玻璃高精度切割機的運動控制設計

黃海宏，陳金長，王鵬

（1.萍鄉(xiāng)浮法玻璃廠，江西 萍鄉(xiāng)337000；2.中達電通股份有限公司，江西 南昌330006；3.天津電氣傳動設計研究所，天津，300180）

1 引言

在玻璃行業(yè)高精度隨動橫切機是成品工段的核心設備，決定著玻璃生產的成品率以及合格率。現(xiàn)有國內高端玻璃生產線基本上都選用德國格林策巴赫 和意大利保泰羅等國外品牌的橫切機，與國內設備相比較其運動控制系統(tǒng)都是選用專業(yè)運動控制主機和高端伺服，其計算處理能力快、精度高、隨動跟蹤更實時，基本都支持其他品牌的在線檢測系統(tǒng)接口，實現(xiàn)在線優(yōu)化切割以及雙刀同動功能，但設備價格高、易用性差，且售后不方便，配件價格高昂且供貨周期長。而國內的品牌大多采用非專業(yè)運動控制配置，PLC語言命令執(zhí)行周期長、控制精度低、隨動性差，且基本上都只能完成單刀控制。為了提高設備性價比，又能達到進口品牌的控制精度，本文考慮采用全套臺達專業(yè)運動控制系統(tǒng)進行設計來完成控制要求。

2 系統(tǒng)工藝流程和技術要求

2.1 玻璃切割工藝流程

玻璃生產線的原料經過熔化、成型、退火3套熱工工序，形成一條不間斷且寬度和厚度一定的整段玻璃帶進入成品工段輥道，完成切裁、橫向掰斷、掰邊、包裝幾套工序，成為成品玻璃。玻璃切割流程如圖1所示。

整條玻璃帶從退火窯出來后，進入切裁區(qū)輥道，該輥道由同步電機或伺服電機傳動，在玻璃厚度和規(guī)格一定的情況下，轉速理論上是恒定的（但當出現(xiàn)輥道傳動皮帶拉長，機械連接間隙等原因時玻璃帶線速度是有波動的），橫切機與玻璃帶中心線垂直方向成7°角橫跨安裝于輥道上方，控制系統(tǒng)的測速光電編碼器安裝在橫切機上游的玻璃帶上，隨玻璃帶的移動而被動旋轉，用于測量玻璃帶速度及位移量。當切割系統(tǒng)啟動后，切刀按設定的切割長度L1循環(huán)地在玻璃帶上切割出刀線（圖1中的虛線所示），將玻璃分成等長的方塊，并且計算跟蹤刀線的位移，當刀線到達橫向掰斷輥時，掰斷氣缸動作將該輥道抬起，同時將玻璃掰斷，掰斷后的一片為半成品玻璃，這樣一片玻璃的橫切工序就完成了，并按以上流程循環(huán)動作。

圖1 玻璃切割流程Fig.1 Glass cutting process

2.2 橫切機結構原理

如圖2所示，一個橫切機的機架上設計了上、下游2套切刀系統(tǒng)，機械結構上彼此完全相同，相互獨立。

圖2 機械結構圖Fig.2 Mechanical structure drawing

以上游切刀為例介紹其動作原理，圖2中的切刀本體與同步皮帶相連接，同時固定在上、下兩條直線導軌上，能自由行走，安裝于機架上的伺服電機直接驅動主、副同步輪和同步皮帶做正、反轉運動，同時切刀本體隨同步帶在玻璃帶的橫向做來回直線運動。圖示切割運行方向時，切刀本體由氣缸驅動下落到玻璃表面，回刀方向運行時切刀上升離開玻璃表面50mm，切割距離由實際生產玻璃板寬度來設定。一套橫切系統(tǒng)的主梁上安裝上、下游2套切刀系統(tǒng)，正常使用時相對獨立，當其中一套出現(xiàn)故障或需切板長小于單刀最小切割板長時，就需要雙刀配合運行。

技術精度要求如下：切割板長重復精度L1為±1mm，最高切割速度為800mm／s；對角線誤差L2（垂直度）為±1.5mm，最大切割行程為4 200 mm，最小切割板長為800mm。

3 電氣控制系統(tǒng)設計

3.1 控制系統(tǒng)硬件配置及架構

根據系統(tǒng)工藝流程的技術及精度要求和機械工藝特點，在PLC的選型上沒有選用一般普通內置脈沖功能的小型PLC，這種PLC即使利用中斷方式控制，因為受掃描周期的影響，CPU處理時間較長控制出現(xiàn)滯后產生誤差。此次選用的臺達DVP－20PM00D是一款專用運動控制型PLC，采用高速雙CPU結構形式，利用獨立CPU處理運動控制算法，可以很好地實現(xiàn)各種運動軌跡控制、高速抓取及比較輸出控制，直線／圓弧插補控制等；伺服驅動采用臺達ASDA－A2系列3.5kW智能驅動器和電機，具備電子凸輪E－CAM和CAPTRUE／COMPARE運動控制功能；人機界面選用臺達DOP10.4×2.5cm觸摸屏作為監(jiān)控單元。電氣系統(tǒng)控制架構圖如圖3所示。

圖3 電氣控制系統(tǒng)架構圖Fig.3 Electrical control system architecture diagram

本案的數據交換網絡由2個網絡組成，一個是為了滿足高速運動控制的需要，20PM與A2伺服驅動器之間構建的是CANopen網絡，其最快通訊速度達1Mb／s，用于20PM主站和伺服驅動器之間高速數據交換。另一個是20PM與HIM觸摸屏之間通過RS485進行通訊完成數據交換的。并且其他品牌的在線檢測優(yōu)化切割系統(tǒng)可通過20PM的COM1RS232接口進行數據交換，在線調整切長，與本系統(tǒng)一并完成玻璃在線檢測和優(yōu)化切割功能。

3.2 運動控制的實現(xiàn)

本系統(tǒng)運動控制流程如圖4所示，玻璃帶的線速度通過光電編碼器檢測并輸入20PM的輸入端，通過20PM的電子凸輪功能輸出2路同步脈沖信號分別給2個伺服驅動器，同時產生2路觸發(fā)輸出信號CLR0和CLR1作為控制同步信號，分別連接2個伺服驅動器的DI7口。接收到觸發(fā)信號后，再經過A2伺服控制器的電子凸輪控制功能輸出控制伺服電機，實現(xiàn)高精度的運動控制功能。

PLC的電子凸輪為周期性凸輪系統(tǒng)，主軸為實體軸，位置通過A0／B0，A1／B1獲取，軌跡資料（E－CAM Data）是利用 PM－SOFT 軟件的 CAM CHART功能建立。20PM電子凸輪曲線如圖5所示。

圖4 運動控制流程圖Fig.4 Motion control flow graph

圖5 20PM電子凸輪曲線Fig.5 20PM electronic cam curves

玻璃切割長度的控制是利用20PM的FROM／TO指令設定／讀取CR＃253控制高速比較和捕捉功能，對光電編碼器采集的脈沖進行計數，并與設定切割長度的寄存器值進行高速比較并通過CLR0和CLR1輸出觸發(fā)信號給伺服驅動器，本案利用D4002作為控制切割長度的寄存器，長度值通過觸摸屏修改D4000的數據，再進行單刀和雙刀切割控制的判斷，在單刀追切時，把B伺服關閉，切長參數D4002＝D4000，高速捕捉和比較后控制A伺服啟動進行切割；雙刀追切的情況下，A，B伺服都開啟，切長參數D4002＝D4000×2，但2個伺服首次啟動位置必須是A伺服啟動后B伺服默認在D4002值的一半（即切長D4000）時啟動，單刀切割長度為設置玻璃切長2倍。

A2伺服驅動器的電子凸輪為非周期性凸輪系統(tǒng)，主軸為實體軸，位置通過脈沖命令端PULSE／SIGN端獲取，軌跡資料（E－CAM Data）是利用ASDA－SOFT軟件的E－CAM編輯器建立的，如圖6所示E－CAM曲線，在落刀前完成加速過程，然后追蹤20PM發(fā)出的同步信號，玻璃帶速度與切刀速度嚴格成一個余弦的比例關系，保證玻璃切線垂直度。

抬刀、落刀的位置是由伺服控制器的高速捕捉、比較功能（CAPTRUE／COMPARE）實現(xiàn)的，電機啟動后通過捕捉電機位置編碼器的反饋脈沖，并與設定值進行高速比較并通過驅動器的DO點輸出控制切刀電磁閥完成切刀的抬、落動作。

所有切割、調整、維護參數以及伺服控制的部分參數都是通過HIM人機界面來完成的，此次選用的臺達DOP系列10.4×2.54cm觸摸屏，其編輯軟件SCREEN EDITOR界面友好，通過USB下載，程序修改、下裝速度快效率高。

圖6 A2伺服驅動器電子凸輪曲線Fig.6 A2servo drive electronic cam curves

4 方案實施效果

通過實際生產驗證，該系統(tǒng)能達到控制精度要求，完全滿足生產需要。表1是實際使用精度誤差數據，并與國外及國內品牌進行了對比。

表1 誤差對比Tab.1 Error comparison

值得指出的是，國外品牌設備的機械部分間隙和配合也優(yōu)于國內設備，本案機械部分為自行設計，以上數據未除去機械間隙造成的誤差。

5 結論

從實施效果數據和實際使用情況分析，20PM和A2伺服的電子凸輪功能完全能滿足控制精度要求，該套臺達運動控制系統(tǒng)具有響應時間快、追切誤差小、通訊速度快、接口豐富等優(yōu)點，能與國外高端運動控制系統(tǒng)媲美。但價格比國外品牌的普通PLC控制系統(tǒng)還低，性價比很高，故該設計方案值得在玻璃切割設備制造行業(yè)進行推廣。