羅 義,高自成,李立君,周飛科,閔淑輝

(中南林業(yè)科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長沙 410004)

雙工位點(diǎn)膠機(jī)八軸運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

羅 義,高自成,李立君,周飛科,閔淑輝

(中南林業(yè)科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長沙 410004)

隨著微電子產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，相關(guān)產(chǎn)業(yè)對于點(diǎn)膠機(jī)的需求不斷增長。針對當(dāng)前人工經(jīng)驗(yàn)型液晶顯示屏點(diǎn)膠機(jī)存在的勞動強(qiáng)度大、效率低等問題，采用Inventor建模軟件，設(shè)計(jì)了一種全自動、高效率的雙工位點(diǎn)膠機(jī)，開發(fā)了一種基于PLC、觸摸屏以及伺服控制技術(shù)的八軸運(yùn)動控制系統(tǒng)。對該系統(tǒng)的工作原理及硬件組成進(jìn)行了研究，分別對雙工位點(diǎn)膠機(jī)的傳感檢測系統(tǒng)、電機(jī)控制系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹。根據(jù)工藝流程與機(jī)械結(jié)構(gòu)，編寫了控制程序；通過機(jī)械結(jié)構(gòu)硬件與程序軟件，實(shí)現(xiàn)了對設(shè)備與人員的保護(hù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該雙工位點(diǎn)膠機(jī)規(guī)模較小、產(chǎn)量較高、價(jià)格便宜，能實(shí)現(xiàn)自動上下料和點(diǎn)膠，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠、生產(chǎn)效率高及控制系統(tǒng)易于操作的優(yōu)點(diǎn)，滿足了企業(yè)的點(diǎn)膠需求。

點(diǎn)膠機(jī); PLC; 觸摸屏; 運(yùn)動控制系統(tǒng); 人機(jī)界面; 雙工位; 伺服技術(shù); 自動控制

0 引言

近年來，隨著微電子產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，相關(guān)產(chǎn)業(yè)對點(diǎn)膠機(jī)的需求不斷增加，如電子灌封、平面密封、液晶顯示屏的封裝等。相對于微電子技術(shù)、加工工藝的快速發(fā)展，封裝技術(shù)的發(fā)展相對滯后，已成為企業(yè)降低成本的瓶頸。點(diǎn)膠技術(shù)在封裝技術(shù)中具有重要作用，點(diǎn)膠機(jī)具有極高的實(shí)用價(jià)值[1]。當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的點(diǎn)膠機(jī)主要分為手動式和自動式[2]。其中，手動式點(diǎn)膠機(jī)精度較低、生產(chǎn)速度慢，已無法滿足當(dāng)前的點(diǎn)膠封裝要求；自動式點(diǎn)膠機(jī)能代替人工操作，極大地提高了生產(chǎn)效率，是目前的發(fā)展主流。自動式點(diǎn)膠機(jī)的控制部分決定了其點(diǎn)膠精度和產(chǎn)品的價(jià)格[3]。

目前，工業(yè)應(yīng)用中常見的點(diǎn)膠機(jī)系統(tǒng)控制方案大致分為以下幾類：四軸機(jī)器人+外部控制器、運(yùn)動控制卡+工控機(jī)+驅(qū)動器、PLC+觸摸屏+驅(qū)動器。考慮到機(jī)器人高昂的成本及其復(fù)雜的操控性和維護(hù)性，四軸機(jī)器人+外部控制器方案目前在國內(nèi)不具備普及的基礎(chǔ)[4]，后兩種方案應(yīng)用較廣泛。其中，PLC+觸摸屏+驅(qū)動器方案價(jià)格更為低廉，應(yīng)用更為廣泛。

鑒于此，本文旨在設(shè)計(jì)一款規(guī)模較小、產(chǎn)量較高、價(jià)格便宜，能實(shí)現(xiàn)自動上下料、自動點(diǎn)膠的全自動化雙工位點(diǎn)膠機(jī)。采用Inventor軟件，以PLC技術(shù)為控制核心，結(jié)合觸摸屏，設(shè)計(jì)了一種可以應(yīng)用于多種規(guī)格的液晶顯示屏封裝的雙工位點(diǎn)膠機(jī)八軸運(yùn)動控制系統(tǒng)。

1 雙工位點(diǎn)膠機(jī)的設(shè)計(jì)

雙工位點(diǎn)膠機(jī)主要包括X1軸上料機(jī)構(gòu)[5]、X2軸下料機(jī)構(gòu)，X3、X4軸點(diǎn)膠機(jī)構(gòu)，X5軸物料輸入機(jī)構(gòu)，X6軸物料輸出機(jī)構(gòu)，Y1、Y2軸定位機(jī)構(gòu)，機(jī)架以及其他一些輔助機(jī)構(gòu)。

X1軸上料機(jī)構(gòu)，X2軸下料機(jī)構(gòu)和X3、X4軸點(diǎn)膠機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)類似，包括伺服電機(jī)、聯(lián)軸器、絲杠螺母組件、氣動滑臺、真空吸嘴、點(diǎn)膠閥以及一些安裝座和連接板等。伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器與絲杠螺母組件連接，絲杠螺母組件帶動X1軸上料機(jī)構(gòu)、X2軸下料機(jī)構(gòu)和X3、X4軸點(diǎn)膠機(jī)構(gòu)在X軸方向上平移；而氣動滑臺則裝在Z軸上，通過連接板帶動真空吸嘴及點(diǎn)膠閥在Z軸方向上移動。

Y1、Y2軸定位機(jī)構(gòu)包括伺服電機(jī)、聯(lián)軸器、絲杠螺母組件、X方向氣動滑臺、Y方向氣動滑臺、工件安裝面板和一些安裝座和連接板等。其中：伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器、絲杠螺母組件帶動Y1、Y2軸定位機(jī)構(gòu)在Y軸上的平移；X方向氣動滑臺與Y方向氣動滑臺實(shí)現(xiàn)工件在工件安裝面板上X和Y方向上的定位。

X5軸物料輸入機(jī)構(gòu)與X6軸物料輸出機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相似，包括步進(jìn)電機(jī)、同步帶、同步帶輪、平帶、平帶輪以及一些安裝座、連接板和支撐桿件，步進(jìn)電機(jī)通過同步帶輪與同步帶帶動平帶輪和平帶運(yùn)動，將工件放在平帶上，即可實(shí)現(xiàn)工件在X方向的上下料。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的雙工位點(diǎn)膠機(jī)每小時可以完成3 000個工件的點(diǎn)膠任務(wù)，工件的最大尺寸為162 mm×96 mm×2.2 mm,工件的最大質(zhì)量為0.075 kg。

由于X1軸上料機(jī)構(gòu)，X2軸下料機(jī)構(gòu)，X3、X4軸點(diǎn)膠機(jī)構(gòu)，Y1、Y2軸定位機(jī)構(gòu)對于工件最終的點(diǎn)膠精度影響很大，所以選用了6臺伺服電機(jī)，以確保每個動作的精度；而X5軸物料輸入機(jī)構(gòu)，X6物料輸出機(jī)構(gòu)則選用2臺步進(jìn)電機(jī)。各軸電機(jī)的具體參數(shù)如表1、表2所示。

表1 各軸伺服電機(jī)參數(shù)表

表2 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)表

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

雙工位點(diǎn)膠機(jī)控制系統(tǒng)主要由PLC控制系統(tǒng)[6]、傳感器檢測系統(tǒng)、電機(jī)控制系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)[7]以及上位機(jī)等部分組成，其硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

PLC控制系統(tǒng)是點(diǎn)膠機(jī)控制系統(tǒng)的核心部分，其通過RS-485與上位機(jī)進(jìn)行通信，接收或上傳用戶程序、接收傳感器檢測系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)的輸入信號，從而判斷點(diǎn)膠機(jī)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)程序作出反應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)控制系統(tǒng)和氣動系統(tǒng)的控制。同時，通過人機(jī)交互系統(tǒng)顯示當(dāng)前狀態(tài)。

2.1 傳感檢測系統(tǒng)

為了確保點(diǎn)膠的精度和準(zhǔn)確性，以及操作人員和設(shè)備的安全，所設(shè)計(jì)的雙工位點(diǎn)膠機(jī)在多處關(guān)鍵部分使用限位開關(guān)、光電開關(guān)、負(fù)壓真空傳感器、位置檢測傳感器、速度檢測傳感器等。雙工位點(diǎn)膠機(jī)中所使用的各類傳感器信息如表3所示。

表3 各類傳感器信息表

2.2 電機(jī)控制系統(tǒng)

雙工位點(diǎn)膠機(jī)是一個全自動化的機(jī)電氣一體化設(shè)備[8]，其所需完成的功能多、動作多，而不同動作要求的精度又不一樣。為了節(jié)約成本，針對不同的動作，選用不同精度的電機(jī)。 針對伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，分別設(shè)計(jì)了不同的控制系統(tǒng)。

2.2.1 雙工位點(diǎn)膠機(jī)伺服電機(jī)控制系統(tǒng)

雙工位點(diǎn)膠機(jī)伺服電機(jī)的控制系統(tǒng)均采用PLC基本單元+定位模塊+驅(qū)動器+伺服電機(jī)的方式，完成對伺服電機(jī)的控制。

PLC向定位模塊發(fā)送驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行信號；定位模塊接收到信號后，以固定的端口向驅(qū)動器發(fā)送定位脈沖；驅(qū)動器接收到定位脈沖驅(qū)動伺服電機(jī)運(yùn)行。其中，定位脈沖的數(shù)量決定電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度，定位脈沖的頻率決定電機(jī)轉(zhuǎn)動的角速度大小，同時定位模塊和驅(qū)動器將一些信號反饋到PLC[9-10]。

2.2.2 雙工位點(diǎn)膠機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)

雙工位點(diǎn)膠機(jī)中的步進(jìn)電機(jī)僅用來實(shí)現(xiàn)物料的輸入輸出，不需要精確的定位，故從成本的角度考慮，采用PLC的基本單元、驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)的組合。步進(jìn)電機(jī)控制原理如圖2所示。

圖2 步進(jìn)電機(jī)控制原理圖

PLC基本單元根據(jù)程序的需求，通過Y1端口向步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動器DIR端口發(fā)送電脈沖，驅(qū)動器接收到電脈沖后，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動。其中，Y4端口用來控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。

2.3 氣動系統(tǒng)

由于本設(shè)計(jì)使用了大量氣動元件，因此氣動系統(tǒng)是雙工位點(diǎn)膠機(jī)的一個重要組成部分。系統(tǒng)中，多處短距離直線位移是采用氣動滑臺實(shí)現(xiàn)的；吸緊和松開點(diǎn)膠工件是采用真空吸附與吹氣實(shí)現(xiàn)的。本雙工位點(diǎn)膠機(jī)所使用的主要?dú)鈩釉畔⑷绫?所示。

表4 主要?dú)鈩釉畔?/p>

2.4 人機(jī)交互系統(tǒng)

人機(jī)交互系統(tǒng)由PLC與觸摸屏通信實(shí)現(xiàn)[10]。其基本的工作原理是：采用控制系統(tǒng)計(jì)算觸摸或按壓觸摸屏的坐標(biāo)位置,根據(jù)定位的位置，將所選信息輸入到PLC基本單元；在PLC程序運(yùn)行后，PLC基本單元將結(jié)果通過RS-485通信反饋給觸摸屏；觸摸屏按照先前設(shè)計(jì)的觸摸屏程序運(yùn)行，并將運(yùn)行結(jié)果顯示在觸摸屏上。這樣，工作人員即可通過觸摸屏，實(shí)現(xiàn)與雙工位點(diǎn)膠機(jī)的人機(jī)交互。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

雙工位點(diǎn)膠機(jī)控制系統(tǒng)軟件主要包括前處理階段、軟件編寫及軟件調(diào)試運(yùn)行階段。其中，前處理階段最為重要。通過與工藝工程師和機(jī)械工程師的不斷溝通，確定點(diǎn)膠的工藝過程以及實(shí)現(xiàn)工藝的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并編寫工藝流程圖和系統(tǒng)工作的流程圖；由軟件編寫、調(diào)試及運(yùn)行階段可以看到最終的點(diǎn)膠效果，并根據(jù)結(jié)果對軟件作出調(diào)整。

3.1 前處理階段

本設(shè)計(jì)最大的特點(diǎn)就是根據(jù)當(dāng)前點(diǎn)膠機(jī)存在點(diǎn)膠時間長、效率低的缺點(diǎn)設(shè)計(jì)了2個點(diǎn)膠工位，并通過相應(yīng)算法極大地提高了生產(chǎn)效率。

根據(jù)點(diǎn)膠精度和產(chǎn)品全自動化的要求，結(jié)合機(jī)械機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)的雙工位點(diǎn)膠機(jī)的控制算法描述如下。①初始化，實(shí)現(xiàn)Y1工位、Y2工位上都放置一個工件并點(diǎn)膠完畢，Y1軸定位機(jī)構(gòu)、Y2軸定位機(jī)構(gòu)回到各自的定位工位，X1軸上料機(jī)構(gòu)運(yùn)動到上料工位處，X2軸下料機(jī)構(gòu)運(yùn)動到Y(jié)2工位定位工位。②X2軸下料機(jī)構(gòu)從Y2工位定位工位將點(diǎn)膠完畢的工件搬運(yùn)到下料工位，X1軸上料機(jī)構(gòu)從上料工位處將未點(diǎn)膠完畢的工件搬運(yùn)到Y(jié)2工位定位工位，二者同步同速運(yùn)動，既防止出現(xiàn)碰撞，也保證了效率。③Y2工位接到工件后，將其定位后送至Y2工位點(diǎn)膠工位，X4軸點(diǎn)膠機(jī)構(gòu)開始點(diǎn)膠，點(diǎn)膠完畢后送回Y2工位定位工位；與此同時，在Y2工位接到工件后，X1軸上料機(jī)構(gòu)從Y2工位定位工位回到上料工位處，X2軸下料機(jī)構(gòu)從下料工位運(yùn)動到Y(jié)1工位定位工位。④X1軸上料機(jī)構(gòu)從上料工位處將未點(diǎn)膠完畢的工件搬運(yùn)到Y(jié)1工位定位工位，X2軸下料機(jī)構(gòu)從Y1工位定位工位將點(diǎn)膠完畢的工件搬運(yùn)到下料工位。⑤Y1工位接到工件后，將其定位后送至Y1工位點(diǎn)膠工位，X3軸點(diǎn)膠機(jī)構(gòu)開始點(diǎn)膠，點(diǎn)膠完畢后送回Y1工位定位工位；與此同時，在Y1工位接到工件后，X1軸上料機(jī)構(gòu)從Y1工位定位工位回到上料工位處，X2軸下料機(jī)構(gòu)從下料工位運(yùn)動到Y(jié)1工位定位工位，實(shí)現(xiàn)往復(fù)循環(huán)。

3.2 軟件編寫及軟件調(diào)試運(yùn)行階段

根據(jù)前處理階段所作的工作，本設(shè)計(jì)編寫了初始化程序、自動化程序、單信號程序、單軸控制程序、連貫動作程序以及報(bào)警程序。

為了便于調(diào)試運(yùn)行雙工位點(diǎn)膠機(jī)，在手動程序中增加了一些便于調(diào)試的子程序，包括手動初始化、所有信號的單個動作、每個電機(jī)的單軸運(yùn)動以及連貫的組合動作等子程序。

4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)保護(hù)與報(bào)警

本設(shè)計(jì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)具備保護(hù)與報(bào)警功能，主要包括通過機(jī)械結(jié)構(gòu)硬件與程序軟件實(shí)現(xiàn)對設(shè)備與人員的保護(hù)，一旦有危險(xiǎn)則蜂鳴器立即鳴叫且觸摸屏顯示報(bào)警提醒。機(jī)械部分主要表現(xiàn)為每個絲杠組件兩端都裝有防撞用的彈簧膠，以及X1軸上料機(jī)構(gòu)與X2軸下料機(jī)構(gòu)由于在同一個水平面有發(fā)生碰撞的危險(xiǎn)，在二者之間也裝有防撞裝置。程序設(shè)計(jì)時，為了防止X1軸上料機(jī)構(gòu)與X2軸下料機(jī)構(gòu)的碰撞，將X1軸上料機(jī)構(gòu)與X2軸下料機(jī)構(gòu)設(shè)置為每次都同步同速運(yùn)行，每一個軸均有2個限位開關(guān)，一旦超出程序范圍，則立即停止運(yùn)動的邏輯關(guān)系，采用雙重保護(hù)來保證人與設(shè)備的安全。

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)的目的在于設(shè)計(jì)一款全自動、生產(chǎn)率高、操作簡單、運(yùn)行可靠以及價(jià)格低廉的點(diǎn)膠機(jī)。通過分析計(jì)算，利用Inventor三維建模軟件，設(shè)計(jì)了一種擁有2個點(diǎn)膠工位的雙工位點(diǎn)膠機(jī)，開發(fā)了一種基于PLC技術(shù)、觸摸屏技術(shù)及伺服控制技術(shù)的雙工位點(diǎn)膠機(jī)的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠完成上下料、工件的定位、點(diǎn)膠以及工件的輸入輸出等工藝，并且具備保護(hù)與報(bào)警功能。本雙工位點(diǎn)膠機(jī)具有結(jié)構(gòu)合理、運(yùn)行安全可靠、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好以及操作方便、簡單等優(yōu)點(diǎn)，滿足了企業(yè)對自動點(diǎn)膠的需求。

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Design of the Eight Axis Motion Control System for Double Workplace Dispenser

LUO Yi，GAO Zicheng，LI Lijun，ZHOU Feike，MIN Shuhui

(School of Mechanical and Electrical Engineering,Central South University of Forestry & Technology,Changsha 410004,China)

Along with the rapid development of microelectronics industry,the demands for dispensers from relevant industries are continuously increasing.According to the problems exiting in current manual experience type dispenser for liquid crystal displaying screen,such as large labor intensity and low efficiency,a fully automatic and high efficient double workplace dispenser is designed using Inventor modeling software,and the eight axis motion control system based on PLC,touch screen and servo control technology is developed.The working principle and hardware composition of the system are studied,the sensing detection system of the double workplace dispenser,the electrical control system,pneumatic system and the design of the human-computer interaction system are respectively introduced,and the control program is written according to the process flow and mechanical structure.The protection of the equipment and personnel is implemented by the hardware of mechanical structure,and software of program.The test results show that the dispenser is a fully automatic double workplace dispenser which is smaller in scale,higher in yield,in low cost,and is able to load and unload automatically the materials for dispensing;its structure is stable and reliable,the control system is easy to operate,thus the requirements of the enterprises are effectively resolved.

Dispenser; PLC; Touch screen; Motion control system; Man machine interface; Double workplace; Servo technology; Auto-control

羅義(1992—)，男，在讀碩士研究生，主要從事智能裝備的設(shè)計(jì)與研發(fā)工作。E-mail:2357689891@qq.com。 高自成(通信作者)，男，碩士，副教授，主要從事智能裝備的設(shè)計(jì)與研發(fā)工作。E-mail:gzc1968@126.com。

TH-39；TP29

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201703005

修改稿收到日期:：2016-10-25