0 引言

液晶顯示面板的制造精度和制程尺寸成為社會關(guān)注的焦點，液晶顯示玻璃基板作為液晶顯示面板的最主要組成部分，有著巨大的發(fā)展前景[1]。隨著液晶玻璃基板的尺寸不斷增大，通過搬運機器人實現(xiàn)高效安全的自動化作業(yè)的研究還在摸索當(dāng)中，相關(guān)領(lǐng)域尚處于空白階段，這嚴(yán)重阻礙了液晶面板行業(yè)的發(fā)展。研制出動作高效，運行穩(wěn)定的液晶玻璃基板搬運系統(tǒng)已成為該研究領(lǐng)域的當(dāng)務(wù)之急[2]。

根據(jù)上述現(xiàn)狀，為了實現(xiàn)企業(yè)快速、安全、有效的自動化生產(chǎn)，本文對企業(yè)液晶顯示玻璃基板生產(chǎn)線進(jìn)行了詳細(xì)的應(yīng)用型研究，并依此設(shè)計了一條以PLC為主要控制器，六軸多關(guān)節(jié)重載機器人與觸摸屏為輔的自動化生產(chǎn)線。主要對控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)選型與設(shè)計，以及完成了生產(chǎn)線的軟件設(shè)計與界面設(shè)計。經(jīng)現(xiàn)場實踐表明，該系統(tǒng)有效提升了液晶基板生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率[3]。

1 搬運系統(tǒng)整體方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

該控制系統(tǒng)以PLC作為主要控制器，使用計算機編寫程序并傳輸?shù)絇LC中。使用觸摸屏進(jìn)行參數(shù)設(shè)置后，當(dāng)PLC收到各個傳感器的輸入信號，通過橫切機控制刀頭來對物料進(jìn)行切割。雙機器人通過機器人控制柜進(jìn)行控制，來實現(xiàn)掰板和上板操作。使用觸摸屏對控制系統(tǒng)的實時信息進(jìn)行監(jiān)視，方便操作人在系統(tǒng)運行過程中實時觀察。

1.2 系統(tǒng)工作流程

該系統(tǒng)為雙機器人協(xié)作搬運系統(tǒng)，主要由橫切機、機器人、傳送帶三部分組成，系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。工作原理為：開始時，機器人收到PLC通過CC-LINK發(fā)送給機器人控制柜的信號；當(dāng)掰板機器人到達(dá)指定位置，機械臂減速到接觸玻璃基板；手臂吸附玻璃；橫切機刀頭切割，掰板機器人跟隨下拉；機械臂完成掰板并繼續(xù)下沉到指定位置；掰板機器人運送玻璃至交接位釋放玻璃；掰板機器人回收手臂；上板機器人收到信號下行吸附玻璃；上板機器人運送玻璃到傳送帶指定位置，下行到指定位置真空吸盤釋放玻璃；上板機器人回收手臂。若玻璃傳送無障礙，則完成一次掰板搬運。機器人繼續(xù)等待信號完成下一次掰板搬運，直到完成掰板搬運任務(wù)。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計圖

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于液晶玻璃基板的特殊性，在它的搬運過程中容易因各種原因停頓而導(dǎo)致的玻璃基板摔碎，且在實際生產(chǎn)中破碎后的玻璃基板碎片無法重新利用，導(dǎo)致良品率下降，所以需要對機器人的末端執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行選型和設(shè)計。

在液晶基板的生產(chǎn)中，對結(jié)凈度的要求較高，細(xì)小的異物污染也會嚴(yán)重影響液晶基板品質(zhì)。所以現(xiàn)代工業(yè)中常選用加工精度高的真空吸盤，真空吸盤有著結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、更換簡單、容易使用、不會產(chǎn)生污染等特點，且真空吸盤為橡膠材料制成，與液晶玻璃基板為柔性接觸，對基板的保護(hù)作用較強，所以選用真空吸盤作為末端執(zhí)行機構(gòu)的執(zhí)行裝置。

工業(yè)上吸附玻璃時常采用風(fēng)琴式吸盤，風(fēng)琴式吸盤壓縮行程適中，但建立真空簡單、容易吸附，適用于對吸附力要求較低的上板機器人，確保與掰板機器人交接成功。而掰板機器人與上板機器人實際應(yīng)用場景不同，所以對真空吸盤選擇時需對兩個機器人進(jìn)行單獨選擇。掰板時需要確保玻璃快速安全的脫落，使用風(fēng)琴式吸盤吸附力較小，容易出現(xiàn)掰板失敗，掰板成功率較低，因此采用吸附力更強的唇式吸盤，唇式吸盤掰板成功率高，能有效提高掰板時成功率。

在其他機構(gòu)的選型及設(shè)計上，提出了以下幾個方法來提高良品率：掰板機器人的吸盤架采用了兩個展板氣缸，展板穩(wěn)定；展板氣缸展板力通過調(diào)壓閥控制，方便調(diào)整展板張力；在此基礎(chǔ)上采用下拉式吸盤架，在掰板后能夠?qū)崿F(xiàn)快速脫離，防止發(fā)生頂板；采用集裝式真空控制模塊，減少安裝空間；分組吸盤，全部采用真空發(fā)生器控制吸盤，保證吸附成功率；真空壓力開關(guān)正面放置，順序排布，方便觀察。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

在搬運過程中為了確保機械臂能夠準(zhǔn)確到達(dá)指定位置且快速高效的運行，液晶玻璃基板控制系統(tǒng)的設(shè)計成為了關(guān)鍵。PLC是一種以微處理器為基礎(chǔ)，集計算機技術(shù)與自動控制技術(shù)為一體的一種數(shù)字運算控制器，其通過程序邏輯實現(xiàn)控制功能。在自動化控制方面，PLC有著操作簡便、功能多樣、運行可靠、反應(yīng)快速等優(yōu)點[4]。且液晶玻璃基板控制系統(tǒng)多應(yīng)用于生產(chǎn)制造企業(yè)，因此設(shè)計時要充分考慮到整體裝置的成本。綜上考慮，液晶玻璃基板雙機器人協(xié)作搬運控制系統(tǒng)采用PLC作為控制核心。

3.1 硬件設(shè)計

液晶玻璃基板搬運系統(tǒng)硬件部分包含PLC、工業(yè)機器人、觸摸屏等。根據(jù)液晶玻璃基板實際生產(chǎn)線的工藝流程，下面將對搬運系統(tǒng)的硬件進(jìn)行選型。

由于本控制系統(tǒng)的I/O信號較多，所以這里采用三菱的Q系列Q26UDV作為主控制器，具有容量大、操作簡單便捷、發(fā)生故障自動記錄的特點，且作為高速類型CPU，它在進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄時，可以在指定的期間將采集的數(shù)據(jù)全部保存，便于對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析。

選擇三菱GOT2000觸摸屏，型號為GT2512-STBA。該觸摸屏顯示尺寸為12.1寸，分辨率為800×600，內(nèi)存容量有存儲器（ROM）32MB以及動作用存儲器80MB，具有RS232和RS485串行接口以及多個以太網(wǎng)口。具有兼容性強、替換方便、功能多樣等特點。

選擇QJ71E71型號的以太網(wǎng)模塊作為PLC與觸摸屏的連接，CC-LINK模塊采用QJ61BT11N型號作為信息交互，性能穩(wěn)定。

雙機器人均采用KR 210 R2700作為研究對象，該機器人適用范圍廣，支持PROFINET通訊協(xié)議，搭配控制器型號為KR C4。

3.2 軟件設(shè)計

液晶基板雙機器人搬運系統(tǒng)的有效實現(xiàn)，是以計算機軟件技術(shù)作為基礎(chǔ)的。因此，對于液晶基板雙機器人搬運控制系統(tǒng)，軟件部分的設(shè)計是控制系統(tǒng)中最重要的一個環(huán)節(jié)，決定了液晶基板搬運機器人的智能化水平和實際應(yīng)用效果。所以，為了有效優(yōu)化液晶基板機器人的智能化和自動化控制水平，提高搬運機器人的整體性能，必須對相關(guān)軟件系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計。液晶顯示玻璃基板雙機器人搬運系統(tǒng)以PLC作為核心，用來協(xié)調(diào)掰板機器人、上板機器人以及各種其他設(shè)備的運動關(guān)系，且負(fù)責(zé)接受系統(tǒng)每個設(shè)備的反饋信號。掰板上板機器人和其他設(shè)備通過PLC單獨控制，也能兩兩之間自由通信。使用觸摸屏作為人機界面，可以實時通過觸摸屏控制PLC，獲取數(shù)據(jù)以及進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3.2.1 人機界面設(shè)計

三菱GOT2000觸摸屏能夠?qū)崿F(xiàn)多種類型的通訊，包括各種類型的PLC、儀表類、變頻器以及其他通訊模塊。用GOT2000觸摸屏作為控制面板能夠采集多種設(shè)備的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多種設(shè)備之間的通訊；優(yōu)化傳統(tǒng)控制面板；必要時也能編程，簡化PLC控制程序。這里通過三菱GOT2000觸摸屏能控制和監(jiān)視整個雙機器人搬運系統(tǒng)。人機界面包括模式選擇、設(shè)備選擇、參數(shù)設(shè)置、運行狀態(tài)、報警記錄五個功能模塊。模式選擇包括自動模式與手動模式[5]。設(shè)備選擇包括掰板機器人與上板機器人，該界面便于觀察機器人具體運行狀態(tài)，對吸盤架手動控制，以便對設(shè)備進(jìn)行調(diào)試與檢修。參數(shù)設(shè)置需要操作者根據(jù)現(xiàn)場實際需求，對相關(guān)設(shè)備的參數(shù)以及機器人的偏移量與伸縮量進(jìn)行設(shè)置，以便滿足企業(yè)要求。運行狀態(tài)能夠?qū)崟r觀測各個設(shè)備的速度壓力等參數(shù)以及掰板搬運的基板玻璃數(shù)量，方便對各個設(shè)備實時運行狀態(tài)的觀察，以便提前發(fā)現(xiàn)機器的問題從而進(jìn)行檢修。報警記錄能夠記錄作業(yè)過程中的錯誤信息并記錄在觸摸屏中[6]。利用GT Designer3設(shè)計的掰板機器人用戶操作窗口如圖3所示。

圖3 掰板機器人操作窗口

3.2.2 PLC軟件設(shè)計

PLC用的是三菱Q系列Q26UDV作為主控制器，故用GX Works2進(jìn)行程序的編輯。PLC作為控制中心，不僅要對雙機器人的掰板搬運做出控制，還需要對現(xiàn)場的其他

4 系統(tǒng)測試

在液晶面板行業(yè)中，生產(chǎn)液晶玻璃基板需要一個快速而又穩(wěn)定的系統(tǒng)，好滿足企業(yè)對產(chǎn)量和時間的要求。因此對節(jié)拍時間的測試極為重要。節(jié)拍時間定義為一片玻璃基板從掰板機器人跟隨下拉到上板機器人回到起點所花費的總時間。在現(xiàn)場實驗中，開始時，掰板上板機器人在各自起始點等待，掰板機器人收到信號開始掰板，完成后運送玻璃到達(dá)交接位，上板機器人接收信號拿到玻璃并搬運玻璃基板至傳送帶指定位置。通過調(diào)試現(xiàn)場設(shè)備以及簡化PLC與機器人控制器的信號交互時間，車間實際節(jié)拍時間為35.7s，小于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)拍時間（41s），能夠滿足下游設(shè)備的生產(chǎn)節(jié)拍，從而滿足了工業(yè)生產(chǎn)需求，提高了企業(yè)生產(chǎn)效率[11]。

5 結(jié)論

液晶顯示玻璃基板作為液晶顯示面板的最主要組成部分，有著巨大的發(fā)展前景。本文基于液晶玻璃基板生產(chǎn)線的工藝流程和工作原理，完成了液晶玻璃基板雙機器人協(xié)作搬運系統(tǒng)設(shè)計，該系統(tǒng)以PLC為主控制器，六軸多關(guān)節(jié)重載機器人與觸摸屏為輔。主要完成了掰板上板機器人末端執(zhí)行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化以及PLC軟件的設(shè)計。設(shè)計的末端執(zhí)行機構(gòu)減少了液晶玻璃基板生產(chǎn)的破損率，提高了液晶面板制造行業(yè)生產(chǎn)效率。設(shè)備以及設(shè)備之間的協(xié)調(diào)運動等做出控制。

PLC程序的控制模式主要由自動模式和手動模式兩種組成。自動模式下設(shè)備啟動后將循環(huán)運行直到出現(xiàn)故障。手動模式下便于手動完成搬運、測試及檢修，操作方便[7]。

3.2.3 工業(yè)機器人程序設(shè)計

KUKA工業(yè)機器人采用全鋁結(jié)構(gòu)，強度高、負(fù)載大。其核心控制器是一臺電腦，操作跟PC一樣，因此極易上手，通訊能力也更強。在保證速度的前提下，KUKA機器人的重復(fù)定位精度可以達(dá)到±0.06mm?；谝陨咸卣?，本系統(tǒng)選用KUKA機器人作為掰板搬運機器人。雙機器人型號均為KUKA KR 210 R2700六軸多關(guān)節(jié)重載機器人，該型號機器人工作空間如圖4所示。

圖4 KUKA KR 210 R2700型機器人工作空間

KUKA工業(yè)機器人內(nèi)部集成RSI通訊接口，KUKA推出的應(yīng)用程序RobotSensorInterface能夠通過IO系統(tǒng)或者通過以太網(wǎng)實現(xiàn)機器人控制系統(tǒng)和外部傳感器系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換[8]，按照外部系統(tǒng)的節(jié)拍進(jìn)行周期性的信號處理和分析，對機器人運動或程序運行進(jìn)行控制。機器人需要實現(xiàn)曲線平滑功能，以保證機器人不會出現(xiàn)抖動及加速度過大等情況，保證機器人帶玻璃平順運動。掰板機器人掰板后需要加速脫離，確保玻璃基板不會發(fā)生碰撞等原因而導(dǎo)致破碎。程序流程圖如圖5所示。

圖5 程序流程圖

通過使用KUKA機器人的仿真編程軟件KUKASimPro來進(jìn)行離線編程以及仿真運行，驗證可行性和合理性。確認(rèn)仿真無誤后將程序?qū)霗C器人控制器中，通過機器人示教器對系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)鍵位置點的示教以及調(diào)整[9]，實現(xiàn)機器人的掰板上板運動。最后通過與PLC進(jìn)行聯(lián)動調(diào)試以及信號的交換，從而完善機器人程序[10]。