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      氣動平衡助力機械手系統設計

      放大字體  縮小字體 發布日期:2020-03-03 09:22:11    瀏覽次數:0    評論:0
      導讀

      針對氣動平衡助力機械手負載端力臂不斷變化的隨位平衡問題,提出通過反饋控制實現機械手隨位平衡方法。在采集氣缸輸出端壓力基礎上,將輸出壓力信號實時反饋給氣缸輸入端控制器——主氣控調壓閥,通過對主氣控調壓閥輸出端的氣壓調節,使氣缸輸入端壓力和輸出端壓力達到動態平衡,實現機械手在負載端力臂變化情況下

      引言

      氣動平衡助力機械手,是氣動輔助人力,由人工操縱的機械手。使用氣動助力機械手可以降低操作人員的勞動強度,實現搬運大質量工件時操作輕便和定位準確,保證設備和操作人員的安全[1]。氣動平衡助力機械手操作簡單、使用安全、維護方便、靈活性強,適用于倉儲行業和零件加工車間的物料搬運、自動生產線上的裝配定位等應用場合[2]。

      北京機械工業自動化研究所研發了一種氣動平衡助力機械手,該機械手由氣控減壓閥、控制調壓閥、負載調壓閥和氣缸組成,當機械手處于空載狀態時,采用空載調壓閥控制氣控減壓閥,使機械手處于空載平衡;當機械手處于負載狀態時,采用負載調壓閥控制氣控減壓閥,使機械手處于負載平衡[3],該控制方法解決了負載端力臂固定型機械手的平衡問題。中船重工第七一零所設計了一種平衡器機構和氣動回路,通過設置多種不同載荷的壓力調節閥來控制氣控減壓閥的輸出壓力,從而使機械手具備有限個不同重量負載的平衡能力 [4]。天津工業大學分析了氣動平衡回路的影響因素,給出了氣動平衡機械手中減壓閥的溢流性能與輸出壓力的關系曲線,提出應選用溢流特性和流量特性好的精密減壓閥[5]。山東科技大學設計了一種自適應氣動控制回路,通過將偏差大流量減壓的出口壓力與控制先導壓力設置相等來進行壓力補償,使助力機械手能自適應平衡負載端的力和力臂的變化[6]。

      助力機械手的形式有很多,氣動機械手作為機械手的一種,可進行大量往復單調的運動即實現高精度定位的工作[7]。大部分都會用到平行四連桿,平行四連桿機構在機械手中,不但起到支撐臂的作用,而且還起比例放大的作用[8]。

      本研究氣動反饋控制系統采用模擬量反饋控制方法,將氣缸輸出端采集的氣壓實時傳遞到主氣控調節閥的控制端口,通過對主氣控調壓閥輸出端的氣壓調節,使氣缸活塞桿的受力平衡,實現機械手在負載端力臂不斷變化情況下的隨位平衡。

      1 氣動平衡助力機械手系統

      1.1 機械手結構

      氣動平衡助力機械手主要由固定立柱、旋轉關節、旋轉立柱、氣缸、平行四邊形機構、擺動關節、俯仰機構、真空夾具、線纜、控制器、操作界面等組成,如圖1所示。固定立柱對機械手起支撐固定作用,旋轉關節帶動旋轉立柱實現機械手在水平面內約350°旋轉,俯仰機構實現工件從水平到垂直之間任意姿態的變換,氣缸為機械手提供平衡助力,額定平衡助力為490 N,真空夾具上安裝有真空發生器和真空吸盤,用于吸附工件。

      圖1 氣動平衡助力機械手

      1.2 控制系統硬件組成

      反饋控制系統硬件包含過濾器、減壓閥、開關、單向閥、主氣控調壓閥、氣缸、切換開關、空載氣控調壓閥、負載氣控調壓閥、或門、動力氣管、信號氣管等,如圖2所示。

      圖2 反饋控制系統硬件

      反饋控制系統硬件以主氣控調壓閥和邏輯或門為控制核心,壓力輸出范圍在0.05~0.6 MPa之間。主氣控調壓閥選用高精度、大溢流的氣控調壓閥,其精度和溢流特性直接關系到隨位平衡功能的靈敏性和穩定性。邏輯或門選用啟動壓力較小的梭閥,啟動壓力為0.01 MPa。過濾器和減壓閥組成氣源處理單元,將廠房氣源處理成0.6 MPa的清潔穩定氣源。氣缸采用雙作用低摩擦氣缸,氣缸活塞桿輸出力范圍在1200~12000 N之間。通過動力氣管將過濾減壓閥、單向閥、主氣控調壓閥和氣缸串聯成一條動力系統。通過信號氣管將空載氣控信號、負載氣控信號和反饋信號并聯成一組信號系統,通過或門連接到主氣控調節閥輸入端口。

      2 反饋控制系統設計

      2.1 平衡調校

      機械手根據負載端等效力臂L0的長短,存在最長等效力臂L0max和最短等效力臂L0min兩個極限位置,最長等效力臂L0max處于負載端臂2與臂1展開成180°夾角時位置,此處末端工件與機械手轉軸的距離為L+l;最短等效力臂L0min處于負載端臂2與臂1收縮成0°夾角時位置,此處末端工件與機械手轉軸的距離為L-l。

      如圖3所示,對機械手進行平衡調校時,不論空載平衡調校還是負載平衡調校,機械手都需處于最短等效力臂L0min位置狀態??蛰d時,通過空載氣控調壓閥調制信號氣壓p1,使得氣缸端與負載端(不帶重物)處于受力平衡狀態,即:

      p1As+mgs0=M0gL0min

      (1)

      式中, p1為空載時調制的氣壓; A為氣缸活塞桿有效作用面積; s為氣缸活塞桿的作用力臂; m為氣缸端臂3的質量; s0為氣缸端臂3的等效力臂; M0機械手負載端等效質量; L0min為負載端最短等效力臂。

      圖3 機械手力臂變化范圍

      負載時,通過負載氣控調壓閥調制信號氣壓p2,使得氣缸端與負載端(帶重物)處于受力平衡狀態,即:

      p2As+mgs0=M0gL0max

      (2)

      式中, p2為負載時調制的氣壓; L0max為負載端最長等效力臂。

      機械手在最短等效力臂L0min處進行平衡調校時的平衡信號氣壓,是機械手負載端臂2在所有可能位置中能實現平衡的最小氣壓,負載端臂2在其他任何位置的反饋氣壓都比此基準信號氣壓大。

      2.2 機械手隨位平衡模型建立

      1) 機械手隨位平衡微分方程

      機械手隨位平衡系統由臂1、臂2、臂3、轉軸、控制系統及其控制的氣缸活塞桿組成,分析機械手轉軸受力,可得系統的微分方程為:

      M0gL0-FFrr

      (3)

      其中:

      s0= s

      (4)

      L′=L-lcosα

      (5)

      M0=m1+m2

      (6)

      (7)

      將式(4)~(7)代入式(3),得:

      (m1+m2+m3+m4)=pAs+ mgs-G(L-lcosα)-

      (8)

      式中, m1為機械手負載端臂1的質量; m2為機械手負載端臂2的質量; m3為機械手氣缸端臂3的質量; m4為機械手轉軸的質量; M0為機械手負載端臂1與臂2的質量和; θ為機械手繞轉軸轉動的弧度; p為氣缸氣體壓強; A為氣缸活塞桿端軸向受力面積; s為氣缸活塞桿的工作力臂; s0為臂3的等效力臂; G為重物重量; L′為重物的等效力臂; L0為負載端的等效力臂; α為臂2與臂1的夾角; FFr為機械手轉軸摩擦力; r為機械手轉軸半徑。

      要使機械手滿足隨位平衡,式(8)中的應隨位等于0,因此,式(8)可轉換為:

      pAs=-mgs+G(L-lcosα)+

      (9)

      式中, 除pα為變量外,其他參數都為常數量。

      2) 反饋控制系統數學模型

      設機械手處于平衡狀態,氣缸活塞桿端腔內氣體壓強為p,體積為V,由于機械手負載端臂1與臂2夾角α值的變化,根據式(9)隨位平衡公式,公式左邊p也隨之變化,使得公式兩端相等。

      圖4 隨位平衡時氣缸活塞端氣體狀態

      如圖4所示,Δp=,在一個較小的Δt時間范圍內,Δp值很小,可認為氣缸活塞桿端氣體為完全氣體,即氣體質量不變,根據完全氣體狀態方程:

      pV=pV′=RT

      (10)

      p′=

      (11)

      式中, p為氣缸活塞桿端腔內氣體壓強; Vp壓強下對應的腔內體積; p′為重新平衡后的腔內氣體壓強; V′為p′壓強下對應的腔內體積; T為氣體熱力學溫度; R為氣體常數。

      3) 控制策略

      將信號氣壓p1p2輸入第一級或門進行信號比較和處理,第一級或門輸出兩信號氣壓中的較大者max(p1,p2)。同樣,將第一級或門輸出的信號氣壓max(p1,p2)與氣缸輸出端的反饋氣壓輸入到第二級或門進行信號比較和處理,第二級或門將兩信號氣壓較大者作為輸出量,調節和控制主氣控閥的輸出壓力,使機械手負載端與氣缸端的力矩相等,從而使氣缸能主動、實時地平衡機械手負載端力臂的變化,實現機械手隨位平衡,反饋控制系統框圖如圖5所示。

      圖5 反饋控制系統框圖

      4) 控制氣路圖設計

      反饋控制氣路含有氣源處理、空負載選擇、信號反饋處理3個模塊。氣源處理包括從廠房引氣,過濾器過濾處理和調壓器調制壓力,將清潔、干燥、穩定的壓縮空氣輸入到空負載選擇模塊和氣缸??肇撦d選擇模塊包括空載氣控調壓閥、負載氣控調壓閥、空負載切換開關、氣控方向閥和或門組成,將機械手是否帶負載的信號輸入給信號反饋處理模塊。信號反饋處理模塊包括氣缸、或門、主氣控閥組成,將氣缸的反ω=12°/s饋壓力信號與空負載信號的邏輯或門信號輸入給主氣控閥,使氣缸的輸入壓力與輸出達到平衡,反饋控制氣路如圖6所示。

      1.過濾器 2.減壓閥 3.開關 4.單向閥 5.主氣控調壓閥 6.氣缸7.空負載切換開關 8.空載氣控調壓閥 9.負載氣控調壓閥10.氣控方向閥 11.空負載或門 12反饋指令或門 13.動力氣管14.信號氣管 15.分氣接頭 16.氣壓表
      圖6 反饋控制氣路圖

      如圖7所示,具體控制流程為:廠房空氣經過氣源處理模塊處理后,分成1組動力氣路和3組信號氣路。動力氣路依次通過單向閥、主氣控減壓閥動力端口后,向氣缸提供動力氣源;第一組信號氣路依次通過手動換向閥和氣控換向閥,對來自負載氣控調壓閥的負載信號進行通斷選擇控制;第二組信號氣路依次通過負載氣控調壓閥和氣控換向閥,為氣動換向閥提供負載信號;第三組信號氣路依次通過控制氣控調壓閥和或門,與來自氣控換向閥的信號進行邏輯或處理。3組信號經換向選擇和邏輯或處理后,為下一個或門提供空載或者負載信號,與來自氣缸端的反饋氣壓信號進行邏輯或處理,將邏輯或信號輸入給主氣控調壓閥,使主氣控調壓閥的輸出壓力與氣缸壓力相等,達到平衡。

      圖7 控制流程圖

      3 平衡助力驗證實驗

      為驗證反饋控制系統的氣動平衡助力效果,觀察機械手系統的隨位平衡性能和動態特性,在保證其他條件(如氣源壓力、氣源處理、溫度、負載)相同情況下,針對多種不同負載力臂進行比較實驗,記錄不同負載力臂下移動機械手的手部操縱力和運行時的動態特性曲線。

      在實驗中,如圖8所示,采用測力儀對手部操縱力進行測量,測力儀安裝在操縱桿上,人手握住操縱桿并移動機械手,測力儀實時記錄數據。

      圖8 隨位平衡實驗

      在角速度ω=9°/s和額定490 N載荷下,當移動機械手使負載端等效力臂從最短1 m(α=0°)到最長2.5 m(α=180°)范圍內變化時,手部操縱力介于18~28 N之間,且中間大部分區間內手部操縱力基本保持不變,當停止移動機械手時,機械手在無手部操縱力下能自動平衡。當負載490 N不變,角速度ω逐漸增大時,手部操縱力也隨之增大,且呈拋物線變化,這主要是因為氣體的可壓縮性和主氣控調壓閥的溢流特性所造成的。因此,在使用氣動平衡機械手時,應注意緩慢啟停和慢勻速移動。機械手負載端臂1繞臂2做勻角速轉動時,不同的角速度ω下的手部操縱力F與夾角α的關系曲線見圖9所示。

      圖9 不同角速度ω下的手部操縱力F與角度α的曲線

      在額定490 N載荷下,以角速度ω=9°/s勻速轉動機械手負載端從最短力臂到最長力臂,整個運動時間為20 s,氣缸氣壓p隨時間t的變化關系如圖10所示。

      圖10 氣缸壓強曲線

      4 結論

      本研究設計了一種氣動平衡助力機械手的反饋控制系統。通過平衡助力實驗表明,采用該控制方法后,對于額定490 N負載的工件,在緩慢啟停和慢勻速操作下(ω=9°/s),當負載端臂1與臂2的夾角α在90°附近時,手部操縱力最小,約為18 N;當α角在0°(位于最短等效力臂)附近時,手部操縱力約為26 N;當α角在180°(位于最長等效力臂)附近時,手部操縱力最大,約為28 N;當α角在其他任何角度時,手部操縱力都介于18~28 N之間;當停止移動機械手時,機械手能自動平衡,而無需施加操縱力。

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      (文/小編)
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