□李 柯□陳明達□馮雄峰□涂麗艷□祝穎丹□李國平□張笑晴□范欣愉

1.中國科學院 寧波材料技術與工程研究所 浙江寧波 315201 2.寧波大學 機械工程與力學學院 浙江寧波 315211

熱塑性復合材料具有輕質高強、抗沖擊性和疲勞韌性好、成型周期短且加工性能優(yōu)、可設計性強以及可重復回收利用等卓越性能，在航空航天、汽車工業(yè)、建筑等領域得到了廣泛的應用［1-2］。熱壓成型工藝是批量化制備熱塑性復合材料的主要技術之一，其基本原理是將熱塑性復合材料板材加熱至熱塑性樹脂基體的熔點或軟化點以上，然后快速放入模腔中合模加壓成型為最終的制品形狀，如圖1所示。為實現(xiàn)熱壓成型過程中熱塑性復合材料的連續(xù)自動化制備，采用機械手進行材料夾持輸送是必不可少的環(huán)節(jié)。針對熱塑性復合材料熱壓成型工藝和熱壓成型體系裝備特點，從機械手工作的可靠性、穩(wěn)定性、易操作性以及各控制元器件連接的靈活性和方便性角度出發(fā)，設計了由PLC與觸摸屏聯(lián)合控制，以氣缸和交流伺服電機為動力源的大跨度橫梁結構搬運機械手，實現(xiàn)了熱壓成型體系熱塑性復合材料的連續(xù)自動化輸送操作。該機械手具有以下幾個特點。

（1）可在高溫環(huán)境中完成運料沖壓工作，減輕工人的勞動強度。

▲圖1 熱塑性復合材料熱壓成型原理示意圖

（2）可根據(jù)熱塑性復合材料熱壓成型工藝的要求，做出相應的機械動作，保證部件成型的質量。

（3）通過PLC控制內建龍門結構的雙伺服系統(tǒng)，帶動左右對稱機械手同時動作，保證定位精度。

（4）機械手爪可根據(jù)模具及板材尺寸的變化進行更換，從而增強了搬運機械手的適應性。

1 機械手的結構與功能設計

圖2為熱塑性復合材料熱壓成型輸送設備結構示意圖，搬運機械手是輸送設備的主要組成部分。其主要任務是將熱塑性復合材料板從料臺搬運到紅外線加熱爐內，待熱塑性復合材料加熱至熔點或軟化點以上后，快速將其搬運至壓機模具中。整個過程要求在數(shù)分鐘內完成，且在板材搬運過程中，機械手必須運動平穩(wěn)、定位準確。圖3為采用SolidWorks三維軟件設計的機械手機械結構模型。

機械手以氣缸與交流伺服電機為動力源，不僅具有伺服電機傳動精度高、定位準確、易于控制的優(yōu)點，而且結合氣動優(yōu)勢，使機械手便于實現(xiàn)預期動作，機械手的運動由兩個直線運動（垂直手臂方向的運動，沿手臂方向的運動）和一個轉動（繞水平軸的俯仰）組成。由于熱塑性復合材料板加熱后中間部位在重力作用下會產(chǎn)生一定程度的下垂，因此板材加熱一段時間后，需要前后位氣缸縮回，使兩機械手沿手臂方向作微小的背向運動，拉緊板材以減弱板材的彎曲，避免板材與下加熱板表面接觸。將板材放入凹模后，為配合合模動作，需要俯仰氣缸伸出，使機械手臂俯下，保證復合材料板與凹模下表面充分接觸，減小最終制品的內應力。繞水平軸的俯仰運動由俯仰氣缸通過連桿機構來實現(xiàn)，由氣缸的直線運動轉化為機械手的俯仰運動［3］。板材的搬運，要求傳動速度快，運行平穩(wěn)可靠。板材送入加熱爐和壓機模具時，要求定位準確，過沖量小。垂直手臂方向上，由伺服電機經(jīng)同步帶驅動機械手在橫梁上作直線運動。

▲圖2 熱塑性復合材料熱壓成型輸送設備結構示意圖

結合熱塑性復合材料熱壓成型工藝，考慮到結構與外觀需要，設計了由連桿機構組成的機械手爪。當氣缸活塞伸出時，氣爪張開；活塞退回時，氣爪閉合。此外，機械手爪可根據(jù)模具及板材尺寸變化進行更換，從而增強搬運機械手的適應性，實現(xiàn)機械手的柔性化設計。

2 機械手的氣動原理

圖4為機械手的氣動原理圖，氣動系統(tǒng)由空氣源、氣動三聯(lián)件、氣動電磁閥、單向節(jié)流閥、前后位氣缸、俯仰氣缸及手爪開合氣缸等組成，整個氣動系統(tǒng)要完成氣爪開與合、仰與俯、退與進6個動作。機械手各個動作通過相應的電磁閥來控制，電磁閥的控制信號由PLC發(fā)出。其中機械手爪的開、合動作由雙線圈二位五通電磁閥控制，一旦控制手爪閉合的電磁閥線圈通電，機械手閉合，即使線圈斷電，仍保持閉合動作，直到控制手爪開的線圈通電為止。另外，仰與俯、退與進動作均由單線圈二位五通電磁閥控制，線圈通電時分別執(zhí)行仰、退動作，線圈斷電時則分別執(zhí)行俯、進動作［4］。

▲圖3 搬運機械手結構示意圖

▲圖4 氣動控制回路原理圖

圖4 中，B1、B2為安裝在各氣缸兩極限位置的磁性傳感器，將氣缸工作狀態(tài)反饋給PLC輸入端，PLC控制程序對反饋信號進行處理，判斷機械手的運動是否到位，然后發(fā)出控制信號給相應的電磁閥，控制氣缸運動。此外，氣缸動作的快慢對整個機械手的穩(wěn)定性有很大影響，迅速動作時的沖擊力將使整個機械手的振動加大，通過節(jié)流閥及氣動三聯(lián)件來調節(jié)氣體流速和壓強，以保證氣缸動作的平穩(wěn)性［5］。根據(jù)實際情況，本輸送設備中6個氣缸的總進氣壓力調整為0.6 MPa。

3 機械手PLC控制系統(tǒng)設計

3.1 機械手控制功能設計

PLC程序設計的目的是確保輸送設備能夠高效可靠地運行，故搬運機械手控制系統(tǒng)需要具備以下功能［6-8］。

（1）點動運行功能。按下按鈕時，機械手完成一步動作，松開后動作停止。

（2）自動運行功能。輸送設備中各執(zhí)行元件按照預先設定的工序自動連續(xù)運行。

（3）用戶權限設置功能。限制未授權人員對機械手的操作和對運行參數(shù)的修改。

（4）故障報警功能。當執(zhí)行元件故障時，系統(tǒng)能及時停止并顯示報警信息，提醒操作人員。

（5）急停功能。在點動過程中發(fā)生誤操作或自動運行過程中出現(xiàn)緊急情況時，按下急停按鈕系統(tǒng)能迅速停止運行。

（6）狀態(tài)顯示功能。在系統(tǒng)運行過程中，能顯示各個執(zhí)行元件的狀態(tài)。同時，當執(zhí)行元件發(fā)生故障時，能通過元件狀態(tài)及時判斷出故障的發(fā)生位置。

上述功能的設定與狀態(tài)信息顯示均在觸摸屏上進行，觸摸屏與PLC控制器通過RS232進行通信，實現(xiàn)直觀的人性化操作。

▲圖5 位置閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖

3.2 系統(tǒng)硬件選型與輸入輸出（I/O）分配

根據(jù)搬運機械手的功能要求，在設計上位機、下位機、執(zhí)行模塊時分別采用觸摸屏、PLC、伺服驅動系統(tǒng)和氣缸［9］。本設計中采用臺達DOP-B10S411觸摸屏，該觸摸屏具有宏指令精靈，使宏指令使用更便利。同時，該產(chǎn)品還可以搭配Windows-base人性化編輯軟件，使用者可快速編輯圖表界面，并可自由設定合適的通信協(xié)議規(guī)范。根據(jù)工作過程中所需要的I/O點數(shù)和控制系統(tǒng)的功能要求，選用臺達DVP-40EH-00T2型號的PLC與DVP-08XP-11T擴展模塊。

為了保證材料在搬運過程中的平穩(wěn)可靠和高精度定位，伺服驅動系統(tǒng)選用帶有內置龍門控制功能的臺達ASDA-A2驅動器，驅動兩臺伺服電機作同步追隨［10］。一旦左、右兩機械手的位置偏差超出精度要求，驅動器就會發(fā)出異常報警，系統(tǒng)停止運動。臺達PLC作為控制器與雙伺服同步驅動系統(tǒng)形成位置閉環(huán)控制系統(tǒng)，以控制機械手高精度、高速度的移動定位。圖5為位置閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖，驅動器在接受自身編碼器反饋之外，還接受來自另一伺服的第二路編碼器反饋［11］，圖6為雙伺服同步驅動系統(tǒng)配線圖，本設計的I/O分配見表1。

3.3 機械手主要工作流程設計

機械手進入自動循環(huán)工作時，必須處于原點位置，而機械手操作前，其位置是隨意的，所以開機后，進入自動模式前需對系統(tǒng)進行復位。具體動作流程設計為：伺服電機一、伺服電機二的使能上→手爪開合氣缸縮回；機械手閉合→俯仰氣缸縮回；機械手仰起→伺服電機通過同步帶帶動機械手歸零，并進行左極限與原點校驗→手爪開合氣缸伸出；機械手張開→前后位氣缸伸出；機械手前進→系統(tǒng)復位完成。

▲圖6 雙伺服同步驅動系統(tǒng)配線圖

表1 I/O分配圖

▲圖8 觸摸屏結構設計圖

▲圖7 機械手自動循環(huán)示意圖

系統(tǒng)復位完成后，PLC可以通過原點限位開關感應到機械手所處的位置。一切準備就緒后，按下啟動按鈕，機械手爪閉合，抓緊碳纖維復合材料板。檢查無誤后，按下循環(huán)按鈕，機械手接受指令進入自動循環(huán)。圖7為機械手自動循環(huán)示意圖。

4 搬運機械手的觸摸屏控制方案

由于PLC的人機交互性能較差，操作人員難以直觀觀測PLC和搬運機械手系統(tǒng)的工作狀態(tài)，故配備觸摸屏配合PLC進行控制。觸摸屏作為操作人員與PLC交互的工具，其作用為接收指令輸入、顯示操作畫面和當前的工作狀態(tài)，同時通過建立觸摸屏組態(tài)變量與PLC的I/O點之間的關系，實現(xiàn)對PLC的控制功能。

為了實現(xiàn)系統(tǒng)的功能要求，保證系統(tǒng)良好的人機交互功能，機械手的觸摸屏結構設計如圖8所示。模具的型號不同時，加熱爐與模具間的距離有可能發(fā)生變化，則距離的變化需調整相關參數(shù)。圖9為觸摸屏的參數(shù)調整界面。

5 系統(tǒng)調試

PLC梯形圖程序和觸摸屏編輯界面通過電腦PC植入到PLC和觸摸屏中，通過參數(shù)設定界面對系統(tǒng)各變量賦值，并通過觸摸屏將其儲存到PLC中。首先進行了模擬調試，根據(jù)碳纖維熱塑性復合材料熱壓成型工藝要求，向PLC發(fā)送模擬動作信號，在上位機界面下觀察各個狀態(tài)的輸出動作。模擬調試正常后，通過實例對系統(tǒng)進行調試。

熱壓成型制備碳纖維熱塑性復合材料汽車副保險杠的工藝路線主要包含加熱、傳送、熱壓等過程，材料在加熱區(qū)加熱后至熱壓合模完成的過程中，材料存在熱量損失、溫度下降現(xiàn)象，從而影響板材的成型性能。為減少材料熱量損失，必須盡可能減少材料從加熱區(qū)至模具位置的傳送時間和合模時間，而傳送時間和合模時間受預熱傳送裝置的傳送行程、傳送速度和壓機合模程序等參數(shù)影響，當熱塑性復合材料熱壓成型輸送設備和壓機工作平臺上的模具位置固定后，傳送行程也隨之確定。為減少傳送行程，所設計的熱壓成型輸送設備通過左右橫梁伸入至壓機工作平臺內，加熱區(qū)中心與模具中心線的距離由原輸送設備的1 820 mm減少為1 105 mm。同時，在原輸送設備中受其機械參數(shù)及控制原理等因素影響，傳送速度的最高允許值僅為325 mm/s，而采用本文設計的伺服電機通過同步帶帶動機械手進行復合材料板的輸送，最高傳送速度提高到800 mm/s。

表2 部件成型周期對比表/s

原有熱壓成型輸送設備在制備碳纖維熱塑性復合材料汽車副保險杠時，復合材料板的固定是通過彈簧鉤掛，其固定過程繁瑣，裝料時間長。采用機械手夾持板材平均裝料時間由原來的60 s減少至10 s。此外，本文所設計的熱塑性復合材料熱壓成型輸送設備，實現(xiàn)了PLC信號與壓機合模程序的通信，完成了合模過程的自動化。

經(jīng)多次試件制備，調整各個行駛段的運行速度及加減速時間。4個行駛段的距離分別為料臺與加熱爐的位置740 mm、加熱爐末端與壓機模具的距離 1 105 mm、壓機模具與坐標中點的距離300 mm、坐標中點與原點的位置1 545 mm。當各個行駛段的加減速時間設置為300 ms，且第一段行駛速度設置為600 mm/s、第二段行駛速度設置為750 mm/s、第三段行駛速度設置為600 mm/s、第四段行駛速度設置為500 mm/s時，系統(tǒng)動作準確、性能穩(wěn)定，能夠實現(xiàn)連續(xù)碳纖維熱塑性復合材料汽車副保險件的自動化制備，使復合材料部件的成型周期由原輸送設備時的490 s縮短至390 s，制備效率達到6件/h。表2為使用機械手前后復合材料部件成型時間的對比，表中傳送時間1為裝料區(qū)至加熱區(qū)的時間，傳送時間2為從加熱區(qū)出料端傳送至模具位置的時間，返回時間1為模具位置至機械中點的時間，返回時間2為機械中點到機械原點的時間。

6 結束語

▲圖9 參數(shù)調整界面

在熱塑性復合材料熱壓成型輸送設備中，采用了PLC與觸摸屏聯(lián)合控制，伺服電機與氣缸驅動相結合的機械手實現(xiàn)了復合材料板的快速平穩(wěn)搬運，進而實現(xiàn)了碳纖維熱塑性復合材料汽車副保險件的連續(xù)自動化制備，制備效率達到6件/h,大大提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。同時，為熱塑性復合材料熱壓成型工藝提供了性能穩(wěn)定、高性價比的機械手設計方案，對推動碳纖維復合材料制品的高效率規(guī)?；圃炀哂幸欢ǖ闹笇ё饔?。

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