陶瓷磚（石材）數(shù)控智能磨邊倒角機系統(tǒng)的研究

詹新平

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

關(guān)健詞：智能；數(shù)控；高精度；集自動化；能效管理

1 引言

自陶瓷深加工機械在上世紀(jì)80年代末90年代初出現(xiàn)以來，意大利等憑借在基礎(chǔ)材料、設(shè)計方法、控制技術(shù)等方面的優(yōu)勢，多年來一直在設(shè)計制造方面處于領(lǐng)先水平，特別是在高檔機型方面占有優(yōu)勢。以BMR、ANCORA、BRETON為代表的國際陶瓷深加工機械制造商領(lǐng)先技術(shù)的潮流，能實現(xiàn)數(shù)控精準(zhǔn)自動化調(diào)節(jié)。

上世紀(jì)80年代末90年代初，由科達(dá)潔能研發(fā)出國產(chǎn)第一臺陶瓷磨邊倒角機，形成國產(chǎn)陶瓷深加工機械，一直處在穩(wěn)步發(fā)展階段，經(jīng)過多年發(fā)展，國內(nèi)機型種類齊全，技術(shù)水平可以滿足多數(shù)應(yīng)用場合，陶瓷深加工機械產(chǎn)量居世界第一。但受各種因素影響，陶瓷深加工機械裝備的數(shù)控智能化應(yīng)用方面發(fā)展比較慢。在公司的支持下，筆者所在的團隊從2015年就開始了數(shù)控智能磨邊倒角機的研究與開發(fā)，2016年6月第1臺數(shù)控智能磨邊倒角機交付給客戶并獲得好評，同年年底實現(xiàn)了批量訂單。

2 系統(tǒng)的設(shè)計及控制原理

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

2.1設(shè)計思路

現(xiàn)有普通磨邊倒角機存在以下幾個缺點。（1）磨邊頭進給采用手動調(diào)節(jié)進給。缺點：進給不方便，進給量無法保證，磨邊輪的消耗無法顯示需要不斷打開水罩檢查，操作人員勞動強大。（2）磨邊機的推磚裝置中推磚爪采用手動調(diào)節(jié)。缺點：調(diào)節(jié)不方便及運行調(diào)節(jié)時存在很大安全事故；對控制瓷磚（石材）產(chǎn)品對角線誤差需返復(fù)多次調(diào)節(jié)才能完成，操作人員勞動強大。（3）磨邊機的主傳動裝置采用單異步電機變頻器驅(qū)動，4條輸送同步帶采用機械軸同步。缺點：機械軸容易出現(xiàn)磨損傳動鍵，造成加工的產(chǎn)品出現(xiàn)對角線超差；更換4條輸同步帶非常不方便耗時長，操作人員勞動強大。（4）磨邊機的橫梁調(diào)節(jié)采用手動調(diào)節(jié)或電動調(diào)節(jié)。缺點：手動調(diào)節(jié)需要操作人員返復(fù)用尺測量檢測；電動調(diào)節(jié)不能自動按設(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加工600 mm × 600 mm陶瓷磚對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。

針對上述缺點，本團隊研發(fā)了全新的數(shù)控智能磨邊倒角機，600 mm × 600 mm陶瓷磚對角線誤差能控制在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)控智能磨邊倒角機的機械部分主要由以下幾個部件組成：1）雙壓帶輸送皮帶采用2臺伺服電機驅(qū)動，負(fù)責(zé)陶瓷磚的輸送的部件；2）數(shù)字進給磨邊磨頭，配有位置檢測傳感器和進給驅(qū)動電機，安裝磨具對被加工件周邊進行磨削的部件；3）數(shù)控推磚爪裝置，配有伺服電機的推磚爪，通過數(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)控智能磨邊倒角機的電控部分采用高性能PLC對上述圖2數(shù)字控制的4個機械部件進行集成控制實現(xiàn)數(shù)控和自動化控制，而上位機中磨邊倒角機的管理軟件對產(chǎn)量、能耗、磨具消耗、維修保養(yǎng)進行統(tǒng)計并生成各種報表。

2.2系統(tǒng)的具體設(shè)計

2.2.1數(shù)控智能磨邊倒角機開發(fā)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

設(shè)計先進的智能數(shù)字控制策略，以高速的數(shù)據(jù)采樣、處理和輸出周期，使磨邊倒角機主傳動、橫梁調(diào)節(jié)、推磚動作、磨邊頭進給速度快、精度高、動作更進一步柔和的目標(biāo)。

2.2.2詳細(xì)的技術(shù)路線

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

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

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

（2）伺服驅(qū)動磨邊倒角機的橫梁運動電控系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。

傳統(tǒng)的陶瓷磨邊倒角機橫梁控制，采用普通PLC高數(shù)計數(shù)編碼器輸入檢測橫梁位移，交流變頻器+交流異步電機驅(qū)動普通絲桿，由于普通絲桿間隙、異步電機轉(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橫梁運動控制系統(tǒng)的動靜態(tài)特性，針對伺服驅(qū)動器+伺服電機驅(qū)動滾珠絲桿，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)計先進的智能控制策略。

（3）伺服驅(qū)動磨邊倒角機的推磚機構(gòu)運動電控系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。

傳統(tǒng)的陶瓷磨邊倒角機推磚控制，采用普通PLC高數(shù)計數(shù)編碼器輸入檢測推磚位移，交流變頻器+交流異步電機驅(qū)動推磚機構(gòu)由于異步電機轉(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)針對伺服驅(qū)動器+伺服電機驅(qū)動推磚機構(gòu)，以及高速定位模塊等，構(gòu)成推磚機構(gòu)的電控系統(tǒng)硬件部分，設(shè)計先進的智能控制策略。

（4）磨邊倒角機的磨邊頭進給電控系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。

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

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

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

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

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖4。

（1）辦公室上位機安裝有智能磨邊機信息管理軟件；

（2）車間由兩臺或多臺數(shù)控磨邊主機組成，通過局域工業(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局域網(wǎng)絡(luò)中；

（3）上位機與車間主機通過交換機、網(wǎng)線連接。

2.4軟件設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

2.4.1高性能PLC控制軟件設(shè)計

（1）設(shè)計2軸同步控制算法，實現(xiàn)兩側(cè)伺服電機傳動同步運行；

（2）通過陶瓷磚尺寸檢測儀傳送到PLC的陶瓷磚對角線誤差數(shù)據(jù)，設(shè)計推磚爪自動補償算法，實現(xiàn)陶瓷磚對角線誤差值自動調(diào)節(jié)；

（3）通過每個磨邊頭位置傳感器、磨邊頭負(fù)載電流檢測傳送到PLC的值，設(shè)計磨邊頭自動進給、磨輪消耗自動補償算法，實現(xiàn)磨邊倒角機的磨邊頭進給量自動調(diào)節(jié)；

（4）磨邊倒角機的保養(yǎng)軟件設(shè)計，在人機界面（HMI）設(shè)計有磨邊倒角機各部件潤滑周期設(shè)定、潤滑時間倒計時功能，潤滑周期到時自動彈出提示及報警；

（5）通過智能電能表測量整機負(fù)載電流值、用電量傳送到PLC，結(jié)合產(chǎn)量計算出單位平方米用電量。見圖5。

2.4.2智能化軟件設(shè)計

上位機軟件主要研發(fā)方向能效管理、設(shè)備保養(yǎng)到期提示、自動生成生產(chǎn)報表。

（1）上位機軟件詳細(xì)技術(shù)特點：

1）開發(fā)平臺：基于SOA架構(gòu)，微軟 Dot Net 框架；

2）開發(fā)語言：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：SQL Server 2008；

5）軟件運行平臺：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)倉庫、API技術(shù)、Web Service技術(shù)等；

7）數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)： OLAP（聯(lián)機分析處理） 、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、堆積趨勢圖、報表等。

（2）能效管理方法主要三方面，如下圖6。

注：能耗降低主要通過兩方面：

1）通過自動化實現(xiàn)的主動能效管理；

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）磨邊頭磨輪自動進給數(shù)字控制技術(shù)；

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

（4）磨邊頭磨輪磨損自動補償控制技術(shù)；

（5）能效評估，幫助實現(xiàn)并評估能效測量；

（6）能源產(chǎn)量展示，報表、web發(fā)布、移動端的APP。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)及使用效果

3.1經(jīng)濟、社會、環(huán)境效益

陶瓷磨邊倒角機是陶瓷深加工機械裝備中的重要設(shè)備，數(shù)控智能控制系統(tǒng)成功應(yīng)用于陶瓷深加工機械裝備中，為陶瓷深加工提高生產(chǎn)效益、降低勞動強度以及改善產(chǎn)業(yè)工人的工作環(huán)境，提供了陶瓷機械的“智能制造”解決方案。增加陶瓷深加工機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，降低操作人員勞動強度；

（2）降低操作人員勞動技能要求，無經(jīng)驗人員經(jīng)培訓(xùn)3小時即可操作；

（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）磨邊輪進給及推磚爪調(diào)整精確至0.01 mm；

（5）多點觸控觸摸屏操作，屏幕自帶配件維修手冊及維修保養(yǎng)記錄；

（6）一二級保養(yǎng)及潤滑到期提示；

（7）強大的報表輸出功能，可自動采集產(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，并自動上傳至上位機，簡化工廠生產(chǎn)管理及統(tǒng)計工作；

（8） 開放的標(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)使用的不再是一臺簡易的磨邊倒角機，而是一臺高精度的數(shù)控磨邊倒角機及一套先進制造企業(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)驗和思維模式。希望本文能夠為陶瓷業(yè)智能制造提供參考。

參考文獻(xiàn)

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

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

[4] 烏爾里希·森德勒， 森德勒， 鄧敏，等. 工業(yè)4.0：即將來襲的第四次工業(yè)革命[M]. 機械工業(yè)出版社， 2014.

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

[6] 中國機械工程學(xué)會. “數(shù)控一代”案例集[M]. 中國科學(xué)技術(shù)出版社， 2015.