韓駿 張秀禮 劉楊 黃勇

（1.河北建材職業(yè)技術(shù)學(xué)院 秦皇島 066004；2.河北省建筑材料綠色智造應(yīng)用技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心 秦皇島 066004；3.朔瑯秦皇島科技有限公司 秦皇島 066004）

0 引言

近年來，隨著手機(jī)、平板等移動設(shè)備的迅速普及，超薄玻璃的需求量與日俱增。據(jù)相關(guān)資料顯示，目前國內(nèi)對超薄玻璃的需求量穩(wěn)步增長，月均產(chǎn)量為八千多萬重量箱，月均同比增長率在3%左右。為規(guī)范市場、保障產(chǎn)品質(zhì)量、促進(jìn)行業(yè)企業(yè)健康發(fā)展，2021年3月9日，國家市場監(jiān)督管理總局聯(lián)合國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會發(fā)布了《超薄玻璃抗沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)方法 落球沖擊法》的國家標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)號：GB/T 39814—2021。

國標(biāo)中對超薄玻璃抗沖擊強(qiáng)度檢測方法做了詳盡的規(guī)定，在規(guī)定的試驗(yàn)方法中，防止球體反彈后二次沖擊試樣是一個關(guān)鍵的控制環(huán)節(jié)，關(guān)系到試驗(yàn)的成敗及成本的控制。

為了實(shí)現(xiàn)檢測過程的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，推進(jìn)國家標(biāo)準(zhǔn)落地、實(shí)施，支撐區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，本文以可編程控制器為核心，構(gòu)建一套防二次沖擊的控制方案。

1 抗沖擊強(qiáng)度檢測方法的標(biāo)準(zhǔn)要求

1.1 檢測原理

抗沖擊強(qiáng)度檢測采用模擬超薄玻璃及相關(guān)制品在實(shí)際生產(chǎn)、生活中承受硬物破壞沖擊的場景來進(jìn)行的，使用國標(biāo)中規(guī)定質(zhì)量（32.0 g±0.5 g）的鋼球，從不同的指定高度下落做自由落體運(yùn)動，鋼球的重力勢能轉(zhuǎn)化為動能，具備一定動能的鋼球在下落終點(diǎn)以剛性碰撞的方式?jīng)_擊玻璃試樣，根據(jù)高度值的不同、玻璃試樣是否破損預(yù)測玻璃材料的抗沖擊強(qiáng)度。

1.2 試驗(yàn)步驟

抗沖擊強(qiáng)度檢測——落球沖擊法分為兩個部分：沖擊高度預(yù)估和沖擊強(qiáng)度檢測。

沖擊高度預(yù)估的目的是確定沖擊強(qiáng)度檢測的起始高度。通過落球機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)鋼球底部距離試樣上表面的高度值，按標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定從50.0 mm處開始進(jìn)行預(yù)估試驗(yàn)。確定高度后釋放鋼球，鋼球自由落體沖擊玻璃試樣，觀察試樣的被沖擊點(diǎn)位是否出現(xiàn)損傷。

如果試樣在首次沖擊高度預(yù)估試驗(yàn)中未出現(xiàn)損傷，需要以50.0 mm的梯度逐步增大高度，繼續(xù)進(jìn)行高度預(yù)估沖擊試驗(yàn)，直至玻璃試樣出現(xiàn)損傷，并將出現(xiàn)損傷的高度值減去50.0 mm確定為正式?jīng)_擊強(qiáng)度檢測時的起始高度。

如果玻璃試樣在首次50.0 mm高度的預(yù)估沖擊試驗(yàn)中出現(xiàn)損傷，需要以10.0 mm的梯度逐步減小高度，并更換新的試樣繼續(xù)進(jìn)行高度預(yù)估沖擊試驗(yàn)，直至試樣在沖擊后未出現(xiàn)破損，并將未出現(xiàn)破損的高度減去10.0 mm確定為正式?jīng)_擊強(qiáng)度檢測時的起始高度。

在沖擊高度預(yù)估過程中，所有的沖擊點(diǎn)位與試樣邊緣的距離必須大于10.0 mm，在同一片試樣的連續(xù)沖擊中，任意兩個沖擊點(diǎn)位之間的距離必須大于10.0 mm。

在正式進(jìn)行沖擊強(qiáng)度檢測時，從上述預(yù)估過程確定的起始高度開始，對目標(biāo)試樣進(jìn)行定點(diǎn)的沖擊強(qiáng)度檢測。

將整個試樣平均分成九個小的矩形，每個矩形的幾何中心點(diǎn)即為試樣的沖擊點(diǎn)位，沖擊點(diǎn)位應(yīng)滿足點(diǎn)位之間距離及與試樣邊緣的距離均必須大于10.0 mm的要求，沖擊點(diǎn)位如圖1所示。

圖1 沖擊點(diǎn)位置示意圖

移動落球機(jī)構(gòu)，定位至目標(biāo)沖擊點(diǎn)，精度至1.0 mm。釋放鋼球，觀察試樣是否損傷，如無損傷則以10.0 mm的梯度增大沖擊高度，逐個點(diǎn)位的進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。在沖擊檢測試驗(yàn)中，鋼球與玻璃試樣剛性碰撞后反彈，當(dāng)反彈的高度大于50 mm時，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧┱趽踉嚇踊蛉』貏偳?，避免鋼球下落再次對試樣形成沖擊，即防止二次沖擊。

檢測中不允許對試樣的同一沖擊點(diǎn)位進(jìn)行重復(fù)沖擊，在某一沖擊高度下，試樣的首個沖擊點(diǎn)位即出現(xiàn)損傷或九個沖擊點(diǎn)位均未出現(xiàn)損傷時，需按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行試樣更換及沖擊高度的調(diào)整，并繼續(xù)完成檢測，確定最大沖擊高度。

2 控制方案分析

2.1 整體控制

通過對試驗(yàn)過程的分析可以得出，試驗(yàn)過程是多次落球動作的重復(fù)控制，需要在控制系統(tǒng)中構(gòu)建一個抓球、落球的基本流程，及一個定位控制的整體循環(huán)。

通過手動或自動啟動基本流程，落球機(jī)構(gòu)自動執(zhí)行沖擊點(diǎn)位、高度定位動作，確定后釋放鋼球，鋼球?qū)υ嚇舆M(jìn)行沖擊并反彈激活防二次沖擊裝置，完成本次沖擊檢測，落球機(jī)構(gòu)執(zhí)行自動裝球動作，并回待機(jī)位準(zhǔn)備下一個循環(huán)。

手動模式下，每次動作都需要操作人員在控制畫面上輸入目標(biāo)點(diǎn)位參數(shù)。自動模式下，操作人員只需要輸入起始點(diǎn)位參數(shù)，后續(xù)動作過程中，控制程序能夠自動計(jì)算定位參數(shù)。

手動模式系統(tǒng)進(jìn)行一次沖擊檢測后恢復(fù)待機(jī)狀態(tài)。自動模式下，系統(tǒng)會連續(xù)執(zhí)行沖擊檢測動作，并依據(jù)執(zhí)行次數(shù)及玻璃試樣損傷情況判斷停止連續(xù)動作，此時，系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)。系統(tǒng)的控制流程圖如圖2所示。

圖2 控制流程圖

2.2 防二次沖擊裝置的控制

落球沖擊法中防二次沖擊是檢測過程中關(guān)鍵的一步，涉及到檢測的效率及成本。而標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定鋼球沖擊回彈高度值超過50 mm時應(yīng)及時接住取回，避免其回落造成對試樣的二次沖擊。根據(jù)自由落體運(yùn)動的公式計(jì)算，鋼球在50 mm處落下的時間約為100 ms，考慮到相關(guān)設(shè)備機(jī)械尺寸、安裝位置及動作時間，防二次沖擊裝置的有效控制時間甚至不足100 ms，是整個控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

防二次沖擊裝置的詳細(xì)控制過程為：落球機(jī)構(gòu)正確定位釋放鋼球后，程序中鋼球位置檢測傳感器激活，當(dāng)鋼球下落經(jīng)過位置傳感器時，程序進(jìn)入回彈捕捉狀態(tài)，當(dāng)回彈的鋼球再次激活位置傳感器時，連鎖防二次沖擊裝置動作，防止鋼球回落對試樣造成二次沖擊。

在整個控制過程中，當(dāng)鋼球從較高位置（標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最高位置為2 m）下落時，觸發(fā)位置檢測傳感器的持續(xù)時間較短，最短約為15 ms。

50 mm高度回彈下落時間100 ms，鋼球高速下落檢測持續(xù)時間15 ms，這兩個時間對控制程序的設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)格要求。

PLC控制系統(tǒng)的典型掃描周期為100 ms，整個掃描周期可以簡化為三個階段：輸入掃描、程序執(zhí)行及輸出刷新階段。在輸入掃描階段系統(tǒng)逐一讀取已配置的輸入信號并存入輸入映像寄存器，然后進(jìn)入后續(xù)的階段，在此期間系統(tǒng)不再讀取輸入信號。PLC的工作機(jī)制，要求輸入信號的持續(xù)時間必須大于掃描周期的運(yùn)行時間，否則將會出現(xiàn)丟失信號的現(xiàn)象。鋼球下落檢測持續(xù)的時間15 ms明顯小于PLC的典型掃描周期，采用常規(guī)的編程方法將無法正常采集鋼球下落狀態(tài)，造成系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。

同樣，根據(jù)PLC的工作機(jī)制假設(shè)，在系統(tǒng)剛剛進(jìn)入程序執(zhí)行階段時，鋼球反彈激活位置檢測傳感器，請求關(guān)閉防二次沖擊裝置。但系統(tǒng)此時不響應(yīng)輸入信號的變化，需要等待當(dāng)前掃描周期完成后，下一掃描周期的輸入掃描階段，才會統(tǒng)一讀取輸入信號的狀態(tài)，然后展開程序執(zhí)行及輸出刷新動作。即在上述巧合的情況下，PLC系統(tǒng)對某一輸入信號引起的輸出變化的整個響應(yīng)時間將會接近兩個掃描周期，以典型值為參考即接近200 ms，這一時間將無法滿足防二次沖擊裝置在回彈高度50 mm，下落時間為100 ms時的有效控制要求，會偶發(fā)防二次沖擊失敗的情況。

綜合上述兩點(diǎn)關(guān)于時間的控制要求，控制程序設(shè)計(jì)時采用調(diào)用硬件中斷組織塊的方式，對鋼球位置檢測和防二次沖擊裝置動作進(jìn)行了控制。

組織塊是PLC系統(tǒng)內(nèi)部集成的特殊功能塊，是用戶與系統(tǒng)的功能接口，通過組織塊用戶可以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)功能的調(diào)用。同時，組織塊也是用戶程序正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。

硬件中斷組織塊是專門為了響應(yīng)硬件事件的，當(dāng)某一定義的硬件事件發(fā)生時，硬件中斷組織塊將中斷正常的循環(huán)掃描周期來響應(yīng)硬件事件信號。項(xiàng)目中將鋼球位置檢測傳感器返回信號I0.4作為OB40硬件中斷組織塊的觸發(fā)信號。如圖3所示。

圖3 設(shè)置硬件中斷組織塊的激活信號

當(dāng)鋼球激活位置傳感器的瞬間，OB40激活停止正常的循環(huán)掃描周期，并立即執(zhí)行OB40塊內(nèi)的程序。這樣就避開了循環(huán)掃描的周期時間，能夠第一時間獲取鋼球位置激活信號并及時控制防二次沖擊裝置動作。

在OB40組織塊的控制程序中，可以將控制防二次沖擊裝置動作的輸出地址寫成立即訪問模式，如圖4所示，這樣可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的時效性。

圖4 設(shè)置硬件中斷組織塊的激活信號

立即訪問模式下，輸出信號不再等待整個程序執(zhí)行完成后統(tǒng)一刷新輸出，而是在程序執(zhí)行中，該輸出信號的動作條件滿足時，立即寫入CPU模塊、端子板或輸入/輸出模塊上的物理輸出點(diǎn)位，驅(qū)動設(shè)備動作。

3 結(jié)語

通過對九點(diǎn)落球法沖擊強(qiáng)度檢測過程的研究，設(shè)計(jì)了以可編程控制器為核心的整體控制方案。

設(shè)計(jì)過程中還原了鋼球下落的過程，詳細(xì)分析了落球控制過程中的難點(diǎn)、關(guān)鍵點(diǎn)，并結(jié)合可編程控制器的運(yùn)行機(jī)制，通過調(diào)用硬件中斷組織塊的方法完成了防二次沖擊裝置的控制設(shè)計(jì)，形成了可行的控制方案。

在實(shí)現(xiàn)檢測設(shè)備的自動化功能后，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將結(jié)合本地玻璃生產(chǎn)、檢測企業(yè)做實(shí)際應(yīng)用轉(zhuǎn)化。并跟蹤收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用于優(yōu)化控制功能，以進(jìn)一步提高設(shè)備實(shí)用性、可靠性。在積累一定量的數(shù)據(jù)后，結(jié)合生產(chǎn)工藝參數(shù)、操作動作內(nèi)容及設(shè)備運(yùn)行狀況等方面對數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，構(gòu)建檢測設(shè)備的智能化功能。