机电一体化装配系统安全性

学术论文 2018-07-31 11:13:11
  0 引言
  随着电子技术、机械加工技术、机床技术以及软件技术的发展,促进了自动装配技术在各个领域的应用,逐渐替代低效率、高强度的手工劳动,如工业化自动生产线、自动高精度零件装配等,大大提高了装配的效率和精度,将人们从繁重的手工劳动中解脱出来,保证了装配工作的一致性和装配质量的稳定性。目前,在自动化装配技术中,机械手和机床是两种被广泛使用的装配形式,而使用机床的装配技术更适于有高精度装配要求的场合[1,2]。本文以Siemens 840D机床系统为例,介绍了使用机床构造高精度装配系统的原理,同时,在此构造原理的基础上,对系统的安全性进行了深入的剖析,为尽早发现系统安全性隐患、完善系统设计起到了积极的作用。
  1 组成原理
  使用机床构造装配系统时,机床及其控制系统,如NC,工件定位工装、抓取工装、工件位置测量系统是系统的基本组成部分。其中,抓取工装使用真空气动系统控制吸头实现工件的抓取与放置;工件位置测量系统由高精度摄像头和激光测距仪组成,实现工件的位置、偏心以及姿态测量。
  840D NC是整个机床控制系统的核心,与驱动系统进行通信,执行用户编写的装配程序,对运动轴进行控制,实现既定的装配线路和流程。
  MMC为Siemens生产的人机交互界面,其使用MPI总线与840D NCU进行通信,以Intel CPU作为基础架构,运行Windows NT 4.0系统,为装配人员提供编写装配程序的接口,同时,可以调用编写的装配程序,监控系统中各种重要的信号。
  PLC是840D机床系统的重要组成部分,具有控制功能强、可靠性高、使用灵活方便、易于扩展等优点,被广泛应用与工业控制系统中。PLC被用于处理装配系统外围的各种I/O信号,包括各驱动轴的参考点、参考点确认、正限位,负限位、正超程、负超程、正向、负向、区域等信号,用于控制真空气动系统,对吸头进行吸放控制,以控制工件的吸取或放置。同时,通过Siemens的CP341模块,实现与测量系统进行通信,发送测量任务,获取测量结果,以实现工件的准确放置。
  在Siemens 840D中,NC与PLC通过双端口RAM进行通信,将各轴坐标从NC传入PLC,以便通知测量系统,PLC将系统关心的各轴状态、压力传感器状态、测量结果等数据传输到NC系统。
  2 全性分析
  2.1 压力监测
  为了获取可靠的压力数据,避免因压力传感器故障导致装配异常,每个压力传感器安装有两个应力片,通过二次仪表采集压力传感器的数据,并传入PLC系统,系统对主辅压力传感器的压力差进行实时计算,超过用户设定值时判断压力传感器故障,通知NC系统及时停止装配过程,同时,通过PLC系统对压力状态进行实时检测,若30ms内压力状态未得到更新,判断压力传感器故障,而且,在装配过程中,对压力的突变情况进行检测,监测压力值是否超过用户设定的最大值,避免因轴失控、过冲,导致工件损坏。为了尽最大可能地发现压力监测可能存在的安全性隐患,对其进行故障树分析.
  2.2 轴位置监控
  为了确保装配精度,避免因硬件异常情况导致期望的轴位移与实际位移量不一致,在被驱动轴上安装了二级编码,以反映被驱动轴的实际位移,通过驱动系统或模拟控制模块返回到NC控制系统,系统通过MMC上的二次开发,对电机编码和二级编码进行比较,超过用户设定值时,利用PLC通知NC系统,实现报警并终止装配过程。
  2.3 限位及原点报警信号实时检测
  基于轴运动的安全性控制需要,避免轴过量运动碰撞机床硬件,在轴的运动线路上安装了用于检测正限位、负限位、正超程、负超程的接近开关,同时,为了确保系统各轴准确回原点,安装了用于检测参考点、参考点确认信号的接近开关,系统利用PLC软件实时检测以上轴安全控制信号,发现异常及时提示用户并报警,终止机床运行。
  2.4 保护爪及真空吸具状态实时监测
  为了保护工件在搬移过程中的安全,系统以PLC作为控制,控制压缩泵,驱动保护爪,保护工件在搬移过程中的安全。为此,在工件抓取、放置或搬运过程中,需要对保护爪、真空吸具的状态实时监测。在抓取工件时,确保在抓取工件之前保护爪可靠打开,在工件有效吸取后保护爪可靠闭合。在放置工件时,确保在用户期望的位置保护爪可靠打开,在工件放置后,确保真空吸具可靠释放。在搬运工件的过程中,确保保护爪一直处于闭合状态、真空吸具一直处于吸合状态。发现异常情况及时提醒用户并报警,终止机床运行,保持机床的当前状态。
  2.5 测量系统安全性检测
  为了保证装配过程的安全性,在控制系统搬移、抓取、放置工件的过程中,必须实时检测测量系统的摄像头、激光测距仪是否位于安全位置,在进行工件位置、偏心以及姿态测量时,必须保证工件或工件抓取工装不碰撞到测量系统的摄像头和激光测距仪。
  3 结论
  以Siemens 840D机床为主体,结合压力传感器、真空泵、压缩泵以及测量系统高精度摄像头、激光测距仪的使用,构造了高精度、安全、可靠、稳定的工件装配系统。在此框架上,结合系统软件设计,即NC、PLC、MMC二次开发,对系统的安全性进行了深入剖析.对相应环节进行了故障树分析,保证了整个装配系统的安全性和可靠性,该方案及其安全性分析结果在实际工程项目中得到了广泛的应用。
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