玻璃高精度切割機的運動控制設計

黃海宏，陳金長，王鵬

（1.萍鄉浮法玻璃廠，江西 萍鄉337000；2.中達電通股份有限公司，江西 南昌330006；3.天津電氣傳動設計研究所，天津，300180）

1 引言

在玻璃行業高精度隨動橫切機是成品工段的核心設備，決定著玻璃生產的成品率以及合格率。現有國內高端玻璃生產線基本上都選用德國格林策巴赫 和意大利保泰羅等國外品牌的橫切機，與國內設備相比較其運動控制系統都是選用專業運動控制主機和高端伺服，其計算處理能力快、精度高、隨動跟蹤更實時，基本都支持其他品牌的在線檢測系統接口，實現在線優化切割以及雙刀同動功能，但設備價格高、易用性差，且售后不方便，配件價格高昂且供貨周期長。而國內的品牌大多采用非專業運動控制配置，PLC語言命令執行周期長、控制精度低、隨動性差，且基本上都只能完成單刀控制。為了提高設備性價比，又能達到進口品牌的控制精度，本文考慮采用全套臺達專業運動控制系統進行設計來完成控制要求。

2 系統工藝流程和技術要求

2.1 玻璃切割工藝流程

玻璃生產線的原料經過熔化、成型、退火3套熱工工序，形成一條不間斷且寬度和厚度一定的整段玻璃帶進入成品工段輥道，完成切裁、橫向掰斷、掰邊、包裝幾套工序，成為成品玻璃。玻璃切割流程如圖1所示。

整條玻璃帶從退火窯出來后，進入切裁區輥道，該輥道由同步電機或伺服電機傳動，在玻璃厚度和規格一定的情況下，轉速理論上是恒定的（但當出現輥道傳動皮帶拉長，機械連接間隙等原因時玻璃帶線速度是有波動的），橫切機與玻璃帶中心線垂直方向成7°角橫跨安裝于輥道上方，控制系統的測速光電編碼器安裝在橫切機上游的玻璃帶上，隨玻璃帶的移動而被動旋轉，用于測量玻璃帶速度及位移量。當切割系統啟動后，切刀按設定的切割長度L1循環地在玻璃帶上切割出刀線（圖1中的虛線所示），將玻璃分成等長的方塊，并且計算跟蹤刀線的位移，當刀線到達橫向掰斷輥時，掰斷氣缸動作將該輥道抬起，同時將玻璃掰斷，掰斷后的一片為半成品玻璃，這樣一片玻璃的橫切工序就完成了，并按以上流程循環動作。

圖1 玻璃切割流程Fig.1 Glass cutting process

2.2 橫切機結構原理

如圖2所示，一個橫切機的機架上設計了上、下游2套切刀系統，機械結構上彼此完全相同，相互獨立。

圖2 機械結構圖Fig.2 Mechanical structure drawing

以上游切刀為例介紹其動作原理，圖2中的切刀本體與同步皮帶相連接，同時固定在上、下兩條直線導軌上，能自由行走，安裝于機架上的伺服電機直接驅動主、副同步輪和同步皮帶做正、反轉運動，同時切刀本體隨同步帶在玻璃帶的橫向做來回直線運動。圖示切割運行方向時，切刀本體由氣缸驅動下落到玻璃表面，回刀方向運行時切刀上升離開玻璃表面50mm，切割距離由實際生產玻璃板寬度來設定。一套橫切系統的主梁上安裝上、下游2套切刀系統，正常使用時相對獨立，當其中一套出現故障或需切板長小于單刀最小切割板長時，就需要雙刀配合運行。

技術精度要求如下：切割板長重復精度L1為±1mm，最高切割速度為800mm／s；對角線誤差L2（垂直度）為±1.5mm，最大切割行程為4 200 mm，最小切割板長為800mm。

3 電氣控制系統設計

3.1 控制系統硬件配置及架構

根據系統工藝流程的技術及精度要求和機械工藝特點，在PLC的選型上沒有選用一般普通內置脈沖功能的小型PLC，這種PLC即使利用中斷方式控制，因為受掃描周期的影響，CPU處理時間較長控制出現滯后產生誤差。此次選用的臺達DVP－20PM00D是一款專用運動控制型PLC，采用高速雙CPU結構形式，利用獨立CPU處理運動控制算法，可以很好地實現各種運動軌跡控制、高速抓取及比較輸出控制，直線／圓弧插補控制等；伺服驅動采用臺達ASDA－A2系列3.5kW智能驅動器和電機，具備電子凸輪E－CAM和CAPTRUE／COMPARE運動控制功能；人機界面選用臺達DOP10.4×2.5cm觸摸屏作為監控單元。電氣系統控制架構圖如圖3所示。

圖3 電氣控制系統架構圖Fig.3 Electrical control system architecture diagram

本案的數據交換網絡由2個網絡組成，一個是為了滿足高速運動控制的需要，20PM與A2伺服驅動器之間構建的是CANopen網絡，其最快通訊速度達1Mb／s，用于20PM主站和伺服驅動器之間高速數據交換。另一個是20PM與HIM觸摸屏之間通過RS485進行通訊完成數據交換的。并且其他品牌的在線檢測優化切割系統可通過20PM的COM1RS232接口進行數據交換，在線調整切長，與本系統一并完成玻璃在線檢測和優化切割功能。

3.2 運動控制的實現

本系統運動控制流程如圖4所示，玻璃帶的線速度通過光電編碼器檢測并輸入20PM的輸入端，通過20PM的電子凸輪功能輸出2路同步脈沖信號分別給2個伺服驅動器，同時產生2路觸發輸出信號CLR0和CLR1作為控制同步信號，分別連接2個伺服驅動器的DI7口。接收到觸發信號后，再經過A2伺服控制器的電子凸輪控制功能輸出控制伺服電機，實現高精度的運動控制功能。

PLC的電子凸輪為周期性凸輪系統，主軸為實體軸，位置通過A0／B0，A1／B1獲取，軌跡資料（E－CAM Data）是利用 PM－SOFT 軟件的 CAM CHART功能建立。20PM電子凸輪曲線如圖5所示。

圖4 運動控制流程圖Fig.4 Motion control flow graph

圖5 20PM電子凸輪曲線Fig.5 20PM electronic cam curves

玻璃切割長度的控制是利用20PM的FROM／TO指令設定／讀取CR＃253控制高速比較和捕捉功能，對光電編碼器采集的脈沖進行計數，并與設定切割長度的寄存器值進行高速比較并通過CLR0和CLR1輸出觸發信號給伺服驅動器，本案利用D4002作為控制切割長度的寄存器，長度值通過觸摸屏修改D4000的數據，再進行單刀和雙刀切割控制的判斷，在單刀追切時，把B伺服關閉，切長參數D4002＝D4000，高速捕捉和比較后控制A伺服啟動進行切割；雙刀追切的情況下，A，B伺服都開啟，切長參數D4002＝D4000×2，但2個伺服首次啟動位置必須是A伺服啟動后B伺服默認在D4002值的一半（即切長D4000）時啟動，單刀切割長度為設置玻璃切長2倍。

A2伺服驅動器的電子凸輪為非周期性凸輪系統，主軸為實體軸，位置通過脈沖命令端PULSE／SIGN端獲取，軌跡資料（E－CAM Data）是利用ASDA－SOFT軟件的E－CAM編輯器建立的，如圖6所示E－CAM曲線，在落刀前完成加速過程，然后追蹤20PM發出的同步信號，玻璃帶速度與切刀速度嚴格成一個余弦的比例關系，保證玻璃切線垂直度。

抬刀、落刀的位置是由伺服控制器的高速捕捉、比較功能（CAPTRUE／COMPARE）實現的，電機啟動后通過捕捉電機位置編碼器的反饋脈沖，并與設定值進行高速比較并通過驅動器的DO點輸出控制切刀電磁閥完成切刀的抬、落動作。

所有切割、調整、維護參數以及伺服控制的部分參數都是通過HIM人機界面來完成的，此次選用的臺達DOP系列10.4×2.54cm觸摸屏，其編輯軟件SCREEN EDITOR界面友好，通過USB下載，程序修改、下裝速度快效率高。

圖6 A2伺服驅動器電子凸輪曲線Fig.6 A2servo drive electronic cam curves

4 方案實施效果

通過實際生產驗證，該系統能達到控制精度要求，完全滿足生產需要。表1是實際使用精度誤差數據，并與國外及國內品牌進行了對比。

表1 誤差對比Tab.1 Error comparison

值得指出的是，國外品牌設備的機械部分間隙和配合也優于國內設備，本案機械部分為自行設計，以上數據未除去機械間隙造成的誤差。

5 結論

從實施效果數據和實際使用情況分析，20PM和A2伺服的電子凸輪功能完全能滿足控制精度要求，該套臺達運動控制系統具有響應時間快、追切誤差小、通訊速度快、接口豐富等優點，能與國外高端運動控制系統媲美。但價格比國外品牌的普通PLC控制系統還低，性價比很高，故該設計方案值得在玻璃切割設備制造行業進行推廣。