【機(jī)械設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)】自動(dòng)抄片三自由度氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)

1、2007年6月第35卷第6期機(jī)床與液壓MACHINETOOL21西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院西安710072)摘要:為了克服現(xiàn)有抄片機(jī)手工操作引起的種種產(chǎn)品缺陷采用模塊化、集成化、邏輯分析等方法針對(duì)特殊使用要求設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用在高性能紙基摩擦材料抄片工藝上的氣動(dòng)機(jī)械手包括機(jī)械手硬件結(jié)構(gòu)、動(dòng)作流程以及氣動(dòng)控制回路。采用AS_i總線整合機(jī)械手傳感器、終端位置控制器、閥島和控制器等具有上擴(kuò)展能力可以達(dá)到設(shè)計(jì)使用要求。關(guān)鍵詞:氣動(dòng)機(jī)械手抄片機(jī)AS_i總線

2、中圖分類(lèi)號(hào):TP271132文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):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(qiáng)紙基摩擦材料具有靜動(dòng)摩擦系數(shù)比接近1制動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)是目前應(yīng)用在自動(dòng)變速裝置上的最為理想的濕式摩擦材料。目前國(guó)外的紙基摩擦材料成形工藝十分成熟自動(dòng)化程度高國(guó)內(nèi)目前同類(lèi)成型設(shè)備主要是抄片機(jī)且主要采用人工操作產(chǎn)品厚度誤差比較大嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性[1]。為了提高批量生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量和效率在原有抄片機(jī)上加裝機(jī)械手是代替手工操作的有效途徑。機(jī)械手是傳遞機(jī)構(gòu)中的重要部分通過(guò)夾持機(jī)

7、構(gòu)將物料從某一位置和方位按一定運(yùn)動(dòng)軌跡傳遞到另一位置和方位。近年來(lái)機(jī)械手在國(guó)內(nèi)外自動(dòng)化領(lǐng)域中特別是在有毒、放射、易燃易爆等惡劣環(huán)境內(nèi)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。其中氣動(dòng)機(jī)械手與其它類(lèi)型的機(jī)械手相比具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)較低、易于控制、維護(hù)方便、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)因此氣動(dòng)控制機(jī)械手機(jī)構(gòu)被很多場(chǎng)合所采用。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域里大量采用傳感器智能元件的拼裝式氣動(dòng)機(jī)械手克服了傳統(tǒng)氣動(dòng)機(jī)械手的笨重、無(wú)通用性等缺點(diǎn)具有很強(qiáng)的實(shí)用性和通用性[2]。同時(shí)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(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性簡(jiǎn)化了安裝和維修。國(guó)外發(fā)展的帶新型智能型電磁閥的氣動(dòng)定位系統(tǒng)、采用反饋控制當(dāng)行程為300mm、速度為2ms時(shí)定位精度可達(dá)011mm[35]。本文針對(duì)紙基摩擦材料抄片機(jī)自動(dòng)化程度低、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等缺陷設(shè)計(jì)了自動(dòng)抄片氣動(dòng)機(jī)械手?？梢耘c由閥島、AS2i總線組成的控制系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)組成完整的機(jī)械手。1氣動(dòng)機(jī)械手本體設(shè)計(jì)111自動(dòng)抄片機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自動(dòng)抄片機(jī)是在手工抄片機(jī)的基礎(chǔ)

9、上加裝氣動(dòng)機(jī)械手進(jìn)行自動(dòng)化改裝而得到的其總體機(jī)構(gòu)如圖1所示與手工抄片機(jī)相比增加了機(jī)械手、吹氣罩9等其中氣動(dòng)機(jī)械手在抄片機(jī)摩擦材料成形過(guò)程中的動(dòng)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(dòng)氣缸14—料缸圖1抄片機(jī)總體結(jié)構(gòu)?19942007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.支持“金字塔”模式向上擴(kuò)展典型的網(wǎng)絡(luò)為AS_iP

10、rofibus—IndustrialEther。在規(guī)模較小、以開(kāi)關(guān)量設(shè)備為主的應(yīng)用中可以省去“塔尖”使用AS_i和Profibus2DP構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線監(jiān)控系統(tǒng)其規(guī)?？纱罂尚∨渲渺`活方便[9]。針對(duì)機(jī)械手的控制可再作進(jìn)一步的簡(jiǎn)化只保留主控制器(PLCPCIPC)、AS_i主機(jī)和從機(jī)。主機(jī)作為控制器的遠(yuǎn)程IO同時(shí)在小系統(tǒng)中作為獨(dú)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(gè)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(jī)將閥島接入AS_i網(wǎng)絡(luò)并作為AS_i網(wǎng)絡(luò)的起始點(diǎn)用地址編寫(xiě)設(shè)備AS2PRG2ADR對(duì)從站地址進(jìn)行設(shè)置這樣就構(gòu)成了機(jī)械手的控制網(wǎng)絡(luò)。212關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的解決21211氣缸的兩點(diǎn)定位在機(jī)械手工作過(guò)程中小型滑塊驅(qū)動(dòng)器、雙作用擺動(dòng)氣缸等一般的兩點(diǎn)定位通過(guò)選擇其兩個(gè)終點(diǎn)位置并相應(yīng)配置兩個(gè)接近傳感器即可完成。由于機(jī)械手工作場(chǎng)所無(wú)強(qiáng)磁場(chǎng)采用了帶磁耦合式傳感器當(dāng)執(zhí)行器到達(dá)相應(yīng)位

12、置時(shí)發(fā)出信號(hào)經(jīng)由AS_i總線傳至控制器觸發(fā)下一步動(dòng)作。21212氣缸的多點(diǎn)定位對(duì)于機(jī)械手主要部件———DGPL無(wú)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(shù)難點(diǎn)之一因?yàn)闊o(wú)桿缸要實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)速度連續(xù)可調(diào)達(dá)到最佳的速度和緩沖效果同時(shí)大幅度降低氣缸的動(dòng)作時(shí)間和沖擊。這用傳統(tǒng)的的氣動(dòng)控制元件實(shí)現(xiàn)是非常困難的但伴隨著電—?dú)獗壤欧刂葡到y(tǒng)、定位系統(tǒng)技術(shù)的成熟氣動(dòng)任意位置定位已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)并得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[10]。1—導(dǎo)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(jī)構(gòu)(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(wú)潤(rùn)滑5μm過(guò)濾單元9—壓縮空氣源(015～017MPa)10—停止設(shè)定點(diǎn)圖5SPC100終端位置控制器在DGPL直線單元上的應(yīng)用針對(duì)本文中性能要求較高的機(jī)械手設(shè)計(jì)的氣動(dòng)伺服控制系統(tǒng)當(dāng)運(yùn)行速度5ms定位精度可達(dá)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(luò)與PID控制并行

14、組成利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)功能在線調(diào)整增益系數(shù)抑制因參數(shù)變化等對(duì)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(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣缸的運(yùn)動(dòng)控制。其回路始終處于閉環(huán)控制不斷檢測(cè)被控變量而且信號(hào)不斷地被傳送到控制器盡力達(dá)到零位偏差被控變量的連續(xù)不斷地和設(shè)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(duì)控制器進(jìn)行設(shè)置時(shí)將機(jī)械手DGPL氣缸的目標(biāo)位置值、行程、缸徑、工作壓力、負(fù)載等參數(shù)輸入控制器中所以事先知道機(jī)械手

15、操作的大致參數(shù)是很重要的。工作時(shí)SPC數(shù)字閉環(huán)控制器執(zhí)行一個(gè)算術(shù)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(duì)閥產(chǎn)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(wù)時(shí)一旦輸入并為控制器所認(rèn)知這些參數(shù)就不再為控制器的算術(shù)程序所改并用于控制器計(jì)算臨時(shí)參數(shù)。換言之當(dāng)機(jī)械手的負(fù)載等參數(shù)改變時(shí)需要對(duì)控制器參數(shù)重新調(diào)整這在設(shè)計(jì)的模擬過(guò)程中得到了驗(yàn)證。3結(jié)論(1)采用AS_i總線結(jié)合閥島的方式構(gòu)建了模塊化、簡(jiǎn)便、開(kāi)放的氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)初步驗(yàn)證了機(jī)

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(jī)械手定位困難的問(wèn)題。(3)所設(shè)計(jì)的機(jī)械手與傳統(tǒng)抄片機(jī)相結(jié)合可以提高工作效率和摩擦材料產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性。參考文獻(xiàn)【1】付業(yè)偉.一種新型短切碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料研究[J]1材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)200422(6):8028051【2】陳曉冰張為公1同步器試驗(yàn)中氣動(dòng)七連桿換擋機(jī)械手位置伺服控制[J]1汽車(chē)工程200527(5):5795821【3】王益

17、群趙靜一姜萬(wàn)錄姚成玉1鐵道車(chē)輛液壓錨定機(jī)械手[J]1中國(guó)鐵道工程200627(2):1401441【4】孟麗1現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在電廠中的應(yīng)用[J]1自動(dòng)化儀表200526(3):33351【5】E1RavinaR1Fatti1Anexperimentalwkbenchfinno2vativepneumaticunitscooperat2ingunderdistributedcon2trol[J]1MicroprocesssMicrosyst