基板上片機的機電一體化控制系統(tǒng)

李攀?昌希武?顏高彥

摘要：文章基于太陽能行業(yè)，分析了太陽能電池生產(chǎn)過程中使用的上片機設(shè)備，類推到基板上片系統(tǒng)，詳細介紹了基板上片的機械設(shè)計、電氣設(shè)計到控制軟件的設(shè)計等，提供了一種使用精密機械、PLC（可編程序邏輯控制器）、伺服系統(tǒng)的基板上片機系統(tǒng)，給出了上片機機械側(cè)視圖、電氣控制流程圖。

關(guān)鍵詞：基板；自動控制；傳輸；反饋；伺服系統(tǒng)

中圖分類號：TP334 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）17-0064-02

在工業(yè)自動化生產(chǎn)當中，玻璃行業(yè)、鈑金行業(yè)、建材行業(yè)、印刷行業(yè)等需要對來料基板進行加工。在加工行業(yè)，都需要對基板進行上載、運輸?shù)?，也就是基板上片機。

在經(jīng)歷了機械式、繼電器式、半自動化的過程以及行業(yè)設(shè)備效率低、無視覺化、高耗能、高故障、高危險的現(xiàn)狀，基板搬運需要更高的自動化、高效率、人性化。在工業(yè)自動化的大趨勢下，越來越低的設(shè)備成本，同樣是企業(yè)的利潤空間。本文提出了一種使用精密機械、PLC（可編程序邏輯控制器）、伺服系統(tǒng)的基板上片機機電一體化控制系統(tǒng)。

1 整體結(jié)構(gòu)分析

基板上片機由三部分組成：如圖1基板上片機的側(cè)視圖所示，從右到左依次由自動上片機構(gòu)、上片后傳輸機構(gòu)兩部分組成。

自動上片機構(gòu)：采用焊接機架，穩(wěn)定性高。運動部分采用鏈條帶動，高壽命軸承固定承載。

圖1 全自動太陽能玻璃上片機的側(cè)視圖

抓取機構(gòu)采用機械手臂和吸盤機構(gòu)，代替以前設(shè)備中普遍的老式氣動結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)玻璃自動取放。通過小型真空泵提供真空，給機械手臂的吸盤提供真空，實現(xiàn)抓取。自動上片機構(gòu)下部為上料臺，有外部叉車直接送入，內(nèi)部設(shè)有機械卡位，外部叉車可以直接把玻璃堆料送入指定位置。

上片傳輸后傳輸機構(gòu)：采用鋁型材機架，節(jié)約材料。直線傳輸機構(gòu)采用不銹鋼輥軸加PP材料滾輪，由鏈條帶動，兩端采用精密軸承固定。從圖1中可以看出：該機械設(shè)計采用了雙邊模塊化、左右對中的設(shè)計，便于設(shè)備準確工位對接，實現(xiàn)快速調(diào)校。整個控制平臺具有運行平穩(wěn)的特點，采用伺服驅(qū)動器和伺服電機搭配組成伺服控制系統(tǒng)，由伺服電機帶動鏈條運動，實現(xiàn)更精準的位置控制和實時位置反饋，進而實現(xiàn)抓取機構(gòu)的準確定位，生產(chǎn)效率高。

2 電氣執(zhí)行單元

基板上片機電氣核心控制部分，基于工業(yè)巨頭德國西門子PLC（Programmable Logic Controller，即可編程邏輯控制器）和HMI（Human Machine Interface，即人機界面）。

從圖2可以看出，基板上片機的電路系統(tǒng)：電網(wǎng)AC380V，PE+N通過主斷路器QF2供電，由主接觸器KM1和緊急停按鈕EMERGENCY STOP進行上電控制，由GS1提供系統(tǒng)DC24V電源，QF3防止GS1過流，QF4防止直流DC24V過流。安全控制部分采用了西門子漏電保護開關(guān)、雙常閉門開關(guān)、報警器等安全保護（圖上未顯示）。

從圖2可以看出，基板上片機的三段組成如下：

自動上片機構(gòu)電氣控制包含：斷路器QF5，伺服控制器AD01，上下運動電機M1；斷路器QF6，伺服控制器AD02，傳輸電機M2；斷路器QF7，伺服控制器AD03，傳輸電機M3。

上片后傳輸機構(gòu)電氣控制包含：斷路器QF8，伺服控制器AD04，傳輸電機M4。段控制都采用了伺服控制系統(tǒng)，閉環(huán)數(shù)據(jù)采集。

圖2 全自動玻璃上片機的主控制電路簡圖

3 PLC與HMI控制系統(tǒng)

系統(tǒng)主要采用現(xiàn)場總線PROFIBUS為通訊協(xié)議，全集成自動化控制。HIM為客戶提供參數(shù)修改和系統(tǒng)信息顯示的操作界面。而PLC與驅(qū)動器1、驅(qū)動器2、驅(qū)動器3、驅(qū)動器4，采用現(xiàn)場總線PROFIBUS進行通訊，實現(xiàn)PLC與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換?？刂葡到y(tǒng)PLC通過PROFIBUS總線通訊給驅(qū)動器發(fā)送控制指令，由驅(qū)動器控制電機動作，同時PLC通過PROFIBUS總線通訊收集驅(qū)動器的運行狀態(tài)，反饋給PLC進行處理和運算。各個電氣元件運行狀態(tài)通過HMI顯示，通過HMI設(shè)置參數(shù)。具體的控制流程如圖3所示：

圖3

基板上片機開啟后，首先準備原材料，設(shè)定基板材料工藝參數(shù)。然后設(shè)備自動檢測當前設(shè)備狀態(tài)，進行初始化（各個執(zhí)行元件找到起始位置）。初始化完成，基板上片機電機M1執(zhí)行取片動作。取片完成后，自動上片機電機M2、M3啟動傳出基板給上片后傳輸機構(gòu)。然后上片后傳輸機構(gòu)的電機M4接收到基板，上片后傳輸機構(gòu)電機M4接收完成后，接著與后續(xù)聯(lián)機工位進行對接。最后設(shè)備判斷原材料基板是否用完，沒有用完繼續(xù)返回上片機構(gòu)取片，否則結(jié)束，如此循環(huán)下去。如果中間設(shè)備有異常，設(shè)備將通過報警燈、HMI等提醒，顯示信息給操作者，方便

維護。

4 系統(tǒng)安全與可視化故障處理

系統(tǒng)設(shè)計符合電氣安全設(shè)計要求，具有自動檢測電網(wǎng)電壓、漏電保護、過載、過流、過熱保護。穩(wěn)定的接地和屏蔽設(shè)計，降低外部設(shè)備對本機的干擾，更好地保證信號采集、數(shù)據(jù)采集、總線通訊等順利穩(wěn)定地傳輸。設(shè)備玻璃門、關(guān)鍵安全部位加裝了雙重安全常閉開關(guān)、安全光幕，防止設(shè)備在迅速動作時，有人員的闖入，保障安全。

可視化的操作界面方便故障的快速診斷。針對每一個控制單元，系統(tǒng)HMI觸摸屏都增加了可視化界面。操作人員可打開自動上片機的HMI的報警頁面，查看具體的報警信息。根據(jù)報警信息的提示，準確找到故障位置?？梢暬牟僮鹘缑妫奖愎收系目焖僭\斷，故障信息可以根據(jù)實際需要進行存儲，方便設(shè)備人員查看跟蹤設(shè)備問題。故障代碼是用數(shù)字編排的特制信息。利用自行設(shè)置的存儲位置，可與本地U盤連接，存儲不同格式。支持多種存儲格式，例如.TXT、.xls等等。

5 結(jié)語

本文基于基板上片機的需求，研究出一種新的通用型基板上片機機電一體化控制系統(tǒng)，在這類新型機電一體化控制系統(tǒng)中，以新的基板上片機構(gòu)為基礎(chǔ)，為實現(xiàn)高精度軌跡控制奠定信息基礎(chǔ)。通過對運動部件進行位置閉環(huán)控制、速度閉環(huán)控制，采用開放的設(shè)計界面和軟件設(shè)計，既有效提高了設(shè)備的精度，保證了上片機的可靠穩(wěn)定工作，降低維護周期，降低普通設(shè)備的檢修頻繁性，徹底排除了傳動誤差對運動軌跡精度的影響，有效保證了實際軌跡與希望軌跡的一致性。在此基礎(chǔ)上，通過信息化誤差校正，有效提高了檢測裝置的精度。從而使基板上片機全天候24小時運行，因此可以獲得較好的成本控制。

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作者簡介：李攀（1987—），男，河南民權(quán)人，東莞宏威數(shù)碼機械有限公司工程師，研究方向：（光盤、太陽能）機電一體化系統(tǒng)設(shè)備。