涂膏机械手控制系统设计

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第 10期2013年 l0月机械设计与制造Machinery Design & Manufacture 179涂膏机械手控制系统设计张 力，杨建国(东华大学 机械工程学院，上海 201620)摘 要：介绍了负极片 自动化生产线的组成和涂膏机械手的基本结构、工作原理。主要介绍涂膏成型系统中涂膏机械手的控制系统。根据相关技术规定，极片膏体要求平整无缺口、厚度的精度要求为i-0．1mm、速度超过 3片／min，所以涂膏的连续性和均匀性是直接影响极片成型的重要因素。针对涂膏机械手传动机构复杂、工作频率高、动作要求准确以及膏体高粘度的特点，设计了一种以模糊PID控制结合专家判断的控制方案。阐述 了该方案的控制系统组成、软件设计以及实现方法。在上海空间电源研究所的成功运行，表明本系统实现了均匀性涂膏，满足了系统对稳定性、准确性等方面要求。

关键词：运动控制；机械手；专家—模糊 PID控制系统中图分类号：TH16；TP241．3 文献标识码：A 文章编号：1001—3997(2013)10—0179—03Control System Design of Coating ManipulatorZHANG Li，YANG Jian-guo(College of Mechanical Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China)Abstract：／t describes the composition of the automated production line of negative sheet and the basic structure and workingprinciple ofthe coating manipulator．It m n introduces the control s~tem ofpaste manipulator paste molding systetraA ccording to relevant technical regulations，the requirements ofpole piece paste is flat without gap and the thickness of theprecision within±0．1mm，and the speed more than 3 pieces／minute，SO the continuity and uniformity ofcoatingpaste is One ofthe importantfactors directly afecting the sheetforming．For the complex drive mechanism，high operating quency，theaction requires accurate and the high viscosity ofthe paste，it designed a Fuzzy PID control program combined with expertjudgment．，￡elaborated the program control s~tem components，software design，and implementation methods．That thes~tem achieves the aniformity ofthe paste-coating，meets the s~tem requirements ofstability and accuracy in the successfuloperation ofthe Shanghai Institute ofSpace Power.

Key W ords：M otion Control；M anipllat0r；Fuzzy PID Control System1引言负极片自动化生产线由模切取放纸系统、脱放模系统、涂膏成型系统 、取放网系统及包装系统五部分组成。为了更好地实现管控一体化，便于工人操作，使用一台研华 610L工控机对生产线进行集中控制，在控制软件中设置五个独立功能模块用于完成五个子系统的控制，并建立了相互联络的通讯信号，各功能模块均可在线进入或退出运行状态，在线设定参数，并且都可在手动运行和自动运行方式下工作。

主要介绍涂膏成型系统中涂膏机械手的控制系统。根据相关技术规定，极片膏体要求平整无缺 口、厚度的精度要求为4-0．1mm、速度超过 3片／min，所以涂膏的连续性和均匀性是直接影响极片成型的重要因素。因此，涂膏机械手要求运动精度高、运动频繁、动作最复杂等特点，是整条生产线控制系统的难点，也直接影响到最终产品的优劣。

针对上述涂膏机械手控制特点，提出了一种模糊 PID控制策略结合专家判断的控制手段，运用模糊推理实现 PlD参数的最佳调整。下文将分别从系统结构及工作原理、系统技术指标和系统模块 PID设计等方面对该控制系统进行全面阐述。

2机械手结构及原理2．1机械手结构涂膏机械手是一种三 自由度直角坐标的工业机械手，由膏体挤出装置和三坐标导轨两大部分组成。三坐标导轨是机械手的运动执行部件，它的作用是带着膏体挤出装置按照一定的轨迹运动；膏体挤出装置安装在 轴导轨下端，它由膏体挤出泵、电磁阀和传感器(接近开关 )组成，收到涂膏信号时电磁阀打开，膏体在气压系统的作用下通过膏体挤出泵从出膏嘴挤出，将膏体均匀铺设在带有包装纸的模框内。

涂膏机械手现场图，如图 1所示。三坐标导轨为三个直线运动导轨， 轴、Y轴方向运动由步进电机带动，通过带轮传动实现，轴方向运动由伺服电机带动，导轨的前后 、左右及上下限分别来稿日期：2012～12—05基金项目：组建上海工程技术研究中心科研计划项目(10DZ2250300)；上海市重点学科(B602)作者简介：张 力，(1987一)，男，湖南人，硕士研究生，主要研究方向：先进制造技术、自动化控制；杨建国，(1950一)，男，上海人，教授，博士生导师，主要研究方向：光机电一体化和智能机器人，现代集成制造系统技术180 张 力等：涂膏机械手控制系统设计 第10期用限位开关保护。膏体挤出装置的内部结构图，如图2所示。两位五通电磁换向阀控制膏体挤出泵中的i向陶瓷阀，当⑥⑦相通时，膏体在常压的空气压力下挤入泵体内部，活塞①向右移动；当⑦⑧相通时，气源挤压活塞向左移动，将膏体从⑧1：3处挤出。(其中②为活塞运行速度控制阀，③为活塞冲程控制结构)。

图 1涂膏机械手硬件结构Fig．I Coating Manipulator Hardware Structure常压0．3～0．8MPa图2膏体挤出装置结构图Fig．2 Paste Extrusion Device Structure2_2机械手运动控制原理系统是以T控机为中心的闭环控制系统。控制回路包括传感器、A／D、D／A和运动控制器等几部分。每个采样周期内，位置传感器采集出位置的实时信号，经过 A／D转换输入到控制系统并反馈到工控机中，然后与目标值相比较并利用控制算法计算得到控制信号，通过控制系统对步进电机和伺服电机等执行部件给出有效的控制量，最后实现机械手运动的精确控制，系统原理，如图 3所示 。

信号输入 控制 控系 机统 信号反馈图3机械手运动控制原理图Fig．3 Manipulator Motion Control Principle Diagram3技术指标根据涂膏机械手的运动要求，涂膏机械手三坐标导轨选择的主要控制技术参数，如表 1所示。膏体挤出泵的相关技术参数，如表 2所示。

表 1机械手控制系统技术参数Tab．1 Manipulator Control System Technical Parameters序号 名称 轴 y轴 z轴1 行程(mm) 300 300 80／1002 最大速度(mm／s) 1O0 100 1003 加速度(mm／s) 1000 1000 10004 重复精度(mm) -+0．1Inn ±O．1mm ±0．1mm5 负载(kg) 100 100 156 组成结构 佗 滑7 驱动方式 步进电机 步进电机 400W安川伺服电机8 传动方式 5M型皮带 ，滚轮 滚珠丝杠9 输入电源 AC220Vl0 运动轨迹 直线表 2膏体挤出泵技术参数Tab．2 Paste Extrusion PumD Parameters4专家一模糊 PID设计模糊控制是一种智能控制方法，它模仿人类带有模糊性的控制行为，将操作人员 自然语言式的经验总结成控制规则，并基于这些规则，进行模糊推理等过程，生成控制量。但是模糊控制对输入变量的处理是离散的，且没有积分环节 ，控制精度不如 PID控制，而将模糊思想与 PID结合的模糊 PID控制策略可以兼顾二者优点。

负极片自动化生产线系统是复杂、非线性的，参数的不确定性，外部干扰和负载变化会严重影响涂膏系统的快速响应和准确性。针对上述系统特点，将模糊 PID控制策略与专家判断结合设计，模糊推理实现 PID参数的最佳调整，具有自适应的能力，引入专家判断可以减小在设定值附近的震荡，减少进入稳定状态的时间，提高效率。

图4专家—模糊 PID控制原理图Fig．4 Experts-Fuzzy PID Control Principle Diagram专家—模糊PID控制器图，如图4所示。从图4中可以看出，由位置传感器采集出的位置实时信号，与模块选择开关设定值相比较，得到偏差 e和偏差变化率 Ae，e和 作为控制量的输入，根据开关设定值控制末态开关选择采用专家控制还是模糊 PID控制，即当，e和 △e不在专家数据库中时，采用模糊 PID控制，当，e和 处在专家数据库中时，采用专家控制，而每次通过模糊 PID控制的相关数据又会被添加到专家控制器的对应数据库No．1OOct．2O13 机械设计与制造 18l里进行储存，对相关的经验和知识进行扩充，从而改变，e和的值域。这种独特的控制系统即克服了传统 PID控制中不可动态实时控制的缺陷，也克服了普通模糊PID控制中参数选择的盲目性和调试时间相对过长的缺点。

4．1模糊 PlD控制策略模糊PID控制器是一种在传统PID调节器的基础上，通过模糊逻辑和近似推理方法，建立参数 与偏差绝对值 leI和偏差变化绝对值IAel的函数关系。根据不同的lel和IAeI在线自适应调整K，、 、 等参数的控制方法。计算出空间位置误差后 ，将其送到PID调节器。其PID控制规律为：u( ) le(￡)+ f) 』 (1)式中： (￡)—PID的控制输出，也是被控对象的控制输入；e(t)—偏差函数；、 、乃一比例系数、积分时间系数、微分时间系数。

写成传递函数的形式为：= ( 亩 5) (2)4．2专家控制系统专家控制系统，是一种大型复杂的智能计算机程序，它把专门领域中若干个人类专家的知识和思考、解决问题的方法以适当方式储存在计算机中，使其能在推理机的控制下模仿人类专家去解决问题[31。具体的说，就是采用将某种知识表示技术编辑成或 自动生成某种特定表示形式，存在在知识库里，然后通过数据和命令，运用推力机构控制知识库和整个系统工作，得到问题的求解结果。在本生产线上所使用的专家控制系统的建立和实现大致需要三个步骤，分别为：(1)系统设计及知识库建立 ：鉴于涂膏机械手的特殊性 ，无法直接从领域专家获取相关数据库 ，只能通过在应用过程中产生的相关数据来建立专家系统的数据库。(2)推理机建立：涂膏机械手的生产过程十分复杂 ，受到外界环境影响也较大，因此，在推理机的实现上采用“IF条件 THEN操作”的产生式推理法则。(3)系统扩充：该专家系统的独特之处就在于通过长期的生产工作，可以产生大量模糊 PID控制的数据实例，这些实例经过处理之后被补充到专家系统的数据库里，不断的扩展专家系统的控制范围，使得控制系统可以完成在外部负载和干扰变化更复杂的非线性环境下的高精度，高效率的机械手运动控制。

5工程应用根据大量实验结果表明，为满足涂膏效果尽可能均匀和平稳，为后续工位提供良好的挤出，采用的涂膏方式如图5所示。开机时，涂膏机械手即复位并在原点 O处等待启动信号，接收到涂膏启动信号后，SQ1开关接通 ，两位五通电磁阀推动膏体泵进程工作，膏体挤出泵和机械手并沿着矩形 OABCO轨迹运行回到 0点，接着 ，机械手沿图中折线从 O点到 B点 ，当机械手第二次运行到B点时，SQ3开关接通 ，SQ1开关闭合，两位五通电磁阀推动膏体泵回程，膏体自动进料，导轨运动复位，一次完整运动结束。

而涂上层膏时，则将 SQ2和 SQ4设定为启停开关，采用相互契合的两层涂膏保证极片质量的均匀分布。

0SQ3图5涂膏机械手运行轨迹图Fig．5 Coating Manipulator Path Diagram目前，i亥控制系统已经在实际的生产实践中已经实现了高精度、高准确性的稳定运行，如图 6所示。

图 6实际生产中的涂膏效果图Fig．6 Coating Effect in Actual Production6总结负极片自动化生产线的涂膏机械手将模糊 PID控制和专家系统控制结合成为一个高精度，高效率的机械手控制系统，这种独特的设计既可以发挥模糊 PID控制的高度自适应能力，又能发挥专家系统独有的高响应 、高效率的特点，实现了负极片涂膏的稳定运行，为中国航天事业做出了巨大贡献。

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