陳德立，史添添※，陳振宇

（1.遼寧理工學(xué)院智能工程學(xué)院，遼寧 錦州 121013；2.比亞迪汽車工業(yè)有限公司汽車工程研究院，廣東 深圳 518118）

0 引言

中空玻璃是由雙層或多層的普通玻璃組合而成，之間使用高氣密度性且高強(qiáng)度粘合劑與金屬框架組裝而成[1]。從結(jié)構(gòu)的角度看，中空玻璃是一種性能優(yōu)秀且應(yīng)用廣泛的玻璃材料制品[2]，有些國家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的全自動(dòng)化，如德國的LENHARDT[3], 奧地利的LISEC[4]。我國近些年來中空玻璃的需求量在逐年上升，但中空玻璃的應(yīng)用率仍然較低，這樣就會(huì)導(dǎo)致能源和資源的浪費(fèi)[5]。在國內(nèi)的中空玻璃生產(chǎn)線研究中，部分設(shè)備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化或自動(dòng)化，如濟(jì)南德佳玻璃機(jī)械、北京韓江玻璃機(jī)械都開發(fā)出了中空玻璃生產(chǎn)線上的大部分的設(shè)備，但都沒有開發(fā)出與其相配套的性能穩(wěn)定安全可靠全自動(dòng)的中空玻璃抹膠機(jī)系統(tǒng)。而在一些中小型企業(yè)的抹膠環(huán)節(jié)由工人用手持膠槍進(jìn)行涂抹，這不僅效率低、成本高、浪費(fèi)大，還很難達(dá)到密封抹膠所要求的效果[6]。比如常見的臥式抹膠系統(tǒng)中有抹膠臺(tái)和導(dǎo)向支撐部件，抹膠過程是通過人工控制抹膠機(jī)沿著同一方向前進(jìn)與后退對(duì)單邊抹膠，完成同一塊玻璃四條邊抹膠工作，需要對(duì)玻璃翻轉(zhuǎn)3 次。這種抹膠方式中出膠的控制和斷膠的控制不夠準(zhǔn)確，出膠過早和斷膠過晚造成密封膠的浪費(fèi)和抹膠質(zhì)量差；同時(shí)需要根據(jù)不同的玻璃形狀而單獨(dú)設(shè)計(jì)，增加了投入的成本。為此設(shè)計(jì)出旋轉(zhuǎn)式抹膠機(jī)，通過PLC 控制電機(jī)帶動(dòng)工作臺(tái)，對(duì)玻璃工件連續(xù)抹膠，同時(shí)能夠根據(jù)玻璃制品形狀不同調(diào)整噴槍的移動(dòng)方式進(jìn)行抹膠，減少工裝的開發(fā)，同時(shí)配備膠槍與工件距離檢測裝置，做到恒距抹膠。

1 抹膠機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)

自動(dòng)抹膠控制系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)裝置、抹膠裝置、抓取裝置、壓緊裝置、傳感器及編碼器等部分組成，其機(jī)械結(jié)構(gòu)布局如圖1 所示。其控制難點(diǎn)在于實(shí)時(shí)根據(jù)當(dāng)前放置玻璃的形狀、電機(jī)的速度等因素來控制噴槍出膠速度和調(diào)整噴槍的位置以實(shí)現(xiàn)抹膠系統(tǒng)的協(xié)同工作。

圖1 抹膠機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)裝置是由步進(jìn)電機(jī)2 控制工作臺(tái)面上的玻璃工件1、2 動(dòng)作，使其逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)自動(dòng)抹膠系統(tǒng)工作后，為實(shí)現(xiàn)不間斷抹膠做準(zhǔn)備。抹膠裝置中噴槍上裝有恒溫控制的熱熔絲連續(xù)給噴槍進(jìn)行加熱，防止送入其中的密封膠受到溫度的影響產(chǎn)生品質(zhì)的下降，電機(jī)3、4分別控制縱向和橫向移動(dòng)，使得電機(jī)3和電機(jī)4協(xié)同控制抹膠噴槍的位置，使噴槍嘴部始終與玻璃工件之間距離保持在設(shè)定值。

抓取裝置由抓取部位采用氣動(dòng)控制氣流負(fù)壓吸盤式機(jī)械手承擔(dān)工作，比較容易抓取玻璃工件，提高抓取玻璃的可靠度以及減少工件破損率，能夠很好地滿足不同類型的玻璃工件加工的柔性生產(chǎn)。系統(tǒng)運(yùn)行后，電機(jī)1控制傳動(dòng)軸帶動(dòng)機(jī)械手到物料處吸取玻璃工件，然后轉(zhuǎn)動(dòng)到工作臺(tái)上方，氣缸2 動(dòng)作釋放玻璃工件，使玻璃工件平穩(wěn)安放到工裝處；然后電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)到物料處繼續(xù)抓取工件。當(dāng)一個(gè)抹膠工序完成后由壓緊裝置負(fù)責(zé)對(duì)玻璃工件進(jìn)行壓緊。

1.2 檢測反饋裝置

光電距離傳感器用來檢測噴槍與玻璃工件之間的距離，在系統(tǒng)上電初始化時(shí)，噴槍移動(dòng)到距離玻璃工件規(guī)定的距離范圍內(nèi)[7]。用以檢測玻璃工件在旋轉(zhuǎn)過程中前一檢測點(diǎn)到下一檢測點(diǎn)位移的變化，通過其位移的變化調(diào)整噴槍與玻璃工件的距離。14 位RS485 輸出的GES 單圈絕對(duì)值編碼器配合步進(jìn)電機(jī)4 來保證噴槍與玻璃工件間距離始終在給定的距離范圍內(nèi)，編碼器檢測到步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行到需要到達(dá)的位置的時(shí)候會(huì)反饋信號(hào)給PLC，據(jù)設(shè)定脈沖數(shù)與實(shí)際脈沖數(shù)相比較，這樣PLC 可以輸出與控制要求相對(duì)應(yīng)的脈沖，來克服步進(jìn)電機(jī)開環(huán)的弊端，又能改善控制工況和提高系統(tǒng)的協(xié)同性[8-9]。

2 噴槍與出膠速度控制

2.1 噴槍移動(dòng)控制

噴槍與玻璃之間的距離是否恒定對(duì)玻璃工件密封的質(zhì)量有很大的影響，因而確定噴槍在x軸方向上移動(dòng)方式尤為重要。而系統(tǒng)中選用的電機(jī)是步進(jìn)電機(jī)，其具有恒定的步距角，步距角是1.8°，并取周期為500 μs，頻率為2 kHz，細(xì)分倍數(shù)設(shè)定為8。

電機(jī)3 控制y軸方向的絲桿運(yùn)動(dòng)方式由玻璃1、2 之間的間隙來確定，設(shè)其間隙為默認(rèn)ε，根據(jù)中空玻璃對(duì)其間隙的要求不同，間隙變化了Δε，電機(jī)3 控制噴槍在y軸的相對(duì)零點(diǎn)基礎(chǔ)上上升或下降Δε/2，確保噴槍嘴部始終與兩塊玻璃之間中線對(duì)齊。

圖2所示為抹膠機(jī)工作臺(tái)坐標(biāo)系，對(duì)x軸上的噴槍移動(dòng)方式進(jìn)行分析，xoz平面坐標(biāo)系中Mn和Mn+1是待抹膠玻璃上任意的相鄰兩點(diǎn)，這兩點(diǎn)到中心點(diǎn)的距離分別是rn和rn+1。系統(tǒng)上電運(yùn)轉(zhuǎn)，首先將玻璃工件放置到位及壓緊裝置就緒，步進(jìn)電機(jī)3和4協(xié)調(diào)工作使噴槍到達(dá)工作位置；然后步進(jìn)電機(jī)2 開始勻速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)工作臺(tái)上的玻璃工件旋轉(zhuǎn)，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)4 帶動(dòng)噴槍工作，通過玻璃工件旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的相對(duì)半徑的變化關(guān)系以及步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)來進(jìn)行控制。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)玻璃工件運(yùn)動(dòng)時(shí)相鄰測量點(diǎn)移動(dòng)的距離采用光柵尺位移傳感器進(jìn)行測量。使步進(jìn)電機(jī)2、4間的相互協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)噴槍與玻璃之間保持距離恒定的目的[10]。

圖2 抹膠機(jī)工作臺(tái)坐標(biāo)系

在博圖軟件中對(duì)于電機(jī)配置軸的常規(guī)和驅(qū)動(dòng)器，對(duì)于限位采取下到位，觸發(fā)停止，上到位，觸發(fā)停止。軸驅(qū)動(dòng)器配置如圖3所示。

圖3 軸驅(qū)動(dòng)器配置

對(duì)于電機(jī)的控制程序中，首先確保MC_Power 指令一直調(diào)用，然后根據(jù)運(yùn)行速度要求控制電機(jī)，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行到位信號(hào)檢測到，自動(dòng)停止，圖4 所示為電機(jī)運(yùn)行程序中主要指令。

圖4 MC_Move_velocity電機(jī)運(yùn)行程序

2.2 出膠速度控制

為了使中空玻璃的抹膠均勻，避免產(chǎn)生抹膠波浪、斷膠等質(zhì)量問題[11]。噴槍出膠速度的快慢也是影響中空玻璃抹膠質(zhì)量的重要影響因素，因而出膠速度的控制也至關(guān)重要，要控制噴槍的出膠速度，首先就要了解出膠速度的快慢與什么影響因素有關(guān)。

出膠量的計(jì)算公式：

式中：v為出膠的速度，mm3/min；t為出膠時(shí)間，min。

同時(shí)出膠量的計(jì)算公式也可以表示為：

式中：V為出膠的體積，即出膠量，mm3；h為抹膠的深度，mm；W為抹膠的寬度，mm；L為抹膠的長度，mm。

又可知抹膠速度與抹膠長度的關(guān)系為：

式中：ω為玻璃旋轉(zhuǎn)的角速度，rad/min；t為抹膠時(shí)間即出膠時(shí)間，min；r為玻璃的相對(duì)半徑長度，mm；n為步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min。

將式（2）～（3）代入式（1）可以得到出膠的速度計(jì)算公式：

式（4）即為出膠速度與抹膠深度、抹膠寬度以及玻璃旋轉(zhuǎn)的速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

玻璃旋轉(zhuǎn)的速度ω是與步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)，而步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度可以由系統(tǒng)進(jìn)行控制，轉(zhuǎn)速n與脈沖的關(guān)系可以根據(jù)系統(tǒng)需要進(jìn)行計(jì)算出，從而能夠得出旋轉(zhuǎn)的玻璃工件的角速度，抹膠所需寬度W在同一塊玻璃中其數(shù)值也是確定值。所以，在自動(dòng)抹膠機(jī)中對(duì)玻璃實(shí)際的抹膠深度h的控制在一定值之內(nèi)，就能很好地控制玻璃工件抹膠的成色與品質(zhì)。

3 自動(dòng)抹膠機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

圖5 所示為抹膠機(jī)的系統(tǒng)控制電氣圖。采用西門子S7-1200 PLC 作為系統(tǒng)處理器，以及配備RS485和RS232通信模塊[12]，根據(jù)抹膠控制系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)的數(shù)字量輸入點(diǎn)有13 個(gè)，輸出點(diǎn)有8 個(gè)，選用的西門子S7-1200 PLC 完全符合要求。同時(shí)抹膠機(jī)的控制還可由PC 機(jī)或HMI 觸摸屏監(jiān)控運(yùn)行，這樣使得控制效果更加明了與清晰。其中SB0與SB1分別是手動(dòng)啟動(dòng)和停止按鈕，SB2是手自動(dòng)切換開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器的手自動(dòng)控制的切換，SB3 和SB4 分別是機(jī)器的運(yùn)行的啟動(dòng)和停止按鈕，SB5～SB11是對(duì)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)的控制按鈕，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制；SX 是光電距離傳感器信號(hào)輸入點(diǎn)，檢測噴槍到玻璃工件之間的距離，來確保系統(tǒng)上電初始化的時(shí)候噴槍和玻璃工件的距離為規(guī)定值，為光柵尺位移傳感器的初始零位做準(zhǔn)備；PLC 的信號(hào)模塊RS232 和RS485 分別與光柵尺位移傳感器和編碼器相連接，以達(dá)到系統(tǒng)就實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生產(chǎn)。

圖5 系統(tǒng)控制電氣圖

3.2 軟件設(shè)計(jì)

自動(dòng)抹膠控制系統(tǒng)的工作流程如圖6 所示。系統(tǒng)有兩種工作狀態(tài)，即手動(dòng)狀態(tài)與自動(dòng)狀態(tài)。手動(dòng)狀態(tài)是主要用于系統(tǒng)調(diào)試；自動(dòng)狀態(tài)是檢測各個(gè)工作機(jī)構(gòu)的狀態(tài)沒有異常情況之后，系統(tǒng)按照設(shè)定數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的程序進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)行。首先完成對(duì)工件的夾裝（玻璃位置的對(duì)正、壓緊、轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)等），然后根據(jù)PLC 中的程序進(jìn)行抹膠，噴槍進(jìn)行來回移動(dòng)，并按照一定要求的抹膠深度和抹膠規(guī)格進(jìn)行出膠速度的運(yùn)算達(dá)到合適的出膠速度，使得整個(gè)系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行，轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)一周完成玻璃的抹膠。

圖6 系統(tǒng)工作流程

在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)之前操作人員可以根據(jù)需要來選擇手動(dòng)或自動(dòng)，并且手動(dòng)運(yùn)行與自動(dòng)運(yùn)行相互鎖，確保抹膠系統(tǒng)的安全運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)遇故障脫機(jī)停止工作，需要進(jìn)行檢查和清除故障后再行恢復(fù)運(yùn)行。

當(dāng)為手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，操作人員可以對(duì)設(shè)備各功能部件進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試。包括機(jī)械手機(jī)構(gòu)中的抽真空負(fù)壓和氣缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)；噴槍上的熱熔絲操作人員能夠根據(jù)送人噴槍的密封膠的不同，而設(shè)定其對(duì)應(yīng)的合適溫度等。

4 運(yùn)行效果分析

該抹膠設(shè)備在試驗(yàn)階段取得了良好的運(yùn)行效果，解決了中空玻璃生產(chǎn)加工效率低的問題，抹膠效果良好，膠條成型后無波浪、無斷膠，操作方便安全，符合中空玻璃加工設(shè)計(jì)要求。抹膠速度可根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，可達(dá)到12～36 m/min 的速度范圍；抹膠寬度在6～24 mm 之間，抹膠深度在2～15 mm 之間，膠頭的可調(diào)范圍是6～20 mm。抹膠機(jī)具有很好的通用性，可以對(duì)不同形狀的玻璃進(jìn)行生產(chǎn)加工，系統(tǒng)控制能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)一鍵推送。抹膠機(jī)能進(jìn)行高速掃描，很好地解決了抹膠速度快、又要涂的好的問題，產(chǎn)品的破損率在實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)中很低，預(yù)計(jì)在大規(guī)模實(shí)際生產(chǎn)中破損率能夠低于1%。

5 結(jié)束語

針對(duì)中空玻璃抹膠連續(xù)性和通用性問題，提出了在PLC 的控制下步進(jìn)電機(jī)如何工作和協(xié)調(diào)各個(gè)功能部件運(yùn)轉(zhuǎn)，并在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上裝設(shè)光電傳感器進(jìn)行位置檢測；編碼器配合步進(jìn)電機(jī)使用有效地改善步進(jìn)電機(jī)開環(huán)的弊端，使系統(tǒng)更具有可控性及運(yùn)行的穩(wěn)定性。實(shí)現(xiàn)對(duì)工件自動(dòng)抹膠，改變了傳統(tǒng)中空玻璃抹膠的研究與設(shè)計(jì)方法，完成了抹膠機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)，為全面自動(dòng)化生產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量提供了支持。該控制系統(tǒng)通用性較強(qiáng)，可以對(duì)不同類型的玻璃工件進(jìn)行加工，系統(tǒng)設(shè)計(jì)趨于合理與完善。