一種改進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人電氣控制柜的設(shè)計(jì)①

周明龍， 馬淑靜

(1.安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2.埃夫特智能裝備股份有限公司，安徽 蕪湖 241000)

0 引 言

《工業(yè)制造2025》將機(jī)器人行業(yè)列入十大重點(diǎn)推動(dòng)產(chǎn)業(yè)之一，21世紀(jì)已經(jīng)全面進(jìn)入了工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的重要時(shí)代，隨著勞動(dòng)力的短缺和科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人將逐漸取代工廠中繁重的人力勞動(dòng)，工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)共同作為工業(yè)機(jī)器人三大核心部件之一，傳統(tǒng)的用于工業(yè)機(jī)器人伺服系統(tǒng)的電氣控制柜基本可以滿足人們的使用需求，但是依舊存在一定的問題，具體問題如下所述：

1)目前市場(chǎng)上大多數(shù)用于工業(yè)機(jī)器人伺服系統(tǒng)由于伺服器中的電器元件都是比較精密的元件在使用的過程中會(huì)因裝置內(nèi)部的伺服器在使用的過程中所產(chǎn)生的熱量無法有效的排出導(dǎo)致伺服器發(fā)生損壞造成經(jīng)濟(jì)損失；

2)目前市場(chǎng)上大多數(shù)用于工業(yè)機(jī)器人伺服系統(tǒng)在使用的過程中無法很好的減少來自外部的震動(dòng)，從而導(dǎo)致伺服器受到損傷，同時(shí)給使用者造成一定的困擾。

1 改進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人電氣控制柜的技術(shù)方案

改進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人電氣控制柜，可以用來解決散熱以及減少振動(dòng)的問題。

為解決上述技術(shù)問題，改進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人電氣控制柜的技術(shù)方案主要包括以下的基本技術(shù)方案與改進(jìn)技術(shù)方案。

1.1 基本技術(shù)方案

一種改進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人電氣控制柜，包括底板、第一裝置外殼、銅板和第二通孔，底板底端的四角位置處皆安裝有支腳，且底板頂端的一端安裝有第一裝置外殼，第一裝置外殼頂端的中間位置處開設(shè)有第一通孔，且第一通孔內(nèi)部的底端安裝有軸流風(fēng)扇，第一裝置外殼兩側(cè)內(nèi)部皆安裝有第一管道與第二管道，第一裝置外殼內(nèi)部底端均勻安裝有伸縮桿，且伸縮桿的外側(cè)皆安裝有第二彈簧，伸縮桿的頂端安裝有第二裝置外殼，且第二裝置外殼頂端的中間位置處開設(shè)有第二通孔。第一裝置外殼一側(cè)的中間位置處安裝有PLC控制器，第一通孔內(nèi)部的頂端安裝有灰塵過濾網(wǎng)，底板頂端靠近第一裝置外殼一端的中間位置處安裝有冷卻水缸，且冷卻水缸一側(cè)的中間位置處安裝有水泵，水泵輸入端通過管道貫穿至冷卻水缸內(nèi)部的底端。第一裝置外殼的一側(cè)均勻鉸接有合頁，且合頁的一端鉸接有門體。第二通孔頂端安裝有與第一通孔底端相連接的通風(fēng)管道，第一裝置外殼內(nèi)部頂端的四角位置處皆鉸接有第一彈簧，且第一彈簧遠(yuǎn)離第一裝置外殼一端皆與第二裝置外殼的頂端相連接。

1.2 改進(jìn)技術(shù)方案

在上述基本技術(shù)方案的基礎(chǔ)之上進(jìn)一步改進(jìn)，第一裝置外殼內(nèi)部的兩側(cè)均勻安裝有第三裝置外殼，且第三裝置外殼的內(nèi)部皆安裝有第三彈簧，第三彈簧遠(yuǎn)離第一裝置外殼一側(cè)皆安裝有貫穿第三裝置外殼的頂桿，且頂桿遠(yuǎn)離第二裝置外殼的一側(cè)皆豎向安裝有接觸板，接觸板遠(yuǎn)離第二裝置外殼的一側(cè)皆安裝有銅板，且銅板靠近第一裝置外殼一側(cè)頂端皆安裝有與第一管道相連接的第三管道。銅板遠(yuǎn)離第二裝置外殼一側(cè)底端皆安裝有與第二管道相連接的第四管道，第一管道通過管道與水泵的輸出端相連接，第二管道通過管道貫穿至冷卻水缸內(nèi)部，PLC控制器輸出端通過導(dǎo)線分別于軸流風(fēng)扇與水泵的輸入端電連接。

2 改進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人電氣控制柜實(shí)例說明

如圖1所示，一種改進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人電氣控制柜，包括底板2、第一裝置外殼3、銅板6和第二通孔26，底板2底端的四角位置處皆安裝有支腳1，且底板2頂端的一端安裝有第一裝置外殼3；第一裝置外殼3一側(cè)的中間位置處安裝有PLC控制器17，該P(yáng)LC控制器17的型號(hào)可以為FX1N-40MR-D，第一通孔11內(nèi)部的頂端安裝有灰塵過濾網(wǎng)12，底板2頂端靠近第一裝置外殼3一端的中間位置處安裝有冷卻水缸21，且冷卻水缸21一側(cè)的中間位置處安裝有水泵20，該水泵20的型號(hào)可以為150QJ10-50/7，水泵20輸入端通過管道貫穿至冷卻水缸21內(nèi)部的底端，便于裝置內(nèi)部的散熱；第一裝置外殼3的一側(cè)均勻鉸接有合頁8，且合頁8的一端鉸接有門體22，便于裝置內(nèi)部的調(diào)整；

圖1 改進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人電氣控制柜主視圖

如圖2與圖3所示，第一裝置外殼3內(nèi)部的兩側(cè)均勻安裝有第三裝置外殼23，且第三裝置外殼23的內(nèi)部皆安裝有第三彈簧24，第三彈簧24遠(yuǎn)離第一裝置外殼3一側(cè)皆安裝有貫穿第三裝置外殼23的頂桿25，且頂桿25遠(yuǎn)離第二裝置外殼9的一側(cè)皆豎向安裝有接觸板7，接觸板7遠(yuǎn)離第二裝置外殼9的一側(cè)皆安裝有銅板6，且銅板6靠近第一裝置外殼3一側(cè)頂端皆安裝有與第一管道4相連接的第三管道15，便于裝置內(nèi)部的緩沖；第一裝置外殼3頂端的中間位置處開設(shè)有第一通孔11，且第一通孔11內(nèi)部的底端安裝有軸流風(fēng)扇13，該軸流風(fēng)扇13的型號(hào)可以為 JY15050HBL2，第一裝置外殼3兩側(cè)內(nèi)部皆安裝有第一管道4與第二管道5，第一裝置外殼3內(nèi)部底端均勻安裝有伸縮桿19，且伸縮桿19的外側(cè)皆安裝有第二彈簧18，伸縮桿19的頂端安裝有第二裝置外殼9，且第二裝置外殼9頂端的中間位置處開設(shè)有第二通孔26；第二通孔26頂端安裝有與第一通孔11底端相連接的通風(fēng)管道14，第一裝置外殼3內(nèi)部頂端的四角位置處皆鉸接有第一彈簧10，且第一彈簧10遠(yuǎn)離第一裝置外殼3一端皆與第二裝置外殼9的頂端相連接，便于裝置內(nèi)部的防震。

圖2 改進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人電氣控制柜俯視圖

圖3 圖1裝置A部放大結(jié)構(gòu)示意圖

銅板6遠(yuǎn)離第二裝置外殼9一側(cè)底端皆安裝有與第二管道5相連接的第四管道16，第一管道4通過管道與水泵20的輸出端相連接，第二管道5通過管道貫穿至冷卻水缸21內(nèi)部，PLC控制器17輸出端通過導(dǎo)線分別于軸流風(fēng)扇13與水泵20的輸入端電連接，使得裝置內(nèi)部更加的安全。

3 改進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人電氣控制柜的工作原理

在使用該改進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人電氣控制柜時(shí)，將門體通過合頁打開，打開后將伺服器系統(tǒng)放置到合頁的內(nèi)部，在通過門體將裝置封閉，在通過PLC控制器控制第一通孔內(nèi)部的軸流風(fēng)扇開始轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)裝置內(nèi)部進(jìn)行送風(fēng)，再通過第二裝置外殼兩側(cè)的接觸板通過與第二裝置外殼的接觸面積較大，進(jìn)行對(duì)裝置內(nèi)部對(duì)散熱，同時(shí)通過水泵將冷卻水缸內(nèi)部的冷卻液體通過第一管道輸送到第三管道再通過第三管道輸送到銅板的內(nèi)部，再通過第四管道流到第二管道的內(nèi)部通過第二管道回流到冷卻水缸的內(nèi)部形成水循環(huán)，對(duì)裝置內(nèi)部起到一個(gè)良好的散熱作用。

通過第一彈簧對(duì)第二裝置外殼的拉扯與第三裝置外殼內(nèi)部的第三彈簧擠壓頂桿對(duì)接觸板起到擠壓的作用，接觸板與第二裝置外殼進(jìn)行接觸，加大了與第二裝置外殼的接觸面積，這樣第三裝置外殼內(nèi)部的第三彈簧可以減弱裝置所受到來自于外部的壓力，保護(hù)第二裝置外殼內(nèi)部的伺服器。

4 改進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人電氣控制柜的電路設(shè)計(jì)

該改進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人電氣控制柜的電氣控制系統(tǒng)主要由控制器、驅(qū)動(dòng)器，安全控制器，變壓器，開關(guān)電源，濾波器，斷路器等組成，電氣控制柜內(nèi)部電路示意圖如圖4所示。

圖4 電氣控制柜內(nèi)部電路示意圖

主電源進(jìn)線為3相 380V。電源通過主電源開關(guān)、濾波器后輸入給伺服驅(qū)動(dòng)器，變壓器將380V轉(zhuǎn)換成交流220V，分別給開關(guān)電源和驅(qū)動(dòng)器的控制電源供電。開關(guān)電源將交流220V轉(zhuǎn)換成直流24V給控制器及安全控制器供電。

系統(tǒng)的通訊方式為Ethercat協(xié)議，其中驅(qū)動(dòng)器、控制器、安全控制器和示教器都是通過Ethercat網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。

軸流風(fēng)扇選用220V交流供電，風(fēng)扇的電源線分別連接到繼電器的兩個(gè)觸點(diǎn),繼電器線圈得電,觸電吸合，風(fēng)扇開始旋轉(zhuǎn)。水泵使用380V交流電機(jī)，水泵由接觸器控制，接觸器線圈得電，觸點(diǎn)吸合，水泵啟動(dòng)，冷卻循環(huán)開始，對(duì)控制柜進(jìn)行降溫冷卻。

具體的控制方式為，在控制柜內(nèi)部安裝溫度傳感器，溫度信號(hào)連接到控制器，控制器的輸出端連接風(fēng)扇繼電器和水泵的接觸器。當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到柜內(nèi)溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，輸出啟動(dòng)信號(hào)給水泵接觸器線圈，此時(shí)水泵運(yùn)行，開始對(duì)控制柜進(jìn)行制冷，當(dāng)溫度低于設(shè)定的最低溫度時(shí)，控制器切斷接觸器的線圈，水泵停止運(yùn)行。軸流風(fēng)扇一直旋轉(zhuǎn)，對(duì)控制柜進(jìn)行冷卻。

5 改進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人電氣控制柜的調(diào)試分析

制作的改進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人電氣控制柜樣機(jī)如圖5所示，采用XMD-200數(shù)顯溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)試，采用測(cè)試方法為：將溫度傳感器分別放在電柜內(nèi)部的前側(cè)、后側(cè)和右側(cè)；在下午兩點(diǎn)到五點(diǎn)時(shí)間段，100%滿載滿速運(yùn)行機(jī)器人；每隔半個(gè)小時(shí)記錄一次溫度變化情況。通過對(duì)改進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人電氣控制柜經(jīng)過測(cè)試分析表明，裝有散熱管道的電氣控制柜的散熱要比沒有裝散熱管道的電氣控制柜的散熱效果好，內(nèi)側(cè)測(cè)試溫度要低4度左右，測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖6所示。同時(shí)，經(jīng)過外部人為壓力測(cè)試發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人電氣控制柜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不易受到損壞。

圖5 改進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人電氣控制柜樣機(jī)

圖6 電氣控制柜溫度測(cè)試對(duì)比

6 結(jié) 語

通過測(cè)試對(duì)比分析表明，改進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人電氣控制柜，通過安裝有第一管道、銅板、接觸板、第二裝置外殼、第四管道、水泵和冷卻水缸，通過加大第二裝置外殼兩側(cè)的接觸板與外殼的接觸面積，對(duì)伺服系統(tǒng)裝置內(nèi)部起到一個(gè)良好的熱交換作用，同時(shí)通過水泵將冷卻水缸內(nèi)部的冷卻液體形成水循環(huán)，對(duì)裝置內(nèi)部起到一個(gè)良好的散熱作用；而且該裝置安裝有第一裝置外殼、第二裝置外殼、第一彈簧、第三裝置外殼和第三彈簧，通過第一彈簧在第一裝置外殼內(nèi)部頂端的四角位置處對(duì)第二裝置外殼的拉扯與第三裝置外殼內(nèi)部的第三彈簧，在受到來自于外部的壓力產(chǎn)生形變時(shí)，可以通過第一彈簧產(chǎn)生形變后的回彈對(duì)裝置起到減震的作用。