设备设计/诊断维修/再制造
现代制造工程（ModemManufacturingEngineering）
2013年第5期
片状脆性材料拾放机械手控制系统设计与实现
何崇东，秦海辰，黄永安
（华中科技大学机械科学与工程学院，武汉430074）
摘要：针对质子交换膜燃料电池（PEMFC)膜电极的制备，提出一种用于拾放片状脆性材料的五自由度机械手，并重点研究其控制系统的设计与实现。为满足膜电极制造工艺中提出的精确力/位控制、精确对位和快速拾放的控制要求，提出基于运动模式切换和力/位双闭环控制策略，基于视觉对准的视觉纠姿系统和基于速度、加速度前馈的位置控制方法。这些控制策略和方法已成功运用于片状脆性材料拾放机械手的控制系统中，控制效果良好，亦可推广到集成电路（IC) 制造装备等其他领域。
关键词：多自由度机械手；力/位双闭环控制：机器视觉纠姿系统；前馈控制
中图分类号：TP27文献标志码：A文章编号：1671—3133(2013)05—00131—05
Designandimplementationof thecontrolsystemofmulti-DOFmanipulator
usedforpicking-upandplacingtheflakybrittlematerials
He Chongdong, Qin Haichen, Huang Yongan
(MSE,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China）
Abstract: For making membrane electrode of proton exchange membrane fuel cell, proposes a kind of 5-DOF manipulator used for picking-up and placing the flaky brittle materials ,focusing on studying design and implementation of its control systen. To meet control requirements of precise force / position control,high-preeision alignment control,fast pick&place raised by manufacturing process of membrane electrode, proposes force/position hybrid control strategy and eontrol method based on switching motion mode and force close loop, posture-adjusted system based on the machine vision system and position control method based on the feed-forward control of speed and acceleration, Those control strategies and methods have been successfully used in the multi-DOF
manipulator,obtained good control effeet and ean be promoted to other areas,such as the IC manufacturing equipment. Key words: the multi-DOF manipulator;force/position hybrid control ; the machine vision system;feed-forward control
0引言
燃料电池作为一种先进的化学电源，可以直接将化学能转化为电能，目前已成为新的发电技术。由于它具有高效、洁净、功率密度高，以及模块化结构等特点，应用前景很广泛，更有可能成为替代石油的、最有效的清洁能源之一(1-2)。质子交换膜燃料电池（Proton ExchangeMembrane Fuel Cell,PEMFC）的电化学反应核心组件—膜电极组件（MembraneElectrodeAssem-bly，MEA）主要由质子交换膜、催化剂和气体扩散层（GasDiffusionLayer，GDL）组成，其相当于计算机的 CPU芯片，决定着燃料电池性能的好坏。气体扩散层（CDL)是一种疏松脆性的碳纤维材料，具有质脆易折
断、正反面性质有差异等物理特性。
MEA制造工艺中，需要通过拾放机构在保证不损坏GDL的前提下，将两片疏松脆性GDL精确地、快速地叠层到涂有催化剂的质子交换膜的上、下两面。整个叠层过程划分为抓取、转移、对位和贴放四个工序。在抓取和贴放工序中，因CDL机械强度低、极易破碎，需要对拾放过程中拾取力和位置进行精确控制：CDL 叠层效果决定着MEA的氢能转换率，直接影响着燃料电池性能的好坏，故需要对上、下两片CDL的纵向和横向进行高精确对位控制；另外MEA制造工艺也对叠层效率提出了严格的工艺指标，要在3s内完成两片GDL叠层。
对于物体的精确抓取和快速转移，常用的拾放机
，国家科技支撑计划项目（2009BAF40B04）；武汉市青年科技晨光计划项目（201150431119）
131
万方数据