林鎮(zhèn)周，姜建芳

(1.廈門(mén)大學(xué)嘉庚學(xué)院， 漢印電子先進(jìn)打印技術(shù)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室， 福建漳州 363105;2.廈門(mén)大學(xué)嘉庚學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院， 福建漳州 363105)

0 前言

玻璃具有化學(xué)性能穩(wěn)定、透光性好、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于建筑、家居裝修、汽車(chē)玻璃等領(lǐng)域。其中，玻璃墻幕對(duì)建筑物起到很好的裝飾與圍護(hù)作用，深受建筑師與用戶的喜愛(ài)。然而對(duì)于幕墻安裝，無(wú)論是點(diǎn)支承或框支承，都可能會(huì)因安裝接觸點(diǎn)或面受力不均而造成破損。玻璃邊緣倒角磨邊處理能有效降低玻璃破損的風(fēng)險(xiǎn)[1]。目前玻璃切割、鋼化、曲面成型等工序已部分實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，但玻璃的鉆孔與磨邊工藝涉及的工況復(fù)雜，傳統(tǒng)的玻璃鉆孔磨邊工序大多采用人工上下料、手工劃線定位，以至于多孔加工時(shí)存在各孔之間中心距誤差大、生產(chǎn)效率低且工人勞動(dòng)強(qiáng)度大的問(wèn)題。因此，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)玻璃切割、磨邊、鉆孔等工藝與自動(dòng)化加工進(jìn)行了大量的研究。朱劍、周晶等人[2-3]提出玻璃定位切割的相關(guān)方法，設(shè)計(jì)了玻璃切割控制系統(tǒng)。王生、許宏海、王再英等[4-6]分別對(duì)玻璃磨邊的切削工藝進(jìn)行研究，并通過(guò)正交試驗(yàn)驗(yàn)證砂帶或砂輪磨削壓力與線速度對(duì)磨邊粗糙度的影響。樂(lè)建波等[7]對(duì)磨邊工作過(guò)程進(jìn)行砂輪動(dòng)力學(xué)分析，為數(shù)控磨邊機(jī)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。杜建銘、鄧君裕、陳淵等人[8-10]為有效提高數(shù)控磨邊精度與可靠性，引入插補(bǔ)算法與補(bǔ)償算法。劉小臣、王欣欣、魏海波等[11-13]研究鉆孔控制方式與支撐結(jié)構(gòu)，提高鉆孔效率和質(zhì)量。高萬(wàn)里和陳濤[14]為改善玻璃磨邊鉆孔精度與自動(dòng)化程度，設(shè)計(jì)了自動(dòng)磨邊鉆孔加工單元，但其加工種類(lèi)規(guī)格局限。

當(dāng)前全球制造業(yè)發(fā)生深層次的變化，制造業(yè)再次成為全球競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。我國(guó)正值制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵階段，提出了“中國(guó)制造2025”，現(xiàn)有制造設(shè)備的自動(dòng)化與智能化亟待改造升級(jí)[15]。本文作者綜合以上學(xué)者的設(shè)計(jì)理念，將PLC自動(dòng)化技術(shù)與柔性制造生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用于玻璃磨邊開(kāi)孔加工，設(shè)計(jì)一套基于PLC的玻璃磨邊開(kāi)孔工作站控制系統(tǒng)。

1 設(shè)備構(gòu)成與工藝流程

玻璃磨邊開(kāi)孔工作站結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，主要由機(jī)械手、主軸電機(jī)、輸送機(jī)、升降傳動(dòng)吸盤(pán)、氣動(dòng)對(duì)位卡爪等模塊組成。

機(jī)械手采用龍門(mén)式桁架機(jī)械手。這類(lèi)機(jī)械手特別適合于多品類(lèi)、批量化的制造作業(yè)，具有較高的定位精度，能保持產(chǎn)品重復(fù)加工的一致性，以有效提高工作效率[8-12]。在磨邊鉆孔工作站中，實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸電機(jī)的鉆孔定位與異形磨邊運(yùn)動(dòng)控制。

輸送機(jī)采用雙列頭部驅(qū)動(dòng)方式，由控速馬達(dá)、減速器、同步帶以及光電傳感器構(gòu)成，確保加工站中玻璃的平穩(wěn)傳送。

玻璃鉆孔與磨邊的具體工藝流程[1-14]：

(1)玻璃成型后經(jīng)流水線送至磨邊鉆孔工位，由工位輸送機(jī)進(jìn)一步將玻璃送到待加工位置；繼而系統(tǒng)采用直角定位塊定位法，利用氣動(dòng)卡爪將玻璃其中一角推至直角定位塊即坐標(biāo)零點(diǎn)O進(jìn)行定位，而后利用氣動(dòng)吸盤(pán)將玻璃吸住，抬高以等待加工；

(2)PLC控制器根據(jù)HMI人機(jī)交互界面設(shè)定的邊處理工藝和角處理工藝、開(kāi)孔坐標(biāo)以及玻璃邊框磨邊尺寸進(jìn)行路徑規(guī)劃計(jì)算；

(3)規(guī)劃完成后開(kāi)啟主軸電機(jī)鉆頭，同時(shí)控制X、Y兩軸伺服電機(jī)移動(dòng)鉆頭至目標(biāo)位置，通過(guò)Z軸直線模組的慢速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)開(kāi)孔工序；

(4)完成鉆孔后，對(duì)玻璃邊緣進(jìn)行磨邊處理；

(5)系統(tǒng)在完成磨邊處理工藝后，移動(dòng)X、Y兩軸直線導(dǎo)軌至原點(diǎn)O且停止主軸電機(jī)，松開(kāi)氣動(dòng)吸盤(pán)，將玻璃推送到下一道工序。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

玻璃磨邊開(kāi)孔工作站的控制系統(tǒng)主要由可編程邏輯控制器PLC、觸摸屏、機(jī)械手、位置檢測(cè)傳感器、限位開(kāi)關(guān)、氣動(dòng)系統(tǒng)等組成。其控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。龍門(mén)式機(jī)械手是該工作站控制系統(tǒng)的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，X、Y、Z軸均采用伺服線性模組拖動(dòng)滾珠絲桿。觸摸屏主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)信息交互，通過(guò)觸摸屏實(shí)現(xiàn)磨邊鉆孔系統(tǒng)的各項(xiàng)工藝參數(shù)設(shè)定、故障診斷、歷史數(shù)據(jù)查詢[16-17]。

2.1 系統(tǒng)硬件選型

核心控制器選用合信自動(dòng)化CO-TRUST 226H CPU，集成2個(gè)PPI通信接口；機(jī)身帶有10路數(shù)字量輸出DO(晶體管漏型)，其中有4軸運(yùn)動(dòng)控制輸出，每軸含脈沖與方向輸出(Pulse/Dir)，頻率可達(dá)200 kHz，還含有14路數(shù)字量輸入。該控制器支持運(yùn)動(dòng)控制指令，可以通過(guò)調(diào)用motion_ctrl_lib功能塊實(shí)現(xiàn)任意兩軸的直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)，同時(shí)支持線性加減速控制。在玻璃磨邊加工時(shí)，功能塊能很好地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，保證加工精度且簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)控制程序。為滿足控制端口需求，系統(tǒng)擴(kuò)展了數(shù)字量模塊EM223，同時(shí)增加了模擬量輸出模塊EM232用于主軸電機(jī)變頻器模擬量調(diào)速。

運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)選用螺桿型直交機(jī)械手，型號(hào)為XYMH876-G1。該機(jī)械手價(jià)格比多關(guān)節(jié)機(jī)械手低廉，并且能有效減少機(jī)械振動(dòng)或形變。具體參數(shù)：X軸最大行程1 250 mm，電機(jī)功率750 W，型號(hào)為三菱HG-KN73J-S100，配套伺服放大器MR-JE-70A；Y軸最大行程600 mm，Z軸最大行程250 mm。Y軸和Z軸電機(jī)功率均為400 W，型號(hào)為三菱HG-KN43J-S100，配套伺服放大器MR-JE-40A。

主軸電機(jī)選型中非常重要的一項(xiàng)技術(shù)參數(shù)是動(dòng)平衡要達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)。此外還需綜合轉(zhuǎn)速、扭矩和錐面跳動(dòng)等參數(shù)，其中錐面跳動(dòng)不能超過(guò)1 μm。設(shè)計(jì)中采用德國(guó)ISEL主軸電機(jī)ISA 2200，配套艾默生變頻驅(qū)動(dòng)器SKC1500。

2.2 PLC控制器電氣設(shè)計(jì)

根據(jù)以上工作站的工藝需求，系統(tǒng)的信號(hào)輸入與輸出信號(hào)主要分為3個(gè)部分：(1)數(shù)字信號(hào)輸入：各個(gè)伺服模組的原點(diǎn)、限位信號(hào)；設(shè)備運(yùn)行、停止和手動(dòng)/自動(dòng)信號(hào)；設(shè)備復(fù)位與氣體壓力檢測(cè)信號(hào)；(2)數(shù)字量輸出：分為伺服電機(jī)的脈沖控速與方向信號(hào)；輸送帶減速電機(jī)的啟?？刂疲蝗较驓鈩?dòng)電磁閥控制；變頻器的啟動(dòng)、復(fù)位信號(hào)；設(shè)備運(yùn)行、故障指示信號(hào)；(3)模擬量輸出：主軸電機(jī)的調(diào)速控制[18]。故PLC系統(tǒng)的I/O地址分配如表1所示。

表1 PLC系統(tǒng)的I/O地址分配

綜上所述，PLC數(shù)字信號(hào)I/O接線原理如圖3所示,伺服模組接線如圖4所示(以X軸為例)。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要分為S7-226H運(yùn)動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)觸摸屏界面程序設(shè)計(jì)。

3.1 控制程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)控制器CTSC-226H使用MagicWorks PLC編程軟件進(jìn)行硬件組態(tài)與程序編寫(xiě)。

系統(tǒng)上電后，首先對(duì)各傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行自檢與初始化。進(jìn)入主程序后開(kāi)始對(duì)運(yùn)行模式進(jìn)行掃描，以確定是手/自動(dòng)運(yùn)行模式。其中，手動(dòng)模式主要用于設(shè)備調(diào)試與故障檢修，可對(duì)機(jī)械手、氣動(dòng)卡爪、吸盤(pán)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)單獨(dú)進(jìn)行啟?；螯c(diǎn)動(dòng)控制。在自動(dòng)運(yùn)行模式時(shí)，系統(tǒng)不斷對(duì)玻璃加工件進(jìn)行指定工位檢測(cè)，當(dāng)工件到位后PLC將輸出控制信號(hào)啟動(dòng)對(duì)位卡爪A、B讓玻璃移動(dòng)至工位坐標(biāo)原點(diǎn)O，而后升降氣動(dòng)吸盤(pán)將玻璃緊貼固定并提升加工件，等待系統(tǒng)確認(rèn)加工命令。當(dāng)工作人員核實(shí)無(wú)誤后按下確認(rèn)按鈕，設(shè)備開(kāi)始按照觸摸屏上設(shè)定好的參數(shù)與規(guī)劃路徑開(kāi)始對(duì)玻璃進(jìn)行加工，直至任務(wù)完成。PLC的控制流程如圖5所示。

3.2 機(jī)械手回零程序設(shè)計(jì)

為確保系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)位置運(yùn)動(dòng)控制，在工作前，需對(duì)機(jī)械手進(jìn)行系統(tǒng)坐標(biāo)位置歸零，即回原。機(jī)械手各直線模組上均安裝有零點(diǎn)開(kāi)關(guān)SQhoming、最小行程限位開(kāi)關(guān) SQmin和最大行程限位開(kāi)關(guān)SQmax。開(kāi)關(guān)類(lèi)型均為光電NPN型，信號(hào)電平為高有效。當(dāng)各軸進(jìn)行回零時(shí)，滑塊先快速向零點(diǎn)O′歸位，然后再反方向移動(dòng)10 mm，最終以較慢的原點(diǎn)搜索速度回零。完整回零過(guò)程如圖6所示。

CTSC-226H支持14種回原模式，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合與各自對(duì)精度的要求進(jìn)行選擇。14種回原模式說(shuō)明如表2所示。

表2 回原模式說(shuō)明

在該工作站中機(jī)械手各軸均采用只參考負(fù)向原點(diǎn)開(kāi)關(guān)的原點(diǎn)模式，即回原模式3。主程序調(diào)用MC_HOMING回原函數(shù)(功能FC3)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手回原運(yùn)動(dòng)控制。該功能函數(shù)涉及13個(gè)輸入控制參數(shù)設(shè)定，具體控制程序如圖7所示。

3.3 圓弧插補(bǔ)程序設(shè)計(jì)

在玻璃外邊緣拐角處理工藝設(shè)為圓角或安全角工藝時(shí)，系統(tǒng)需要進(jìn)行圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制。所謂的圓弧插補(bǔ)就是從當(dāng)前位置開(kāi)始，根據(jù)所指定的圓心、終點(diǎn)位置、圓弧半徑(正數(shù)或負(fù)數(shù))及插補(bǔ)的方向(按順時(shí)針或逆時(shí)針)來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)中間點(diǎn)坐標(biāo)的密集化處理工作[20]。圓弧插補(bǔ)程序如圖8所示。

3.4 觸摸屏程序設(shè)計(jì)

觸摸屏采用西門(mén)子 Wincc Flexible 2008進(jìn)行開(kāi)發(fā)，通過(guò)在組態(tài)頁(yè)面上添加不同圖形控件實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程可視化、參數(shù)設(shè)置管理、過(guò)程變量歸檔記錄或報(bào)警等功能[19]。在多畫(huà)面設(shè)計(jì)完成后，由PPI通信電纜將畫(huà)面程序下載至觸摸屏MP277中。玻璃開(kāi)孔磨邊一體機(jī)設(shè)有開(kāi)機(jī)畫(huà)面、四孔鉆磨、六孔鉆磨、自定義鉆磨、系統(tǒng)設(shè)置、故障診斷以及歷史數(shù)據(jù)7個(gè)操作界面。

3.4.1 開(kāi)機(jī)畫(huà)面

工作站上電以后，觸摸屏進(jìn)入用戶登錄開(kāi)機(jī)界面，用戶需輸入正確的用戶名與密碼完成登錄，才能對(duì)工作站進(jìn)行操控。開(kāi)機(jī)畫(huà)面如圖9所示。

3.4.2 四孔磨邊鉆孔界面

四孔磨邊鉆孔界面如圖10所示，用于對(duì)加工玻璃進(jìn)行對(duì)稱(chēng)四孔鉆取與磨邊的參數(shù)設(shè)定。畫(huà)面中設(shè)有加工玻璃的外形規(guī)格尺寸和鉆孔定位坐標(biāo)的參數(shù)設(shè)定項(xiàng)。在處理工藝方面,系統(tǒng)設(shè)有直邊、圓邊、鴨嘴邊3種可選邊處理工藝，以及直角、安全角、圓角、切角4種可選角處理工藝。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文作者設(shè)計(jì)了基于PLC的玻璃磨邊鉆孔工作站控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了玻璃自動(dòng)上下料、工件自定位、3種磨邊工藝以及4種角處理工藝，提高了玻璃鉆孔的精度(重復(fù)定位精度±0.01 mm)。利用該系統(tǒng)，不僅可提升磨邊鉆孔的自動(dòng)化程度，還能夠降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度和改善人身安全。此外，設(shè)備占用空間小且具有較高的生產(chǎn)效率，可較好地滿足中小企業(yè)的生產(chǎn)需求。