陶瓷磚（石材）數(shù)控智能磨邊倒角機(jī)系統(tǒng)的研究

詹新平

摘 要：本文通過(guò)深入分析控制對(duì)象的特性，借助于數(shù)控技術(shù)、定位技術(shù)、伺服電機(jī)和傳感器，發(fā)揮控制器快速運(yùn)算速度和高速采集信號(hào)的能力，運(yùn)用控制器的編程語(yǔ)言寫入具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜控制對(duì)象高精智能的控制。本系統(tǒng)由位于辦公室的上位機(jī)及位于車間的磨邊倒角主機(jī)組成。

關(guān)健詞：智能；數(shù)控；高精度；集自動(dòng)化；能效管理

1 引言

自陶瓷深加工機(jī)械在上世紀(jì)80年代末90年代初出現(xiàn)以來(lái)，意大利等憑借在基礎(chǔ)材料、設(shè)計(jì)方法、控制技術(shù)等方面的優(yōu)勢(shì)，多年來(lái)一直在設(shè)計(jì)制造方面處于領(lǐng)先水平，特別是在高檔機(jī)型方面占有優(yōu)勢(shì)。以BMR、ANCORA、BRETON為代表的國(guó)際陶瓷深加工機(jī)械制造商領(lǐng)先技術(shù)的潮流，能實(shí)現(xiàn)數(shù)控精準(zhǔn)自動(dòng)化調(diào)節(jié)。

上世紀(jì)80年代末90年代初，由科達(dá)潔能研發(fā)出國(guó)產(chǎn)第一臺(tái)陶瓷磨邊倒角機(jī)，形成國(guó)產(chǎn)陶瓷深加工機(jī)械，一直處在穩(wěn)步發(fā)展階段，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，國(guó)內(nèi)機(jī)型種類齊全，技術(shù)水平可以滿足多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，陶瓷深加工機(jī)械產(chǎn)量居世界第一。但受各種因素影響，陶瓷深加工機(jī)械裝備的數(shù)控智能化應(yīng)用方面發(fā)展比較慢。在公司的支持下，筆者所在的團(tuán)隊(duì)從2015年就開(kāi)始了數(shù)控智能磨邊倒角機(jī)的研究與開(kāi)發(fā)，2016年6月第1臺(tái)數(shù)控智能磨邊倒角機(jī)交付給客戶并獲得好評(píng)，同年年底實(shí)現(xiàn)了批量訂單。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及控制原理

數(shù)控智能磨邊倒角機(jī)包括機(jī)械部分、電控部分和管理軟件部分。相關(guān)的機(jī)械部分的設(shè)計(jì)及其工作原理本文只簡(jiǎn)述，本文主要敘述相關(guān)數(shù)控智能磨邊倒角機(jī)的電控部分和管理軟件部分。

2.1設(shè)計(jì)思路

現(xiàn)有普通磨邊倒角機(jī)存在以下幾個(gè)缺點(diǎn)。（1）磨邊頭進(jìn)給采用手動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)給。缺點(diǎn)：進(jìn)給不方便，進(jìn)給量無(wú)法保證，磨邊輪的消耗無(wú)法顯示需要不斷打開(kāi)水罩檢查，操作人員勞動(dòng)強(qiáng)大。（2）磨邊機(jī)的推磚裝置中推磚爪采用手動(dòng)調(diào)節(jié)。缺點(diǎn)：調(diào)節(jié)不方便及運(yùn)行調(diào)節(jié)時(shí)存在很大安全事故；對(duì)控制瓷磚（石材）產(chǎn)品對(duì)角線誤差需返復(fù)多次調(diào)節(jié)才能完成，操作人員勞動(dòng)強(qiáng)大。（3）磨邊機(jī)的主傳動(dòng)裝置采用單異步電機(jī)變頻器驅(qū)動(dòng)，4條輸送同步帶采用機(jī)械軸同步。缺點(diǎn)：機(jī)械軸容易出現(xiàn)磨損傳動(dòng)鍵，造成加工的產(chǎn)品出現(xiàn)對(duì)角線超差；更換4條輸同步帶非常不方便耗時(shí)長(zhǎng)，操作人員勞動(dòng)強(qiáng)大。（4）磨邊機(jī)的橫梁調(diào)節(jié)采用手動(dòng)調(diào)節(jié)或電動(dòng)調(diào)節(jié)。缺點(diǎn)：手動(dòng)調(diào)節(jié)需要操作人員返復(fù)用尺測(cè)量檢測(cè)；電動(dòng)調(diào)節(jié)不能自動(dòng)按設(shè)定值調(diào)節(jié)橫梁；精度控制不準(zhǔn)確。（5）例如普通磨邊倒角機(jī)加工600 mm × 600 mm陶瓷磚對(duì)角線誤差只能控制在0.5 mm以上、寬度尺寸只能控制在0.2 mm以上。

針對(duì)上述缺點(diǎn)，本團(tuán)隊(duì)研發(fā)了全新的數(shù)控智能磨邊倒角機(jī)，600 mm × 600 mm陶瓷磚對(duì)角線誤差能控制在0.3 mm以下、寬度尺寸控制在0.1 mm以下，優(yōu)等率99%。

（1）數(shù)控智能磨邊倒角機(jī)的機(jī)械部分主要由以下幾個(gè)部件組成：1）雙壓帶輸送皮帶采用2臺(tái)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，負(fù)責(zé)陶瓷磚的輸送的部件；2）數(shù)字進(jìn)給磨邊磨頭，配有位置檢測(cè)傳感器和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，安裝磨具對(duì)被加工件周邊進(jìn)行磨削的部件；3）數(shù)控推磚爪裝置，配有伺服電機(jī)的推磚爪，通過(guò)數(shù)控的方法校正被加工件位置的部件；4）數(shù)字調(diào)寬裝置，配有工作寬度計(jì)量傳感器，數(shù)字調(diào)節(jié)工作寬度的部件等。如圖2。

（2）數(shù)控智能磨邊倒角機(jī)的電控部分采用高性能PLC對(duì)上述圖2數(shù)字控制的4個(gè)機(jī)械部件進(jìn)行集成控制實(shí)現(xiàn)數(shù)控和自動(dòng)化控制，而上位機(jī)中磨邊倒角機(jī)的管理軟件對(duì)產(chǎn)量、能耗、磨具消耗、維修保養(yǎng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并生成各種報(bào)表。

2.2系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)

2.2.1數(shù)控智能磨邊倒角機(jī)開(kāi)發(fā)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

設(shè)計(jì)先進(jìn)的智能數(shù)字控制策略，以高速的數(shù)據(jù)采樣、處理和輸出周期，使磨邊倒角機(jī)主傳動(dòng)、橫梁調(diào)節(jié)、推磚動(dòng)作、磨邊頭進(jìn)給速度快、精度高、動(dòng)作更進(jìn)一步柔和的目標(biāo)。

2.2.2詳細(xì)的技術(shù)路線

（1）雙伺服驅(qū)動(dòng)磨邊倒角機(jī)的雙輸送帶電控系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)的陶瓷磨邊倒角機(jī)的雙輸送帶控制，采用機(jī)械軸聯(lián)接2條輸送帶的傳動(dòng)部件從而同步運(yùn)行；易出現(xiàn)機(jī)械軸生銹無(wú)法調(diào)節(jié)，長(zhǎng)期使用機(jī)械軸的平鍵或花鍵磨損從而2條輸送帶無(wú)法同步運(yùn)行。

新控制系統(tǒng)在分析目前陶瓷磨邊倒角機(jī)輸送帶運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性，采用兩側(cè)伺服電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)同步控制，取消聯(lián)接機(jī)械軸有效避免傳動(dòng)軸及空心軸鍵槽磨損所帶來(lái)的同步誤差、皮帶更換方便省時(shí)；雙側(cè)伺服同步系統(tǒng)，同步精度可達(dá)0.1 mm，從而減少陶瓷磚對(duì)角線誤差。

（2）伺服驅(qū)動(dòng)磨邊倒角機(jī)的橫梁運(yùn)動(dòng)電控系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)的陶瓷磨邊倒角機(jī)橫梁控制，采用普通PLC高數(shù)計(jì)數(shù)編碼器輸入檢測(cè)橫梁位移，交流變頻器+交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)普通絲桿，由于普通絲桿間隙、異步電機(jī)轉(zhuǎn)差及交流變頻器響應(yīng)速度等影響，所以其控制精度和穩(wěn)定性不能得到保證。

新控制系統(tǒng)在分析目前陶瓷磨邊倒角機(jī)橫梁運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性，針對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器+伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿，以及高速定位模塊等，構(gòu)成的橫梁調(diào)節(jié)的電控系統(tǒng)硬件部分，設(shè)計(jì)先進(jìn)的智能控制策略。

（3）伺服驅(qū)動(dòng)磨邊倒角機(jī)的推磚機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)電控系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)的陶瓷磨邊倒角機(jī)推磚控制，采用普通PLC高數(shù)計(jì)數(shù)編碼器輸入檢測(cè)推磚位移，交流變頻器+交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)推磚機(jī)構(gòu)由于異步電機(jī)轉(zhuǎn)差及交流變頻器響應(yīng)速度等影響，所以其控制精度和穩(wěn)定性不能得到保證。

新控制系統(tǒng)針對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器+伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)推磚機(jī)構(gòu)，以及高速定位模塊等，構(gòu)成推磚機(jī)構(gòu)的電控系統(tǒng)硬件部分，設(shè)計(jì)先進(jìn)的智能控制策略。

（4）磨邊倒角機(jī)的磨邊頭進(jìn)給電控系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)的陶瓷磨邊倒角機(jī)的磨邊頭進(jìn)給，采用人功手動(dòng)輪調(diào)節(jié)進(jìn)給，所以其控制精度和穩(wěn)定性不能得到保證。

新控制系統(tǒng)在分析磨邊倒角機(jī)磨邊頭結(jié)構(gòu)后，針對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)+位置檢測(cè)傳感器控制磨邊頭進(jìn)給，通過(guò)電流檢測(cè)每一對(duì)磨邊頭的電流負(fù)荷，以及高速定位模塊等可達(dá)每一對(duì)磨邊頭同步進(jìn)給及進(jìn)給量的負(fù)荷相同，設(shè)計(jì)先進(jìn)的智能控制策略，以高速的數(shù)據(jù)采樣、處理和輸出周期，使磨邊頭進(jìn)給量相等、精度高、負(fù)載相等的目標(biāo)。

（5）數(shù)字存儲(chǔ)、記錄參數(shù)，智能存儲(chǔ)所有運(yùn)行參數(shù)。

傳統(tǒng)的磨邊倒角機(jī)參數(shù)采用人工記錄和保存。新控制系統(tǒng)可隨時(shí)記錄、存儲(chǔ)比較好的磨邊機(jī)參數(shù)，按照所生產(chǎn)產(chǎn)品的不同，存儲(chǔ)大量不同的加工配方，隨時(shí)調(diào)出使用。另外，可智能存儲(chǔ)所有加工參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，方便在新產(chǎn)品試機(jī)或需要時(shí)，提供直接調(diào)用歷史運(yùn)行的所有參數(shù)，使得磨邊機(jī)加工可以立即恢復(fù)歷史良好狀態(tài)，而不必重復(fù)調(diào)試。

2.3系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖4。

（1）辦公室上位機(jī)安裝有智能磨邊機(jī)信息管理軟件；

（2）車間由兩臺(tái)或多臺(tái)數(shù)控磨邊主機(jī)組成，通過(guò)局域工業(yè)以太網(wǎng)（Modbus TCP/IP協(xié)議）把1條或多條磨邊線連接到上位機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)中；

（3）上位機(jī)與車間主機(jī)通過(guò)交換機(jī)、網(wǎng)線連接。

2.4軟件設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.4.1高性能PLC控制軟件設(shè)計(jì)

（1）設(shè)計(jì)2軸同步控制算法，實(shí)現(xiàn)兩側(cè)伺服電機(jī)傳動(dòng)同步運(yùn)行；

（2）通過(guò)陶瓷磚尺寸檢測(cè)儀傳送到PLC的陶瓷磚對(duì)角線誤差數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)推磚爪自動(dòng)補(bǔ)償算法，實(shí)現(xiàn)陶瓷磚對(duì)角線誤差值自動(dòng)調(diào)節(jié)；

（3）通過(guò)每個(gè)磨邊頭位置傳感器、磨邊頭負(fù)載電流檢測(cè)傳送到PLC的值，設(shè)計(jì)磨邊頭自動(dòng)進(jìn)給、磨輪消耗自動(dòng)補(bǔ)償算法，實(shí)現(xiàn)磨邊倒角機(jī)的磨邊頭進(jìn)給量自動(dòng)調(diào)節(jié)；

（4）磨邊倒角機(jī)的保養(yǎng)軟件設(shè)計(jì)，在人機(jī)界面（HMI）設(shè)計(jì)有磨邊倒角機(jī)各部件潤(rùn)滑周期設(shè)定、潤(rùn)滑時(shí)間倒計(jì)時(shí)功能，潤(rùn)滑周期到時(shí)自動(dòng)彈出提示及報(bào)警；

（5）通過(guò)智能電能表測(cè)量整機(jī)負(fù)載電流值、用電量傳送到PLC，結(jié)合產(chǎn)量計(jì)算出單位平方米用電量。見(jiàn)圖5。

2.4.2智能化軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件主要研發(fā)方向能效管理、設(shè)備保養(yǎng)到期提示、自動(dòng)生成生產(chǎn)報(bào)表。

（1）上位機(jī)軟件詳細(xì)技術(shù)特點(diǎn)：

1）開(kāi)發(fā)平臺(tái)：基于SOA架構(gòu)，微軟 Dot Net 框架；

2）開(kāi)發(fā)語(yǔ)言：Visual Studio、C#以及Visual C++；

3）架構(gòu)：B/S 與 C/S 相結(jié)合；

4）采用的數(shù)據(jù)庫(kù)：SQL Server 2008；

5）軟件運(yùn)行平臺(tái)：客戶端Windows XP/Win7， 服務(wù)器2003Server / 2008R2；

6）采用的技術(shù)：組件技術(shù)、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、API技術(shù)、Web Service技術(shù)等；

7）數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)： OLAP（聯(lián)機(jī)分析處理） 、多維度分析，數(shù)據(jù)透視、數(shù)據(jù)分析；

8）展示形式：曲線圖、棒圖、堆積趨勢(shì)圖、報(bào)表等。

（2）能效管理方法主要三方面，如下圖6。

注：能耗降低主要通過(guò)兩方面：

1）通過(guò)自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)的主動(dòng)能效管理；

2）告知生產(chǎn)管理人員、生產(chǎn)工如何提升生產(chǎn)管理效率。

2.4.3系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

（1）2條輸送帶伺服同步控制技術(shù)；

（2）磨邊頭磨輪自動(dòng)進(jìn)給數(shù)字控制技術(shù)；

（3）陶瓷磚（石材）產(chǎn)品的對(duì)角線誤差值自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)；

（4）磨邊頭磨輪磨損自動(dòng)補(bǔ)償控制技術(shù)；

（5）能效評(píng)估，幫助實(shí)現(xiàn)并評(píng)估能效測(cè)量；

（6）能源產(chǎn)量展示，報(bào)表、web發(fā)布、移動(dòng)端的APP。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及使用效果

3.1經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境效益

陶瓷磨邊倒角機(jī)是陶瓷深加工機(jī)械裝備中的重要設(shè)備，數(shù)控智能控制系統(tǒng)成功應(yīng)用于陶瓷深加工機(jī)械裝備中，為陶瓷深加工提高生產(chǎn)效益、降低勞動(dòng)強(qiáng)度以及改善產(chǎn)業(yè)工人的工作環(huán)境，提供了陶瓷機(jī)械的“智能制造”解決方案。增加陶瓷深加工機(jī)械裝備性能和附加值，2016年銷售10條以上數(shù)控陶瓷拋光線為公司創(chuàng)造600萬(wàn)元銷值。

3.2數(shù)控智能磨邊使用效果

（1）減少操作人員數(shù)量，降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度；

（2）降低操作人員勞動(dòng)技能要求，無(wú)經(jīng)驗(yàn)人員經(jīng)培訓(xùn)3小時(shí)即可操作；

（3）提高產(chǎn)品質(zhì)量，磚坯大小頭可控制在0.1 mm以內(nèi)，對(duì)角線可控制在0.3 mm以內(nèi)（600 mm × 600 mm）。磨邊優(yōu)等品率可達(dá)99.0%以上；

（4）磨邊輪進(jìn)給及推磚爪調(diào)整精確至0.01 mm；

（5）多點(diǎn)觸控觸摸屏操作，屏幕自帶配件維修手冊(cè)及維修保養(yǎng)記錄；

（6）一二級(jí)保養(yǎng)及潤(rùn)滑到期提示；

（7）強(qiáng)大的報(bào)表輸出功能，可自動(dòng)采集產(chǎn)量、質(zhì)量、能耗、磨具消耗、配件消耗、維修保養(yǎng)記錄、設(shè)備利用率，并自動(dòng)上傳至上位機(jī)，簡(jiǎn)化工廠生產(chǎn)管理及統(tǒng)計(jì)工作；

（8） 開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)接口，可輸出數(shù)據(jù)至工廠的ERP管理系統(tǒng)；

（9）遠(yuǎn)程監(jiān)控及操作屏幕同步功能，無(wú)需下車間，生產(chǎn)狀況了如指掌。

4 結(jié)論與展望

讓陶瓷企業(yè)使用的不再是一臺(tái)簡(jiǎn)易的磨邊倒角機(jī)，而是一臺(tái)高精度的數(shù)控磨邊倒角機(jī)及一套先進(jìn)制造企業(yè)的管理模式。我們所輸出的不再單純是設(shè)備，還包括我們多年的管理經(jīng)驗(yàn)和思維模式。希望本文能夠?yàn)樘沾蓸I(yè)智能制造提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 顧軒， 何問(wèn)慎， 陸倩映，等. 陶瓷磚平整度檢測(cè)系統(tǒng)的研究[J]. 佛山陶瓷， 2016， 26（5）：42-45.

[2] 易紅. 數(shù)控技術(shù)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社， 2005.

[4] 烏爾里?！ど吕眨?森德勒， 鄧敏，等. 工業(yè)4.0：即將來(lái)襲的第四次工業(yè)革命[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社， 2014.

[5] 郭其一， 黃世澤， 薛吉，等. 現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用[M]. 科學(xué)出版社， 2016.

[6] 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì). “數(shù)控一代”案例集[M]. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社， 2015.