在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，電動(dòng)葫蘆、自動(dòng)生產(chǎn)線及工地升降機(jī)等移動(dòng)式用電設(shè)備得到廣泛的應(yīng)用。這些設(shè)備共同的特殊點(diǎn)在于，工作時(shí)需要不斷地移動(dòng)位置，而在不同位置需要隨時(shí)獲得動(dòng)力電源，否則就無法繼續(xù)移動(dòng)和工作。這對(duì)它們提出了特殊的要求，即移動(dòng)供電，由此，滑觸式母線干線系統(tǒng)（以下簡稱滑觸線）應(yīng)運(yùn)而生?；|線因具有安全性強(qiáng)、導(dǎo)電能力強(qiáng)和性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，成為移動(dòng)式用電設(shè)備優(yōu)選的供電方式。

導(dǎo)軌耐磨性好、承壓能力強(qiáng)以及集電器滑觸機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性好是確?；|線穩(wěn)定供電的前提。而對(duì)滑觸線集電器機(jī)械操作性能的考核是一種有效的驗(yàn)證評(píng)價(jià)手段。因此，性能良好的滑觸線集電器機(jī)械操作性能自動(dòng)檢測(cè)裝置一直是低壓電器檢測(cè)工作者的研究目標(biāo)。

有學(xué)者設(shè)計(jì)了一種采用異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、齒輪齒條傳動(dòng)和傳統(tǒng)電氣控制箱控制的水平方向滑觸線耐久性的檢測(cè)裝置。有學(xué)者設(shè)計(jì)了一種采用異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)、V帶和導(dǎo)軌傳動(dòng)以及普通電氣控制的水平方向滑觸線耐久性的檢測(cè)裝置。有學(xué)者設(shè)計(jì)了一種采用氣缸驅(qū)動(dòng)、活塞桿和導(dǎo)軌傳動(dòng)以及普通電氣控制的水平方向滑觸線壽命及性能的檢測(cè)裝置。

與此不同，本文綜合考慮使用場合、精確驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)和控制以及交互方式等多種因素，設(shè)計(jì)研發(fā)出一種采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、同步帶電動(dòng)模組傳動(dòng)，利用可編程邏輯控制器（programmable logic controller, PLC）控制和觸摸屏人機(jī)交互的、具有水平和垂直雙方向滑觸線機(jī)械操作性能的全自動(dòng)檢測(cè)裝置。

1 硬件設(shè)計(jì)

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7251.6—2015《低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第6部分：母線干線系統(tǒng)（母線槽）》中8.1.5及10.13條關(guān)于滑觸線集電器機(jī)械操作性能試驗(yàn)的要求如下：帶有滑觸式分接裝置的母線干線系統(tǒng)應(yīng)能夠沿母線干線通道的導(dǎo)體來回移動(dòng)10000次，其滑觸接觸件應(yīng)在電壓下承載額定電流；分接裝置的觸輪滑動(dòng)速度和滑動(dòng)距離應(yīng)與其設(shè)計(jì)使用條件一致，若觸輪用于支撐一件工具或者其他機(jī)械負(fù)載，則應(yīng)在試驗(yàn)時(shí)暫停其等效重量。

因此，根據(jù)該要求并綜合考慮滑觸線使用場合、驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)動(dòng)力、控制和交互方式等多種因素，本文設(shè)計(jì)出符合設(shè)計(jì)使用要求的、可實(shí)現(xiàn)3m滑動(dòng)距離（滿足1m和2m兩種長度滑觸線單元拼接后的檢測(cè)）和1.5m/s及以下滑動(dòng)速度的滑觸線集電器檢測(cè)裝置。整體硬件系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 整體硬件系統(tǒng)框架圖

從圖1中可見，電源模塊給人機(jī)交互模塊和控制模塊等供電，通過人機(jī)交互模塊設(shè)置動(dòng)作參數(shù)、運(yùn)行模式、操作方法，并將其輸入執(zhí)行控制模塊；執(zhí)行控制模塊再根據(jù)所設(shè)計(jì)的程序來分別控制驅(qū)動(dòng)模塊、傳動(dòng)模塊和限位保護(hù)模塊，配合滑動(dòng)組件完成機(jī)械操作性能的檢測(cè)工作。

系統(tǒng)還設(shè)置了整個(gè)系統(tǒng)的急停保護(hù)模塊，用于意外緊急停電制動(dòng)；設(shè)置了垂直支撐和保護(hù)模塊，用于可靠實(shí)現(xiàn)滑觸線的垂直安裝，保證集電器在垂直方向的安全滑動(dòng)。

PLC包含了邏輯控制、時(shí)序控制、模擬控制、通信等各類功能，在擴(kuò)展性和可靠性方面的優(yōu)勢(shì)使其被廣泛應(yīng)用于各工業(yè)控制領(lǐng)域。本裝置的執(zhí)行控制量包括滑動(dòng)距離、滑動(dòng)速度及檢測(cè)模式等重要參數(shù)，因此采用帶有16路輸入/輸出的Samkoon FGs-32系列PLC，配套Samkoon AK系列基于Android系統(tǒng)的觸摸屏，處理器為Cortex A8。

結(jié)合圖1所示的硬件系統(tǒng)框架圖，利用三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件Solidworks設(shè)計(jì)了檢測(cè)裝置的整體機(jī)械構(gòu)架及硬件布置圖，如圖2所示。圖2中的驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)和限位保護(hù)3個(gè)核心模塊的主要設(shè)備及配置如下所述。

1）驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)模塊由伺服控制器、伺服電機(jī)和減速器組成。定位時(shí)間短，可精確完成對(duì)電動(dòng)機(jī)速度控制、位置控制和轉(zhuǎn)矩控制。本裝置采用了MS1系列的伺服電機(jī)，額定功率為400W，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，轉(zhuǎn)矩為1.27N?m。

圖2 整體構(gòu)架及硬件布置圖

2）傳動(dòng)模塊

傳動(dòng)模塊采用全封閉型同步帶電動(dòng)模組，傳動(dòng)效率高，運(yùn)動(dòng)速度快，長距離傳動(dòng)時(shí)穩(wěn)定可靠。本裝置的模組行程為3.1m，節(jié)距為162mm，重復(fù)定位精度為0.05mm，最大傳動(dòng)速度為1.6m/s。

3）限位保護(hù)模塊

限位保護(hù)模塊采用光電傳感器，分辨率高，響應(yīng)速度快。本裝置的光電傳感器檢測(cè)寬度為5mm（卡槽），輸出方式為PNP NO/NC。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 觸摸屏控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)硬件部分的設(shè)計(jì)結(jié)果，可以制定觸摸屏控制系統(tǒng)部分，總體流程如下：①根據(jù)滑觸線的安裝方式確定運(yùn)行模式（包括水平、垂直方向）；②將伺服回零定位，進(jìn)行檢測(cè)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置（包括距離、速度等）；③選擇自動(dòng)或手動(dòng)執(zhí)行方式并執(zhí)行相應(yīng)的程序。觸摸屏控制系統(tǒng)的整體框架如圖3所示。系統(tǒng)包含了模式選擇、伺服回零、參數(shù)設(shè)置、操作方式選擇等4個(gè)主要功能模塊。

根據(jù)圖3所示的觸摸屏控制系統(tǒng)框架圖，設(shè)計(jì)了觸摸屏控制部分的整體操作界面，如圖4所示。在圖4中可見，在主界面有運(yùn)行模式和操作方法的選擇，有啟動(dòng)/停止按鍵以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、運(yùn)行狀態(tài)的顯示，還有手動(dòng)操作界面、參數(shù)設(shè)置界面和顯示各控制點(diǎn)執(zhí)行動(dòng)作狀態(tài)的拓展界面，實(shí)現(xiàn)了裝置軟件的操作功能合理的整合和分類。所有這些功能操作均能在觸摸屏上實(shí)現(xiàn)。

圖3 觸摸屏控制系統(tǒng)的整體框架圖

圖4 觸摸屏控制部分的整體操作界面

2.2 PLC控制程序的設(shè)計(jì)

結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)滑觸線集電器的檢測(cè)要求和前文所述硬件以及觸摸屏控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)果，設(shè)計(jì)了PLC自動(dòng)控制程序流程圖，如圖5所示?？刂瞥绦蚍譃樗綘顟B(tài)和垂直狀態(tài)，控制程序總體可被劃分為開始、運(yùn)行和暫停/結(jié)束3個(gè)階段。在運(yùn)行階段，除了滑動(dòng)方向外，其余的整體控制程序流程基本一致；在開始階段，除了檢測(cè)安裝平臺(tái)是否到位外，兩個(gè)狀態(tài)的控制流程恰好是相反的；而在結(jié)束或暫停階段，控制流程是基本一致的。

圖5 PLC自動(dòng)控制程序流程圖

按照以上設(shè)計(jì)結(jié)果，搭建了滑觸線集電器機(jī)械操作性能檢測(cè)裝置，已在水平、垂直方向分別進(jìn)行了幾千次運(yùn)行，該裝置展現(xiàn)出了良好的檢測(cè)性能。此外，還考慮配置了各階段的手動(dòng)操作功能，用于自動(dòng)循環(huán)檢測(cè)前的安裝調(diào)試。

3 結(jié)論

為了更好地考核滑觸線集電器的穩(wěn)定和耐磨等性能，本文設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)的性能檢測(cè)裝置。在框架和流程設(shè)計(jì)中，分別對(duì)軟、硬件及控制程序進(jìn)行了詳細(xì)分析：在硬件方面，采用高性能的伺服電機(jī)、同步帶電動(dòng)模組、光電傳感器等作為核心部件；在軟件方面，配合觸摸屏設(shè)計(jì)了友好的人機(jī)交互操作界面，并將軟件功能在界面上進(jìn)行了合理的歸類和整合；在控制方面，采用擴(kuò)展性及可靠性良好的PLC，實(shí)現(xiàn)了對(duì)裝置的整體控制。