基于PLC的玻璃磨邊開孔工作站控制系統(tǒng)設計

林鎮(zhèn)周，姜建芳

(1.廈門大學嘉庚學院， 漢印電子先進打印技術創(chuàng)新實驗室， 福建漳州 363105;2.廈門大學嘉庚學院機電工程學院， 福建漳州 363105)

0 前言

玻璃具有化學性能穩(wěn)定、透光性好、質量輕等優(yōu)點，廣泛應用于建筑、家居裝修、汽車玻璃等領域。其中，玻璃墻幕對建筑物起到很好的裝飾與圍護作用，深受建筑師與用戶的喜愛。然而對于幕墻安裝，無論是點支承或框支承，都可能會因安裝接觸點或面受力不均而造成破損。玻璃邊緣倒角磨邊處理能有效降低玻璃破損的風險[1]。目前玻璃切割、鋼化、曲面成型等工序已部分實現(xiàn)機械化，但玻璃的鉆孔與磨邊工藝涉及的工況復雜，傳統(tǒng)的玻璃鉆孔磨邊工序大多采用人工上下料、手工劃線定位，以至于多孔加工時存在各孔之間中心距誤差大、生產(chǎn)效率低且工人勞動強度大的問題。因此，國內學者對玻璃切割、磨邊、鉆孔等工藝與自動化加工進行了大量的研究。朱劍、周晶等人[2-3]提出玻璃定位切割的相關方法，設計了玻璃切割控制系統(tǒng)。王生、許宏海、王再英等[4-6]分別對玻璃磨邊的切削工藝進行研究，并通過正交試驗驗證砂帶或砂輪磨削壓力與線速度對磨邊粗糙度的影響。樂建波等[7]對磨邊工作過程進行砂輪動力學分析，為數(shù)控磨邊機設計提供了理論依據(jù)。杜建銘、鄧君裕、陳淵等人[8-10]為有效提高數(shù)控磨邊精度與可靠性，引入插補算法與補償算法。劉小臣、王欣欣、魏海波等[11-13]研究鉆孔控制方式與支撐結構，提高鉆孔效率和質量。高萬里和陳濤[14]為改善玻璃磨邊鉆孔精度與自動化程度，設計了自動磨邊鉆孔加工單元，但其加工種類規(guī)格局限。

當前全球制造業(yè)發(fā)生深層次的變化，制造業(yè)再次成為全球競爭的焦點。我國正值制造業(yè)轉型升級的關鍵階段，提出了“中國制造2025”，現(xiàn)有制造設備的自動化與智能化亟待改造升級[15]。本文作者綜合以上學者的設計理念，將PLC自動化技術與柔性制造生產(chǎn)技術應用于玻璃磨邊開孔加工，設計一套基于PLC的玻璃磨邊開孔工作站控制系統(tǒng)。

1 設備構成與工藝流程

玻璃磨邊開孔工作站結構示意如圖1所示，主要由機械手、主軸電機、輸送機、升降傳動吸盤、氣動對位卡爪等模塊組成。

機械手采用龍門式桁架機械手。這類機械手特別適合于多品類、批量化的制造作業(yè)，具有較高的定位精度，能保持產(chǎn)品重復加工的一致性，以有效提高工作效率[8-12]。在磨邊鉆孔工作站中，實現(xiàn)對主軸電機的鉆孔定位與異形磨邊運動控制。

輸送機采用雙列頭部驅動方式，由控速馬達、減速器、同步帶以及光電傳感器構成，確保加工站中玻璃的平穩(wěn)傳送。

玻璃鉆孔與磨邊的具體工藝流程[1-14]：

(1)玻璃成型后經(jīng)流水線送至磨邊鉆孔工位，由工位輸送機進一步將玻璃送到待加工位置；繼而系統(tǒng)采用直角定位塊定位法，利用氣動卡爪將玻璃其中一角推至直角定位塊即坐標零點O進行定位，而后利用氣動吸盤將玻璃吸住，抬高以等待加工；

(2)PLC控制器根據(jù)HMI人機交互界面設定的邊處理工藝和角處理工藝、開孔坐標以及玻璃邊框磨邊尺寸進行路徑規(guī)劃計算；

(3)規(guī)劃完成后開啟主軸電機鉆頭，同時控制X、Y兩軸伺服電機移動鉆頭至目標位置，通過Z軸直線模組的慢速進給運動實現(xiàn)開孔工序；

(4)完成鉆孔后，對玻璃邊緣進行磨邊處理；

(5)系統(tǒng)在完成磨邊處理工藝后，移動X、Y兩軸直線導軌至原點O且停止主軸電機，松開氣動吸盤，將玻璃推送到下一道工序。

2 系統(tǒng)硬件設計

玻璃磨邊開孔工作站的控制系統(tǒng)主要由可編程邏輯控制器PLC、觸摸屏、機械手、位置檢測傳感器、限位開關、氣動系統(tǒng)等組成。其控制系統(tǒng)的總體設計框圖如圖2所示。龍門式機械手是該工作站控制系統(tǒng)的重要執(zhí)行機構，X、Y、Z軸均采用伺服線性模組拖動滾珠絲桿。觸摸屏主要實現(xiàn)人機信息交互，通過觸摸屏實現(xiàn)磨邊鉆孔系統(tǒng)的各項工藝參數(shù)設定、故障診斷、歷史數(shù)據(jù)查詢[16-17]。

2.1 系統(tǒng)硬件選型

核心控制器選用合信自動化CO-TRUST 226H CPU，集成2個PPI通信接口；機身帶有10路數(shù)字量輸出DO(晶體管漏型)，其中有4軸運動控制輸出，每軸含脈沖與方向輸出(Pulse/Dir)，頻率可達200 kHz，還含有14路數(shù)字量輸入。該控制器支持運動控制指令，可以通過調用motion_ctrl_lib功能塊實現(xiàn)任意兩軸的直線插補和圓弧插補，同時支持線性加減速控制。在玻璃磨邊加工時，功能塊能很好地實現(xiàn)復雜的插補運動，保證加工精度且簡化運動控制程序。為滿足控制端口需求，系統(tǒng)擴展了數(shù)字量模塊EM223，同時增加了模擬量輸出模塊EM232用于主軸電機變頻器模擬量調速。

運動執(zhí)行機構選用螺桿型直交機械手，型號為XYMH876-G1。該機械手價格比多關節(jié)機械手低廉，并且能有效減少機械振動或形變。具體參數(shù)：X軸最大行程1 250 mm，電機功率750 W，型號為三菱HG-KN73J-S100，配套伺服放大器MR-JE-70A；Y軸最大行程600 mm，Z軸最大行程250 mm。Y軸和Z軸電機功率均為400 W，型號為三菱HG-KN43J-S100，配套伺服放大器MR-JE-40A。

主軸電機選型中非常重要的一項技術參數(shù)是動平衡要達到一定的標準。此外還需綜合轉速、扭矩和錐面跳動等參數(shù)，其中錐面跳動不能超過1 μm。設計中采用德國ISEL主軸電機ISA 2200，配套艾默生變頻驅動器SKC1500。

2.2 PLC控制器電氣設計

根據(jù)以上工作站的工藝需求，系統(tǒng)的信號輸入與輸出信號主要分為3個部分：(1)數(shù)字信號輸入：各個伺服模組的原點、限位信號；設備運行、停止和手動/自動信號；設備復位與氣體壓力檢測信號；(2)數(shù)字量輸出：分為伺服電機的脈沖控速與方向信號；輸送帶減速電機的啟?？刂疲蝗较驓鈩与姶砰y控制；變頻器的啟動、復位信號；設備運行、故障指示信號；(3)模擬量輸出：主軸電機的調速控制[18]。故PLC系統(tǒng)的I/O地址分配如表1所示。

表1 PLC系統(tǒng)的I/O地址分配

綜上所述，PLC數(shù)字信號I/O接線原理如圖3所示,伺服模組接線如圖4所示(以X軸為例)。

3 控制系統(tǒng)的軟件設計

控制系統(tǒng)軟件設計主要分為S7-226H運動控制程序設計和上位機觸摸屏界面程序設計。

3.1 控制程序設計

下位機控制器CTSC-226H使用MagicWorks PLC編程軟件進行硬件組態(tài)與程序編寫。

系統(tǒng)上電后，首先對各傳感器和執(zhí)行機構進行自檢與初始化。進入主程序后開始對運行模式進行掃描，以確定是手/自動運行模式。其中，手動模式主要用于設備調試與故障檢修，可對機械手、氣動卡爪、吸盤等執(zhí)行機構單獨進行啟?；螯c動控制。在自動運行模式時，系統(tǒng)不斷對玻璃加工件進行指定工位檢測，當工件到位后PLC將輸出控制信號啟動對位卡爪A、B讓玻璃移動至工位坐標原點O，而后升降氣動吸盤將玻璃緊貼固定并提升加工件，等待系統(tǒng)確認加工命令。當工作人員核實無誤后按下確認按鈕，設備開始按照觸摸屏上設定好的參數(shù)與規(guī)劃路徑開始對玻璃進行加工，直至任務完成。PLC的控制流程如圖5所示。

3.2 機械手回零程序設計

為確保系統(tǒng)實現(xiàn)精準位置運動控制，在工作前，需對機械手進行系統(tǒng)坐標位置歸零，即回原。機械手各直線模組上均安裝有零點開關SQhoming、最小行程限位開關 SQmin和最大行程限位開關SQmax。開關類型均為光電NPN型，信號電平為高有效。當各軸進行回零時，滑塊先快速向零點O′歸位，然后再反方向移動10 mm，最終以較慢的原點搜索速度回零。完整回零過程如圖6所示。

CTSC-226H支持14種回原模式，設計人員可根據(jù)實際應用場合與各自對精度的要求進行選擇。14種回原模式說明如表2所示。

表2 回原模式說明

在該工作站中機械手各軸均采用只參考負向原點開關的原點模式，即回原模式3。主程序調用MC_HOMING回原函數(shù)(功能FC3)實現(xiàn)對機械手回原運動控制。該功能函數(shù)涉及13個輸入控制參數(shù)設定，具體控制程序如圖7所示。

3.3 圓弧插補程序設計

在玻璃外邊緣拐角處理工藝設為圓角或安全角工藝時，系統(tǒng)需要進行圓弧插補運動控制。所謂的圓弧插補就是從當前位置開始，根據(jù)所指定的圓心、終點位置、圓弧半徑(正數(shù)或負數(shù))及插補的方向(按順時針或逆時針)來進行運動中間點坐標的密集化處理工作[20]。圓弧插補程序如圖8所示。

3.4 觸摸屏程序設計

觸摸屏采用西門子 Wincc Flexible 2008進行開發(fā)，通過在組態(tài)頁面上添加不同圖形控件實現(xiàn)控制過程可視化、參數(shù)設置管理、過程變量歸檔記錄或報警等功能[19]。在多畫面設計完成后，由PPI通信電纜將畫面程序下載至觸摸屏MP277中。玻璃開孔磨邊一體機設有開機畫面、四孔鉆磨、六孔鉆磨、自定義鉆磨、系統(tǒng)設置、故障診斷以及歷史數(shù)據(jù)7個操作界面。

3.4.1 開機畫面

工作站上電以后，觸摸屏進入用戶登錄開機界面，用戶需輸入正確的用戶名與密碼完成登錄，才能對工作站進行操控。開機畫面如圖9所示。

3.4.2 四孔磨邊鉆孔界面

四孔磨邊鉆孔界面如圖10所示，用于對加工玻璃進行對稱四孔鉆取與磨邊的參數(shù)設定。畫面中設有加工玻璃的外形規(guī)格尺寸和鉆孔定位坐標的參數(shù)設定項。在處理工藝方面,系統(tǒng)設有直邊、圓邊、鴨嘴邊3種可選邊處理工藝，以及直角、安全角、圓角、切角4種可選角處理工藝。

4 結束語

本文作者設計了基于PLC的玻璃磨邊鉆孔工作站控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了玻璃自動上下料、工件自定位、3種磨邊工藝以及4種角處理工藝，提高了玻璃鉆孔的精度(重復定位精度±0.01 mm)。利用該系統(tǒng)，不僅可提升磨邊鉆孔的自動化程度，還能夠降低工人勞動強度和改善人身安全。此外，設備占用空間小且具有較高的生產(chǎn)效率，可較好地滿足中小企業(yè)的生產(chǎn)需求。