机电一体化集成装配装置安全性分析与措施

赵璟妮

[摘要]随着现代制造技术的不断发展，社会生产力得到了极大提高。零件的制造加工、金属的成型等日益实现自动化。对于适应中小批量生产。高质量、高效率、高秉性的机电一体化装配系统的研究与开发，对适应自动装配的新产品设计途径，对未来工业发展有着特殊的重要意义。对机电一体化集成装配装置安全性分析及措施进行研究。

[关键词]机电一体化集成装配装置安全性措施

中图分类号：TM92文献标识码：A文章编号：1671—7597(2009)1020154--01

随着人们对现代工业产品质量的要求越来越高，产品的可靠性已经广泛地被人们所重视，尤其在军用装备中，可靠性被作为一项衡量产品质量的必不可少的重要技术指标。本文的研究对象帆电一体化集成装配装置主要由机械本体、控制系统、工控机测量系统、力传感器系统、真空系统和气动系统及工装等组成。控制系统采用西门子840D~FM—NC数控系统来控制7个数字轴和2个模拟轴，其中840D系统控制7个数字轴(x、Y、z、c1、c2、c3、w轴)的运动和处理力传感器的快速响应及相关实时控制，以及和工控机测量系统间的通讯和协调控制。FM-NC系统控制2个模拟轴(wl、w2轴)的运动，实现调姿机构的运动控制，从而达到对待装配工件的姿态调整。

一、机电一体化集成装配置的可靠性

从应用的角度，把可靠性分为固有可靠性和使用可靠性。固有可靠性用于描述产品的设计和制造的可靠性水平；使用可靠性用于描述产品在计划的环境中使用的可靠性水平。

从设计的角度，把可靠性分为基本可靠性和任务可靠性。基本可靠性是指产品在规定的条件下，无故障的持续时间或概率。它考虑要求保障的所有故障的影响，用于描述产品无需保障的工作能力，包括与维修和供应有关的可靠性。反映了产品对维修人力、维修资源的要求。任务可靠性则是产品在规定的任务剖面内完成规定功能的能力。它考虑造成任务失败的故障影响，用于描述产品完成任务的能力，反映了产品对任务成功性的要求。在机电一体化集成装配装置中，由于被装配产品的特殊性，要求在任何时候都必须保证产品装配任务安全、可靠地完成，所以在进行设计时，任务可靠性将是最重要的。

可靠性分析的目的主要是为了提高系统的可靠性，因此，必须对系统及其组成单元的故障进行详细的分析。在进行故障分析时，最常用的方法就是采用故障模式影响分析和故障树分析。

二、安全性分析及措施

在自动装配装置中，安全性问题主要从两方面考虑：一方面是人(操作者)的安全：另一方面是被装配工件或产品的安全。对于人的安全主要靠警示语和严格按操作规程执行来保证。对于工件或产品的安全通常是由于电气控制系统的误动作造成的。本文将主要针对工件或产品的安全性进行分析。对于电气控制系统的误动作，一方面靠装置电气控制系统设计的完善，另一方面在设计电气控制系统时，应采取预防误动作的防护措施。通常当系统的任务可靠性提高了，其安全性也必然提高。

在装配装置中，可能存在的工件或产品的安全性问题有：工件或产品跌落和碰撞挤压。在吸起阶段，导致工件或产品跌落的原因有：(1)意外断电，真空泵停机：(2)吸盘或真空气路泄漏。针对意外断电所采取的措施是，在气路上设计了容量一定的真空罐，增大了真空腔。经过试验验证，在工件吸取后(真空度68KPa)吊在空中，关闭真空泵，模拟意外断电，工件仍能在吸具上保持30～40分钟(不同工件略有不同)。

针对吸盘或真空气路泄漏所采取的措施是，从工装设计方面考虑，在真空吸盘吸起工件到装配前的运动过程中，由保护气动手爪来保护工件，以防止跌落。从控制系统设计方面考虑，在工件吸起过程中，系统不执行后续的程序，而进行双路检测靠近吸盘端的真空度，只有两个信号都检测到后，系统才认为工件已可靠吸附，才能启动后续程序，控制相应的轴运动；工件在运动过程中，一旦真空度低于预设值，控制系统便以声音和信息提示报警：对保护气动手爪的张开和闭合控制是通过气缸来执行的，在缸上有两个检测元件来检测手爪所处的状态，当产品吸附后，控制手爪闭合，暂停执行后续程序，只有系统检测到两个检测元件都指示手爪已闭合的状态，方可启动后续程序，控制轴的运动，手爪的状态不变，除非有手爪张开的指令。另外，从管理方面考虑，定期对吸盘进行更换，定期对真空气路进行检查和工件装配前做好工件的吸附试验。导致工件或产品碰撞挤压的原因较多，通常有如下几种情况。

1、在装配过程中，由于测量系统软、硬件故障，测量与控制系统间的数据传输错误以及操作人员对测量界面的操作不正确，致使工件参数的测量不准确，而控制系统产生错误的校正。针对此种情况，首先，测量数据处理算法采用成熟算法，并在调试阶段进行反复验证；其次，测量和控制系统间采用工业标准的3964(R)通讯协议进行数据传输，同时控制系统对接收的数据进行经验判定，对出现异常的数据不予处理：再次，测量用激光传感器采用高品质的高精度的传感器和采取良好的抗干扰措施来消除一些随机因素对传感器进行数据采集结果的影响，同时在数据处理时增加抗干扰措施及其判断，采用按其使用寿命定期更换，并在使用期内定期检验等方法；最后，采取严格的操作流程，在软件中设计避免误操作的条件限制，同时对测量结果值结合经验值进行校核，对异常结果值不予执行，尽量杜绝人为误操作引起的安全性问题。

2、在装置主体z轴运动，进行工件抓取的过程中，因z轴运动失控，而发生定位工装与工件发生碰撞和挤压，其碰撞和挤压的严重程度与z轴所处的位置和失控的距离有关，同样，对于产品加载过程中，由于w轴运动失控，也会对产品产生挤压。此种情况与控制系统工作的可靠性紧密相关，采取的措施是：控制系统硬件采用广泛应用于数控加工设备的西门予840D数控系统，构成该系统的CNC数控装置、PLC、伺服驱动系统、伺服电机、输入／输出模块等也完全选用西门子的配套产品，这些产品都是按照相关的工业标准进行了严格的电磁兼容测试，产品在国内外已得到广泛应用，其本身的质量，已经得到用户的广泛认同。

3、完成工件的吸取和释放是通过x、Y、z轴运动，完成工件的加载是通过w轴的运动，但各轴运动的实际位置坐标是通过参数来设定的，如果运动轴在每次开机时回参考点不准确，将导致工件承受较大的挤压力或碰撞，甚至压坏力传感器。针对此种情况，在硬、软件设计中，增加轴回参考点的检测确认信号，以及力传感器的超程信号。对力传感器系统的选用，要求能实时给出传感器系统工作不正常的信号，以便能随时停止轴的运动，并且在装配前，对传感器进行检查，以确定其正常工作。