基于同步跟隨技術(shù)的全自動(dòng)玻璃加工單元控制系統(tǒng)開發(fā)

張順林 王平江1， 陳志鋒 柯榕彬

（1、華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074 2、泉州華中科技大學(xué)智能制造研究院，福建 泉州 362000）

我國2018 年在長三角地區(qū)建立國內(nèi)最大5G 外場(chǎng)技術(shù)試驗(yàn)網(wǎng)，2019 年率先開始商用，2020 年成為國內(nèi)首批商用地區(qū)之一。國家發(fā)改委此前批準(zhǔn)了中國聯(lián)通在北京、天津、青島、貴陽等12 個(gè)城市試點(diǎn)建設(shè)5G 網(wǎng)絡(luò)，多個(gè)手機(jī)品牌也推出了5G 手機(jī)。

在5G 手機(jī)中玻璃既是功能材料，也是裝飾材料，從前蓋板、觸摸屏、顯示器到后蓋板，玻璃均是合適的材料。以后蓋為例，金屬材料對(duì)5G 高頻天線有明顯的吸收，5G 手機(jī)的后蓋不能采用金屬材料，而玻璃對(duì)電磁信號(hào)可順利傳輸，因此玻璃是5G 手機(jī)后蓋較理想的材料[1]，如圖1。

圖1 玻璃機(jī)雙工位加工示意圖

我國以5G 手機(jī)為典型代表的3C 電子產(chǎn)業(yè)巨大，近年來，視頻、移動(dòng)和無線等新技術(shù)以及通訊、電腦與消費(fèi)電子融合的發(fā)展趨勢(shì)，促使包括智能手機(jī)、平板電腦等在內(nèi)的新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，3C 電子產(chǎn)業(yè)新興領(lǐng)域快速成長，整體產(chǎn)業(yè)始終保持活躍，銷售額連年保持兩位數(shù)的持續(xù)高速增長。這一趨勢(shì)引發(fā)了3C電子產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)對(duì)3C 數(shù)控機(jī)床需求爆發(fā)式增長，整個(gè)行業(yè)處在快速擴(kuò)張階段[2]。

在3C 產(chǎn)品配件加工領(lǐng)域，數(shù)控機(jī)床的普及程度已經(jīng)非常高，而且數(shù)控機(jī)床的數(shù)量也較多，但數(shù)控機(jī)床的上下料工作大部分仍然是由人工來完成，該環(huán)節(jié)導(dǎo)致出現(xiàn)大量的用工；只有部分企業(yè)采用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行上下料，通過一臺(tái)機(jī)器人、料倉儲(chǔ)運(yùn)單元、導(dǎo)軌移動(dòng)單元或AGV 與若干臺(tái)數(shù)控機(jī)床組合成自動(dòng)化生產(chǎn)線[3-4]，但該方案投資成本相對(duì)較大，且整線換款調(diào)試較為復(fù)雜。

本文針對(duì)3C 產(chǎn)品玻璃結(jié)構(gòu)件全自動(dòng)加工需求，通過對(duì)通道并行控制技術(shù)和通道間協(xié)同控制技術(shù)的研究，解決系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，開發(fā)通用的系統(tǒng)集成功能模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)控NC 加工單元（玻璃機(jī)）與自動(dòng)上下料單元的控制系統(tǒng)集成，提高玻璃加工效率。

1 全自動(dòng)玻璃加工單元加工工藝

全自動(dòng)玻璃加工單元主要包括玻璃NC 加工單元和自動(dòng)上下料單元。其中玻璃NC 加工單元主要完成玻璃板的銑邊、開孔、銑曲面等工序，典型的玻璃NC 加工單元為龍門式結(jié)構(gòu)，有X、Y、Z 三個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，其中X 軸為加工主軸頭沿龍門橫梁的水平方向運(yùn)動(dòng)軸，Y 軸為機(jī)床工作臺(tái)前后方向的運(yùn)動(dòng)軸，Z 軸為加工主軸頭豎直上下方向的運(yùn)動(dòng)軸。

自動(dòng)上下料單元主要完成玻璃毛坯板的上料、加工后玻璃板的下料并裝入專用料架，典型的上下料機(jī)構(gòu)采用桁架機(jī)械手，有X1、X2、Y1、Z1 四個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，其中X1、X2 軸為水平方向運(yùn)動(dòng)的主臂和副臂，與玻璃機(jī)X 軸方向平行，Y1 軸為桁架機(jī)械手前后方向運(yùn)動(dòng)軸，與玻璃機(jī)Y 軸方向平行，Z1 軸為桁架機(jī)械手豎直上下方向的運(yùn)動(dòng)軸，全自動(dòng)玻璃加工單元結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

為盡量縮減因上下料工序?qū)е碌牟ＡC(jī)停機(jī)等待時(shí)間，玻璃機(jī)工作臺(tái)上安裝兩套玻璃板裝夾夾具，作為兩個(gè)工位，如圖3所示，兩個(gè)工位輪流作為加工工位和備料工位，實(shí)現(xiàn)不停機(jī)連續(xù)加工，提高機(jī)床稼動(dòng)率，提升生產(chǎn)效率。

在連續(xù)加工過程中，工作臺(tái)停頓（加工玻璃板短邊時(shí)工作臺(tái)停止）的時(shí)間非常短，機(jī)械手無法在工作臺(tái)靜止時(shí)間內(nèi)完成玻璃板的上、下料，如圖4 所示，因此上下料機(jī)械手的一個(gè)伺服軸（Y1 軸）要與工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)軸（Y 軸）保持同步，實(shí)現(xiàn)上下料機(jī)械手吸盤與玻璃機(jī)工作臺(tái)的相對(duì)靜止，在玻璃機(jī)加工過程中完成對(duì)備料工位的上、下料動(dòng)作流程。

圖4 典型玻璃板加工軌跡示意圖

2 全自動(dòng)玻璃加工單元關(guān)鍵技術(shù)

基于通道并行控制的技術(shù)方案，一個(gè)通道作為玻璃NC 加工單元控制系統(tǒng)，另一個(gè)通道作為上下料機(jī)械手單元控制系統(tǒng)，全自動(dòng)玻璃加工單元集成控制系統(tǒng)配置如圖5 所示。

圖5 全自動(dòng)玻璃加工單元集成控制系統(tǒng)配置

為實(shí)現(xiàn)在玻璃NC 加工單元不停機(jī)的狀態(tài)下，完成備料工位的上、下料動(dòng)作，關(guān)鍵點(diǎn)在于上下料機(jī)械手單元的一個(gè)軸要實(shí)現(xiàn)與玻璃NC 加工單元一個(gè)軸的同步，實(shí)現(xiàn)上下料機(jī)械手吸盤與玻璃機(jī)工作臺(tái)的相對(duì)靜止，完成上、下料動(dòng)作流程。本文結(jié)合通道間同步技術(shù)和數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)疊加模塊的開發(fā)，提出了一種“先同步、再跟隨”的雙軸同步跟隨控制方案。

華中8 型數(shù)控系統(tǒng)提供的二次開發(fā)平臺(tái)，其中1msinterface接口函數(shù)功能：以邏輯軸軸指令增量作為對(duì)象，通過axse.c 文件在1ms 時(shí)間內(nèi)把插補(bǔ)器中1ms 周期內(nèi)所有已配置的邏輯軸的指令增量，采用軸號(hào)增加的方式，依次調(diào)用1msinterface 接口，將系統(tǒng)中已配置的邏輯軸的增量傳遞給1msinterface 接口，用戶即可根據(jù)使用的實(shí)際情形，記錄或者修改該邏輯軸所對(duì)應(yīng)的指令增量。該接口函數(shù)調(diào)用狀態(tài)機(jī)圖如圖6 所示，該功能的開啟可通過M代碼實(shí)現(xiàn)。

圖6 1msinterface 接口函數(shù)調(diào)用狀態(tài)機(jī)圖

本方案中，以玻璃NC 加工單元的Y 軸為主動(dòng)軸，以上下料機(jī)械手單元的Y1 軸為從動(dòng)軸，通過1msinterface 接口函數(shù)，實(shí)時(shí)查詢主動(dòng)軸當(dāng)前插補(bǔ)周期指令增量，并將其疊加到從動(dòng)軸當(dāng)前插補(bǔ)周期指令增量中，從而實(shí)現(xiàn)主、從動(dòng)軸的同步，然后通過比較開啟同步功能第1 個(gè)插補(bǔ)周期時(shí)刻主、從動(dòng)軸的實(shí)際位置，確定從動(dòng)軸的跟隨位移，實(shí)現(xiàn)從動(dòng)軸對(duì)主動(dòng)軸的跟隨，該同步跟隨功能模塊控制流程如圖7 所示。

圖7 雙軸自動(dòng)同步跟隨功能模塊控制流程

3 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

針對(duì)玻璃NC 加工和自動(dòng)上下料集成控制的需求，采用“華中8 型”數(shù)控系統(tǒng)雙通道方案，對(duì)玻璃NC 加工單元和上下料機(jī)械手單元進(jìn)行集成控制，控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖8 所示。

圖8 全自動(dòng)玻璃加工單元控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)

基于數(shù)控系統(tǒng)提供的二次開發(fā)平臺(tái)，在1msinterface 接口函數(shù)中實(shí)現(xiàn)主、從動(dòng)軸的同步，通過數(shù)控系統(tǒng)G 代碼程序、M代碼和PLC 程序[5]的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)上下料機(jī)械手單元從動(dòng)軸（Y1 軸）對(duì)玻璃NC 加工單元主動(dòng)軸（Y 軸）的同步，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了上下料機(jī)械手吸盤與玻璃機(jī)工作臺(tái)的相對(duì)靜止，完成玻璃機(jī)不停機(jī)自動(dòng)上下料。

按照主、從軸實(shí)現(xiàn)同步的方案不同，本文提出兩種同步方案，方案一是采取玻璃NC 加工單元主動(dòng)軸（Y 軸）運(yùn)行到設(shè)定位置等待，上下料機(jī)械手單元從動(dòng)軸（Y1 軸）從固定位置開始執(zhí)行與主動(dòng)軸的同步，完成上、下料動(dòng)作流程后，從設(shè)定位置退出與主動(dòng)軸的同步。數(shù)控系統(tǒng)雙通道G代碼程序、PLC 程序設(shè)計(jì)如圖9 所示。該方案需要對(duì)玻璃NC 加工單元原G 代碼程序作修改，在原G 代碼程序中添加M代碼，設(shè)定運(yùn)行等待點(diǎn)，通過通道間協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)主、從軸的同步。

圖9 同步方案一控制系統(tǒng)雙通道G 代碼、PLC 程序圖

該方案控制簡單可靠，上下料機(jī)械手單元相對(duì)于玻璃NC 加工單元的運(yùn)行軌跡固定，但NC加工單元、上下料機(jī)械手單元節(jié)拍匹配較為麻煩，節(jié)拍調(diào)試難度較大，上下料意外處理較復(fù)雜；且需要改動(dòng)玻璃NC 加工單元的G 代碼程序，終端客戶接受度較差。

針對(duì)方案一存在的問題，本文提出了方案二，該方案通過數(shù)控系統(tǒng)G 代碼程序、M代碼和PLC 程序的合理設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)上下料機(jī)械手單元從動(dòng)軸（Y1 軸）對(duì)玻璃NC 加工單元主動(dòng)軸（Y軸）的先同步，再跟隨，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了上下料機(jī)械手吸盤與玻璃機(jī)工作臺(tái)的相對(duì)靜止，完成玻璃機(jī)不停機(jī)自動(dòng)上下料。本方案可以由玻璃NC 加工單元通道在任意時(shí)刻開啟同步，從開啟同步的時(shí)刻起，上下料機(jī)械手單元從動(dòng)軸（Y1 軸）開始疊加玻璃NC加工單元主動(dòng)軸（Y 軸）的運(yùn)動(dòng)，主、從軸開始實(shí)現(xiàn)同步，與此同時(shí)，通過獲取玻璃NC 加工單元主動(dòng)軸Y 軸此刻實(shí)際位置，確定上下料機(jī)械手單元從動(dòng)軸Y1 軸的跟隨位移，完成跟隨后，上下料機(jī)械手單元從動(dòng)軸（Y1 軸）即到達(dá)設(shè)定上、下料位置，且與玻璃NC 加工單元主動(dòng)軸（Y 軸）保持同步，完成上、下料動(dòng)作流程后，從設(shè)定的安全位置退出與主動(dòng)軸的同步。數(shù)控系統(tǒng)雙通道G代碼程序、PLC 程序設(shè)計(jì)如圖10 所示。

方案二采用“先同步、再追隨”的方案，實(shí)現(xiàn)在任意時(shí)刻、任意位置，上下料機(jī)械手單元從動(dòng)軸（Y1 軸）對(duì)玻璃NC 加工單元主動(dòng)軸（Y 軸）的實(shí)時(shí)、自動(dòng)跟隨，省去同步跟隨節(jié)拍匹配的問題，相較于方案一，同步跟隨功能的靈活性有較大程度的提高，且無需修改玻璃NC 加工單元通道G 代碼程序，終端客戶操作也較為簡單。

本文中，結(jié)合圖11、圖12，對(duì)自動(dòng)同步跟隨功能進(jìn)行詳細(xì)說明，圖11 為主、從動(dòng)軸同步跟隨位置示意圖，圖12 為主、從動(dòng)軸同步跟隨測(cè)試數(shù)據(jù)分析圖，由數(shù)控系統(tǒng)配套測(cè)試軟件SSTT 采集、處理[6]。自動(dòng)同步跟隨功能由M代碼M65 開啟，此時(shí)為同步起點(diǎn)，此刻起從動(dòng)軸Y1 軸即開始疊加主動(dòng)軸Y 軸的運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)，通過獲取主動(dòng)軸Y 軸此刻實(shí)際位置，確定從動(dòng)軸Y1 軸的跟隨位移，完成跟隨后，上下料機(jī)械手吸盤運(yùn)動(dòng)至工位1 同步點(diǎn)1（P11 點(diǎn)），然后上下料機(jī)械手吸盤運(yùn)動(dòng)至工位1 同步點(diǎn)2（P12 點(diǎn)），即開始取件/放料動(dòng)作，完成后回退至工位1 同步點(diǎn)1（P11 點(diǎn)），上下料機(jī)械手吸盤運(yùn)動(dòng)至安全無干涉位置，最后由M 代碼M66 關(guān)閉同步跟隨功能，上下料機(jī)械手運(yùn)動(dòng)至待機(jī)位置，完成取件/放料動(dòng)作子程序。工位2 取件/放料動(dòng)作流程類似，在此不在贅述。

圖11 主、從動(dòng)軸同步跟隨位置示意圖

圖12 主、從動(dòng)軸同步跟隨測(cè)試數(shù)據(jù)分析圖

4 結(jié)論

本文面向3C 產(chǎn)品玻璃結(jié)構(gòu)件全自動(dòng)加工需求，通過對(duì)通道并行控制技術(shù)和通道間協(xié)同控制技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)NC 加工單元與自動(dòng)上下料單元的控制系統(tǒng)集成，主要工作和結(jié)論總結(jié)如下：

4.1 結(jié)合“華中8 型”數(shù)控系統(tǒng)多軸多通道的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，采用數(shù)控系統(tǒng)雙通道方案對(duì)玻璃NC 加工單元和上下料機(jī)械手單元進(jìn)行集成控制。

4.2 基于數(shù)控系統(tǒng)提供的二次開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)控制通道兩軸的同步，通過數(shù)控系統(tǒng)G 代碼程序、M代碼和PLC 程序的合理設(shè)計(jì)，完成數(shù)控系統(tǒng)通道間信息的實(shí)時(shí)交互，實(shí)現(xiàn)上下料機(jī)械手一個(gè)伺服軸對(duì)玻璃NC 加工通道一個(gè)伺服軸的“先同步，再跟隨”，完成玻璃機(jī)不停機(jī)（暫停）自動(dòng)上下料的控制方案。

4.3 本文針對(duì)自動(dòng)上下料機(jī)械手對(duì)NC 加工單元同步跟隨并取放料的需求，提出了一種“先同步、再跟隨”的雙軸協(xié)同控制方案，可在任意時(shí)刻、任意位置，實(shí)現(xiàn)上下料機(jī)械手對(duì)NC 加工單元的自動(dòng)同步跟隨。實(shí)踐證明，該集成控制方案可適用于“機(jī)床NC 加工+自動(dòng)上下料”這一類型的應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床連續(xù)加工，提高機(jī)床稼動(dòng)率。