自动抄片三自由度气动机械手设计.pdf

2007年6月 第35卷 第6期 机床与液压 MACHI NE TOOL 21西北工业大学材料学院,西安710072 摘要为了克服现有抄片机手工操作引起的种种产品缺陷,采用模块化、集成化、逻辑分析等方法,针对特殊使用要 求设计了一种应用在高性能纸基摩擦材料抄片工艺上的气动机械手,包括机械手硬件结构、动作流程以及气动控制回路。 采用AS_i总线整合机械手传感器、终端位置控制器、阀岛和控制器等,具有上扩展能力,可以达到设计使用要求。 关键词气动机械手;抄片机; AS_i总线 中图分类号TP271 132 文献标识码 B 文章编号 1001 - 3881 2007 6 - 117 - 3 The Design of Auto Sheet2making Pneumatic RoboticMan ipulator with Three Degrees of Freedom CHEN Zhibin 1 , Q ILehua 1 , REN Yuanchun 2 , L IHejun 2 1 1College ofMechanical and Electrical Engineering, Northwestern PolytechnicalUniversity, Xi’an 710072, China; 21China Research Center of C/C Composites, Key Laboratory ofUltra2high Temperature Composites, Northwestern PolytechnicalUniversity, Xi’an 710072, China Abstract The sheet2making apparatus used in producing a kind of high2perance friction material has some limitations1A pneumatic robotic manipulator used to refit this sheet2making apparatuswas designed through the approach ofmodularization,integra2 tion and logic analysis1The manipulatorwas constructured by an integration of various pneumatic cylinders, sensors, valve islands and servo2positioning controller based on actuator2sensor interface AS_i bus1The manipulator realized the requirements of refitting and can be extended in the future1 Keywords Pneumatic robotic manipulator; Sheet2making apparatus; AS_i bus 0 前言 高性能碳纤维增强纸基摩擦材料,具有静/动摩 擦系数比接近1,制动平稳、噪声小、环保等优点, 是目前应用在自动变速装置上的最为理想的湿式摩擦 材料。目前国外的纸基摩擦材料成形工艺十分成熟, 自动化程度高,国内目前同类成型设备主要是抄片 机,且主要采用人工操作,产品厚度误差比较大,严 重影响产品质量的稳定性 [1 ]。为了提高批量生产的产 品质量和效率,在原有抄片机上加装机械手是代替手 工操作的有效途径。 机械手是传递机构中的重要部分,通过夹持机构 将物料从某一位置和方位,按一定运动轨迹传递到另 一位置和方位。近年来,机械手在国内外自动化领域 中,特别是在有毒、放射、易燃易爆等恶劣环境内, 得到了越来越广泛的应用。其中气动机械手与其它类 型的机械手相比,具有结构简单、造价较低、易于控 制、维护方便、寿命长等优点,因此气动控制机械手 机构被很多场合所采用。在工业自动化领域里,大量 采用传感器,智能元件的拼装式气动机械手克服了传 统气动机械手的笨重、无通用性等缺点,具有很强的 实用性和通用性 [2 ]。同时 ,由于采用总线连接集成系 统,特别是带集成PLC以及总线接口的阀岛,提高 了气动控制系统的可靠性,简化了安装和维修。国外 发展的带新型智能型电磁阀的气动定位系统、采用反 馈控制,当行程为300mm、速度为2m /s时,定位精 度可达 011mm [3 - 5 ]。 本文针对纸基摩擦材料抄片机自动化程度低、产 品质量不稳定等缺陷,设计了自动抄片气动机械手。 可以与由阀岛、AS2i总线组成的控制系统进行协调, 组成完整的机械手。 1 气动机械手本体设计 111 自动抄片机总体结构设计 自动抄片机是在手工抄片机的基础上加装气动机 械手进行自动化改装而得到的,其总体机构如图1所 示,与手工抄片机相比增加了机械手、吹气罩9等, 其中气动机械手在抄片机摩擦材料成形过程中的动作 如图2所示。 1 压水辊 5 成形网 7 直线单元 9 吹气罩 13 双作用摆动气缸 14 料缸 图1 抄片机总体结构 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 1 压水辊 2Y轴滑块驱动器 3Z轴滑块驱动器 4 手指气缸 5 成形网 6 抄片机主体 7DGPL 直线气缸 8 压缩空气管 9 吹气罩 10SPC100终 端位置控制器 11 位置传感器 12 比例方向控制阀 13 双作用摆动气缸 图2 机械手动作示意图 摩擦材料成形后由料缸支撑气缸将料缸支起90 后图1 ,机械手搬动压水辊1在成形网5上辊压 脱水;机械手将成形网5带摩擦材料从托网架上取 下,沿导轨7右行、上行至到工作台上方翻转180; 吹气罩9下行将摩擦材料平整吹下;成形网5、机械 手、料缸14复位。 112 机械手动作功能设计 为了实现图2中的一系列功能,机械手动作根据 手工操作的动作顺序进行设计和优化,使用的是安装 灵活的三自由度1 1/2 1/2 1,不包含手指 模块式3P1R P滑动关节, R旋转关节拼装机 械手。为了安装方便,各个部件都预留了燕尾槽等拼 装导轨,导向系统装置集成了电接口和带电缆及气管 的,使机械手运动自如,具有高刚性、高强度及精确 的导向和定位精度 [6 - 7 ]。图 2中的两台机械手结构对 称、功能相同。单台机械手由5个气缸拼装而成 DGPL直线单元气缸 7 X轴、小型滑块驱动器2、3 Y 、Z轴、双作用摆动气缸 180 13 、手指气缸 4。 在抄片工艺中,为了保证机构的刚度和稳定性, 采用了两台完全相同的机械手。工作时左右两部机械 手同步工作。为了使两部机械手能够同步动作,相同 位置的气缸由一阀控制,气管的长度和走向完全对 称,位置传感器触发的与门双压阀控制,双向 节流阀保证速度相同。图3为各个气缸的动作以及逻 辑触发,通过之间设定的触发完成机械手的动作循环 和功能。 图3 各气缸功能图表 2 机械手控制系统设计 211 控制系统组成 因为机械手存在大量的接口及近20个接近传感 器,当选用一般的控制策略连接这些气管件、电插件 及传感器,不仅工作量大,而且容易错接或接触不 良,导致机械手故障率高。为了安装、维护方便和联 网控制,机械手采用了带PLC及现场总线的阀岛进 行控制并与AS_i总线结合的控制系统,得到了一个 完整的解决方案 [8 ] ,如图4。 图4 AS_i总线独立就地控制方案图 阀岛仅用一根电缆将PLC、传感器与集装式阀相 连,通过串行信号传递的方式,以一定的数据格式完 成系统中的信号双向传递。这样,不仅接口大大简 化,节省了配线时间,而且控制部分小巧实用。由于 阀岛的防护等级达到IP65、符合D I N标准,甚至无 需控制箱,可就近安装在机械手附近。构成机械手控 制信号传送枢纽的AS_i总线除了能满足机械手简单 I/O、开/关量等基本数据的高速传输外,对于更高级 别的字节级设备级和数据流级的使用要求,还 811机床与液压第35卷 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 支持 “ 金字塔 ”模式向上扩展,典型的网络为AS_i - ProfibusIndustrial Ethernet。在规模较小、以开关 量设备为主的应用中,可以省去 “ 塔尖 ”,使用AS_i 和Profibus2DP构成现场总线监控系统,其规模可大 可小,配置灵活方便 [9 ]。针对机械手的控制 ,可再作 进一步的简化,只保留主控制器 PLC/PC/ IPC、 AS_ i主机和从机。主机作为控制器的远程I/O,同 时在小系统中作为独立就地控制器,如图4所示,带 AS2i接口的CP阀岛可配备2到8个阀片,其集成的 PLC,其支持AS_i、Profibus等总线。选用ASI2EVA2 MEB22E1A2Z型AS_i模块 IP65作为主机,将阀 岛接入AS_i网络并作为AS_i网络的起始点,用地址 编写设备AS2PRG2ADR对从站地址进行设置,这样 就构成了机械手的控制网络。 212 关键技术问题的解决 21211 气缸的两点定位 在机械手工作过程中,小型滑块驱动器、双作用 摆动气缸等一般的两点定位,通过选择其两个终点位 置,并相应配置两个接近传感器即可完成。由于机械 手工作场所无强磁场,采用了带磁耦合式传感器,当 执行器到达相应位置时发出信号,经由AS_i总线传 至控制器,触发下一步动作。 21212 气缸的多点定位 对于机械手主要部件 DGPL无杆缸两处精度 为 1mm的中间定位控制方案,则成为主要的技术 难点之一,因为无杆缸要实现运动速度连续可调,达 到最佳的速度和缓冲效果,同时大幅度降低气缸的动 作时间和冲击。这用传统的的气动控制元件实现是非 常困难的,但伴随着电 气比例/伺服控制系统、定 位系统技术的成熟,气动任意位置定位已经能够实现 并得到了越来越广泛的应用 [10 ]。 1 导向装置 2 连轴器 3 位移传感器该处为模 拟式 4 执行机构该处为直线气缸 5 接地 线 6SPC100终端位置控制器 7 比例方向控制阀 8 无润滑5μm过滤单元 9 压缩空气源 0 15～ 017MPa 10 停止设定点 图5 SPC100终端位置控制器在DGPL直线单元上的应用 针对本文中性能要求较高的机械手设计的气动伺 服控制系统,当运行速度 5m /s,定位精度可达 011～ 012mm,包括MPYE型伺服阀、位置传感 器、气缸、SPC控制器,如图5,控制器由神经网络 与PI D控制并行组成,利用神经网络的学习功能,在 线调整增益系数,抑制因参数变化等对系统稳定性造 成的影响,最终由控制器向伺服阀发出控制信号,实 现对气缸的运动控制。其回路始终处于闭环控制,不 断检测被控变量,而且信号不断地被传送到控制器, 尽力达到零位偏差;被控变量的连续不断地和设定值 作比较,控制器尽量使偏差为零 [5 ]。 控制操作由控制器和被控制系统的交互作用完 成,必须在对控制器进行设置时,将机械手DGPL气 缸的目标位置值、行程、缸径、工作压力、负载等参 数输入控制器中,所以事先知道机械手操作的大致参 数是很重要的。工作时, SPC数字闭环控制器执行一 个算术程序,该程序中以输入的参数作为特征变量, 主要目的是对阀产生合适变量。在一次执行中,系统 参数在定义伺服气缸任务时一旦输入并为控制器所认 知,这些参数就不再为控制器的算术程序所改,并用 于控制器计算临时参数。换言之,当机械手的负载等 参数改变时需要对控制器参数重新调整,这在设计的 模拟过程中得到了验证。 3 结论 1采用AS_i总线结合阀岛的方式构建了模块 化、简便、开放的气动机械手控制系统,初步验证了 机械手本体和控制系统的可行性 2采用带电-气比例位置控制阀的终端位置 控制器SPC100,可以解决机械手定位困难的问题。 3所设计的机械手与传统抄片机相结合可以 提高工作效率和摩擦材料产品的质量稳定性。 参考文献 【1】 付业伟.一种新型短切碳纤维增强纸基摩擦材料研究 [J ]1材料科学与工程学报, 2004, 22 6 802 - 8051 【2】 陈晓冰,张为公 1同步器试验中气动七连杆换挡机械 手位置伺服控制[ J ]1汽车工程, 2005,275 579 - 5821 【3】 王益群,赵静一,姜万录,姚成玉 1铁道车辆液压锚 定机械手[J ]1中国铁道工程, 2006, 27 2 140 - 1441 【4】 孟丽 1现场总线技术在电厂中的应用[J ]1自动化仪 表, 2005, 26 3 33 - 351 【5】E1Ravina, R1Fattori1An experimentalworkbench for inno2 vative pneumatic units cooperat2ing under distributed con2 trol [ J ]1Microprocessors and Microsystems,2000,24 1 71 - 801 下转第122页 911第6期陈志彬 等自动抄片三自由度气动机械手设计 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 液得到不断的更新和冷却,所以滑靴能够以很高的速 度沿斜面滑动。 阻尼小孔的直径d0不能太大,否则油泵工作时 油液通过油膜处间隙大量渗漏,致使油泵建立不起油 压,或影响油泵工作的稳定性。 同理,缸体与配油盘之间也是采用静液压轴承原 理。其撑开力使由配油盘排油窗口内的油压和附近的 油膜内的油压作用于缸体端面而形成的,而缸体对配 油盘的压紧力则是由柱塞压油时柱塞孔内的油压作用 于缸体产生的。其压紧系数一般取为1106～1110。 21312 柱塞与缸体间滑动摩擦副 建立柱塞油膜润滑的条件可应用流体动压润滑 理论来说明,图3是柱塞摩擦中形成油膜润滑的示意 图,其中Fr设为柱塞杆承受的径向载荷,n为柱塞 轴的旋转速度。 图3 柱塞与缸体之间油膜润滑示意图 当柱塞静止时,柱塞与缸体在最低点接触,在柱 塞与缸体之间充有润滑性能很好的、具有一定粘性的 油,两表面间被很薄的液压油膜隔开,形成边界润滑 或混合润滑;当柱塞开始滑动带自转时,速度很低, 柱塞与缸体壁之间存在着金属面接触,在摩擦力作用 下,柱塞沿孔壁向右上方爬升。随着转速的增加,粘 附在轴表面上的液压油,被带入楔形间隙的量也增 大,开始形成压力油楔,液压油楔的压力随旋转速度 的提高而增大,当油楔压力足以克服柱塞载荷时柱塞 被抬起与缸体分开,此时开始发生完全油膜润滑,把 柱塞浮起并推向左方,柱塞中心稳定在缸体孔中心左 下方的某一位置上。柱塞的转速越高,液压油的粘度 越大,柱塞中的油量越充分,液压油楔的厚度承载能 力就越大,油膜的润滑效果就越好,柱塞的磨损也就 越小,柱塞中心就越接近缸体孔的中心。当转速降低 减小时,液压油楔的压力也随之减小,当它不足以承 担柱塞载荷时,液体摩擦即被破坏,摩擦面只被薄薄 的油膜隔开,就可能产生金属表面的直接接触,造成 磨损。 3 结论 柱塞组是斜盘式轴向柱塞泵的主要零件,其摩擦 副性能优劣直接影响了泵的运转及使用寿命。一般认 为,滑靴与斜盘之间的油膜被破坏而引起金属接触是 造成泵损坏的主要原因,而造成油膜被破坏的根本原 因是滑靴底面支承力不足,使滑靴被压向斜盘,变薄 的油膜虽然会使热楔支承力增加,但当它受急剧剪切 后会使油温升得过高,油液粘度下降,油膜形成的条 件更加恶劣。如果这时油膜厚度与接触表面的粗糙度 处于同一数量级,就会造成金属接触。因而,为提高 柱塞泵马达摩擦副接触面之间的润滑性能,要合理控 制滑动面间的液体润滑膜厚度。 参考文献 【1】 闻德生 1开路式轴向柱塞泵的研究[J ]1机械工程学 报, 1987, 23 2 74 - 771 【2】E1Koc, C1J1Hooke1An analysis of the lubrication mecha2 nisms of the bush type bearings in high pressure pumps [ J ]1Tribology International,1997,30 8 553 - 5601 【3】 温诗铸 1摩擦学原理[M ]1北京清华大学出版社, 1990111 【4】 温诗铸,杨沛然 1弹性流体动力润滑[M ]1北京 机械工业出版社, 1992111 作者简介张力1959 , 女,博士,教授,研究 领域为机械设计及理论。E - mailzhaofbtbu1edu1cn。 收稿日期 2006 - 06 - 29 上接第119页 【6】M.Van Damme, R.Van Ham, B.Vanderborght,et al .Design of a“soft”22DOF planar pneum2atic manipu2 lator [J ]1Cli mbing andWalking Robots, 2006 559 - 5661 【7】BS1Ryuh, S M.Park, GR1Pennock.An automatic tool changer and integrated soft ware for a robotic die polishing station [J ]1MechMach Theory, 2006, 41 4 415 - 4321 【8】John H1Lilly, SeniorMember,IEEE, Liang Yang .Slid2 ingMode Tracking for PneumaticMus2cle Actuators in Op2 posing Pair Configuration [ J ]1IEEE Transactions on Control Systems Technology, July 2005, 13 4 550 - 5601 【9】Guido Belforte,Stefano Mauro,Giuliana Mattiazzo.A for increasing the Dynamic per2ance of pneu2 matic servosystemswith digital valves [J ]. Mechatronics, 2004 14 1105 - 11201 【10】Alan L1Hitchcox1The Logical Choice for Factory Auto2 mation [ J ].Hydrau2lics Pneumatics, 2005 6 46 - 491 作者简介陈志彬1980 , 男,汉族,西北工业 大学硕士研究生,研究方向气动系统设计。电话 029 - 88488017, 13572866154,E - mailchenzb mail1nwpu. edu1cn。齐乐华1957 , 女,汉族,西北工业大学博士 生导师,教授,研究方向液固挤压、液压传动、人工神 经网络等。E - mailqilehuanwpu1edu1cn。 收稿日期 2006 - 09 - 27 221机床与液压第35卷 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.