李 健，葉 琦

(武漢華中數(shù)控股份有限公司，湖北 武漢 430000)

1 概述

玻璃機(jī)是一種用于加工玻璃的機(jī)床，其結(jié)構(gòu)與銑床非常相似，主要應(yīng)用于3C玻璃、陶瓷的磨邊工藝，比如智能手機(jī)玻璃蓋板、智能手表背板等。多頭機(jī)床一般按Z軸或主軸軸數(shù)分類(lèi)，常見(jiàn)的有2～4個(gè)主軸頭[1]。本文將以雙頭玻璃機(jī)為例，介紹多頭玻璃機(jī)控制方法。雙頭玻璃機(jī)指的是有2個(gè)z軸、2個(gè)主軸，共用x、y軸，可以同時(shí)加工2個(gè)工件的玻璃機(jī)。與2個(gè)z軸相對(duì)應(yīng)的2個(gè)工作臺(tái)、2個(gè)刀庫(kù)、2個(gè)對(duì)刀儀，它們?cè)趚、y平面的相對(duì)偏移，必須與2個(gè)z軸在x、y平面的相對(duì)偏移相同。2個(gè)z軸在z方向上可以單獨(dú)運(yùn)動(dòng)，也可以同步運(yùn)動(dòng)。每個(gè)z軸都有對(duì)應(yīng)的刀庫(kù)、獨(dú)立的刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償、獨(dú)立刀具壽命以及獨(dú)立的工件零點(diǎn)。圖1為雙頭玻璃機(jī)數(shù)控系統(tǒng)坐標(biāo)界面。

圖1 雙頭玻璃機(jī)數(shù)控系統(tǒng)界面

2 多頭玻璃機(jī)控制原理

多頭玻璃機(jī)控制主要是解決多個(gè)z軸同步運(yùn)動(dòng)問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)多z同步運(yùn)行的方法是：虛擬z軸與x、y軸一起進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，然后系統(tǒng)將計(jì)算出的z軸(主動(dòng)軸)的移動(dòng)增量轉(zhuǎn)發(fā)給實(shí)際z1、z2軸(從動(dòng)軸)，這樣就可以達(dá)到z1、z2運(yùn)動(dòng)完全一致的效果，由于z軸只是虛擬軸，不會(huì)對(duì)產(chǎn)生實(shí)際的運(yùn)行效果。一般一個(gè)主動(dòng)軸可以與多個(gè)從動(dòng)軸建立同步關(guān)系，一旦同步關(guān)系建立完成，從軸的移動(dòng)增量始終與主動(dòng)軸保持一致，直到執(zhí)行解除同步指令，多頭同步原理見(jiàn)圖2。

圖2 多頭同步原理圖

因?yàn)槊總€(gè)z軸對(duì)應(yīng)的工作臺(tái)高度不同，刀具磨損也有可能不同，而同步只能保證各個(gè)從軸移動(dòng)相同的增量，并不能應(yīng)對(duì)加工實(shí)際情況，所以在同步運(yùn)行之前，需要先將各個(gè)從軸的位置調(diào)整到合適的高度，使得每個(gè)從軸在同步運(yùn)行時(shí)能同時(shí)到達(dá)工件表面，這個(gè)調(diào)整的過(guò)程即對(duì)齊。對(duì)齊完成時(shí)，各個(gè)從軸的機(jī)械坐標(biāo)差值即從軸之間的落差，此時(shí)再同步運(yùn)行，即可保證機(jī)床兩個(gè)z軸可以在兩個(gè)不同高度的空間完全同步。

3 方案選擇

為了兼容操作員操作單頭玻璃機(jī)的操作習(xí)慣，多頭玻璃機(jī)的控制一般是在單頭機(jī)型的基礎(chǔ)上增加多頭控制功能，目前改進(jìn)方案主要有宏程序控制和軟件控制2種。宏程序控制方案具有較高的靈活性，在很多新機(jī)型被研發(fā)出來(lái)時(shí)，都會(huì)采用這種方案，但是隨著新機(jī)型的功能擴(kuò)展越來(lái)越多，宏程序也越來(lái)越復(fù)雜，后期維護(hù)起來(lái)也會(huì)更加困難。軟件控制方案研發(fā)周期較長(zhǎng)，一般在宏程序方案使用趨于穩(wěn)定后，再定制開(kāi)發(fā)軟件控制方案。

對(duì)于多頭玻璃機(jī)，宏程序的方案體現(xiàn)出來(lái)的缺點(diǎn)有如下幾個(gè)。

1)對(duì)齊宏程序復(fù)雜。因?yàn)閷?duì)齊宏程序中的邏輯會(huì)根據(jù)頭數(shù)的排列組合進(jìn)行分類(lèi)，所以宏程序行數(shù)會(huì)隨著頭數(shù)的增加而增加，四頭的機(jī)床對(duì)齊宏程序可達(dá)數(shù)百行。

2)對(duì)齊指令影響加工效率。宏指令對(duì)齊方案中，必須先對(duì)齊才能繼續(xù)執(zhí)行后面的同步指令。

3)對(duì)齊后不方便動(dòng)態(tài)調(diào)整刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償。

雖然兩種控制方式實(shí)現(xiàn)方法不同，但相同之處在于系統(tǒng)宏程序、數(shù)控系統(tǒng)軟件，用戶對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的使用方法與使用習(xí)慣是相同的。

4 關(guān)鍵實(shí)施步驟

4.1 對(duì)齊與同步

對(duì)齊是多頭同步的必要步驟，理論上同步運(yùn)行時(shí)，各個(gè)主軸刀尖需要移動(dòng)到同一高度，這個(gè)過(guò)程即對(duì)齊。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)齊一般發(fā)生在加工G代碼之前(示例分析圖見(jiàn)圖3)，比如工件坐標(biāo)系調(diào)用G54，或者建立刀長(zhǎng)補(bǔ)G43/G44。根據(jù)這一特征，可以設(shè)計(jì)在執(zhí)行G代碼G54～G59、G43/G44時(shí)，設(shè)置對(duì)齊標(biāo)記，等到有z軸移動(dòng)指令時(shí)，再按各個(gè)z軸的落差，移動(dòng)到對(duì)齊的位置，完成自動(dòng)對(duì)齊。因此，z1、z2要有獨(dú)立的長(zhǎng)度補(bǔ)償和工件零點(diǎn)，以便在對(duì)齊時(shí)計(jì)算落差。

圖3 G代碼示例分析圖

完成對(duì)齊動(dòng)作后，后續(xù)的z軸指令會(huì)以同步的方式運(yùn)行，直到下一次調(diào)用切換坐標(biāo)系或切換刀補(bǔ)的指令。在同步過(guò)程中，z1、z2的移動(dòng)增量與z保持一致。

另外，回零時(shí)，各個(gè)z軸需要回到各自機(jī)械零點(diǎn)，此時(shí)會(huì)暫時(shí)解除同步。常用的回零方式有“G53Z0”和“G91G28Z0”兩種，當(dāng)使用第一種方式回零時(shí)，以G53為標(biāo)記，當(dāng)使用第二種方式回零時(shí)，以G28為標(biāo)記，標(biāo)記生效時(shí)，z1、z2軸需要解除同步并運(yùn)行到各自指定坐標(biāo)。

對(duì)齊時(shí)，由于各個(gè)z軸的起始位置和終點(diǎn)位置都各不相同，移動(dòng)距離不同，其速度應(yīng)與移動(dòng)距離成比例。

4.2 換刀

多頭玻璃機(jī)換刀是多個(gè)主軸頭同時(shí)換刀，這樣可以節(jié)約換刀時(shí)間。換刀功能需要z1、z2軸以G01模態(tài)從當(dāng)前位置走到各自換刀點(diǎn)，此過(guò)程既非對(duì)齊，也非同步。一般換刀動(dòng)作由機(jī)床出廠預(yù)設(shè)宏程序?qū)崿F(xiàn)，用戶無(wú)需修改，因此可在該宏程序中使用特殊指令G代碼來(lái)輔助完成多頭同步換刀。

由于z1、z2的移動(dòng)距離不同，可以使用類(lèi)似“G01z1=…z2=…”的指令格式分別指定每個(gè)z軸的目標(biāo)位置，使z1、z2可以移動(dòng)到各自的換刀點(diǎn)。z1與z2的運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)該與移動(dòng)距離成比例，并且要先計(jì)算移動(dòng)距離最大的速度，然后依次按比例計(jì)算其他軸移動(dòng)速度，否則可能超速。

4.3 刀具測(cè)量與落差設(shè)定

與單頭玻璃機(jī)對(duì)刀不同，多頭玻璃機(jī)的刀補(bǔ)表有多個(gè)刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償，分別對(duì)應(yīng)不同主軸上的刀具。刀具測(cè)量時(shí)需要同時(shí)測(cè)量各個(gè)z軸刀具長(zhǎng)度，填入各個(gè)z軸對(duì)應(yīng)的刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償中，對(duì)刀與落差設(shè)定(見(jiàn)圖4)。落差設(shè)置是將對(duì)應(yīng)刀尖落差設(shè)置到各個(gè)Z軸的工件零偏移中。以雙刀庫(kù)雙工位的應(yīng)用場(chǎng)景為例，雙頭玻璃機(jī)刀具測(cè)量的具體步驟如下。

圖4 對(duì)刀與落差設(shè)定

1)切換到刀具測(cè)量界面，選擇需要對(duì)刀的主軸頭。

2)選擇需要測(cè)量的刀具號(hào)。

3)確定開(kāi)始測(cè)量。

完成上述操作步驟后，機(jī)床的各個(gè)z軸會(huì)同步移動(dòng)刀量?jī)x位置，觸碰量?jī)x，并將刀尖觸碰量?jī)x時(shí)的機(jī)床位置設(shè)置到當(dāng)前刀的刀具長(zhǎng)度中，完成刀具測(cè)量。

在刀具測(cè)量后，下一步是設(shè)定落差。設(shè)定落差需要切換到坐標(biāo)零點(diǎn)設(shè)置界面，并將機(jī)床切換到手動(dòng)模式，然后將刀尖移動(dòng)到工件表面，再將光標(biāo)移動(dòng)到需要設(shè)置的軸的零點(diǎn)輸入位置并點(diǎn)擊落差設(shè)定按鍵，此時(shí)，軟件內(nèi)部會(huì)將當(dāng)前z軸位置與當(dāng)前刀具長(zhǎng)度的差值設(shè)置到當(dāng)前z軸的工件坐標(biāo)系零點(diǎn)中，完成落差設(shè)定。

按上述方式設(shè)置好每個(gè)z軸的落差，即可保證加工時(shí)，z1和z2運(yùn)行的高度差正好等于兩個(gè)軸對(duì)應(yīng)的工件表面的高度差。

4.4 刀具壽命

在雙頭玻璃機(jī)上，兩個(gè)主軸頭上的刀具算到同一個(gè)刀具號(hào)上。比如當(dāng)前刀具號(hào)為1，那么z1的刀具壽命為刀號(hào)1的z1刀具壽命，z2的刀具壽命為刀號(hào)1的z2刀具壽命。當(dāng)z1、z2中任意一個(gè)軸的刀具已用壽命達(dá)到報(bào)警壽命，都需要報(bào)警。如果是主軸頭數(shù)更多的機(jī)型，同樣要根據(jù)刀具已用壽命最大的主軸頭來(lái)報(bào)警，這樣可以最大限度地減少報(bào)警相關(guān)的PLC工作。

5 應(yīng)用驗(yàn)證與比較

5.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在生產(chǎn)過(guò)程中，多頭玻璃機(jī)操作與普通玻璃機(jī)操作相同，操作人員只需裝夾與各個(gè)z軸對(duì)應(yīng)的工位、點(diǎn)擊循環(huán)啟動(dòng)、結(jié)束時(shí)更換毛坯料。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)加工過(guò)程可以看出，多頭玻璃機(jī)在保證生產(chǎn)質(zhì)量的前提下，可以明顯提升生產(chǎn)效率，并且生產(chǎn)效率與玻璃機(jī)頭數(shù)成正比。圖5為四頭玻璃機(jī)工作臺(tái)和工件。

圖5 四頭機(jī)工作臺(tái)(左)與工件(右)

5.2 宏程序比較

采用該方案的多頭玻璃機(jī)已在某3C玻璃生產(chǎn)廠批量應(yīng)用生產(chǎn)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性和適用性得到了驗(yàn)證。

在調(diào)試復(fù)雜度上，軟件控制相比宏程序控制方案，可以明顯減少宏程序的編寫(xiě)和維護(hù)的工作量，縮短調(diào)機(jī)周期，減輕機(jī)床調(diào)試人員負(fù)擔(dān)。表1是多種多頭玻璃機(jī)分別使用兩種方案的宏程序行數(shù)統(tǒng)計(jì)。

表1 多頭玻璃機(jī)宏程序行數(shù)統(tǒng)計(jì)表

6 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種同步軸的多頭玻璃機(jī)的方案，并結(jié)合實(shí)際開(kāi)發(fā)調(diào)試的情況，說(shuō)明了對(duì)刀、換刀、落差設(shè)定等調(diào)試過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題及解決方案。采用本方案的數(shù)控系統(tǒng)，已應(yīng)用到了雙頭、三頭、四頭的玻璃機(jī)機(jī)床，廣泛應(yīng)用于3C玻璃機(jī)加工市場(chǎng)，得到了市場(chǎng)的充分檢驗(yàn)。