摘 要：為了克服現(xiàn)有抄片機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，針對特殊使用要求設(shè)計了一種應(yīng)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(jié)構(gòu)、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(dá)到設(shè)計使用要求。

0 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(yīng)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(nèi)目前同類成型設(shè)備主要是抄片機，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(gòu)中的重要部分，通過夾持機構(gòu)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(nèi)外自動化領(lǐng)域中，特別是在有毒、放射、易燃易爆等惡劣環(huán)境內(nèi)，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。其中氣動機械手與其它類型的機械手相比，具有結(jié)構(gòu)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(gòu)被很多場合所采用。在工業(yè)自動化領(lǐng)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。同時，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(dāng)行程為300mm、速度為2m/s時，定位精度可達(dá)±0.1mm。

本文針對紙基摩擦材料抄片機自動化程度低、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等缺陷，設(shè)計了自動抄片氣動機械手?？梢耘c由閥島、AS-i總線組成的控制系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)，組成完整的機械手。

1 氣動機械手本體設(shè)計

1.1 自動抄片機總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

自動抄片機是在手工抄片機的基礎(chǔ)上加裝氣動機械手進行自動化改裝而得到的，其總體機構(gòu)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

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(jié)構(gòu)

1—壓水輥

2—Y軸滑塊驅(qū)動器

3—Z軸滑塊驅(qū)動器

4—手指氣缸

5—成形網(wǎng)

6—抄片機主體

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—雙作用擺動氣缸

圖2 機械手動作示意圖

摩擦材料成形后由料缸支撐氣缸將料缸支起90^。后（圖1），機械手搬動壓水輥1在成形網(wǎng)5上輥壓脫水;機械手將成形網(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、機械手、料缸14復(fù)位。

1.2 機械手動作功能設(shè)計

為了實現(xiàn)圖2中的一系列功能，機械手動作根據(jù)手工操作的動作順序進行設(shè)計和優(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：滑動關(guān)節(jié)，R：旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)）拼裝機械手。為了安裝方便，各個部件都預(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，使機械手運動自如，具有高剛性、高強度及精確的導(dǎo)向和定位精度。圖2中的兩臺機械手結(jié)構(gòu)對稱、功能相同。單臺機械手由5個氣缸拼裝而成：DGPL直線單元氣缸7（X軸）、小型滑塊驅(qū)動器2、3（Y、Z軸）、雙作用擺動氣缸（180^。）13、手指氣缸4。

在抄片工藝中，為了保證機構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，采用了兩臺完全相同的機械手。工作時左右兩部機械手同步工作。為了使兩部機械手能夠同步動作，相同位置的氣缸由一閥控制，氣管的長度和走向完全對稱，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為各個氣缸的動作以及邏輯觸發(fā)，通過之間設(shè)定的觸發(fā)完成機械手的動作循環(huán)和功能。

圖3 各氣缸功能圖表

2 機械手控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)組成

因為機械手存在大量的接口及近20個接近傳感器，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，而且容易錯接或接觸不良，導(dǎo)致機械手故障率高。為了安裝、維護方便和聯(lián)網(wǎng)控制，機械手采用了帶PLC及現(xiàn)場總線的閥島進行控制并與 AS-i總線結(jié)合的控制系統(tǒng)，得到了一個完整的解決方案,如圖4。

圖4 AS-i總線獨立就地控制方案圖

閥島僅用一根電纜將PLC、傳感器與集裝式閥相連，通過串行信號傳遞的方式，以一定的數(shù)據(jù)格式完成系統(tǒng)中的信號雙向傳遞。這樣，不僅接口大大簡化，節(jié)省了配線時間，而且控制部分小巧實用。由于閥島的防護等級達(dá)到IP65、符合DIN標(biāo)準(zhǔn)，甚至無需控制箱，可就近安裝在機械手附近。構(gòu)成機械手控制信號傳送樞紐的AS-i總線除了能滿足機械手簡單I/O、開/關(guān)量等基本數(shù)據(jù)的高速傳輸外，對于更高級別的字節(jié)級（設(shè)備級）和數(shù)據(jù)流級的使用要求，還支持“金字塔”模式向上擴展，典型的網(wǎng)絡(luò)為AS-i—Profibus—IndustrialEthernet。在規(guī)模較小、以開關(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)場總線監(jiān)控系統(tǒng)，其規(guī)?？纱罂尚。渲渺`活方便。針對機械手的控制，可再作進一步的簡化，只保留主控制器（PLC/PC/IPC）、AS_i主機和從機。主機作為控制器的遠(yuǎn)程I/0，同時在小系統(tǒng)中作為獨立就地控制器，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，將閥島接人AS-i網(wǎng)絡(luò)并作為AS-i網(wǎng)絡(luò)的起始點，用地址編寫設(shè)備AS-PRG-ADR對從站地址進行設(shè)置，這樣就構(gòu)成了機械手的控制網(wǎng)絡(luò)。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)問題的解決

2.2.1 氣缸的兩點定位

在機械手工作過程中，小型滑塊驅(qū)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(yīng)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(dāng)執(zhí)行器到達(dá)相應(yīng)位置時發(fā)出信號，經(jīng)由AS-i總線傳至控制器，觸發(fā)下一步動作。

2.2.2 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(shù)難點之一，因為無桿缸要實現(xiàn)運動速度連續(xù)可調(diào)，達(dá)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，但伴隨著電一氣比例/伺服控制系統(tǒng)、定位系統(tǒng)技術(shù)的成熟，氣動任意位置定位已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)并得到了越來越廣泛的應(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—無潤滑5μm過濾單元

9—壓縮空氣源（0.5-0.7MPa）

10—停止設(shè)定點

圖5 SPCI00終端位置控制器在DGPL直線單元上的應(yīng)用

針對本文中性能要求較高的機械手設(shè)計的氣動伺服控制系統(tǒng)，當(dāng)運行速度<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(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，必須在對控制器進行設(shè)置時，將機械手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，所以事先知道機械手操作的大致參數(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(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，并用于控制器計算臨時參數(shù)。換言之，當(dāng)機械手的負(fù)載等參數(shù)改變時需要對控制器參數(shù)重新調(diào)整，這在設(shè)計的模擬過程中得到了驗證。

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、簡便、開放的氣動機械手控制系統(tǒng)，初步驗證了機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，可以解決機械手定位困難的問題。

（3）所設(shè)計的機械手與傳統(tǒng)抄片機相結(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。