羅 軍

重鋼西昌礦業(yè)有限公司，四川西昌 615000

0 引言

隨著電子技術(shù)、機(jī)械加工技術(shù)、機(jī)床技術(shù)以及軟件技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了自動(dòng)裝配技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，逐漸替代低效率、高強(qiáng)度的手工勞動(dòng)，如工業(yè)化自動(dòng)生產(chǎn)線、自動(dòng)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(dòng)中解脫出來(lái)，保證了裝配工作的一致性和裝配質(zhì)量的穩(wěn)定性。目前，在自動(dòng)化裝配技術(shù)中，機(jī)械手和機(jī)床是兩種被廣泛使用的裝配形式，而使用機(jī)床的裝配技術(shù)更適于有高精度裝配要求的場(chǎng)合[1，2]。本文以Siemens 840D機(jī)床系統(tǒng)為例，介紹了使用機(jī)床構(gòu)造高精度裝配系統(tǒng)的原理，同時(shí)，在此構(gòu)造原理的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)的安全性進(jìn)行了深入的剖析，為盡早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)安全性隱患、完善系統(tǒng)設(shè)計(jì)起到了積極的作用。

1 組成原理

使用機(jī)床構(gòu)造裝配系統(tǒng)時(shí)，機(jī)床及其控制系統(tǒng)，如NC，工件定位工裝、抓取工裝、工件位置測(cè)量系統(tǒng)是系統(tǒng)的基本組成部分。其中，抓取工裝使用真空氣動(dòng)系統(tǒng)控制吸頭實(shí)現(xiàn)工件的抓取與放置；工件位置測(cè)量系統(tǒng)由高精度攝像頭和激光測(cè)距儀組成，實(shí)現(xiàn)工件的位置、偏心以及姿態(tài)測(cè)量。

840D NC是整個(gè)機(jī)床控制系統(tǒng)的核心，與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行通信，執(zhí)行用戶編寫(xiě)的裝配程序，對(duì)運(yùn)動(dòng)軸進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)既定的裝配線路和流程。

MMC為Siemens生產(chǎn)的人機(jī)交互界面，其使用MPI總線與840D NCU進(jìn)行通信，以Intel CPU作為基礎(chǔ)架構(gòu)，運(yùn)行Windows NT 4.0系統(tǒng)，為裝配人員提供編寫(xiě)裝配程序的接口，同時(shí)，可以調(diào)用編寫(xiě)的裝配程序，監(jiān)控系統(tǒng)中各種重要的信號(hào)。

PLC是840D機(jī)床系統(tǒng)的重要組成部分，具有控制功能強(qiáng)、可靠性高、使用靈活方便、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用與工業(yè)控制系統(tǒng)中。PLC被用于處理裝配系統(tǒng)外圍的各種I/O信號(hào)，包括各驅(qū)動(dòng)軸的參考點(diǎn)、參考點(diǎn)確認(rèn)、正限位，負(fù)限位、正超程、負(fù)超程、正向、負(fù)向、區(qū)域等信號(hào)，用于控制真空氣動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)吸頭進(jìn)行吸放控制，以控制工件的吸取或放置。同時(shí)，通過(guò)Siemens的CP341模塊，實(shí)現(xiàn)與測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行通信，發(fā)送測(cè)量任務(wù)，獲取測(cè)量結(jié)果，以實(shí)現(xiàn)工件的準(zhǔn)確放置。

在Siemens 840D中，NC與PLC通過(guò)雙端口RAM進(jìn)行通信，將各軸坐標(biāo)從NC傳入PLC，以便通知測(cè)量系統(tǒng)，PLC將系統(tǒng)關(guān)心的各軸狀態(tài)、壓力傳感器狀態(tài)、測(cè)量結(jié)果等數(shù)據(jù)傳輸?shù)絅C系統(tǒng)。

2 全性分析

2.1 壓力監(jiān)測(cè)

為了獲取可靠的壓力數(shù)據(jù)，避免因壓力傳感器故障導(dǎo)致裝配異常，每個(gè)壓力傳感器安裝有兩個(gè)應(yīng)力片，通過(guò)二次儀表采集壓力傳感器的數(shù)據(jù)，并傳入PLC系統(tǒng)，系統(tǒng)對(duì)主輔壓力傳感器的壓力差進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，超過(guò)用戶設(shè)定值時(shí)判斷壓力傳感器故障，通知NC系統(tǒng)及時(shí)停止裝配過(guò)程，同時(shí)，通過(guò)PLC系統(tǒng)對(duì)壓力狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，若30ms內(nèi)壓力狀態(tài)未得到更新，判斷壓力傳感器故障，而且，在裝配過(guò)程中，對(duì)壓力的突變情況進(jìn)行檢測(cè)，監(jiān)測(cè)壓力值是否超過(guò)用戶設(shè)定的最大值，避免因軸失控、過(guò)沖，導(dǎo)致工件損壞。為了盡最大可能地發(fā)現(xiàn)壓力監(jiān)測(cè)可能存在的安全性隱患，對(duì)其進(jìn)行故障樹(shù)分析.

2.2 軸位置監(jiān)控

為了確保裝配精度，避免因硬件異常情況導(dǎo)致期望的軸位移與實(shí)際位移量不一致，在被驅(qū)動(dòng)軸上安裝了二級(jí)編碼，以反映被驅(qū)動(dòng)軸的實(shí)際位移，通過(guò)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)或模擬控制模塊返回到NC控制系統(tǒng)，系統(tǒng)通過(guò)MMC上的二次開(kāi)發(fā)，對(duì)電機(jī)編碼和二級(jí)編碼進(jìn)行比較，超過(guò)用戶設(shè)定值時(shí)，利用PLC通知NC系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)報(bào)警并終止裝配過(guò)程。

2.3 限位及原點(diǎn)報(bào)警信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)

基于軸運(yùn)動(dòng)的安全性控制需要，避免軸過(guò)量運(yùn)動(dòng)碰撞機(jī)床硬件，在軸的運(yùn)動(dòng)線路上安裝了用于檢測(cè)正限位、負(fù)限位、正超程、負(fù)超程的接近開(kāi)關(guān)，同時(shí)，為了確保系統(tǒng)各軸準(zhǔn)確回原點(diǎn)，安裝了用于檢測(cè)參考點(diǎn)、參考點(diǎn)確認(rèn)信號(hào)的接近開(kāi)關(guān)，系統(tǒng)利用PLC軟件實(shí)時(shí)檢測(cè)以上軸安全控制信號(hào)，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)提示用戶并報(bào)警，終止機(jī)床運(yùn)行。

2.4 保護(hù)爪及真空吸具狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

為了保護(hù)工件在搬移過(guò)程中的安全，系統(tǒng)以PLC作為控制，控制壓縮泵，驅(qū)動(dòng)保護(hù)爪，保護(hù)工件在搬移過(guò)程中的安全。為此，在工件抓取、放置或搬運(yùn)過(guò)程中，需要對(duì)保護(hù)爪、真空吸具的狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在抓取工件時(shí)，確保在抓取工件之前保護(hù)爪可靠打開(kāi)，在工件有效吸取后保護(hù)爪可靠閉合。在放置工件時(shí)，確保在用戶期望的位置保護(hù)爪可靠打開(kāi)，在工件放置后，確保真空吸具可靠釋放。在搬運(yùn)工件的過(guò)程中，確保保護(hù)爪一直處于閉合狀態(tài)、真空吸具一直處于吸合狀態(tài)。發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)提醒用戶并報(bào)警，終止機(jī)床運(yùn)行，保持機(jī)床的當(dāng)前狀態(tài)。

2.5 測(cè)量系統(tǒng)安全性檢測(cè)

為了保證裝配過(guò)程的安全性，在控制系統(tǒng)搬移、抓取、放置工件的過(guò)程中，必須實(shí)時(shí)檢測(cè)測(cè)量系統(tǒng)的攝像頭、激光測(cè)距儀是否位于安全位置，在進(jìn)行工件位置、偏心以及姿態(tài)測(cè)量時(shí)，必須保證工件或工件抓取工裝不碰撞到測(cè)量系統(tǒng)的攝像頭和激光測(cè)距儀。

3 結(jié)論

以Siemens 840D機(jī)床為主體，結(jié)合壓力傳感器、真空泵、壓縮泵以及測(cè)量系統(tǒng)高精度攝像頭、激光測(cè)距儀的使用，構(gòu)造了高精度、安全、可靠、穩(wěn)定的工件裝配系統(tǒng)。在此框架上，結(jié)合系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，即NC、PLC、MMC二次開(kāi)發(fā)，對(duì)系統(tǒng)的安全性進(jìn)行了深入剖析.對(duì)相應(yīng)環(huán)節(jié)進(jìn)行了故障樹(shù)分析，保證了整個(gè)裝配系統(tǒng)的安全性和可靠性，該方案及其安全性分析結(jié)果在實(shí)際工程項(xiàng)目中得到了廣泛的應(yīng)用。

[1]陳亞菊，尹玉生.XK2420×160數(shù)控龍門銑鏜床裝配新技術(shù)[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2011(3).

[2]方坤禮，蔣曉英.基于實(shí)例推理的機(jī)床專用夾具虛擬裝配技術(shù)[J].機(jī)電工程，2009，26(8).