【機械設計畢業(yè)設計】自動抄片三自由度氣動機械手設計

1、2007年6月第35卷第6期機床與液壓MACHINETOOL21西北工業(yè)大學材料學院西安710072)摘要:為了克服現(xiàn)有抄片機手工操作引起的種種產品缺陷采用模塊化、集成化、邏輯分析等方法針對特殊使用要求設計了一種應用在高性能紙基摩擦材料抄片工藝上的氣動機械手包括機械手硬件結構、動作流程以及氣動控制回路。采用AS_i總線整合機械手傳感器、終端位置控制器、閥島和控制器等具有上擴展能力可以達到設計使用要求。關鍵詞:氣動機械手抄片機AS_i總線

2、中圖分類號:TP271132文獻標識碼:B文章編號:10013881(2007)61173TheDesignofAutoSheet2makingPneumaticRoboticManipulatwithThreeDegreesofFreedomCHENZhibin1QILehua1RENYuanchun2LIHejun2(11CollegeofMechanicalElectricalEngineeringNthwesternPolyte

3、chnicalUniversityXi’an710072China21ChinaResearchCenterofCCCompositesKeyLabatyofUltra2highTemperatureCompositesNthwesternPolytechnicalUniversityXi’an710072China)Abstract:Thesheet2makingapparatususedinproducingakindofhigh2

4、perfmancefrictionmaterialhassomelimitations1Apneumaticroboticmanipulatusedtorefitthissheet2makingapparatuswasdesignedthroughtheapproachofmodularizationintegra2tionlogicanalysis1Themanipulatwasconstructuredbyanintegration

5、ofvariouspneumaticcylinderssenssvalveislsservo2positioningcontrollerbasedonactuat2sensinterface(AS_i)bus1Themanipulatrealizedtherequirementsofrefittingcanbeextendedinthefuture1Keywds:PneumaticroboticmanipulatSheet2making

6、apparatusAS_ibus0前言高性能碳纖維增強紙基摩擦材料具有靜動摩擦系數(shù)比接近1制動平穩(wěn)、噪聲小、環(huán)保等優(yōu)點是目前應用在自動變速裝置上的最為理想的濕式摩擦材料。目前國外的紙基摩擦材料成形工藝十分成熟自動化程度高國內目前同類成型設備主要是抄片機且主要采用人工操作產品厚度誤差比較大嚴重影響產品質量的穩(wěn)定性[1]。為了提高批量生產的產品質量和效率在原有抄片機上加裝機械手是代替手工操作的有效途徑。機械手是傳遞機構中的重要部分通過夾持機

7、構將物料從某一位置和方位按一定運動軌跡傳遞到另一位置和方位。近年來機械手在國內外自動化領域中特別是在有毒、放射、易燃易爆等惡劣環(huán)境內得到了越來越廣泛的應用。其中氣動機械手與其它類型的機械手相比具有結構簡單、造價較低、易于控制、維護方便、壽命長等優(yōu)點因此氣動控制機械手機構被很多場合所采用。在工業(yè)自動化領域里大量采用傳感器智能元件的拼裝式氣動機械手克服了傳統(tǒng)氣動機械手的笨重、無通用性等缺點具有很強的實用性和通用性[2]。同時由于采用總線連接

8、集成系統(tǒng)特別是帶集成PLC以及總線接口的閥島提高了氣動控制系統(tǒng)的可靠性簡化了安裝和維修。國外發(fā)展的帶新型智能型電磁閥的氣動定位系統(tǒng)、采用反饋控制當行程為300mm、速度為2ms時定位精度可達011mm[35]。本文針對紙基摩擦材料抄片機自動化程度低、產品質量不穩(wěn)定等缺陷設計了自動抄片氣動機械手。可以與由閥島、AS2i總線組成的控制系統(tǒng)進行協(xié)調組成完整的機械手。1氣動機械手本體設計111自動抄片機總體結構設計自動抄片機是在手工抄片機的基礎

9、上加裝氣動機械手進行自動化改裝而得到的其總體機構如圖1所示與手工抄片機相比增加了機械手、吹氣罩9等其中氣動機械手在抄片機摩擦材料成形過程中的動作如圖2所示。1—壓水輥5—成形網(wǎng)7—直線單元9—吹氣罩13—雙作用擺動氣缸14—料缸圖1抄片機總體結構?19942007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.支持“金字塔”模式向上擴展典型的網(wǎng)絡為AS_iP

10、rofibus—IndustrialEther。在規(guī)模較小、以開關量設備為主的應用中可以省去“塔尖”使用AS_i和Profibus2DP構成現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)其規(guī)?？纱罂尚∨渲渺`活方便[9]。針對機械手的控制可再作進一步的簡化只保留主控制器(PLCPCIPC)、AS_i主機和從機。主機作為控制器的遠程IO同時在小系統(tǒng)中作為獨立就地控制器如圖4所示帶AS2i接口的CP閥島可配備2到8個閥片其集成的PLC其支持AS_i、Profibus等總線

11、。選用ASI2EVA2MEB22E1A2Z型AS_i模塊(IP65)作為主機將閥島接入AS_i網(wǎng)絡并作為AS_i網(wǎng)絡的起始點用地址編寫設備AS2PRG2ADR對從站地址進行設置這樣就構成了機械手的控制網(wǎng)絡。212關鍵技術問題的解決21211氣缸的兩點定位在機械手工作過程中小型滑塊驅動器、雙作用擺動氣缸等一般的兩點定位通過選擇其兩個終點位置并相應配置兩個接近傳感器即可完成。由于機械手工作場所無強磁場采用了帶磁耦合式傳感器當執(zhí)行器到達相應位

12、置時發(fā)出信號經(jīng)由AS_i總線傳至控制器觸發(fā)下一步動作。21212氣缸的多點定位對于機械手主要部件———DGPL無桿缸兩處精度為1mm的中間定位控制方案則成為主要的技術難點之一因為無桿缸要實現(xiàn)運動速度連續(xù)可調達到最佳的速度和緩沖效果同時大幅度降低氣缸的動作時間和沖擊。這用傳統(tǒng)的的氣動控制元件實現(xiàn)是非常困難的但伴隨著電—氣比例伺服控制系統(tǒng)、定位系統(tǒng)技術的成熟氣動任意位置定位已經(jīng)能夠實現(xiàn)并得到了越來越廣泛的應用[10]。1—導向裝置2—連軸器

13、3—位移傳感器(該處為模擬式)4—執(zhí)行機構(該處為直線氣缸)5—接地線6—SPC100終端位置控制器7—比例方向控制閥8—無潤滑5μm過濾單元9—壓縮空氣源(015～017MPa)10—停止設定點圖5SPC100終端位置控制器在DGPL直線單元上的應用針對本文中性能要求較高的機械手設計的氣動伺服控制系統(tǒng)當運行速度5ms定位精度可達011～012mm包括MPYE型伺服閥、位置傳感器、氣缸、SPC控制器如圖5控制器由神經(jīng)網(wǎng)絡與PID控制并行

14、組成利用神經(jīng)網(wǎng)絡的學習功能在線調整增益系數(shù)抑制因參數(shù)變化等對系統(tǒng)穩(wěn)定性造成的影響最終由控制器向伺服閥發(fā)出控制信號實現(xiàn)對氣缸的運動控制。其回路始終處于閉環(huán)控制不斷檢測被控變量而且信號不斷地被傳送到控制器盡力達到零位偏差被控變量的連續(xù)不斷地和設定值作比較控制器盡量使偏差為零[5]?？刂撇僮饔煽刂破骱捅豢刂葡到y(tǒng)的交互作用完成必須在對控制器進行設置時將機械手DGPL氣缸的目標位置值、行程、缸徑、工作壓力、負載等參數(shù)輸入控制器中所以事先知道機械手

15、操作的大致參數(shù)是很重要的。工作時SPC數(shù)字閉環(huán)控制器執(zhí)行一個算術程序該程序中以輸入的參數(shù)作為特征變量主要目的是對閥產生合適變量。在一次執(zhí)行中系統(tǒng)參數(shù)在定義伺服氣缸任務時一旦輸入并為控制器所認知這些參數(shù)就不再為控制器的算術程序所改并用于控制器計算臨時參數(shù)。換言之當機械手的負載等參數(shù)改變時需要對控制器參數(shù)重新調整這在設計的模擬過程中得到了驗證。3結論(1)采用AS_i總線結合閥島的方式構建了模塊化、簡便、開放的氣動機械手控制系統(tǒng)初步驗證了機

16、械手本體和控制系統(tǒng)的可行性(2)采用帶電氣比例位置控制閥的終端位置控制器SPC100可以解決機械手定位困難的問題。(3)所設計的機械手與傳統(tǒng)抄片機相結合可以提高工作效率和摩擦材料產品的質量穩(wěn)定性。參考文獻【1】付業(yè)偉.一種新型短切碳纖維增強紙基摩擦材料研究[J]1材料科學與工程學報200422(6):8028051【2】陳曉冰張為公1同步器試驗中氣動七連桿換擋機械手位置伺服控制[J]1汽車工程200527(5):5795821【3】王益

17、群趙靜一姜萬錄姚成玉1鐵道車輛液壓錨定機械手[J]1中國鐵道工程200627(2):1401441【4】孟麗1現(xiàn)場總線技術在電廠中的應用[J]1自動化儀表200526(3):33351【5】E1RavinaR1Fatti1Anexperimentalwkbenchfinno2vativepneumaticunitscooperat2ingunderdistributedcon2trol[J]1MicroprocesssMicrosyst