許 君許世雄

?

YT2M-4826雙面研磨機氣動控制系統(tǒng)的設計

許 君1,2許世雄2

(1.湖南大學電氣與信息工程學院 長沙 410082；2.湖南宇環(huán)數(shù)控機床有限公司 長沙 410323)

針對手機、平板電腦玻璃顯示屏及太陽能電池晶片、紅寶石等需求急增，迫切要求大量的高工藝、高精度、高效率的研磨拋光設備。根據(jù)傳統(tǒng)產(chǎn)品存在精度差和效率低的缺陷，采用先進的壓力傳感器、PLC和氣缸的控制技術，同時采用數(shù)字PID控制方法，實現(xiàn)輕壓、自重、重壓3種工藝的研磨拋光方式，解決了加工工件時易造成工件的破碎和難加工的問題。該方法運用在YT2M-4826雙面研磨機上，實現(xiàn)了研磨機的精密、平穩(wěn)的研磨和拋光功能，更實現(xiàn)了研磨拋光工件的高精度和高效率加工。經(jīng)深圳富士康公司使用，反映很好，完全達到設計和加工要求。

雙面研磨機 工藝優(yōu)化 壓力閉環(huán)

雙面研磨機是用于玻璃，藍寶石等上下兩個平面進行研磨加工，是自動化程度和可靠性能要求較高的一類機械工藝設備。針對傳統(tǒng)產(chǎn)品無法控制氣壓平穩(wěn)、無法實時監(jiān)控的缺點，采用了先進的氣動比例閥對氣壓進行精密的控制和采用壓力傳感器對氣壓進行實時的監(jiān)控，形成一個閉環(huán)控制，解決了氣壓的不平穩(wěn)現(xiàn)象和無法監(jiān)控實時氣壓的缺陷。傳統(tǒng)產(chǎn)品PLC控制設備的操作面板上的各種按鈕LED顯示越來越復雜，工位指示也很多，這就增加了操作難度和設備的故障點。為了解決上述問題，該系統(tǒng)采用了觸摸屏，對上述的問題有了較好的改善[1]。

1 雙面研磨機的系統(tǒng)要求及系統(tǒng)組成

圖1 研磨機的硬件組成

雙面研磨機是通過PLC控制3個電動機(即下研盤變頻電動機(7.5 kW)，太陽輪變頻電動機(1.5 kW)、上研盤與齒圈變頻電動機(5.5 kW))，從而實現(xiàn)下研盤、太陽輪、上研盤與齒圈不同速度的旋轉(zhuǎn)。工件安裝在游行輪，人機接口界面由觸摸屏來實現(xiàn)。

1.1 PLC的選型

PLC的選擇一般從基本性能，特殊功能和通信聯(lián)網(wǎng)三方面考慮。選擇的基本原則是在能滿足控制要求的前提下，力爭性價比最高的產(chǎn)品。對于雙面研磨機來說，PLC需要大量的運算，所以運算速度需要足夠快，維修量較小，因此選用整體式結(jié)構(gòu)的PLC機型比較合適。采用的I/O地址見表1。

表1 I/O地址表

接上表

根據(jù)表1所述，選用的是日本三菱公司的FX-3U型PLC。該PLC是220 V交流供電，I/O點為64，最多可使用3個通信端口，適用于觸摸屏和變頻器2個端口的串口通信。同時還需要配置一個RS485的通信模塊，以實現(xiàn)通信。

1.2 觸摸屏的選型

觸摸屏主要用于顯示設備和系統(tǒng)狀態(tài)的實時信息。觸摸屏的按鈕可產(chǎn)生相應的開關信息或輸入數(shù)值、字符給PLC進行數(shù)據(jù)交換，從而產(chǎn)生相應的動作來控制設備及系統(tǒng)。觸摸屏作為人機界面，主要實現(xiàn)對電動機的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速和行程的監(jiān)控，對觸摸屏的主要要求：

(1)有足夠的畫面數(shù)據(jù)存儲器，有足夠的分辨率和顯示亮度。

(2)有基本的串行通信功能，方便與PLC連接實現(xiàn)通信。

基于以上的要求選用步科(Kinco)公司生產(chǎn)的MT4523T觸摸屏，MT4523T觸摸屏主要性能是：10.4″LED彩色液晶觸摸屏，800×480點像素，有400MHz RISC處理速度，存儲器有128 M FLASH+64M SDRAM；通信口COM0：RS232/RS485-2/4用于PLC；還有一個COM2：RS232通信口。

1.3 可編程邏輯控制器與觸摸屏通信

觸摸屏背面有兩個連接外部設備的通信口，分別是RS485/RS232和RS232。該系統(tǒng)采用的是RS232通信口與PLC連接的控制方式，設置的通信參數(shù)波特率為9 600，數(shù)據(jù)位8，奇偶校驗為無校驗，停止位1，這樣就可以實現(xiàn)通信[2]。

2 雙面研磨機壓力氣動控制設計

近年來，市場需要加工的易碎品越來越多，玻璃的厚度也越來越薄，雙面研磨機的工作主要是靠上盤的加壓來進行工作的。該設備的最大特點就是設計了一個精密的氣動控制系統(tǒng)，與電氣控制系統(tǒng)聯(lián)合組成了一個壓力閉環(huán)控制。組成的整體方框圖如圖2所示。

圖2 精密氣動的閉環(huán)控制

2.1 精密氣動控制算法

在實現(xiàn)設定壓力值的時候，正壓是根據(jù)比例閥自動調(diào)節(jié)的，所以只要設定需要的壓力，系統(tǒng)就會根據(jù)公式自動的計算出正壓所需要的壓力。根據(jù)這個返回值可以精密的控制氣動，實現(xiàn)氣動閉環(huán)控制，控制原理如圖3所示。

圖3 上盤受力分析

計算用到的公式有：

1 MPa=10 bar=10 kg/cm2

N=m×g

這樣就可以根據(jù)公式算出向上反力，公式如下：根據(jù)壓力公式:=/

2=2×2(1)

=1+mg－2(2)

1=+2－mg (3)

根據(jù)公式可以得出(正)的調(diào)節(jié)值。

上式中，1為正壓；2為反壓；為設定壓力；1為上受壓面積；2為下受壓面積；mg為上盤自重。

2.2 氣動控制系統(tǒng)的D/A轉(zhuǎn)換模塊

在實現(xiàn)精密的氣動控制的功能時，選用了一個12位4～20 mA的SMC電氣比例閥，增長的關系為線性關系，檢測范圍在0.005～0.5 MPa。電氣比例閥的工作原理通常是經(jīng)過電流的輸入，通過擋板和閥門來控制氣流大小的輸入。當沒有電流輸入的時候，擋板和閥門完全打開，比例閥內(nèi)部的氣壓和大氣壓連通。1正壓是根據(jù)比例閥自動調(diào)節(jié)的，所以根據(jù)式(4)可以得出，只需要設定工件所受的壓力，系統(tǒng)就可以自動的計算出正壓所需要的壓力值。根據(jù)圖4中的對應關系，可以計算出需要傳給D/A轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)字量，再轉(zhuǎn)換成電流值輸出給電氣比例閥來精密地控制氣壓的大小。

圖4 比例閥模擬量與數(shù)字量的對應關系

2.3 氣動控制系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換模塊

一個精密的壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)，不止有精密的控制，還需要有反饋，這樣就需要增加一個壓力傳感器。在受壓和受拉的情況下，反饋受到的壓力是否和設定的壓力值相同。壓力傳感器的工作原理通常是將應變片通過特殊的粘合劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學應變基體上(粘合在上盤和上氣缸之間)。當基體受力發(fā)生變化時，電阻應變片也一起產(chǎn)生形變，使應變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生改變。通過后續(xù)的儀表放大器進行放大，再傳輸給處理電路(通常是A/D轉(zhuǎn)換和CPU)顯示或執(zhí)行機構(gòu)。

采用的是12位0～10 V電壓的壓力傳感器，對應的輸出值是0～4 096，計算使用0～4 000。定制的壓力傳感器是0～5 V(0～2 000)為受拉的情況，5～10 V(2 000～4 000)為受壓的情況。最大的壓力設定為15 000 N，都是線性增長。在沒有受拉和受壓的情況下，輸出的電壓為0，值為2 000。在實時監(jiān)控壓力的時候，通過壓力傳感器電壓的輸入，通過圖5中的對應關系，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換輸出數(shù)字值給PLC，判斷是受拉還是受壓，最后計算出受到多少壓力后再進行對比。

圖5 壓力傳感器模擬量與數(shù)字量的對應關系

2.4 精密氣動的調(diào)試

2.5 氣動控制的整體設計

壓力控制采用壓力傳感器閉環(huán)控制，如圖6所示為氣動控制系統(tǒng)圖。機床在工作時，通過在人機界面編輯好加工程序，再下載至PLC，PLC就會按當前下載的程序運行?？梢愿鶕?jù)不同的工件，編輯不同的加工程序和工藝參數(shù)，大大提高機床的使用效率，同時也降低工人的工作強度。

圖6 氣動控制系統(tǒng)圖

為了實現(xiàn)快速下降→慢降→精確實現(xiàn)各段壓氣動控制系統(tǒng)及工作原理壓力控制→慢速上升→快速上升的工作循環(huán)，根據(jù)所設計的氣動控制系統(tǒng)，結(jié)合電磁閥的應用。在一次研磨加工循環(huán)過程中，其工作原理如下:

1)在工件放入游星輪后，將四位操作手柄置于“快降”位置，電磁閥YV7得電，鎖緊氣缸活塞桿退回。當電磁閥YV7得電延時3 s后，電磁閥YV6得電，氣體經(jīng)電磁閥YV6進入氣缸上腔，氣缸前腔氣體經(jīng)電磁閥YV6消聲器排出。

2)當上研磨盤快速下降觸及接近開關時，快降停止此時請將四位操作手柄置于“緩降”位置，上盤開始緩慢下降。在電磁閥YV3、YV4、YV1得電加壓，氣缸上腔通氣在氣壓和自重的作用下，上盤將氣缸下腔氣體壓縮。當大于規(guī)定壓力時從精密調(diào)壓閥溢出，使得上盤可以緩慢下降。

3)系統(tǒng)自動加壓是通過電氣比例閥來精確控制的。在加壓時，YV4、YV3、15、YV1電磁閥均得電，空氣通過精密調(diào)壓再經(jīng)過YV3和YV4進入加壓氣缸上腔。裝在活塞桿端的壓力傳感器檢測當前的承受壓力反饋給PLC，通過PLC來判斷當前壓力是否在設定壓力范圍之內(nèi)，若不是再通過比例閥調(diào)整氣壓。如此實時檢測和調(diào)整壓力實現(xiàn)工件壓力的精確自動控制。

4)當加工完成后需先緩升再快升。緩升將四位操作手柄置于“緩升”位置，電磁閥YV1、YV4、YV2得電。當YV2和YV4得電后，氣缸上腔空氣經(jīng)閥YV2、YV4排出，此時下腔的氣壓克服盤的自重上盤開始緩慢上升。若不能自動上升，應檢查精密調(diào)壓閥的壓力是否調(diào)節(jié)至0.3 MPa(此閥在機器調(diào)試好后就不需再調(diào)整壓力)。

5)快升將四位操作手柄置于“快升”位置。此時電磁閥YV5得電，空氣經(jīng)YV5進入氣缸下腔，而此時YV6失電，上腔空氣經(jīng)YV6消聲器排出。當上盤快升碰到上限位開關時YV5失電，同時YV8得電，自鎖氣缸伸出將上盤安全鎖住。

6)外齒圈下降取料，整個研磨過程結(jié)束。

4 結(jié)語

YT2M-4826雙面研磨機控制系統(tǒng)的特點如下：

(1)采用PLC與觸摸屏控制，使操作更加靈活方便、簡單、直觀。

(2)使用壓力傳感器和電氣比例閥精密地監(jiān)控和控制氣壓，使其成為一個閉環(huán)控制，實現(xiàn)了研磨壓力的精確控制。

(3)使用了加壓延時，多段設定壓力，使啟動更加平穩(wěn)可靠，不易造成工件損傷。

目前，該設備已成功應用在實際工作中，用戶反映很好，且運行正常、工作效率高、安全可靠。完全達到了設計和加工的要求。更實現(xiàn)了研磨拋光工件的高精度、高效率加工。

[1] 王偉冰.雙面高速研磨機研制[D].長春:長春光學精學院碩士學位論文,2000.

[2] 韓志超,桑斌修.PLC與觸摸屏通訊的實現(xiàn)和應用[J].國內(nèi)外機電一體化技術,2006.

[3] 賈云剛,張春魁,張家遠.16B雙面研磨機的氣動控制系統(tǒng)[J].流體傳動與控制,2007.