機器人電氣接插件可靠性加速實驗系統設計

倪 敬，史 雨，何利華

（杭州電子科技大學 機械工程學院，浙江 杭州 310018）

1 工業機器人與電氣接插件

隨著智能制造行業的迅猛發展，工業機器人可靠性越來越受到國內外高等院校的重視[1-2]。工業機器人可靠性設計是一門理論性較強的專業性課程之一，課程實踐性教學環節必不可少。

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

圖1 工業機器人與電氣接插件

2 實驗系統工作原理與性能指標

2.1 實驗系統工作原理

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

（1）插拔驅動與負載感知系統工作原理。首先，PLC 通過高速輸出接口向伺服驅動器發送正向指令脈沖；然后，伺服驅動器根據脈沖的頻率和數量，驅動伺服電機拖動接插件公端（安裝于同步帶滑臺上）以設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 向伺服驅動器發送反向指令脈沖，實現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 實驗系統圖

（2）溫度PID 控制系統工作原理。首先，PLC 在一個控制周期內，通過熱電偶采集實時箱內溫度y(t)；然后，計算偏差值 e(t)=r(t)–y(t)，r(t)為設定值；最后，根據式（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溫度的恒值控制。

式中kp為比例參數，ki為積分參數，kd為微分參數。

（3）接插件性能評價系統工作原理。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行評價。首先，接插件在經歷n 次插拔實驗后，其插拔力降低到一定數值；其次，將接插件公端插針和母端插座取出，進行接觸電阻測量；然后，通過電子顯微鏡對接插件表面磨損情況進行觀測；最后，通過綜合三方面的數據，給出接插件的性能可靠性評價結果。

2.2 實驗系統的具體性能指標

本文設計的實驗系統主要性能指標如下：

（1）電氣接插件插拔力：0～50 N。

（2）環境溫度：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：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 接插件插拔驅動機構設計

接插件插拔驅動機構是本實驗系統的核心部件，是在普通同步帶滑臺的基礎上，附加伺服電動機構成。接插件插拔驅動機構如圖3 所示，主要是由接插件微動機構、接插件運動機構和伺服驅動機構組成。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。這種固定機構的設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、導軌、滑塊和安裝座組成接插件運動機構。這種導軌滑塊機構的設計有效地保證了公端和母端在插拔過程中的位置重復性。伺服電機、同步帶滑臺和撥叉構成伺服驅動機構。公端由伺服驅動機構通過撥叉撥動運動座，從而實現公端的正反方向驅動，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軌上。各元件的相關參數見表1。這樣，伺服電機可以通過同步帶滑臺實現驅動接插件公端和接插件母端的平穩插拔運動。

圖3 接插件插拔驅動機構原理圖

表1 元器件參數

4 實驗系統電氣控制設計

4.1 電氣系統設計

4.1.1 PLC 控制系統設計

根據實驗系統的加速測試需求，設計了如圖4 所示的PLC 控制系統。該系統主要是由觸摸屏（HMI）、PLC、AD 擴展模塊、DA 擴展模塊、伺服驅動器、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 進行通信，完成實驗參數（運動速度、實驗次數、運動位移）的設定；PLC通過與伺服驅動器的通信，實現對伺服電動機的控制；PLC 通過AD 擴展模塊實現對接插件插拔力（拉壓傳感器）和溫控箱溫度（熱電偶）的實時采集；PLC 通過DA 擴展模塊實現對加熱器的輸出功率控制。

圖4 PLC 控制系統

PLC 控制系統的硬件配置及相關具體參數如表2所示。

表2 PLC 控制系統硬件配置

4.1.2 伺服電機的驅動和控制回路設計

具體伺服電動機的驅動和控制回路設計如圖5 所示，主要由強電和弱電回路組成。強電回路經由空氣開關QF1 接入伺服驅動器R、S 端子，然后伺服驅動器輸出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。伺服驅動器控制回路由空氣開關QF2 連接伺服驅動器L1C和L2C端子實現；編碼器回路由伺服驅動器CN2 接口與伺服電機的編碼器連接而成；伺服驅動器控制回路由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計

根據實驗系統的設計要求，設計了如圖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傳感器與PLC 中AD 擴展模塊通道的連接，雙絞線的屏蔽層與AD 擴展模塊的相應通道接地端（FE）連接。

4.2 PLC 控制軟件設計

基于臺達WPLSoft 編程軟件，根據實驗系統的工作原理，接插件加速測試系統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設置模塊組成。

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

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

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

圖6 實驗系統模擬信號采樣與控制原理電路

圖7 系統自動控制流程圖

4.3 觸摸屏監控軟件設計

利用臺達觸摸屏DOPSoft 2.00.07 編程軟件平臺，根據PLC 控制軟件的設計思路，設計了相應的監控HMI軟件界面。該觸摸屏軟件設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設置界面。

（1）點動控制界面主要用于進行接插件插拔測試過程中的單個動作測試、數據顯示和狀態監控。

（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、數據顯示和狀態監控。

（3）自動控制界面主要用于系統自動運行過程中的數據顯示和狀態監控，圖8 是接插件自動插拔測試時的系統監控界面。

圖8 實驗系統自動控制監控界面

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

5 實驗設計

本實驗系統實物圖見圖9，本實驗系統占地面積僅有0.26 m2，結構緊湊，功能較多，可進行多項實驗。

圖9 實驗系統實物圖

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

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

（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，讓學生探索接插件的表面摩擦磨損與插拔力演化的相關聯系，鼓勵他們自行探究插拔力演化的原因，從而培養學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，從而培養學生的科學實驗精神。

（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行觀測，對比并測量不同插拔次數后插針表面磨損情況，用以解釋接觸電阻的變化趨勢，從而培養學生自我分析和解決問題的能力。

6 結語

本文所設計的工業機器人電氣接插件服役可靠性加速實驗系統具有以下的特色和創新之處：

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

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

（3）該實驗系統還可以根據插拔力、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據分析和討論，能有效滿足大學生進階型和高階型培養所需的實驗設備要求，具有較高的實驗和研究應用價值。