一种改进的工业机器人电气控制柜的设计①

周明龙， 马淑静

(1.安徽机电职业技术学院，安徽 芜湖 241000；2.埃夫特智能装备股份有限公司，安徽 芜湖 241000)

0 引 言

《工业制造2025》将机器人行业列入十大重点推动产业之一，21世纪已经全面进入了工业机器人发展的重要时代，随着劳动力的短缺和科学技术突飞猛进的发展，工业机器人将逐渐取代工厂中繁重的人力劳动，工业机器人控制系统和伺服系统共同作为工业机器人三大核心部件之一，传统的用于工业机器人伺服系统的电气控制柜基本可以满足人们的使用需求，但是依旧存在一定的问题，具体问题如下所述：

1)目前市场上大多数用于工业机器人伺服系统由于伺服器中的电器元件都是比较精密的元件在使用的过程中会因装置内部的伺服器在使用的过程中所产生的热量无法有效的排出导致伺服器发生损坏造成经济损失；

2)目前市场上大多数用于工业机器人伺服系统在使用的过程中无法很好的减少来自外部的震动，从而导致伺服器受到损伤，同时给使用者造成一定的困扰。

1 改进的工业机器人电气控制柜的技术方案

改进的工业机器人电气控制柜，可以用来解决散热以及减少振动的问题。

为解决上述技术问题，改进的工业机器人电气控制柜的技术方案主要包括以下的基本技术方案与改进技术方案。

1.1 基本技术方案

一种改进的工业机器人电气控制柜，包括底板、第一装置外壳、铜板和第二通孔，底板底端的四角位置处皆安装有支脚，且底板顶端的一端安装有第一装置外壳，第一装置外壳顶端的中间位置处开设有第一通孔，且第一通孔内部的底端安装有轴流风扇，第一装置外壳两侧内部皆安装有第一管道与第二管道，第一装置外壳内部底端均匀安装有伸缩杆，且伸缩杆的外侧皆安装有第二弹簧，伸缩杆的顶端安装有第二装置外壳，且第二装置外壳顶端的中间位置处开设有第二通孔。第一装置外壳一侧的中间位置处安装有PLC控制器，第一通孔内部的顶端安装有灰尘过滤网，底板顶端靠近第一装置外壳一端的中间位置处安装有冷却水缸，且冷却水缸一侧的中间位置处安装有水泵，水泵输入端通过管道贯穿至冷却水缸内部的底端。第一装置外壳的一侧均匀铰接有合页，且合页的一端铰接有门体。第二通孔顶端安装有与第一通孔底端相连接的通风管道，第一装置外壳内部顶端的四角位置处皆铰接有第一弹簧，且第一弹簧远离第一装置外壳一端皆与第二装置外壳的顶端相连接。

1.2 改进技术方案

在上述基本技术方案的基础之上进一步改进，第一装置外壳内部的两侧均匀安装有第三装置外壳，且第三装置外壳的内部皆安装有第三弹簧，第三弹簧远离第一装置外壳一侧皆安装有贯穿第三装置外壳的顶杆，且顶杆远离第二装置外壳的一侧皆竖向安装有接触板，接触板远离第二装置外壳的一侧皆安装有铜板，且铜板靠近第一装置外壳一侧顶端皆安装有与第一管道相连接的第三管道。铜板远离第二装置外壳一侧底端皆安装有与第二管道相连接的第四管道，第一管道通过管道与水泵的输出端相连接，第二管道通过管道贯穿至冷却水缸内部，PLC控制器输出端通过导线分别于轴流风扇与水泵的输入端电连接。

2 改进的工业机器人电气控制柜实例说明

如图1所示，一种改进的工业机器人电气控制柜，包括底板2、第一装置外壳3、铜板6和第二通孔26，底板2底端的四角位置处皆安装有支脚1，且底板2顶端的一端安装有第一装置外壳3；第一装置外壳3一侧的中间位置处安装有PLC控制器17，该PLC控制器17的型号可以为FX1N-40MR-D，第一通孔11内部的顶端安装有灰尘过滤网12，底板2顶端靠近第一装置外壳3一端的中间位置处安装有冷却水缸21，且冷却水缸21一侧的中间位置处安装有水泵20，该水泵20的型号可以为150QJ10-50/7，水泵20输入端通过管道贯穿至冷却水缸21内部的底端，便于装置内部的散热；第一装置外壳3的一侧均匀铰接有合页8，且合页8的一端铰接有门体22，便于装置内部的调整；

图1 改进的工业机器人电气控制柜主视图

如图2与图3所示，第一装置外壳3内部的两侧均匀安装有第三装置外壳23，且第三装置外壳23的内部皆安装有第三弹簧24，第三弹簧24远离第一装置外壳3一侧皆安装有贯穿第三装置外壳23的顶杆25，且顶杆25远离第二装置外壳9的一侧皆竖向安装有接触板7，接触板7远离第二装置外壳9的一侧皆安装有铜板6，且铜板6靠近第一装置外壳3一侧顶端皆安装有与第一管道4相连接的第三管道15，便于装置内部的缓冲；第一装置外壳3顶端的中间位置处开设有第一通孔11，且第一通孔11内部的底端安装有轴流风扇13，该轴流风扇13的型号可以为 JY15050HBL2，第一装置外壳3两侧内部皆安装有第一管道4与第二管道5，第一装置外壳3内部底端均匀安装有伸缩杆19，且伸缩杆19的外侧皆安装有第二弹簧18，伸缩杆19的顶端安装有第二装置外壳9，且第二装置外壳9顶端的中间位置处开设有第二通孔26；第二通孔26顶端安装有与第一通孔11底端相连接的通风管道14，第一装置外壳3内部顶端的四角位置处皆铰接有第一弹簧10，且第一弹簧10远离第一装置外壳3一端皆与第二装置外壳9的顶端相连接，便于装置内部的防震。

图2 改进的工业机器人电气控制柜俯视图

图3 图1装置A部放大结构示意图

铜板6远离第二装置外壳9一侧底端皆安装有与第二管道5相连接的第四管道16，第一管道4通过管道与水泵20的输出端相连接，第二管道5通过管道贯穿至冷却水缸21内部，PLC控制器17输出端通过导线分别于轴流风扇13与水泵20的输入端电连接，使得装置内部更加的安全。

3 改进的工业机器人电气控制柜的工作原理

在使用该改进的工业机器人电气控制柜时，将门体通过合页打开，打开后将伺服器系统放置到合页的内部，在通过门体将装置封闭，在通过PLC控制器控制第一通孔内部的轴流风扇开始转动，对装置内部进行送风，再通过第二装置外壳两侧的接触板通过与第二装置外壳的接触面积较大，进行对装置内部对散热，同时通过水泵将冷却水缸内部的冷却液体通过第一管道输送到第三管道再通过第三管道输送到铜板的内部，再通过第四管道流到第二管道的内部通过第二管道回流到冷却水缸的内部形成水循环，对装置内部起到一个良好的散热作用。

通过第一弹簧对第二装置外壳的拉扯与第三装置外壳内部的第三弹簧挤压顶杆对接触板起到挤压的作用，接触板与第二装置外壳进行接触，加大了与第二装置外壳的接触面积，这样第三装置外壳内部的第三弹簧可以减弱装置所受到来自于外部的压力，保护第二装置外壳内部的伺服器。

4 改进的工业机器人电气控制柜的电路设计

该改进的工业机器人电气控制柜的电气控制系统主要由控制器、驱动器，安全控制器，变压器，开关电源，滤波器，断路器等组成，电气控制柜内部电路示意图如图4所示。

图4 电气控制柜内部电路示意图

主电源进线为3相 380V。电源通过主电源开关、滤波器后输入给伺服驱动器，变压器将380V转换成交流220V，分别给开关电源和驱动器的控制电源供电。开关电源将交流220V转换成直流24V给控制器及安全控制器供电。

系统的通讯方式为Ethercat协议，其中驱动器、控制器、安全控制器和示教器都是通过Ethercat网络进行通讯。

轴流风扇选用220V交流供电，风扇的电源线分别连接到继电器的两个触点,继电器线圈得电,触电吸合，风扇开始旋转。水泵使用380V交流电机，水泵由接触器控制，接触器线圈得电，触点吸合，水泵启动，冷却循环开始，对控制柜进行降温冷却。

具体的控制方式为，在控制柜内部安装温度传感器，温度信号连接到控制器，控制器的输出端连接风扇继电器和水泵的接触器。当温度传感器检测到柜内温度高于设定温度时，输出启动信号给水泵接触器线圈，此时水泵运行，开始对控制柜进行制冷，当温度低于设定的最低温度时，控制器切断接触器的线圈，水泵停止运行。轴流风扇一直旋转，对控制柜进行冷却。

5 改进的工业机器人电气控制柜的调试分析

制作的改进的工业机器人电气控制柜样机如图5所示，采用XMD-200数显温度计进行测试，采用测试方法为：将温度传感器分别放在电柜内部的前侧、后侧和右侧；在下午两点到五点时间段，100%满载满速运行机器人；每隔半个小时记录一次温度变化情况。通过对改进的工业机器人电气控制柜经过测试分析表明，装有散热管道的电气控制柜的散热要比没有装散热管道的电气控制柜的散热效果好，内侧测试温度要低4度左右，测试结果对比如图6所示。同时，经过外部人为压力测试发现，改进的工业机器人电气控制柜的内部结构不易受到损坏。

图5 改进的工业机器人电气控制柜样机

图6 电气控制柜温度测试对比

6 结 语

通过测试对比分析表明，改进的工业机器人电气控制柜，通过安装有第一管道、铜板、接触板、第二装置外壳、第四管道、水泵和冷却水缸，通过加大第二装置外壳两侧的接触板与外壳的接触面积，对伺服系统装置内部起到一个良好的热交换作用，同时通过水泵将冷却水缸内部的冷却液体形成水循环，对装置内部起到一个良好的散热作用；而且该装置安装有第一装置外壳、第二装置外壳、第一弹簧、第三装置外壳和第三弹簧，通过第一弹簧在第一装置外壳内部顶端的四角位置处对第二装置外壳的拉扯与第三装置外壳内部的第三弹簧，在受到来自于外部的压力产生形变时，可以通过第一弹簧产生形变后的回弹对装置起到减震的作用。