摘 要：為了克服現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。

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。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。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，當行程為300mm、速度為2m/s時，定位精度可達±0.1mm。

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、AS-i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

1.1 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

1—壓水輥

5—成形網

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

1—壓水輥

2—Y軸滑塊驅動器

3—Z軸滑塊驅動器

4—手指氣缸

5—成形網

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5上輥壓脫水;機械手將成形網5帶摩擦材料從托網架上取下，沿導軌7右行、上行至到工作臺上方翻轉180^。;吹氣罩9下行將摩擦材料平整吹下;成形網5、機械手、料缸14復位。

1.2 機械手動作功能設計

為了實現圖2中的一系列功能，機械手動作根據手工操作的動作順序進行設計和優(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：滑動關節(jié)，R：旋轉關節(jié)）拼裝機械手。為了安裝方便，各個部件都預留了燕尾槽等拼裝導軌，導向系統(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、高強度及精確的導向和定位精度。圖2中的兩臺機械手結構對稱、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，導致機械手故障率高。為了安裝、維護方便和聯(lián)網控制，機械手采用了帶PLC及現場總線的閥島進行控制并與 AS-i總線結合的控制系統(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，以一定的數據格式完成系統(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到IP65、符合DIN標準，甚至無需控制箱，可就近安裝在機械手附近。構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/關量等基本數據的高速傳輸外，對于更高級別的字節(jié)級（設備級）和數據流級的使用要求，還支持“金字塔”模式向上擴展，典型的網絡為AS-i—Profibus—IndustrialEthernet。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Profibus-DP構成現場總線監(jiān)控系統(tǒng)，其規(guī)?？纱罂尚?，配置靈活方便。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網絡并作為AS-i網絡的起始點，用地址編寫設備AS-PRG-ADR對從站地址進行設置，這樣就構成了機械手的控制網絡。

2.2 關鍵技術問題的解決

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)行器到達相應位置時發(fā)出信號，經由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，則成為主要的技術難點之一，因為無桿缸要實現運動速度連續(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)技術的成熟，氣動任意位置定位已經能夠實現并得到了越來越廣泛的應用。

1—導向裝置

2—連軸器

3—位移傳感器（該處為模擬式）

4—執(zhí)行機構（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—停止設定點

圖5 SPCI00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<5m/s，定位精度可達±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，控制器由神經網絡與PID控制并行組成，利用神經網絡的學習功能，在線調整增益系數，抑制因參數變化等對系統(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。

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、負載等參數輸入控制器中，所以事先知道機械手操作的大致參數是很重要的。工作時，SPC數字閉環(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。換言之，當機械手的負載等參數改變時需要對控制器參數重新調整，這在設計的模擬過程中得到了驗證。

3 結論

（1）采用AS』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。