定的裝配線路和流程。

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

PLC是840D機床系統的重要組成部分，具有控制功能強、可靠性高、使用靈活方便、易于擴展等優點，被廣泛應用與工業控制系統中。PLC被用于處理裝配系統外圍的各種I/O信號，包括各驅動軸的參考點、參考點確認、正限位，負限位、正超程、負超程、正向、負向、區域等信號，用于控制真空氣動系統，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，實現與測量系統進行通信，發送測量任務，獲取測量結果，以實現工件的準確放置。

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，PLC將系統關心的各軸狀態、壓力傳感器狀態、測量結果等數據傳輸到NC系統。

2 全性分析

2.1 壓力監測

為了獲取可靠的壓力數據，避免因壓力傳感器故障導致裝配異常，每個壓力傳感器安裝有兩個應力片，通過二次儀表采集壓力傳感器的數據，并傳入PLC系統，系統對主輔壓力傳感器的壓力差進行實時計算，超過用戶設定值時判斷壓力傳感器故障，通知NC系統及時停止裝配過程，同時，通過PLC系統對壓力狀態進行實時檢測，若30ms內壓力狀態未得到更新，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，監測壓力值是否超過用戶設定的最大值，避免因軸失控、過沖，導致工件損壞。為了盡最大可能地發現壓力監測可能存在的安全性隱患，對其進行故障樹分析.

2.2 軸位置監控

為了確保裝配精度，避免因硬件異常情況導致期望的軸位移與實際位移量不一致，在被驅動軸上安裝了二級編碼，以反映被驅動軸的實際位移，通過驅動系統或模擬控制模塊返回到NC控制系統，系統通過MMC上的二次開發，對電機編碼和二級編碼進行比較，超過用戶設定值時，利用PLC通知NC系統，實現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，同時，為了確保系統各軸準確回原點，安裝了用于檢測參考點、參考點確認信號的接近開關，系統利用PLC軟件實時檢測以上軸安全控制信號，發現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實時監測

為了保護工件在搬移過程中的安全，系統以PLC作為控制，控制壓縮泵，驅動保護爪，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、真空吸具的狀態實時監測。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、真空吸具一直處于吸合狀態。發現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。

2.5 測量系統安全性檢測

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

3 結論

以Siemens 840D機床為主體，結合壓力傳感器、真空泵、壓縮泵以及測量系統高精度攝像頭、激光測距儀的使用，構造了高精度、安全、可靠、穩定的工件裝配系統。在此框架上，結合系統軟件設計，即NC、PLC、MMC二次開發，對系統的安全性進行了深入剖析.對相應環節進行了故障樹分析，保證了整個裝配系統的安全性和可靠性，該方案及其安全性分析結果在實際工程項目中得到了廣泛的應用。

[1]陳亞菊，尹玉生.XK2420×160數控龍門銑鏜床裝配新技術[J].制造技術與機床，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[J].機電工程，2009，26(8).