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。

0 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。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)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。同時(shí)，由于采用總線連接集成系統(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2m/s時(shí)，定位精度可達(dá)±0.1mm。

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、AS-i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)

1.1 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)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

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)

1—壓水輥

2—Y軸滑塊驅(qū)動(dòng)器

3—Z軸滑塊驅(qū)動(dòng)器

4—手指氣缸

5—成形網(wǎng)

6—抄片機(jī)主體

7—DGPL直線氣缸

8—壓縮空氣管

9—吹氣罩

10—SPCI00終端位置控制器

11—位置傳感器

12—比例方向控制閥

13—雙作用擺動(dòng)氣缸

圖2 機(jī)械手動(dòng)作示意圖

摩擦材料成形后由料缸支撐氣缸將料缸支起90^。后（圖1），機(jī)械手搬動(dòng)壓水輥1在成形網(wǎng)5上輥壓脫水;機(jī)械手將成形網(wǎng)5帶摩擦材料從托網(wǎng)架上取下，沿導(dǎo)軌7右行、上行至到工作臺(tái)上方翻轉(zhuǎn)180^。;吹氣罩9下行將摩擦材料平整吹下;成形網(wǎng)5、機(jī)械手、料缸14復(fù)位。

1.2 機(jī)械手動(dòng)作功能設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)圖2中的一系列功能，機(jī)械手動(dòng)作根據(jù)手工操作的動(dòng)作順序進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，使用的是安裝靈活的三自由度（1+1/2+1/2+1，不包含手指）模塊式3P1R（P：滑動(dòng)關(guān)節(jié)，R：旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)）拼裝機(jī)械手。為了安裝方便，各個(gè)部件都預(yù)留了燕尾槽等拼裝導(dǎo)軌，導(dǎo)向系統(tǒng)裝置集成了電接口和帶電纜及氣管的，使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)自如，具有高剛性、高強(qiáng)度及精確的導(dǎo)向和定位精度。圖2中的兩臺(tái)機(jī)械手結(jié)構(gòu)對(duì)稱、功能相同。單臺(tái)機(jī)械手由5個(gè)氣缸拼裝而成：DGPL直線單元?dú)飧?（X軸）、小型滑塊驅(qū)動(dòng)器2、3（Y、Z軸）、雙作用擺動(dòng)氣缸（180^。）13、手指氣缸4。

在抄片工藝中，為了保證機(jī)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，采用了兩臺(tái)完全相同的機(jī)械手。工作時(shí)左右兩部機(jī)械手同步工作。為了使兩部機(jī)械手能夠同步動(dòng)作，相同位置的氣缸由一閥控制，氣管的長(zhǎng)度和走向完全對(duì)稱，位置傳感器觸發(fā)的與門（雙壓閥）控制，雙向節(jié)流閥保證速度相同。圖3為各個(gè)氣缸的動(dòng)作以及邏輯觸發(fā)，通過(guò)之間設(shè)定的觸發(fā)完成機(jī)械手的動(dòng)作循環(huán)和功能。

圖3 各氣缸功能圖表

2 機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)組成

因?yàn)闄C(jī)械手存在大量的接口及近20個(gè)接近傳感器，當(dāng)選用一般的控制策略連接這些氣管件、電插件及傳感器，不僅工作量大，而且容易錯(cuò)接或接觸不良，導(dǎo)致機(jī)械手故障率高。為了安裝、維護(hù)方便和聯(lián)網(wǎng)控制，機(jī)械手采用了帶PLC及現(xiàn)場(chǎng)總線的閥島進(jìn)行控制并與 AS-i總線結(jié)合的控制系統(tǒng)，得到了一個(gè)完整的解決方案,如圖4。

圖4 AS-i總線獨(dú)立就地控制方案圖

閥島僅用一根電纜將PLC、傳感器與集裝式閥相連，通過(guò)串行信號(hào)傳遞的方式，以一定的數(shù)據(jù)格式完成系統(tǒng)中的信號(hào)雙向傳遞。這樣，不僅接口大大簡(jiǎn)化，節(jié)省了配線時(shí)間，而且控制部分小巧實(shí)用。由于閥島的防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP65、符合DIN標(biāo)準(zhǔn)，甚至無(wú)需控制箱，可就近安裝在機(jī)械手附近。構(gòu)成機(jī)械手控制信號(hào)傳送樞紐的AS-i總線除了能滿足機(jī)械手簡(jiǎn)單I/O、開(kāi)/關(guān)量等基本數(shù)據(jù)的高速傳輸外，對(duì)于更高級(jí)別的字節(jié)級(jí)（設(shè)備級(jí)）和數(shù)據(jù)流級(jí)的使用要求，還支持“金字塔”模式向上擴(kuò)展，典型的網(wǎng)絡(luò)為AS-i—Profibus—IndustrialEthernet。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Profibus-DP構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線監(jiān)控系統(tǒng)，其規(guī)?？纱罂尚?，配置靈活方便。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（PLC/PC/IPC）、AS_i主機(jī)和從機(jī)。主機(jī)作為控制器的遠(yuǎn)程I/0，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AS-i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。選用ASI-EVA-MEB-2E1A-Z型AS-i模塊（IP65）作為主機(jī)，將閥島接人AS-i網(wǎng)絡(luò)并作為AS-i網(wǎng)絡(luò)的起始點(diǎn)，用地址編寫設(shè)備AS-PRG-ADR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)。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的解決

2.2.1 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。

2.2.2 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，但伴隨著電一氣比例/伺服控制系統(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。

1—導(dǎo)向裝置

2—連軸器

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（0.5-0.7MPa）

10—停止設(shè)定點(diǎn)

圖5 SPCI00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<5m/s，定位精度可達(dá)±0.1-土0.2mm，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。

控制操作由控制器和被控制系統(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』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)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SPCI00，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。