基于智能氣缸的功能可配置機(jī)械手的設(shè)計(jì)

姜 寧, 姚恩濤, 鄒華章, 夾尚遠(yuǎn)

(南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院, 江蘇 南京 210016)

1 引 言

在工業(yè)生產(chǎn)中機(jī)械手的應(yīng)用越來越廣泛。相對(duì)于其它驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械手,氣動(dòng)機(jī)械手具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、危險(xiǎn)度低和清潔度高等優(yōu)點(diǎn)。但是,目前市場(chǎng)上已有的氣動(dòng)機(jī)械手一旦設(shè)計(jì)成型后,功能便固定,從而缺乏通用性。本文介紹一種基于智能氣缸的機(jī)械手的設(shè)計(jì),對(duì)機(jī)械手按照功能不同進(jìn)行劃分;每種功能的智能氣缸利用單片機(jī)作為控制元件,采用磁性開關(guān)實(shí)現(xiàn)氣缸的位置反饋;并對(duì)氣缸運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真,確定氣缸的精確定位控制參數(shù);各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間采用類似搭積木的形式進(jìn)行連接;整個(gè)機(jī)械手的動(dòng)作生成一個(gè)狀態(tài)表,上位機(jī)將狀態(tài)表配置到各個(gè)模塊,實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的功能。

2 智能氣缸結(jié)構(gòu)與工作原理

智能氣缸是由單片機(jī)、傳感器、電磁閥組成的氣缸模塊,其本身能夠?qū)崿F(xiàn)氣缸的基本動(dòng)作并可實(shí)現(xiàn)與外部信息交互。以直線模塊的智能氣缸為例,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)智能氣缸可分為4個(gè)模塊:檢測(cè)模塊、控制模塊、執(zhí)行模塊以及通訊模塊。

圖1 智能氣缸的原理圖1-空氣壓縮機(jī); 2-控制板; 3-消聲器; 4,5,6,7-節(jié)流閥;8,9,10,11-電磁閥; 12,13-磁性開關(guān); 14-磁環(huán); 15-氣缸

2.1 檢測(cè)模塊

帶有磁環(huán)的活塞14在氣缸中移動(dòng),通過磁性開關(guān)12或13時(shí)會(huì)使磁性開關(guān)閉合,產(chǎn)生開關(guān)信號(hào);控制模塊通過GPIO口獲取開關(guān)信號(hào)檢測(cè)氣缸是否到達(dá)預(yù)定位置;從而實(shí)現(xiàn)對(duì)位置的檢測(cè)。

2.2 控制模塊

控制模塊的主要功能有:(1)與上位機(jī)進(jìn)行通信:包括狀態(tài)表的接收以及反饋信息的發(fā)送;(2)對(duì)各種外界信號(hào)的獲取與處理:包括傳感器信息的采集與處理,各種按鈕信息的判斷以及實(shí)現(xiàn)與其他模塊之間的無線通訊等;(3)存儲(chǔ)接收到的狀態(tài)表并根據(jù)當(dāng)前氣缸狀態(tài)進(jìn)行查詢;(4)根據(jù)狀態(tài)表信息對(duì)電磁閥進(jìn)行控制等。

控制模塊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制模塊結(jié)構(gòu)圖

控制模塊主芯片選用STM32系列芯片,整個(gè)控制模塊的工作流程為:各個(gè)智能氣缸的控制芯片STM32接收上位機(jī)發(fā)送的狀態(tài)表并存儲(chǔ)到內(nèi)部;在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程中,控制芯片通過GPIO采集傳感器的值以及通過串行外設(shè)接口(SPI)接口接收其他模塊發(fā)送的無線信息來查找狀態(tài)表,若此狀態(tài)存在,則輸出此狀態(tài)對(duì)應(yīng)的輸出狀態(tài),通過GPIO口控制電磁閥,進(jìn)而控制氣缸動(dòng)作。

2.3 執(zhí)行模塊

由圖1可知,空氣壓縮機(jī)1產(chǎn)生壓縮空氣,經(jīng)過節(jié)流閥和電磁閥與氣缸相通。氣缸的運(yùn)動(dòng)由4路2位2通電磁閥控制。如圖3(a)所示是氣缸向右運(yùn)動(dòng)示意圖,電磁閥8,10通電,9,11斷電,氣缸左氣腔通壓縮空氣進(jìn)氣,右氣腔經(jīng)消聲器3接大氣排氣,氣缸向右運(yùn)動(dòng);反之,當(dāng)電磁閥9,11通電,8,10斷電時(shí),氣缸右氣腔通壓縮空氣,左氣腔經(jīng)消聲器3接大氣,氣缸向左運(yùn)動(dòng)。在位置確定的狀態(tài)下,4路電磁閥都斷電,壓力被密封,保持在固定位置,如圖3(b)所示。在此狀態(tài)下,不消耗空氣,可以達(dá)到節(jié)能的效果。氣缸的運(yùn)行速度由節(jié)流閥4,5,6,7進(jìn)行調(diào)節(jié),避免氣缸出現(xiàn)啟動(dòng)爬行等狀況。

圖3 氣缸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

電磁閥的通斷電狀態(tài)由控制芯片的GPIO口的輸出狀態(tài)決定。當(dāng)相應(yīng)的GPIO口輸出為高電平時(shí),經(jīng)驅(qū)動(dòng)芯片后驅(qū)動(dòng)繼電器,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電磁閥控制氣缸運(yùn)動(dòng)。

2.4 通訊模塊

本系統(tǒng)中的通信主要包括2種:一種是上下位機(jī)之間的串口通信,另一種是模塊與模塊之間的無線通信。STM32系列芯片內(nèi)部集成有2到3個(gè)通用同步異步收發(fā)機(jī)(USART)[1],通過配置相應(yīng)的寄存器,很容易實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的串口通信功能。同時(shí),為了實(shí)現(xiàn)組成機(jī)械手的各個(gè)模塊之間的協(xié)調(diào)動(dòng)作,各個(gè)模塊之間需要進(jìn)行信息交流。若是采用有線的方式,連線繁瑣,影響機(jī)械手的動(dòng)作,因此本系統(tǒng)采用無線的通訊方式,每個(gè)智能模塊都備有無線通訊模塊,實(shí)現(xiàn)模塊與模塊之間的信息交互。

3 氣缸運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型及仿真

由于氣體具有壓縮性、時(shí)變性、熱變性和非線性等特點(diǎn),建立精確的氣動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型比較困難。但是可以通過分析系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,并進(jìn)行一些合理的模型簡(jiǎn)化,獲得近似的數(shù)學(xué)模型[2]。

考慮氣體的可壓縮性,為了簡(jiǎn)便計(jì)算,做如下假定[3]:(1)在動(dòng)作過程中,氣缸腔室內(nèi)氣體與外界無熱交換;(2)氣源壓力恒定,氣源溫度為環(huán)境溫度;(3)氣缸的內(nèi)外泄露均可忽略不計(jì);(4)氣缸腔室中的氣體熱力過程為準(zhǔn)靜態(tài)過程。

3.1 氣缸運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型

在上述假定條件下,對(duì)于進(jìn)氣腔,根據(jù)恒定氣源壓力向有限容積絕熱充氣的能量方程可得進(jìn)氣腔的壓力方程[2～5]:

(1)

式中:p1為進(jìn)氣腔壓力;k為波爾斯曼常數(shù)；R為氣體常數(shù)；Ts為氣源溫度;Qm1為氣源經(jīng)過進(jìn)氣通道進(jìn)入進(jìn)氣腔的質(zhì)量流量;V1=A1(X10+X),V1為進(jìn)氣腔容積,A1為進(jìn)氣腔活塞作用面積,X10和X分別為活塞的起始坐標(biāo)與位移。

同理可得排氣腔的壓力方程:

(2)

式中:p2為排氣腔壓力;T2為排氣腔氣體溫度;Qm2為氣源經(jīng)過排氣通道進(jìn)入排氣腔的質(zhì)量流量;V2=A2(S+X20-X),V2為排氣腔容積,A2為排氣腔活塞作用面積,X20和X分別為活塞的余隙坐標(biāo)與位移,S為活塞的總行程。

根據(jù)牛頓第二定律可寫出氣缸活塞的運(yùn)動(dòng)方程:

(3)

式中:Mw為活塞及其驅(qū)動(dòng)部件的質(zhì)量;F為力負(fù)載,即除壓縮空氣外,作用在活塞上的全部力的合力。

進(jìn)氣腔的質(zhì)量流量與排氣腔的質(zhì)量流量可通過流量公式計(jì)算,即:

(4)

在氣缸運(yùn)行的過程中,氣缸所受的摩擦力對(duì)氣缸的位置精確控制與速度控制具有很大的影響[6]。氣缸所受的摩擦力與缸體表面粗糙度、潤(rùn)滑條件以及材料、溫度等因素有關(guān)。目前，已經(jīng)有許多種摩擦模型提出[7～9],本文仿真采用靜摩擦庫(kù)倫粘滯Stribeck摩擦模型[10]:

(5)

式中：Fc為庫(kù)倫摩擦力;Fs為靜摩擦力;C為粘滯摩擦系數(shù);u為活塞運(yùn)動(dòng)速度;us為Stribeck特性速度。

3.2 氣缸運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)仿真

利用Simulink對(duì)式(1)～式(5)進(jìn)行建模仿真。氣缸運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果如圖4所示。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)氣缸有效長(zhǎng)度為1 m,停止位置分別距離氣缸兩端0.2 m。

由圖4可以看出,當(dāng)氣缸到達(dá)指定位置時(shí),由于活塞兩邊氣腔存在壓差以及活塞運(yùn)動(dòng)存在慣性,氣缸依然會(huì)運(yùn)動(dòng)一段距離,導(dǎo)致定位不精確,因此需要采取適當(dāng)?shù)姆椒ǜ纳七@一問題。

圖4 氣缸運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果

氣缸的運(yùn)行速度可以由節(jié)流閥控制,為了達(dá)到定位精度高,到達(dá)終點(diǎn)使用時(shí)間少的目的,通過研究氣動(dòng)節(jié)流閥的基本特性,經(jīng)過仿真與實(shí)驗(yàn),選擇合適的節(jié)流閥的開合度。

2.3 節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)與原理

如圖5所示是本文采用的節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)示意圖,氣流從P口輸入,經(jīng)節(jié)流口的節(jié)流作用后經(jīng)過A口輸出。節(jié)流口的流通面積與閥芯位移量有關(guān),通過改變閥芯位移,可以改變節(jié)流口的流通面積,進(jìn)而控制進(jìn)氣量與排氣量,控制活塞運(yùn)動(dòng)速度。

圖5 節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)示意圖

圖6是幾種不同的進(jìn)氣節(jié)流閥面積和排氣節(jié)流閥面積組合情況下氣缸運(yùn)行的仿真結(jié)果,通過仿真結(jié)果可以得出,適當(dāng)?shù)販p少節(jié)流閥的流通面積可以提高氣缸的定位精度,但是同時(shí),節(jié)流閥流通面積過小,氣缸動(dòng)作不穩(wěn)定,會(huì)使氣缸出現(xiàn)爬行狀況[11]。

圖6 不同節(jié)流面積下的氣缸運(yùn)動(dòng)

3 氣缸功能配置的方法

狀態(tài)表是指每個(gè)模塊所有的輸入狀態(tài)與輸出狀態(tài)的關(guān)系,即用戶可以根據(jù)自己的需要,通過選取不同功能的智能氣缸模塊進(jìn)行組合,然后通過上位機(jī)將整個(gè)系統(tǒng)的工作流程生成狀態(tài)表,并配置到各個(gè)模塊,完成整個(gè)系統(tǒng)的工作流程。

一個(gè)動(dòng)作簡(jiǎn)單的機(jī)械手按照功能可以劃分為以下幾種模塊,如圖7所示。

圖7 機(jī)械手功能分類

每種運(yùn)動(dòng)方式都可以采用以上設(shè)計(jì)的智能氣缸實(shí)現(xiàn),各個(gè)氣缸之間的協(xié)調(diào)動(dòng)作完成整個(gè)機(jī)械手的功能。

上位機(jī)采用LabVIEW開發(fā)軟件進(jìn)行編寫。其主要實(shí)現(xiàn)的功能有:(1)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)表的創(chuàng)建,存儲(chǔ),讀取及發(fā)送;(2)實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的通信:狀態(tài)表的發(fā)送和下位機(jī)反饋信息的接收等。

整個(gè)狀態(tài)使用用戶熟悉的方式表示,通過內(nèi)部程序編寫的協(xié)議轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的代碼數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機(jī)并存儲(chǔ)。

4 基于智能氣缸的玻璃搬運(yùn)機(jī)械手

研究實(shí)驗(yàn)以玻璃搬運(yùn)機(jī)械手為例,檢測(cè)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。

一個(gè)搬運(yùn)機(jī)械手的功能可分為伸縮模塊1,升降模塊2以及吸附式的壓控模塊3。選擇這3個(gè)模塊并將其組裝起來,原理圖如圖8所示。其中圖中4為真空吸盤,主要功能是能夠產(chǎn)生真空腔,吸附玻璃。

圖8 玻璃搬運(yùn)機(jī)械手組裝圖

組裝好搬運(yùn)機(jī)械手的機(jī)械構(gòu)架,再通過上位機(jī)配置整個(gè)搬運(yùn)過程的狀態(tài)表。搬運(yùn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)流程主要包括:3個(gè)模塊的復(fù)位→模塊1左移→模塊2下移→模塊3吸真空(吸附玻璃)→模塊2上移→模塊1右移→模塊2下移→模塊3真空失效(放下玻璃)→模塊2上移。此后動(dòng)作重復(fù)開始。

設(shè)置結(jié)束后,通過串口將配置表配置到相應(yīng)的各個(gè)模塊。啟動(dòng)后,系統(tǒng)開始運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)機(jī)械手功能的分析,將機(jī)械手功能模塊化,通過靈活組合機(jī)械手的各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)能夠適應(yīng)不同場(chǎng)合的機(jī)械手;同時(shí)利用LabVIEW設(shè)計(jì)了上位機(jī),實(shí)現(xiàn)機(jī)械手工作流程狀態(tài)表的配置。以玻璃搬運(yùn)機(jī)械手為例,論證此方法的可行性。實(shí)驗(yàn)證明,采用該種設(shè)計(jì)方法可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的基本功能,并且具有效率高,通用性強(qiáng),生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。

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