（机械电子工程专业论文）分布式控制的气动自动化系统集成技术的研究.pdf

坝j 论义分布式控制的气功臼动化系统集成技术的研究 y 5 7 1 4 8 2 摘要 p a m s i ( p n e u m a t i c sa u t o m a t i o nm a n u f a c t o r i n gs y s t e m i ，气动自动化制造系统 1 ) 是一个国际合作研制的自动化气动控制系统，该系统由加工、装配、包装，标 贴和成品存取等子系统组成。主要用于研究和试验新型机一电一气一体化机构及控 制技术。根据研制：工作的需要，在各子系统自主工作的基础上，要实现系统的集成 控制并配置自动化物流，使系统从加工到成品存取的全部流程实现自动传输和自动 装卸。 论文介绍了在这些方面所做的研究工作，文中对涉及到的主要技术难点和若干 关键技术进行了深入的研究与探讨。主要包括以下几个方面：( 1 ) 根据作业任务的 需求和工位环境的限制，设计了工作空间大、功能多的高精度气动关节型操作机械 手：( 2 ) 根据系统控制任务的要求，采用分布式控制形式，实现了对四个子系统和 系统物流的状态监视和生产控制，协调系统的生产任务，使整个系统高效运行：( 3 ) 根据系统集成化思想，系统采用了带多针接口的阀岛技术，降低了系统的成本，提 高了系统的可靠性；( 4 ) 实际进行了气动自动化系统p a m s i 的系统集成，对所研 究的技术进行了综合运用和验证，系统运行性能良好。 论文所研究的技术和方法可以为氽啦玎发气动自动化系统提供参考。 关键词： i 动技术，自动化系统，p l c ，分布式控制 颅l 论文分布式拎制的气动自动化系统集成技术的研究 a b s t r a c t p a m s i( p n e u m a t i c sa u t o m a t i o nm a n u f a c t u r i n gs y s t e m i ) i sa ni n t e r n a t i o n a l c o o p e r a t i v ep r o j e c tt h a td e v e l o p sa u t o m a t e dp n e u m a t i cc o n t r o ls y s t e m 1 1 1 i ss y s t e mi s m a d eu po fs e v e r a ls u b s y s t e m si n c l u d i n gp r o c e s s i n g ，a s s e m b l i n g ，p a c k i n g ，l a b c l i n ga n d e n d - p r o d u c ta c c e s s i n g i ti sm a i n l yu s e dt os t u d ya n dc h e c k o u ta n e w t y p eo fi n t e g r a t i v e s y s t e ma n dc o n t r o lt e c h n i q u et h a ti n c l u d em e c h a n i s m ，e l e c t r o n i c sa n dp n e u m a t i c s t o 1 1 1 e e tt h er e q u i r e m e n to fr e s e a r c h a ni n t e g r a t e dc o n t r o ls y s t e mm u s tb er e a l i z e do nt h e f o u n d a t i o nt h a te a c hs u b s y s t e mc a nw o r ki n d e p e n d e n t ly a n da na u t o m a t e dm a t e r i a l h a n d l i n gs y s t e mm u s tb ee q u i p p e d if o rp a m s i t or e a l i z et h ea u t o m a t e dm a t e r i a l c o n v e y a n c e ，l o a d i n ga n du n l o a d i n gi nt h ew h o l ef l o wf r o mp r o c e s s l 。n gt oe n d p r o d u c t a c c e s s i n g r e s e a r c hi nt h e s ea s p e c t si si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r i nt h i sd i s s e r t a t i o nt h em a l n t e c h n i c a ld i 临c u l t i e sa n ds o m ek e yt e c h n i q u e sc o n c e r n e dw i t ha r ed i s c u s s e d t h em a j o r a s p e c t sa r ea sf o l l o w i n g ：( 1 ) a c c o r d i n gt ot h ed e m a n do f t h es y s t e m sw o r kt a s ka n dt h e r e s t r i c t i o no fi t sw o r ke n v i r o n m e n t ，ap n e u m a t i ci o i n tm a n i p u l a t o rt h a th a sw i d ew o r k i n g s p a c e ，m u l t i f u n c t i o na n dh i 曲a c c u r a c yi sd e s i g n e d ( 2 ) ad i s t i l b u t e dc o m p u t e rc o n t r o l s y s t e mi sc o n s t r u c t e dt om o n i t o rt h es t a t eo f4su b s y s t e m sa n dt h em a t e r i a lh a n d l i n g s y s t e m an dc0 0 r d i n a t et h epr o d u c t i o npl a nofp a m s i i ti mp r o v e sth ee 佑c i e n c yof p a m s i ( 3 1t h ev a l v et e r r a i n a lt e c h n i q u eh a sb e e na d o p t e dt or e d u c et h ec o s to ft h e s y s t e ma n de n h a n c et h er e l i a b i l i t yo fs y s t e m ( 4 ) n et e c h n i q u e ss t u d i e di nt h i sp a p e r h a v e b e e nu t i l i z e ds y n t h e t i c a l l ya n dv e r i f i e d t h es y s t e mi n t e g r a t i o no f p a m s ii sa c t u a l l y 如l f i l l c da n dp e r f o r m sw e l l t h et e c h n i q u e sa n dm e t h o d ss t u d i e di nt h i sp a f e rc a nb er e f e r e n c e db ye n t e r p r i s e st o d e v e l o pp n e u m a t i c sa u t o m a t i o nm a n u f a c t u r i n gs y s t e m k e y w o r d s ：p n e u m a t i c s ，a u t o m a t e ds y s t e m ，p l c ，d i s t r i b u t e dc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m 顺l ? 论文分布式控制的气功白动化系统集成技术的研究 1 绪论 1 1 气动自动化系统的技术现状 近1 0 来年内自动化技术经历了令人注目的飞跃性发展，突出表现在：自动化设 备的应用覆盖面越来越广，从原先只应用于简单、重复的工艺过程扩大到复杂的工 艺过程。自动化机器在性能和功能上都有显著的提高，机器的节拍时间更短，运动 精度更高，同时能与计算机直接联接，从而更快和更准确地进行生产管理。出于产 品的多样化使柔性生产设备得到越来越广泛的应用，这类设备要求能快捷地对其进 行重新编程，以实现同一机器对不同种类或尺寸工件进行加工，从而大幅度地降低 设备投资并实现小批量产品的生产自动化。要求越来越短的设备设计、制造、调试 周期和设备停机维修时间j 。 目前，实现自动化的主要方式有：机械方式、电气方式、液压方式等，这些方 式都有其各自的优缺点。其中，机械方式具有定位精度良好、维护简单、特性不受 负载的影h 向、驱动力和驱动速度要求都比较小等优点。但是，它的响应速度较慢、 信号转换和远程操作特别困难，尤其是当动力源出现问题时，结构就不再动作，而 且机械方式的安装自出度也非常小，实现无级变速比较困难。所有这些都不能满足 自动化生产的要求。电气方式虽然克服了机械方式的部分缺点，响应速度大大提高， 信号的转换和远程操作也非常容易，安装的自由度比较大，但是它的驱动速度很大， 构造相对柬说比较复杂，价格也比较高，性能受温度影响比较严重，防潮性、防腐 蚀性和防震性都很差，系统的维护也有一定的技术要求，同时电气方式具有很大的 危险性，要注意漏电造成的不良后果。同机械方式和电气方式相比，液压方式具有 驱动速度小，特性受负载影响较小，无级变速良好，维护简单，具有一定的安装自 由度等优点，而且当动力源出现问题时，如果有蓄能器，能够短时间应付。但是它 的驱动力非常大( 可达数百k n 以上) ，信号转换困难，配线、配管复杂，构造也稍 复杂，尤其是要注意防火。f 是由于这几种传动与控制方式中存在的问题，气动技 术被广泛地应用于自动化技术中j 。 气动技术由风动技术及液压技术演变、发展而成为独立的技术门类不到5 0 年， 却已经充分显示出它在自动化领域中强大的生命力，成为二十世纪应用最广，发展 最快，也最易被接受及重视的技术之一。气动技术有几个主要的历史发展阶段。至 5 0 年代初，大多数组件从液压组件改造或演变过来，体积很大。6 0 年代，开始构成 硕i ：论文 分布式控制的气动自动化系统集成技术的研究 工业控制系统，自成体系，不再与风动技术相提并论。在7 0 年代，由于与电子技术 的结合应用，在自动化控制领域得到广泛的推广。8 0 年代则是集成化、微型化的时 代 3 。5 。9 0 年代末，气动技术突破了传统的死区，经历着飞跃性的发展。气动方式 作为一种新的自动化方式，与这几种传统的传动与控制方式相比，具有如下的优点： 夺气动装置结构简单、轻便、安装维护简单。压力等级低，故使用安全。 夺工作介质是取之不尽、用之不竭的空气，空气本身不花钱。排气处理简单， 不污染环境，成本低。 夺输出力及工作速度的调节非常容易。气缸动作速度一般为( 5 0 5 0 0 ) 删“s ， 比液压和电气方式的动作速度快。 夺可靠性高，使用寿命长。电器元件的有效动作次数约为数百万次，而s m c 的一般电磁阀的寿命大于3 0 0 0 力次，小型阀超过一亿次。 夺利用空气的可压缩性，可储存能量，实现集中供气。可短时间释放能量， 以获得间歇运动中的高速响应。可实现缓冲，对冲击负载和过负载有较强 的适应能力。在一定条件下，可使气动装置有自保持能力。 夺全气动具有防火、防爆、耐潮的能力。与液压方式相比，气动方式可在高 温场合使用。 夺出于空气流动损失小，压缩空气可以集中供应，远距离输送【2 】。 为了适应自动化的发展形势，9 0 年代国际气动行业，在不断提高气动元器件的 性能和降低生产成本的同时，致力于开发各类新型元器件。气动领域发展的趋势突 出表现在两个方面：即气动技术与机械技术的结合以及气动技术与电子技术的结合。 这些新型气动技术的出现，在很大程度上促进了气动技术在自动化领域的广泛应用。 1 ) 气动技术与机械技术的结合 气动、机械一体化的特点是将传统系统的多种单立组件和机构经过优化和专 门化设计有机地集成为一体，成为系列的规范产品。与此同时，采用模块化设计原 理，使产品的尺寸规格覆盖面更为广阔，为用户带来更多的方便和经济效益。 2 ) 气动技术与电子技术的结合 近1 0 年来电子技术的突飞猛进是最令人注目的，这为气动技术的进一步发展提 供了必要的条件。气电一体化的发展趋势和现实意义已为实践所证明。近l o 年来在 气电一体化方面最为成功的产品可以晚是以下三类 1 】： a 1 阀岛 b ) 伺服定位系统 c ) 比例控制组件 正是气动技术的飞速发展，推动了气动自动化控制技术的广泛应用。气动自动 化控制技术是利用压缩空气作为传递动力或信弓的工作介质，配合气动控制系统的 坝i ? 论文分布式控制的气动自动化系统集成技术的研究 主要气动组件，与机械、液压、电气、电子( 包含p l c 控制器和微电脑) 等部分或 全部综合构成的控制回路，使气动组件按生产工艺要求的工作状况，自动按设定的 顺序或条件动作的一种自动化技术。用气动自动化控制技术实现生产过程自动化， 是工业自动化的一种重要技术手段，是一种低成本自动化技术【3 j 。 所谓低成本自动化技术是指将人工操作改为自动化操作后，对于单位产品的投 资较低，即降低了生产成本。一种情况是，在已有的人工操作基础上，投入少量资 金，用标准规格的气动组件或装置，将其改装成自动或半自动机械。另一种情况是， 采用各种标准规格的气动组件或装置构成自动化系统后，虽然前期的设备投资较大， 但因生产效率提高，产量增加，因而每个产品的成本亦大为降低。无论何种情况， 气动自动化的快速、安全、可靠、低成本等特点已为现代工业生产所认识，并被广 泛应用。因此，采用气动自动化可以获得如下的经济效果： 夺提高生产速度，增加产量，提高产品附加值； 夺减少产品的废品率，降低产品成本，改进产品品质： 夺提高管理的币确性； 夺提高生产设备的利用率，提高材料的使用率，减少损耗： 夺减轻对熟练技工的需求，减少员工的培训时间，节省费用： 夺增加残疾人员的就业率，提高社会保障1 6 7 j 。 1 2p a m s i 中系统集成的研究意义 p a m s i 是一个国际合作研制的自动化气动控制系统，该系统由加工、装配、 包装，标贴和成品存储等子系统组成。主要用于研究和试验新型机一电一气一体化 机构及控制技术。其生产环节比较复杂，系统要求具有较高的柔性化水平和自动化 水平，这就迫切要求在各予系统自主工作的基础上，实现系统的集成控制并配置自 动化物流，使系统从加丁：到成品储存的全部流程实现自动传输和自动装卸。 以l 狙，自动化以基层的生产作业和生产线自动化为代表。如今，信息技术已经 渗入了自动化技术，自动化应该是集成了信息技术的集成自动化。集成自动化是单 机自动化、过程自动化、物流自动化的集成，它比传统的生产线自动化有着更深更 j 的内涵。它的日标和作用是提高效益、提高质量、增强创新能力、增强快速反应 能力、增强竞争能力，而决非单纯节省人力。其中物流a 动化更是集成自动化的关 键内容悼。“。在现有的气动自动化系统p a m s i 中，生产物流是生产的重要组成部分， 担负着运输、储存、装卸物料等任务。p a m s _ i 的生产环节比较复杂，系统要求具 有较高的柔件：化水平和自动化水平。这就迫切要求物流系统实现臼动化并与先进的 坝i 谠立分布止控制的。t 动自动化系统集成技术的研究 气动自动化系统相适应。因此，研究p a m s i 的系统集成实际上就是主要研究p a m s i 中自动化物流系统的集成。 在p a m s i 中，自动化物流系统是一个集光、机、电，信息技术为一体的系统 工程。涉及到数据采集、实时监控、物流设备、模拟仿真、网络通讯，机器人技术 等多个方面。自动化物流系统的集成是指运用以上的这些技术将物流相关设施整合 成一个能够满足预定运行曰标的完整的物流系统。物流相关设施覆盖面很广，硬件 方面包括：自动化供料、输送、搬运、装卸、存储等设备，以及有线或无线的计算 机网络硬件。软件方面包括：设备控制系统、通信系统、库存管理软件等。 气动由于其传动介质( 压缩空气) 特性的影响，运动精度及稳定性较差。但其良 好的综合技术特性，使它成为各种传动技术中最适合用柬取代人手操作的一种实现 形式。现代气动技术已不再完全是传统概念上的功率传动技术，它与微电子控制技 术及工业自动化技术互动发展而成为目前实现各种生产控制自动化的主要手段之一 【3 7 1 。如在p a m s i 的物流自动化系统中，气动系统处于执行层，其构成既包含有常 规气动系统的功率传动部分，又与各类自动化工控组件和计算机控制结合，实现系 统信号传递、检测、反馈和控制，成为一个相对完整的执行功能模块。同时还受物 流系统控制层和管理层的统。寸旨令控制，并向系统反馈执行结果信息。气动可以有 效地取代人手操作，完成各类物料的输送、搬运、装央、定位、检测、存储等工作， 而且高效、安全、准确，并能方便地与系统控制层和管理层配合构成一个完整的现 代工业制造体系哺j 。 1 3 本课题的研究内容 本项目是一项实际工程课题，主要以s m c 气动元器件及最新开发的机电体 化产品为硬件基础。具体的研究内容如下： j ) 物流传送装置的设计 物流系统是气动自动化系统的重要组成部分，其作用是将生产系统中的物料， 如毛坯、半成品、成品、工央具等及时地输送到有关设备或仓储设备。设计合理的 物流传送装置可以大大提高整个系统的劳动生产率、降低成本、增加系统的柔性。 2 ) 关节型气动操作机械手的设引 常规的气动机械手一般都是进行直线的运动，没有空问的轨迹，即便为了实现 空间的功能，也只是采用几个直角坐标进行简单的组合。为了克服常规气动机械手 的这些缺点，在p a m s i 的物流系统中设计了一个关节型气动操作机械手。它具有 多个自由度，即可以实现蕊线运动，也可以实现圆弧运动，而且具有结构紧凑、功 倾i 论文分布_ l 1 = 拄制的t 动自动化系统熊成技术的研究 能多的特点，可以完成多个工位的操作。 位置比例气缸是气动关节机械手的主要组成部分，也是提高整个系统的定位精 度的关键所在，在详细分析位置比例气缸的工作原理以及制动特性的基础上，研究 提高位置比例气缸在行程内的定位精度和稳定性的方法。 3 ) 气动控制回路的设计 没计合理的气动控制回路图对开发气动系统具有非常重要的意义，直接影响到 系统将来的二e ：作性能。首先，根据系统的功能需求，尤其是对气动操作机械手的工 作状态分析，确定机械手所需要的自由度，每个自由度采用什么样的气动元器件实 现。然后选择相应的控制元器件和其它的辅助元器件，设计系统的气动控制回路。 4 ) 实现微机与不同p l ci n j 灵活的通信 要实现气动自动化系统的灵活调度和控制，必须充分利用微机和p l c 各自的 优势，这样就必须解决微机与多种p l c 问通信的问题，通过分析不同p l c 的通信 方式，根据系统的实际工作需要及现有的通信条件，设计灵活的通信方式。 5 ) 设计自动化系统的总体控制系统 夺控制系统的总体结构设计 根据系统的功能需求，分析已有的控制方式的优缺点，选择适合气动自动化系 统的控制系统方案，在此基础一i - 设计合理的控制系统的总体结构。 夺主控计算机的控制系统软件设计 主控计算机的控制系统软件主要包括用户接口模块，信号的采集处理模块，与 多种p l c 的通信模块，状态监视模块等部分，它是整个系统的核心部分。 夺根据系统总体运行机理设计p l c 的控制逻辑图，进行编程和调试 系统对货物的传送和存取都是通过p l c 对物流系统的控制实现的，要根据物流 传送机构的动作特点，设计简明可靠的控制逻辑图，在此基础上设计相应的p l c 程 序，其中除了对气动操作机械手的控制程序，还要根据系统的通信特点设计合理的 通信程序。 令丌发实时监控及仿真系统 通过对采集到的气动自动化系统各个子系统信息的处理，实现系统的实时监控 和仿真功能，使用户对系统的运行状态更加了解，同时能够清楚系统的生产和运行 情况。 6 ) 通过调试试验实现系统的f 确运行 系统丌发出来后，必须通过大量的试验，对系统应该具备的性能指针进行测试， 检验系统的运行可靠性，对试验出现的问题，进一步改善系统的设计，提高系统整 体性能。 坝l j 论义分布式控制的气功自动化系统集成技术的研究 2p a m s i 物流系统功能分析及总体设计 自动化物流的设计应满足整个气动自动化系统的需要，即在合适的时间、指定 的地点，提供所需数量的物料。由于自动化系统的自动化程度，加工对象的结构、 类型、数量，加工设备性能及系统柔性要求的不同，对物料系统的要求也会不同， 主要表现在输送方式、生产率、成本、输送没备选择、输送系统的柔性等方面f 1 2 1 。 2 1 物流系统的功能需求分析 在p a m s i 的物流系统中，物料首先由供料系统输入生产系统，然后由输送系 统或者机械手送至指定位置。从图2 1 的物流系统工作流程图可以看出，一方面， 圆环工件经过上料装置传到传送带1 上，经过传送带1 的传送和平行丌闭的气动手 爪的抓取，传到冲压位置；另一方面，圆饼工件由送料装置从料仓中取出，送至工 件央具处，由央具兴紧固定在打标位置进行打标操作，之后经自动装卸装置放置在 输送系统上，由输送系统输送到冲压机接口处，然后由冲压机上料机构传到传送带 2 上，经过传送带2 的传送、冲压位置上料吸盘的i 吸取传送到冲压位置。二者在冲 压位置被冲压装配为一个装配体。此装配体由冲压下料吸盘放到输送系统上输送到 包装机入口处，之后经过一次折叠、二次折叠、贴标操作成为包装成品。然后再经 过自动下料机构和货架机械手存储到自动货架位置。在这整个工作流程中，物流系 统要完成的功能主要是物料装卸、输送、存取、控制四个部分。其中，物料的装卸 主要为工件的装卸，输送问题主要在于输送设备的选择与控制，存取主要解决物料 的临时存放( 缓冲) 和库存问题，控制系统在于实现整个物流系统控制及便于整个自 动化系统的集成。 ( 1 ) 工件自动装卸 供料系统的作用是将原料、毛坯或其它物料适时、适量的送至生产系统或系统 中的各个工位，包括从： ：位卸f 物料。在p a m s i 的生产过程中，工件装卸通常有 二i 种情况： 1 ) 工件在机床上装卸，即卜下料； 2 ) 工件在输送载体卜的装卸： 3 ) 物料在仓库料架f ：的装卸，即工件存取。 坝i j 论义分布式控制的气动自动化系统集成技术的研究 图2 1物流系统工作流程图 从图21 巾可以看出，p a m s 1 中工件的自动装卸主要集中在各个子系统之i 训的 物流接k - j 位置。装卸方式的选择通常与f ：件的形状及尺寸大小有关。存本系统中， 坝j 论文分布式控制的气动臼动化系统集j 垃技术的研究 工件在从打标机到自动货架的整个过程中经历了由单个工件到装配体再到包装成品 的三种形态，因此，在选择物流接口位置的工件装卸方式时要充分考虑工件在这三 种状态一f 自动装卸的特点。 ( 2 ) 工件的自动输送 输送系统是物流系统的重要组成部分。它将生产系统中的各种设备、各个工序 以及存储仓库有机的连接起来，并适时、适量地把物料送达指定位置。由于输送的 物料不同，输送系统的形式也不同。从驱动形式上看，输送系统分为两大类：重力 驱动式和动力驱动式。重力驱动式输送系统是指依靠物料重力或人的推力实现物料 传输的输送系统，比如由滚予输送机构成的输送系统；动力驱动式输送系统是电动 机提供动力实现物料输送的输送系统，比如带输送系统、链输送系统、悬挂输送系 统和液体输送系统等。 输送设备的选择主要考虑动参数、设备性能。物流系统常用输送设备有自动导 向车、有轨搬运车、机器人、辊予拖送机、悬挂输送机等。在p a m s i 的系统中， 加工时间较短，上下料站距离较短，： 件的几何尺寸较小，直线或环型布置，输送 时i i 白j 较短。机器人因为具有占地少、搬运与上下料结合，传送距离短，装载能力小 的特点，可以用作其物流系统的输送设备；同时，传送带也因为具有输送频率高， 距离不太长，输送路线较固定等特点而被选用。鉴于p a m s i 系统物料重力比较小 的特点，我们决定选用动力驱动式输送系统中的带输送系统和工业操作机械手来进 行成品和半成品的传输【i ”j 。 ( 3 ) 工件的自动存取 产品或半成品的自动存取是p a m s i 的重要生产环节。设汁合理的自动存取装 置不但可以安全、准确，高效的存储成品和半成品，而且可以简化控制过程、缩短 丌发周期、减少系统投资。 ( 4 ) 物流控制系统 高精度、高效率、高可靠性是自动化物流系统的重要指针，因此要求系统在运 行过程中能实现自动控制、自动检测、自动调节、自动记录以及自动显示：在出现 故障时要能够及时进行渗断，自动采取应急措施，实现自动保护等；在工作对象变 化时，能够灵活改变工作状态，实现最大限度的柔性化；最大限度地减少人的干预， 降低人的体力和智力劳动强度，尽可能排除人为的不利影响。所以在p a m s 。i 中物 流系统除了要完成自动装卸、自动输送、自动存取的物料输送任务外，还要完成工 作流程的控制任务陋m i 。 坝i ：论史分布式控制的气动自动化系统集成技术的研究 2 2 物流系统的总体结构设计 2 2 1 总体设计原则 物料搬运包含两个基本的功能：物料的移动及存取。处理的对象为原料、在制 品、成品、工具、辅料等，工具和辅料相对较少。 ( 1 ) 按零件结构布局 自动化系统的布局是指组成自动化系统的功能子系统、辅助装置以及连接这些 设备的工件传送系统中各种装置的平面和空问的布局形式。它是由工件加工工艺、 车问的自然条件、工件传送方式和生产纲领所决定的。p a m s i 是一个串联和并联 混合的自动化系统，其功能子系统包括气动打标机、气动冲压机、气动包装机和气 图2 2物流系统总体布局图 动自动货架四个部分。在p a m s i 中，工件传送装置设置在各个功能子系统之问 颂i ：论义分布式控制的气功自动化系统集成技术的研究 这种布局形式的上下料装置和传送装置结构比较简单装卸工件辅助时间短，系统 占地面积小，适合于外形比较简单，短小的工件。 ( 2 )系统的联接方式 自动化系统的联接方式分为刚性联接和柔性联接两种。其中，各工序节拍时间 大致相同，工序较少的短自动线，适于采用刚性联接，这是因为刚性联接自动化系 统的控制系统及工件传送系统较简单，占地面积小的缘故。但是要求系统中的功能 子系统、传送装置及其它辅助设备有较高的可靠性。在p a m s i 中，各个工序节拍 时问不平衡，生产率要求高，适合采用柔性连接。同时在各工序问和各工序段设置 储料装置，以减少自动停车时间损失，提高系统的设备利用率。根据现有的集成环 境，可以得出系统的总体布局图如图2 2 所示。从图中可以看出，系统和系统之间 由输送系统构成缓冲，增加了物流系统的柔性1 2 0 - 捌。 2 2 2 各组成部分设计原则 设计供料系统时从结构和功能两方面考虑，设计需遵循以下原则： 1 ) 供料速度或节拍与生产系统总体设计相适应； 2 ) 尽量采用自动化装置，减轻操作人员劳动强度； 3 ) 充分利用机电一体化特性，简化系统结构； 4 ) 工作稳定可靠，噪声污染小，不损伤物料； 5 ) 经济性合理，使用寿命适当； 由于物料的尺寸、形状、结构，以及物理性能、化学结构不同( 如件料、棒料、 卷料、片状料、颗粒状料、粉末状料、液体等) ，所以供料系统的结构和性能有所不 同，设计方法也不尽相同。对于本系统来说，供料系统传送的是小型件料，系统应 该包括储料装置、输料槽、定向定位装置等。 ( 1 ) 储料装置的设计 储料装置储存一定数量的坯件，根据生产系统的节拍自动输出件料，经过输料 槽和定向定位装置送到指定的位置。储料装置可以设计成料仓式，也可以设计成料 斗式。料仓式储料装置需要人工将坯件按一定方向摆放到仓内，料斗式储料装置只 需将坯件倒入料斗，有料斗自动完成定向。在p a m s i 中，由于工件是扁平的圆环 和圆饼，不易自动完成定向，所以采用料仓式储料装置。储料装置结构如图2 3 所 珂i 。 存圆环供料时，由r 自身重量非常轻的缘故，圆环容易因为料仓壁的摩擦而不 硕i j 论文分布式挣制的气功自动化系统集成技术的研究 能准确下落，可以在料仓圆柱面周围去除一部分材料，这样既减小了料仓重量，又 可以减少摩擦，还能够使监视人员清楚、直观地看到料仓内部情况。 ( 2 ) 输送系统的设计 图2 3储料仓 件 输料槽 1 1 输送带材料的选择 根据输送物料的不同，输送带的材料可选为橡胶带、塑料带、绳芯带、钢网带 等。橡胶带是由若干层棉织物或化纤织物相互粘合，外表覆上橡胶制成，覆盖橡胶 为天然橡胶、丁纳橡胶或特种材料。橡胶带防滑性好、输送可靠，适合于多种输送 系统；塑料带是由维尼纶、棉混纺织物编织成带芯，外表覆以聚乙烯塑料制成。塑 料带耐油、耐酸、耐碱，比较适合于有腐蚀性的物料输送。绳芯带是由合成材料或 细钢绳拧成绳芯，多根细绳并排铺丌，外表覆以橡胶制成。这种输送带强度高，能 承受冲击，寿命长，适合于速度高、爬坡或长距离的物料输送。钢网带是用钢丝编 坝i ：论史分布止挣制的气动自动化系统集成技术的研究 织成的特殊输送带，用于输送高温物料。 由于p a m s i 是一套小范围的自动生产线的集成，传输距离短，速度比较慢， 同时工件重量比较轻，要求防滑性好、输送可靠，因此采用橡胶带作为输送带的材 料。考虑到系统的兼容性和可扩展性，选择型材作为传送带的支撑，这样各个系统 问的距离就可以很方便的调节，使传送带在实际应用过程中更加灵活，只要设计合 适的机械连接件就可以了。 2 ) 输送带传动机构的选择 带输送系统主要出输送带、传动系统、托棍、张紧装置组成。其中输送带既有 主 图2 4传送带结构图 件 型材 传送功能，又有承城j 蜘。般的带传动机构主要包括电动机、减速器、传动链条 年| 蝎m 动滚筒。在奉系统，h 选用现有的电机集成驱动模块，作为输送带的动力驱动 姨置。自行设计支撑机构和驱动滚筒，结构如图2 4 【1 i , 1 8 , 2 3 - 2 8 。 硕i ：论史分布式挣制的气动白动化系统集成投术的研究 3 气动关节型操作机械手的设计 3 1 结构设计 经过对物流系统的功能分析和p a m s i 的具体操作要求的分析，我们可以看出 工件由传送带向装配机上料是p a m s i 集成中的一个非常关键的工位操作，在此过 程中需要完成多个气动的动作作业，因此需要实现复杂的多位置、多动作。在初步 的设计中，拟设计一个直角坐标机械手和一个翻转机构来完成工件的翻转、搬运任 务，其结构如图3 1 和图3 2 中所示。 伸摆 图3 1直角坐标机械手 手爪模块 坝i j 论文分布止摔制的气功自动化系统集成技术的研究 摆动气缸 图3 2工件翻转机构 其中，直角坐标气动机械手有三个自由度，即伸摆气缸的摆动运动、仲摆气缸 在竖直平面内的直线运动和直线气缸在水平平面内的直线运动。它与工件翻转机构 一起完成工件的搬运和抓取。不难看出，赢角坐标机械手虽然组合方便，但是只能 进行直线的抓取，没有空问的轨迹，即便为了实现空问的功能，也只是采用几个直 角坐标进行简单的组合，由此造成了工件出传送带向装配机上料的操作要求非常复 杂、需要其它的辅助机构爿能完成，安装位置较多，用到的气动元件也比较多、成 本较高。为了克服直角坐标气动机械手的这些缺点，降低成本，用尽量少的机构完 成尽可能多的操作，在p a m s i 的物流系统中没计了一个关节型气动操作机械手。 它具有多个自由度，即可以实现直线运动，也可以实现圆弧运动，而且具有结构紧 凑、功能多的特点，可以完成多个工位的操作。 ( 1 ) 总体结构设计 气动关节型操作机械手作为气动自动化物流系统的重要部分，既要达到实用化 的要求，又必须考虑系统的集成化。集成的优点就在于系统具有标准的机械接口和 电气接口，提高系统的可靠性，可快速组成机械手系统，降低气动机械手的成本。 通过对计算机集散控制研究，实现上位机与下位机的标准通信控制。 f 是基于这个考虑，对气动搬运机械手采用模块化设计。通常工业机械手的设 计有关节型和直角坐标型两种，对于应用在气动系统上的气动搬运机械手的设计， 我们根据本系统的特点，采用关节型结构。关节型机械手的执行机构由手部、腕部、 臂部和腰部四个模块组成，各模块都有标准的电气、机械接口，只需要配合简洁的 机械连接件就可以快速组成机械手，由于有了标准的电气接口，对机械手的控制电 十分的方便。根据这一设计思想，一方面可以提高系统的可靠性，另一方面可快速 组成机械手系统，降低气动机械手成本。 在本系统中。e 动关节型操作机械手要实现对货物的搬运和翻转两个功能，需要 钡“i 。论文分布式控制的气功臼动化系统集成技术的研究 具有至少三个转动关节和一个移动关节( 如图3 3 所示) 。手部、腕部、臂部和腰部 四个自由度联合动作，模拟人的关节完成对货物的抓取，移动，翻转以及向冲压系 统送货的完整动作，其中腰部旋转自由度除了具有使机械手达到取货物的作用之外， 还兼具有确保机械手运行过程中不和冲压系统干涉的作用。根据各个自由度的工作 要求，为了使臂部关节能够在行程范围内的任意位最定位，我们选择s m c 气动公 司生产的缸径为1 2 m m ，行程为1 0 0i n n l 的c e p l 系列的气缸，它是行程可读出气缸， 能够在行程内精确定位；腰部旋转自由度既要完成1 8 0 度的旋转动作，又要求能够 支撑整个机械手的自身体重，所以选择具有承受负载大、角度调节范围大的m s q 系列转台型齿杆式回转摆动气缸来实现；肩部旋转自由度需要完成1 8 0 度范围内的 旋转动作，可以选择摆动气缸实现；对于气动手爪的设计，主要考虑货物的具体形 式，在本系统中货物是比较扁平的圆柱体结构，拟采用三爪气动手指，它特有的楔 形凸版结构可以增加保持力，有助于加强货物抓取的牢固性。为了使设计的机械手 达到预期的功能，设计简洁可靠的机械连接件成为工作的关键，下面分别进行讨论。 部模块 图3 3机械手结构图 ( 2 ) 系统关键机械连接件的设计 虽然组成机械手的气动元器件已经选好了，要组成可靠的机械手系统，还需要 设计可靠的机械连接件来将各个元器件组合起来，这罩除了考虑各个元器件自身的 机械接口外，还要满足系统的要求。 顿l 论文分布式挣制的气功自动化系统集成技术的研究 1 ) 保证操作机的刚度和强度 在分析和设计操作机时，其强度、刚度的计算可以采用材料力学或机械设计中 所提供的方法，先分析零构件的载荷，再进行强度、刚度计算。在p a m s i 中，出 于操作机的载荷不大，零件的形状和尺寸多由结构确定，强度和刚度都有足够的裕 量，只是个别零件或零件的个别部位由于结构上的原因，比较薄弱，须进行强度和 刚度的校核。根据这一设计思想，我们设计了如图3 4 所示的机械连接机构。为了 保证操作机的刚度，我们设计了图中a 、b 、c 、d 四个连接组件。a 组件主要是确 保对于操作机整个肩部的承载能力，适当的壁厚可以加强支撑部分的强度，而1 部 分的去除材料又可以减轻支撑的自重，减少机械手底座的压力；连接件2 是一个固 定螺钉的槽，它一方面起到连接固定作用，另一方面起到调节距离的作用；连接件 3 采用这种嵌入式结构可以得到更好的稳定性和更方便的装配关系；连接件6 在机 a 4 b 图3 4机械手部分连接件结构图 械手上臂设计了加强筋，增加了连接的强度；连接件4 是一个具有4 5 度斜度的滑坡 倾i ：论文分布，控制的气功白动化系统集成技术的研究 它可以使工件顺利达到最佳抓取状念；连接件5 是一个根据所抓取的工件形状设计 的手指部分，内圆柱面恰恰和工件外形吻合，使得手指的抓取更有力，更牢固。 2 ) 选用合适的气缸元件以保证机械手各个关节的负荷能力 气缸的选择需要按照一定的步骤进行，在前面我们已经根据各个部分的需求， 初步选定气缸的型号，下面要做的工作是通过对几个极限位置的受力分析来对气缸 的承载能力进行验算。 i c e p i 最大行程时的机械手受力分析 c 图3 5机械手最大行程位置受力图 在c e p l 达到最大行程时，最、f r 的力臂l ，达到最大，为3 5 1 0 m m 。机械手 可以简化为一个连杆机构，在图3 5 中有： 吒、丹行程可读气缸c e p l 所受的轴向力和径向力； 埘j l 。论史分布武控制的气动自动化系统集成技术的研究 ，c 、乃的力臂( 3 5 l 0 m m ) ； a 、b 、c 受力点； g 机械手腕部重力： g ，机械手上臂重力； 幺疋和竖直面之间的夹角； 吼机械手上臂和乃之问的兴角； 只机械手上臂和竖直面之间的兴角( 舅+ 0 5 ) ； g 重力( 质量为o ；c c e p l 4 k g ) 、岛、厶分别为g l 、b 点、g 2 的力臂( 2 5 0 0 r a m ，1 2 5 0 r a m ，2 1 6 0 m m ) 在初步的设计中，机械手材料选择的是a 3 钢和4 5 钢，根据初步设计出的腕部 结构和上臂结构形状出公式( 3 1 ) 可以求出机械手腕部重量g 和上臂自重g ，以及 肩部摆动缸、机械连接件与联轴器的重量和g ，其中摆动气缸质量为2 6 4 9 ，估计 机械连接件与联轴器的质量之和为4 0 9 。 g = p g v ( 3 1 ) g ，= g 于指+ g 连接仆+ g 腕轴+ g 魄部+ 吒步轮 ( 3 - 2 ) = ( 1 1 7 1 2 + 3 5 4 3 + 2 6 7 0 0 + 1 9 7 9 + 3 6 4 7 ) 1 0 6 7 8 x1 0 3 + l 】1 0 = 5 5 n g 2 = 1 7 6 x1 0 。x 7 8 x1 0 3 1 0 ( 3 - 3 ) = 1 3 7 n c 。s 0 1 ：丝坠生坚型g 掣= o 8 0 l ，所以q 为3 6 t 7 7 度。 ( 3 4 ) 2 x3 5 1 0 2 3 1 0 c 。s 0 2 ：兰生坚型垦生二型：o 7 6 8 ，所以幺为3 9 8 0 度。 ( 3 5 ) 2 3 5 1 0 2 1 6 0 0 3 2 醴+ 0 2 = 7 6 5 7 0 取安全系数为n = 2 ，对于c e p l 有， c l ，= g 。l fs i n 0 1 ，推出f = 1 2 0 n 根据a 点转矩平衡方程可以得到 g 1 l ix2 s i n 0 1 + g 2x l 2 2 s i n 0 3 = ec o s 0 2 l 3 + fs i n 0 2 厶i ( 3 6 ) 代入数据可以求出只= 1 5 6 8n 。 i i 水平位置和下限受力分析 颂i ：论文分布式控制的气动白动化系统集成技术的研究 在图3 6 中： e 、n 行程可读气缸c e p l 所受的轴向力和径向力； 上，历、n 的力臂( 2 8 5 5 m m ) ； a 、b 、c 受力点： g 。机械手腕部重力； g ，机械手上臂重力； 口机械手上臂和c e p i 之间的夹角( 3 5 9 1 0 ) ； q c e p l 重力( 其质量为0 4 k g ) 。 厶、上2 、厶分别为g 】、b 点、g 2 的力臂( 2 5 0 0 m m ，2 1 6 0 m m ，1 2 5 0 m m ) 根据c e p l 受力平衡，由式子( 3 7 ) 可以求出n ； c a 连杆1 图3 6机械手下限位置( 左) 和水平位置( 右) 受力分析图 硕上论文分布式控制的气动自动化系统集成技术的研究 n = 学 f r ：g c 。c o s o ：0 4 x 1 0 x c o s 3 5 9 1 ；1 6 2 n 22 根据a 点力矩平衡方程，由式子( 3 8 ) 可以求出最 ( 3 7 ) g lx 厶+ g 2x 厶= 乃x l 2 x s i n 0 + f r x c o s o x l 2 ( 3 - 8 ) 取安全系数n = 2 。把数据代入式( 3 8 ) ，可以得出c 为2 2 1 2n 。同理，可以求得操 作机械手在最低下限位置时局= 1 6 7 7n ，b = 6 9 1 6 度，岛一3 7 3 7 度，0 3 = 5 8 2 1 度。 根据选出的气缸的参数可以算出在正常工作压力下的气缸的最大和最小轴向力。 k = 尸4 一= 0 4 x 1 0 6 “三。1 2 2 1 0 。 = 4 5 2 4 n 吒。= p 彳。h = 0 4 x 1 0 6 寻( 1 2 2 6 2 ) 1 0 “ = 3 3 9 】n 可以看出在上面几种情况下，乃均在正常的工作范围之内，因此气缸具有满足要求 的承载能力。 3 ) 保证系统的可装配性 hja f i g b c d 图3 7肩部装配图 虽然关节型操作机械手的整体结构和所需要的功能部件已经确定，但是在设计 倾l ：论文分布武控制的气动白功化系统集成技术的研究 的具体过程中，还要考虑各部分的加工工艺和装配关系，复杂的加工工艺会造成加 工成本的提高、增加加工的难度系数，而不合理的装配关系则会造成装配困难，影 响到工件的精度和可靠性，严重的话还会导致无法装配成功，要重新设计，这样就 造成原材料的浪费。在气动机械手的设计过程中，装配关系比较复杂的是肩部和腕 部的设计。我们以肩部装配图为例进