紙基摩擦片送料機(jī)械手的設(shè)計(jì)分析

李佳，雷良育，石磊，徐菁菁，吳雙，任歡

(浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院，浙江臨安 311300)

紙基摩擦片送料機(jī)械手的設(shè)計(jì)分析

李佳，雷良育，石磊，徐菁菁，吳雙，任歡

(浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院，浙江臨安 311300)

針對目前紙基摩擦片制備時(shí)在各工位間傳送效率低下的問題，設(shè)計(jì)了一種旋轉(zhuǎn)式的氣缸與手爪相互獨(dú)立的工件運(yùn)輸機(jī)械手，提高了紙基摩擦片的制備效率和質(zhì)量。為提高摩擦片落料的準(zhǔn)確性，在硬件方面利用虛擬樣機(jī)技術(shù)在Adams中對其手爪進(jìn)行動力學(xué)分析和參數(shù)優(yōu)化;在軟件方面建立了模糊自適應(yīng)PID控制器，大幅度改善了中心軸驅(qū)動電機(jī)的動態(tài)性能。

機(jī)械手;模糊控制;Adams

濕式紙基摩擦片由濕式摩擦紙和鋼制芯片構(gòu)成，是濕式離合器非常重要的零部件之一［1－2］。其主要功能是保證發(fā)動機(jī)扭矩的順利傳輸以及傳輸過程中濕式摩擦片和對偶摩擦副的接合平順，降低摩擦噪聲。紙基摩擦片從鋼制芯片加工至貼紙完成需要經(jīng)過涂粘結(jié)劑和貼紙基材料2個(gè)關(guān)鍵步驟，且這2個(gè)工序需要在不同的工作臺上完成。這就涉及到摩擦片在2個(gè)工作臺之間的運(yùn)送，以及原始鋼片的送入和貼片完成后摩擦片的送出。目前，工件的傳送還主要靠人工手持操作，效率低下。

西北工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)崿F(xiàn)摩擦片自動送料的裝置［3］。該送料機(jī)械手能完成工件的傳送，但由于2只機(jī)械手只能在氣缸作用下做往返運(yùn)動，空行程占有較大比例，效率提升不明顯。因此，本文設(shè)計(jì)了一種旋轉(zhuǎn)式的機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)了零空行程，從而提高了效率。

1 結(jié)構(gòu)原理

機(jī)械手的機(jī)構(gòu)如圖1所示。該機(jī)械手主體由上下兩層機(jī)構(gòu)組成。上層和中心軸與基座保持固定，下層可繞中心軸旋轉(zhuǎn)。氣缸和手爪分別固定在機(jī)械手的上下兩層，以實(shí)現(xiàn)氣缸和手爪的獨(dú)立，避免在旋轉(zhuǎn)的過程中連接氣缸的氣管因機(jī)械手旋轉(zhuǎn)出現(xiàn)纏繞。處于壓縮狀態(tài)的彈簧推動滑塊使兩手指相向運(yùn)動，直到成功夾持工件結(jié)束。當(dāng)位于機(jī)械手上層的氣缸軸伸出時(shí)，推動前方的滑塊壓縮彈簧，迫使兩手指打開，釋放工件。夾持機(jī)構(gòu)采用平面連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩手指只在一個(gè)方向上對稱運(yùn)動，以保證夾持和釋放工件的平穩(wěn)性。

圖1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)

用該機(jī)械手進(jìn)行紙基摩擦片的制備時(shí)需要在機(jī)械手周圍均布4個(gè)工作臺，分別實(shí)現(xiàn)原始鋼片的送入、粘接劑的涂抹、紙基的粘貼以及成品的輸出。工作示意圖如圖2所示。工作流程為:初始狀態(tài)下4氣缸打開對應(yīng)手爪;氣缸A和手爪A對應(yīng)進(jìn)料工作臺，氣缸B和手爪B對應(yīng)涂膠工作臺，氣缸C和手爪C對應(yīng)貼片工作臺，氣缸D和手爪D對應(yīng)出料工作臺;氣缸軸縮回，手爪ABC夾持工件;上層機(jī)械手和氣缸保持不變，4工作臺位置固定，機(jī)械手與手爪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°;此時(shí)，手爪A移動到氣缸B前方，手爪B移動到氣缸C前方，手爪C移動到氣缸D前方，手爪D移動到氣缸A的前方;4氣缸軸伸出打開4個(gè)手爪完成落料;工件在各個(gè)工作臺加工;加工完成，4氣缸收縮，手爪夾持工件旋轉(zhuǎn)進(jìn)入下一工作臺便可完成工件的傳送和連續(xù)加工。

圖2 工作示意圖

2 機(jī)械手落料分析

為使機(jī)械手能夠準(zhǔn)確地將工件從一個(gè)工位運(yùn)至另外一個(gè)工位，需要從軟硬兩方面對機(jī)械手進(jìn)行優(yōu)化。軟件方面需要機(jī)械手下層能夠在伺服電機(jī)的驅(qū)動下準(zhǔn)確地將工件移至對應(yīng)的工位上方;硬件方面需要機(jī)械手爪能夠精準(zhǔn)落料。

2.1 驅(qū)動電機(jī)模糊控制

機(jī)械手下層在直流伺服電機(jī)的驅(qū)動下圍繞中心軸旋轉(zhuǎn)。要保證精準(zhǔn)落料，首先要讓機(jī)械手下層能夠?qū)⒐ぜ?zhǔn)確地放在指定工作臺上方。

2.1.1 直流伺服電機(jī)拖動系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

圖3為伺服電機(jī)拖動機(jī)械手旋轉(zhuǎn)的等效電路圖。根據(jù)回路電樞電壓平衡(式(1))與拖動系統(tǒng)力矩平衡(式(2))可得系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型(見圖3)，由此建立系統(tǒng)方框圖，如圖4所示。

圖3 拖動系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

圖4 系統(tǒng)方框圖

圖4中:ua為直流電機(jī)電樞電壓;ia為直流電機(jī)電樞電流;La為直流電機(jī)電樞電感;Ra為直流電機(jī)電樞電阻;e為直流電機(jī)繞組感應(yīng)電動勢;n為直流電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速;ФN為直流電機(jī)額定磁通;Tl為負(fù)載折算到直流電機(jī)端的轉(zhuǎn)矩;J為系統(tǒng)折算到直流電機(jī)端的轉(zhuǎn)動慣量。

2.1.2 系統(tǒng)聯(lián)合仿真

為提高驅(qū)動電機(jī)的精度，工程中常采用二維自適應(yīng)模糊PID控制器。以輸入誤差e和誤差變化ec作為模糊推理單元的輸入變量，Kp，Ki，Kd為輸出變量，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 自適應(yīng)模糊PID控制器結(jié)構(gòu)

為實(shí)時(shí)反饋機(jī)械系統(tǒng)在速度變化時(shí)對應(yīng)的負(fù)載，采用Adams－matlab聯(lián)合仿真［4－6］。在Simulink中建立系統(tǒng)仿真模塊如圖6所示。仿真所得模糊PID［7］與常規(guī)PID控制系統(tǒng)的對比結(jié)果見圖7。

圖6 系統(tǒng)聯(lián)合仿真模塊

圖7 常規(guī)PID控制和模糊自適應(yīng)PID控制器仿真曲線

從圖7可以看出:模糊PID控制器能夠讓機(jī)械手平穩(wěn)地達(dá)到預(yù)期的速度，且能在變化負(fù)載情況下維持較高的穩(wěn)定性。

2.2 手爪優(yōu)化設(shè)計(jì)

為使手爪能夠準(zhǔn)確落料，使用平面連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)手爪兩手指只在夾持工件的方向上運(yùn)動。利用Adams［8－9］對加持裝置的尺寸進(jìn)行試驗(yàn)研究。由于手爪兩手指的運(yùn)動對稱，取其中一手指進(jìn)行分析。圖8為手爪一手指的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中A表示滑塊;B表示手指，初始設(shè)計(jì)尺寸取AC=25 mm，BC=60 mm。為找到最優(yōu)的A，B點(diǎn)，讓A沿AC滑動，B沿BB1滑動。即取AC、BB1為設(shè)計(jì)變量，利用Adams試驗(yàn)分析B點(diǎn)的位移和速度。試驗(yàn)結(jié)果如圖9、10所示。

圖8 手爪手指結(jié)構(gòu)示意圖

圖9 試驗(yàn)研究位移曲線

圖10 試驗(yàn)研究速度曲線

為使工件能夠從機(jī)械手爪實(shí)現(xiàn)落料，手指位移應(yīng)大于5 mm。圖10顯示:當(dāng)AC=25或者20時(shí)，滿足要求。為使工件落料精準(zhǔn)，手指的打開應(yīng)盡量平穩(wěn)。從圖10看出:當(dāng)AC=25 mm，BB1=60 mm時(shí)，B點(diǎn)速度平穩(wěn)。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)式機(jī)械手，通過對驅(qū)動電機(jī)采用模糊控制器來提高機(jī)械手的周向定位精度;運(yùn)用Matlab和Adams聯(lián)合仿真實(shí)時(shí)反饋不同速度下電機(jī)軸所帶的負(fù)載，從而提高了仿真環(huán)境的真實(shí)性;通過對工件夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行尺寸優(yōu)化實(shí)現(xiàn)落料平穩(wěn)。

［1］馬衛(wèi)平.濕式離合器制動器紙基摩擦材料的研究［D］.長沙:湖南大學(xué)，2007.

［2］張明遠(yuǎn).自動變速器用濕式摩擦紙的國產(chǎn)化研究［J］.汽車工藝與材料，2012(5):36－43.

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［4］張佳陽，高海濤，鄭立熹.直流伺服電機(jī)拖動系統(tǒng)的仿真研究［J］.中國制造業(yè)信息化:學(xué)術(shù)版，2009，38(8): 44－47.

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［6］陳運(yùn)華，高鳳岐，王廣龍.基于自適應(yīng)模糊算法的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)研究［J］.微電機(jī)，2013，45(12):31－35.

［7］陳愛民.模糊控制技術(shù)［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

［8］李增剛.ADAMS入門詳解與實(shí)例［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2006.

［9］雷剛，樊偉.基于Adams的某車麥弗遜前懸架仿真分析［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，25(9): 1－5.

(責(zé)任編輯 劉舸)

Design of the Feeding Robot of Paper-Based Friction Plate

LI Jia，LEI Liang－yu，SHI Lei，XU Jing－jing，WU Shuang，REN Huan
(School of Engineering，Zhejiang A＆F University，Lin’an 311300，China)

For the inefficiency of the manufacture of paper－based friction plate when transferred between each station，a rotary workpiece transferring robot is designed to improve the efficiency and quality of the paper－based friction plate manufacture，on which the cylinder and the gripper are independent.Its gripper dynamic analysis and parameter optimization of virtual prototyping technology in Adams，improve the accuracy of the friction plate blanking in hardware field.Fuzzy adaptive PID controller was made to improve the dynamic performance of the drive motor on the central axis which improves the accuracy of the friction plate blanking in the software field.

robot;fuzzy control;Adams

TH122

A

1674－8425(2014)03－0065－0f4

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.03.012

2013－11－15

杭州市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20130432B34)

李佳(1990—)，男，四川人，碩士研究生，主要從事機(jī)電一體化研究;通訊作者雷良育(1966—)，男，湖北人，博士，教授，主要從事機(jī)電檢測與控制技術(shù)、車輛試驗(yàn)技術(shù)、電動技術(shù)等方面研究。

李佳，雷良育，石磊，等.紙基摩擦片送料機(jī)械手的設(shè)計(jì)分析［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014 (3):65－68.

format:LI Jia，LEI Liang－yu，SHI Lei，et al.Design of the Feeding Robot of Paper－Based Friction Plate［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(3):65－68.