倪 敬，任 旭，毋少峰

（杭州電子科技大學機械工程學院，杭州310018）

0 引 言

隨著智能制造業(yè)的發(fā)展，機器人專業(yè)得到了高校越來越多的青睞。同時，機器人相關(guān)的大學生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)也得到了重視［1-3］。其中，機器人可靠性設(shè)計是一個涉及機械、材料和自動控制等多學科交叉的難題，具有專業(yè)性強、理論性強、研究內(nèi)容廣等特點，對教學實驗平臺的需求尤其強烈。然而，現(xiàn)有教學實驗平臺由于存在各種問題，如不夠?qū)I(yè)化、實驗內(nèi)容單一、學科串聯(lián)度低等［4-5］，并不能滿足實驗教學需要。

本文結(jié)合機器人線纜服役可靠性［6-10］難題，設(shè)計了一種基于PLC控制的工業(yè)機器人線纜服役可靠性加速實驗系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)以工業(yè)PLC為控制核心，結(jié)合機電伺服驅(qū)動技術(shù)［13］、摩擦負載傳感技術(shù)［14］和張力傳感技術(shù)等技術(shù)，同時，嵌入了服役可靠性加速測試方法、顯微觀測方法［15］和摩擦磨損評價方法，故可以實現(xiàn)可靠性理論、自動控制理論、機電一體化技術(shù)和同步驅(qū)動理論在此實驗系統(tǒng)上的有機結(jié)合，可以實現(xiàn)多學科綜合性實驗的教學目的。

1 實驗系統(tǒng)工作原理與性能指標

以如圖1所示的工業(yè)機器人為研究對象，針對其使用的線纜可靠性研發(fā)實驗系統(tǒng)。

圖1 工業(yè)機器人與機器人線纜

1.1 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由線纜互磨驅(qū)動部分、線纜摩擦負載感知部分、環(huán)境溫度控制部分和線纜磨損表面形貌觀測部分構(gòu)成。

圖2 實驗系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

實驗系統(tǒng)的具體工作原理如下所述：

（1）線纜互磨驅(qū)動與負載感知部分工作原理。如圖3所示，包含線纜1的運動線纜機構(gòu)；包含線纜2的固定線纜機構(gòu)。實驗時，首先，PLC向伺服驅(qū)動器發(fā)送正向指令脈沖，驅(qū)動伺服電動機拖動運動線纜機構(gòu)（安裝于同步帶滑臺上）產(chǎn)生與固定線纜機構(gòu)的正向相對運動，完成兩線纜的正向摩擦運動；然后，PLC向伺服驅(qū)動器發(fā)送反向指令脈沖，以驅(qū)動伺服電動機拖動運動線纜機構(gòu)產(chǎn)生反向相對運動，完成兩線纜的反向摩擦運動，依次往復，完成實驗。試驗中，線纜1、2的張力分別由各自拉力傳感器采集，兩者之間的正壓力由配重箱內(nèi)配重調(diào)定，摩擦負載由壓力傳感器實時采集。

圖3 線纜互磨驅(qū)動與負載感知部分工作原理示意圖

（2）溫度PID控制系統(tǒng)工作原理。如圖2所示，本實驗系統(tǒng)用到的一個典型的恒值溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)，其工作過程是，PLC在一個控制周期內(nèi)通過熱電偶采集實時箱內(nèi)溫度y（t）后，計算偏差值e（t）＝r（t）-y（t），再根據(jù)下式獲得控制量

由PLC的DA模塊輸出到加熱器，從而完成對溫控箱內(nèi)溫度的恒值控制。式中：kp是比例參數(shù)；ki為積分參數(shù)；kd為微分參數(shù)。

（3）線纜服役性能評價系統(tǒng)工作原理。本系統(tǒng)采用摩擦負載和顯微表面形貌觀測兩種方法對線纜服役性能進行綜合評價。當兩線纜的摩擦負載升高到設(shè)定數(shù)值后，記錄兩者經(jīng)歷的互磨次數(shù)n；然后，將兩線纜取出，通過電子顯微鏡觀測兩者表面磨損情況，并記錄其表面磨損形狀尺寸；最后，綜合評定互磨次數(shù)n與表面磨損情況，給出線纜服役性能的評價結(jié)果。

1.2 實驗系統(tǒng)的具體性能指標

根據(jù)此工業(yè)機器人線纜服役可靠性加速實驗系統(tǒng)的設(shè)計，本實驗系統(tǒng)的主要性能指標如下：①互磨線纜正負荷0～25 kg；② 線纜張緊力0～20 kg；③ 環(huán)境溫度0～70℃；④線纜互磨最大速度100 mm/s；⑤ 線纜互磨接觸長度0～50 mm；⑥ 電子顯微放大倍數(shù)1 000×。

2 線纜互磨伺服驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計

線纜互磨伺服驅(qū)動機構(gòu)如圖4所示，是本實驗系統(tǒng)的核心部件，主要是由運動線纜機構(gòu)、固定線纜機構(gòu)和伺服驅(qū)動機構(gòu)組成。其中，運動線纜機構(gòu)由2件導軌、4件滑塊、下固定板、線纜、4件抱箍、2件導向輪、拉力傳感器和2件線纜張緊器組成。這里采用導軌滑塊機構(gòu)，有效地保證了線纜在互磨過程中互磨位置的重復性。

圖4 線纜互磨驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

固定線纜機構(gòu)由配重箱（圖中未顯示）、上固定板、4件直線軸承、4件導向柱、線纜、4件抱箍、2件導向輪、線纜張力傳感器和2件線纜張緊器組成，線纜張力傳感器位于線纜與線纜張緊器之間。這里采用四柱導向結(jié)構(gòu)，有效地保證了線纜之間正壓力的施加。另外，通過調(diào)整上固定板上方配重箱的重量，可以調(diào)整線纜之間的正壓力。

電伺服驅(qū)動機構(gòu)由伺服電動機、同步帶滑臺、拖動撥叉和2件摩擦負載傳感器組成。其中，拖動撥叉通過壓縮左右2個摩擦負載傳感器將運動傳遞給運動線纜機構(gòu)，以傳遞電伺服驅(qū)動機構(gòu)所輸出的直線運動，進而實現(xiàn)線纜互磨運動。

根據(jù)上述線纜互磨伺服驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計，其主要的元器件選型如表1所示。

表1 線纜互磨伺服驅(qū)動機構(gòu)主要元器件參數(shù)表

3 實驗系統(tǒng)電氣控制設(shè)計

3.1 電氣系統(tǒng)設(shè)計

（1）電氣原理設(shè)計。根據(jù)實驗系統(tǒng)的驅(qū)動、溫控及測試需求，本教學實驗臺電氣系統(tǒng)的設(shè)計如圖5所示，為PLC控制系統(tǒng)。

此系統(tǒng)主要由觸摸屏（HMI），PLC主機，伺服驅(qū)動器，伺服電動機，AD擴展模塊，擴展模塊DVP06XAE2，線纜張力傳感器、摩擦負載傳感器、溫度傳感器和加熱器等組成。其中，人機交互HMI通過RS-485通信電纜與CPU進行通信，實現(xiàn)互磨實驗參數(shù)（運動速度、實驗次數(shù)和運動位移等）的設(shè)定；PLC主機通過高速脈沖信號輸出口與伺服驅(qū)動器連接口CN1通信，將實驗的脈沖信號傳輸?shù)津?qū)動器；伺服驅(qū)動器通過位置檢測接口CN2與伺服電動機上的編碼器通信，進行位置環(huán)的反饋；CPU通過COM1接口實現(xiàn)與上位PC機通信，完成控制程序下載和系統(tǒng)驅(qū)動過程數(shù)據(jù)交流；PLC主機通過AD擴展模塊對摩擦負載和溫控箱溫度的實時采集，通過DA擴展模塊對加熱器的輸出功率控制。具體實驗系統(tǒng)的硬件配置如表2所示。

圖5 實驗系統(tǒng)控制原理圖

表2 實驗系統(tǒng)PLC系統(tǒng)硬件配置

（2）伺服電動機的驅(qū)動與控制回路設(shè)計。本系統(tǒng)中，伺服電動機驅(qū)動與控制回路設(shè)計如圖6所示，由控制信號回路和主驅(qū)動回路組成。主驅(qū)動回路起始于雙相交流電源L1和L2，經(jīng)由總體空氣開關(guān)QF1連接到伺服電動機驅(qū)動器交流電輸入端子（R、S、T）上，經(jīng)由伺服電動機驅(qū)動器U、V、W端子輸出接入伺服電動機的三相繞組中。同時，交流電源L1和L2通過QF2連接驅(qū)動器L1C和L2C端子，為驅(qū)動器供電。信號控制回路主要由元件供電回路、編碼器回路、PLC控制脈沖回路組成。編碼器回路由伺服驅(qū)動器CN2接口與伺服電動機的編碼器連接而成；PLC控制脈沖回路由伺服驅(qū)動器通過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。

（3）模擬信號采集回路設(shè)計。根據(jù)實驗系統(tǒng)的采集及溫控功能的設(shè)計要求，設(shè)計如圖7所示的摩擦負載、線纜張力、溫度和加熱器模擬信號采樣與控制回路圖。

圖6 伺服電動機的驅(qū)動與控制回路原理圖

圖7 實驗系統(tǒng)模擬信號采集原理設(shè)計

在模擬信號輸入端，采用屏蔽雙絞線實現(xiàn)傳感器與PLC擴展模塊中AD通道的連接。雙絞線的屏蔽層與AD通道的接地端（FE）連接，以保證模擬信號的可靠傳輸。

3.2 PLC控制軟件設(shè)計

基于臺達WPLSoft編程軟件，根據(jù)實驗系統(tǒng)的工作原理，結(jié)合線纜服役加速測試過程設(shè)計了PLC控制軟件。

（1）點動控制模塊。系統(tǒng)的最底層模塊，提供了點對點的有效控制及監(jiān)測，主要用于系統(tǒng)單個執(zhí)行元件的調(diào)試故障處理和后續(xù)分段控制與自動控制執(zhí)行時的零點定位。

（2）分段控制模塊。系統(tǒng)中每個工作循環(huán)的自動運行模塊，是自動控制模塊的基礎(chǔ)和子模塊，提供了每個動作循環(huán)的有效控制和監(jiān)視，主要用于單個工作循環(huán)的調(diào)試與故障處理，即運動線纜機構(gòu)從零點沿正向運動后，反向運動回到零點的過程。

（3）自動控制模塊。此模塊的流程圖如圖8所示，是系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊，提供了環(huán)境溫度和互磨驅(qū)動的自動控制，并進行摩擦負載自動檢測和判斷，同時實現(xiàn)互磨次數(shù)n，摩擦負載，溫度的記錄和顯示，并能實現(xiàn)性能評價和狀態(tài)報警。

（4）參數(shù)設(shè)置模塊。此模塊是系統(tǒng)運動控制中人機交互的關(guān)鍵模塊，提供了運動速度、運動距離、運動往復次數(shù)、溫度等參數(shù)的設(shè)置端口，能夠?qū)崿F(xiàn)實驗人員對運動的準確控制。

圖8 系統(tǒng)自動控制流程圖

3.3 觸摸屏監(jiān)控軟件系統(tǒng)設(shè)計

應(yīng)用DOPSoft 2.00.07軟件，結(jié)合工業(yè)機器人線纜服役可靠性加速測試工作原理，編寫觸摸屏程序。該觸摸屏設(shè)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(shù)設(shè)置界面。

（1）點動測試界面。主要用于測試單個元件的動作測試、數(shù)據(jù)顯示和狀態(tài)監(jiān)控。

（2）分段測試界面。主要用于單個工作循環(huán)動作的測試、數(shù)據(jù)顯示和狀態(tài)監(jiān)控。

（3）自動控制界面。如圖9所示，主要用于系統(tǒng)自動運行過程中的數(shù)據(jù)顯示和狀態(tài)監(jiān)控。

圖9 實驗系統(tǒng)自動控制監(jiān)控界面

（4）參數(shù)設(shè)置界面。主要用于設(shè)定點動、分段和自動控制測試界面中環(huán)境溫度、互磨運動速度、位移和次數(shù)等運行參數(shù)。

4 研究教學型實驗設(shè)計

最終的工業(yè)機器人線纜服役可靠性加速實驗系統(tǒng)樣機如圖10所示，占地僅0.35 m2，具有極高的空間利用率，結(jié)構(gòu)緊湊，功能較多，支持基礎(chǔ)型、進階教學型、高階研究型實驗。

圖10 系統(tǒng)實物圖

（1）經(jīng)典機電伺服傳動控制實驗。本實驗屬于基礎(chǔ)型教學實驗，通過對伺服電動機點動和精密驅(qū)動的控制，認識基礎(chǔ)電氣控制元器件。如開關(guān)電源、電磁繼電器、空氣開關(guān)，了解伺服驅(qū)動器工作原理。應(yīng)用機電傳動技術(shù)知識繪制伺服電動機控制回路圖，讓學生走進工程實際應(yīng)用，以提高學生實際動手能力。

（2）PID溫度控制實驗。本實驗屬于進階教學型實驗，通過向?qū)W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。通過實驗加深學生對PID控制中的比例、積分和微分參數(shù)，峰值，超調(diào)量和調(diào)整時間等控制性能指標的理解，提高學生的興趣。

（3）線纜在環(huán)境溫度倍增工況下服役可靠性實驗。本實驗是高階研究型實驗，通過在環(huán)境溫度控制箱內(nèi)形成倍增模式的溫度值（如10—20—40—60℃），進行線纜互磨和表面磨損形貌觀測實驗，讓學生了解和理解溫度環(huán)境“加速”工況對線纜服役可靠性的影響。

（4）線纜在互磨速度倍增工況下服役可靠性實驗。本實驗是高階研究型實驗，通過PLC控制運動線纜機構(gòu)形成倍增模式的互磨速度值（如20—40—60—80—100 mm/s），進行線纜互磨和表面磨損形貌觀測實驗，讓學生了解和理解線纜互磨速度“加速”工況對線纜服役可靠性的影響。

（5）線纜在摩擦負載倍增工況下服役可靠性實驗。本實驗是高階研究型實驗，通過固定線纜機構(gòu)上的配重箱形成倍增模式的線纜之間的正壓力，進行線纜互磨和表面磨損形貌觀測實驗，讓學生了解和理解線纜互磨正壓力“加速”工況對線纜服役可靠性的影響。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計的工業(yè)機器人線纜服役可靠性加速實驗系統(tǒng)，與普通教學實驗設(shè)備相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便和機電集成度高的特點，同時還具有以下的特色：

（1）該實驗系統(tǒng)配置了機電伺服驅(qū)動技術(shù)、PLC控制技術(shù)和拉壓傳感技術(shù)，能夠有效地完成經(jīng)典機電傳動控制、PLC控制、張力傳感和摩擦負載傳感等基礎(chǔ)性教學實驗。

（2）該實驗系統(tǒng)集成了恒值PID控制技術(shù)、線纜磨損顯微觀測技術(shù)和服役可靠性加速實驗理論，還可以提供環(huán)境溫度、互磨正壓力和互摩速度倍增工況下線纜服役可靠性研究教學型實驗，能夠有效地滿足學生對機器人線纜服役可靠性設(shè)計學習所需的實驗設(shè)備需求。

（3）該實驗系統(tǒng)融合了服役可靠性加速測試方法，PLC自動控制技術(shù)和表面顯微觀測評價技術(shù)，充分展現(xiàn)了自動控制理論的應(yīng)用和機電一體化設(shè)備的控制水平，為實驗教學系統(tǒng)提供了堅實的實用性與先進性的保障，具有較高的高階型實驗教學應(yīng)用價值。