黃 俊

（湖南鐵道職業(yè)技術學院 株洲 412001）

1 引言

用戶在購買平板手機、平板電腦后一般會對其觸摸屏進行手工貼膜處理，防止屏幕被劃傷以延長設備使用壽命［1～2］。為了滿足用戶這一普遍需求，提升產(chǎn)品適用性，該類產(chǎn)品的中高檔名牌生產(chǎn)商已經(jīng)逐步增加了觸摸屏預貼膜處理工藝。觸摸屏貼膜機屬于精密生產(chǎn)設備。此類設備在設計與制造時，為保證貼膜精度及設備運行的穩(wěn)定性，多采用帶控制器的步進電機系統(tǒng)或伺服電機系統(tǒng)，并輔以配套開發(fā)的可視化控制軟件實現(xiàn)其功能［3～6］。

可視化控制軟件一般可采用工控組態(tài)軟件或自主開發(fā)上位機控制軟件的方式實現(xiàn)。其中，工控組態(tài)軟件不僅可以有效控制PLC或運動控制卡用以驅動步進系統(tǒng)或伺服系統(tǒng)，而且還能靈活地建立良好的人機會話接口，具有較短的開發(fā)周期和較強的普適性［7～10］，所以在當代制造業(yè)生產(chǎn)設備的設計與研發(fā)過程中被廣泛使用。

精密設備的電機驅動系統(tǒng)一般可采用步進系統(tǒng)或伺服系統(tǒng)。其中，伺服系統(tǒng)在線位移、角位移精度控制上比步進系統(tǒng)更高效，能更有效地進行定位精度的控制。在絕大多數(shù)情況下，伺服系統(tǒng)專指系統(tǒng)輸出量為機械線位移量或角位移量、機械線速度或角速度、機械線加速度或角加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使系統(tǒng)輸出的機械位移或轉角準確地跟蹤輸入的位移或轉角。伺服系統(tǒng)多以閉環(huán)方式實現(xiàn)對電機的運動控制，保證運行精度控制的高水平。

2 系統(tǒng)的物理實現(xiàn)

所述貼膜機主要完成對平板電腦的貼膜工作。從貼膜過程中的觸摸屏位移變化量來看，可以分為六道工序。依次完成上料、掃描產(chǎn)品二維碼、膜紙長寬定位、觸摸屏鏡面除塵、貼膜和下料工序。在整個貼膜過程中，因為對平板電腦的觸摸屏位置精度的要求很高且結合對工位位置設定的要求，所以選擇使用以PLC為上位機的3軸氣動與機電伺服組合控制系統(tǒng)進行設備動作精度控制。硬件組成如圖1所示。

圖1 平板電腦貼膜機3軸氣動+機電伺服控制系統(tǒng)的物理實現(xiàn)

其中，1號電機用于牽引絲杠導軌上的氣動滑臺從傳送帶上提取準備貼膜的平板電腦完成上料，其后在貼膜時牽引氣動滑臺與膜紙做同向運動完成貼膜，最后把完成貼膜的平板電腦重新送回傳送帶上實現(xiàn)下料；掃描槍完成產(chǎn)品二維碼的掃描工作；雙光幕連接緊急制動開關，用于保證在設備工作區(qū)進入了異物時能實現(xiàn)緊急停機；2號電機通過分導器連接三根絲杠，兩根用于牽引雙孔CCD相機，另一根用于同步調節(jié)刀片定位器，完成觸摸屏長寬定位與膜卷切割工作；3號電機使用皮帶輪牽引膜卷滾動，完成膜卷傳送及同步協(xié)調工作；空氣電磁閥用于控制真空吸槍把準備貼膜的觸摸屏表面灰塵清除，同時控制空壓滾輪按壓膜紙，使膜紙與觸摸屏無隙接觸。

需要說明的是，構成膜卷的膜紙分為上下兩層。具體結構如圖2所示。

圖2 雙層膜卷在設備中的結構布局設計

下層膜紙只完成連續(xù)牽引膜帶的功能，其本質上是一條連續(xù)膜帶，兩端分別固定在兩個繞子上，并通過皮帶輪牽引繞子做單向運動以帶動膜帶移動；上層膜紙最終將被貼到觸摸屏上，它是事先貼附在下層膜帶上的塊狀膜紙，隨著下層膜帶的移動，上層膜紙將在其自身張力作用下在楔形導槽下部頂點處與下層膜帶自然分離，并在空壓滾輪的按壓作用下和1號電機牽引氣動滑臺上的平板電腦產(chǎn)生同向位移以共同完成貼膜工作。

刀片定位器在設備中的結構布局如圖3所示。

圖3 刀片定位器在設備中的結構布局

當前多數(shù)平板電腦的觸摸屏邊緣角均設計成90°弧形，中間區(qū)域則為直線型。所以貼膜預處理時需要對膜紙邊緣進行弧形裁剪，同時保持膜紙中間區(qū)域的直線平行。

解決此類問題可把刀片A放置在如圖3所示的環(huán)形軌道中，用于切割膜紙前后部的弧形區(qū)域，刀片B則用于切割膜紙的左右平行區(qū)域，膜紙實際所需寬度與長度由CCD相機同步測得。當CCD透過上層膜紙測出氣動滑臺上的平板電腦觸摸屏的前部邊緣寬度后，2號電機通過絲杠調節(jié)刀片A的環(huán)型標尺寬度和刀片B標尺導軌的寬度，并以其中心點左右對稱。同時，牽引刀片A運行到左端點，并使其從左向右沿圖中實心弧線軌跡進行一次弧形切割。之后，裝有平板電腦的氣動滑臺與膜紙同步向前方運動，在空壓滾輪的按壓作用下膜紙前部將粘貼在平板電腦上，這時已經(jīng)固定好位置的刀片B將在后續(xù)貼膜過程中完成膜紙左右平行區(qū)域的切割。當貼膜即將完成前，刀片A將按圖中虛線所標記的運動軌跡進行膜紙的后部弧形裁剪。

需要指出的是，刀片抬升的高度以切割膜紙但不劃傷觸摸屏為宜。通過測試，刀片空置狀態(tài)與抬升狀態(tài)高度差為0.1mm～0.2mm為宜。

3 控制方案的設計與實現(xiàn)

本設備只需控制3臺伺服電機，可采用PLC作為邏輯控制器。PLC是一種專門在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。

本設備中還需要使用氣動系統(tǒng)，其控制信號主要使用開關量，所以可采用空氣電磁閥作為氣動系統(tǒng)邏輯控制的基本元件，抽吸動作由PLC發(fā)出指令，通過其IO口傳輸給空氣電磁閥。

PLC控制下的氣動與機電伺服系統(tǒng)因為需要保證組件的獨立運動行為、系統(tǒng)動作總體協(xié)調性和人機對話的靈活性，所以可以采用自主研發(fā)的觸摸屏組態(tài)控制軟件對整個系統(tǒng)進行管理。觸摸屏與PLC之間使用RS485轉RS232串口協(xié)議方式實現(xiàn)。

PLC及其有關的外圍設備都應按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。

貼膜機邏輯控制程序的基本程序流程如圖4所示。

圖4 平板電腦貼膜機邏輯控制程序的基本程序流程

圖5 平板電腦貼膜機的觸摸屏動作參數(shù)設置界面

圖5為使用威倫觸摸屏組態(tài)軟件開發(fā)的平板電腦貼膜機的觸摸屏動作參數(shù)設置界面。主要完成對氣動系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)的初值及相關動作參數(shù)設定。

4 結語

由工控組態(tài)軟件、PLC、伺服系統(tǒng)并配以其它輔助件組成的精密自動化設備在工業(yè)生產(chǎn)中大量設計并使用。重點分析了實現(xiàn)這類系統(tǒng)的硬件組成與軟件控制邏輯流程。實際使用表明，在精細產(chǎn)品的生產(chǎn)與加工過程中，以PLC為上位機，輔以自主開發(fā)的工控組態(tài)軟件能很好地完成對氣動與機電伺服系統(tǒng)精度控制的要求。

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