基于PLC控制的隱形眼鏡前弧車削設(shè)計(jì)

摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，隱形眼鏡生產(chǎn)中自動(dòng)控制及精度較高的工藝當(dāng)屬車削工藝，其精度要求在0.01mm，本設(shè)計(jì)論文采用車削法，關(guān)鍵因素伺服電機(jī)控制其車削工件的進(jìn)給量，精密控制其中心厚度，而眼鏡的偏光度由機(jī)械部分決定。直徑為12mm，高為5mm 圓柱型RGP 塑料扣料，在基弧車床上已經(jīng)將基弧即內(nèi)弧車削好，此設(shè)計(jì)是前弧車床將已經(jīng)形成基弧的扣料分約5-10刀粗刀、2刀中刀、2刀細(xì)刀切削其前弧形成隱形眼鏡鏡片。

關(guān)鍵詞：PLC 隱形眼鏡 伺服電機(jī) 中心厚度

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）04（a）-0072-02

1 隱形眼鏡的生產(chǎn)工藝

目前軟性隱形眼鏡的生產(chǎn)工藝有：車削法、離心澆鑄法、模壓法和混合工藝法。

1.1 離心澆鑄法

優(yōu)點(diǎn)：（1）重復(fù)生產(chǎn)性好，可大規(guī)模生產(chǎn)，成本較低。（2）表面光滑。

缺點(diǎn)：（1）在低度數(shù)時(shí)不夠挺，操作較困難。（2）不同的配戴特性，由直徑和屈光度決定配適，矢高由屈光度決定。（3）有時(shí)新鏡片上有沒有聚合完全的殘余材料，使配戴者感覺不舒服。（4）鏡片表面帶電荷，易吸附蛋白質(zhì)，易粘連。（5）內(nèi)表面成拋物線形，與角膜三點(diǎn)接觸，低對(duì)比度視力較差。

1.2 模壓法

優(yōu)點(diǎn)：（1）表面平滑、堅(jiān)固，邊緣薄。（2）重復(fù)生產(chǎn)性好，成本低。（3）內(nèi)表面成球形，低對(duì)比度視力良。

缺點(diǎn)：（1）聚合缺陷會(huì)使鏡片表面粗糙，易損壞。（2）表面帶電荷，易吸附蛋白質(zhì)，易粘連。（3）壽命短。

1.3 車削法

優(yōu)點(diǎn)：（1）表面不帶電荷，不易粘連，不易吸附蛋白質(zhì)。（2）由于更挺，故更易操作。（3）內(nèi)表面呈球形，低對(duì)比度視力良好。（4）球面鏡片，視覺更穩(wěn)定，更清晰。（5）使用壽命更長(zhǎng)。（6）沒有參數(shù)方面的限制，可按驗(yàn)配員要求訂做任何鏡片，完成復(fù)雜設(shè)計(jì).

缺點(diǎn)：產(chǎn)量低，成本高。

1.4 混合工藝法

鏡片的一表面用離心澆鑄法或模壓法，而另一表面用車削法制成；綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)。

2 電氣元件選型

2.1 主要電氣元件

（1）PLC：控制核心，編寫了大量的控制程序，檢測(cè)輸入傳感器、按鈕的執(zhí)行指令，再控制所有的執(zhí)行元件；（2）人機(jī)界面HMI ：用于與PLC交互數(shù)據(jù)，控制，操作、顯示等功能；（3）伺服電機(jī)：接收來(lái)自PLC發(fā)來(lái)的脈沖數(shù)控制工件進(jìn)給量，車削的精度與深度均有此決定；（4）刀頭旋轉(zhuǎn)直流電機(jī)，帶動(dòng)刀頭以一定角度旋轉(zhuǎn)而切削工件；（5）主軸直流電機(jī)：功率24V/90W，帶動(dòng)工件以8000-12000r/m速度高速旋轉(zhuǎn)；直流電機(jī)轉(zhuǎn)速3000r/m，變比1：4；（6）工件位置檢測(cè)電機(jī)：工件車削前該電機(jī)會(huì)帶動(dòng)檢測(cè)傳感器下行以測(cè)試工件位置；（7）輸入傳感器等檢測(cè)元件：電機(jī)極限位、Home位；（8）其它絲桿等機(jī)械結(jié)構(gòu)，這里不再介紹。

2.2 PLC

PLC 可編程控制器簡(jiǎn)稱（program mable logic controller）。

采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。

2.3 交流伺服電機(jī)選型

伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控制的U/V/W三相電形成電磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。

選用松下A5系列伺服電機(jī)，編碼器的線數(shù)為20位，2^20=1048576，所以伺服電機(jī)分辨率為1/1048576，但實(shí)際應(yīng)用可設(shè)定nP/r（脈沖每轉(zhuǎn)），則實(shí)際分辨率等于1/n（n≤1048576）。

伺服是該系統(tǒng)的控制核心，設(shè)定的控制方式為脈沖+方向，伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角位移通過絲桿轉(zhuǎn)換成線位移，最終達(dá)到控制切削厚度與鏡片的中心厚度。

伺服設(shè)定2000p/r，同步帶輪變比5：1，絲桿導(dǎo)程2.0mm，從而10000p/2.0mm，即5000P/mm，5P/um；即伺服旋轉(zhuǎn)一周，工件的線位移為0.4mm。

2.4 工業(yè)觸摸屏 HMI

觸摸屏主要特點(diǎn)可概括為以下幾點(diǎn)：（1）透明，透明將直接影響觸摸屏視覺效果，因此，要通過材料科技來(lái)解決透明問題。紅外線式觸摸屏和表面聲波式觸摸屏只隔一層純玻璃，透明效果較好。其它類型觸摸屏一般由多層復(fù)合薄膜構(gòu)成，透明效果稍差。（2）觸摸屏在物理上是一套獨(dú)立的絕對(duì)定位系統(tǒng)，即你選擇了哪一項(xiàng)就直接觸摸到那，不需要第二個(gè)動(dòng)作。相比之下，鼠標(biāo)則是一個(gè)相對(duì)定位系統(tǒng)，當(dāng)需要光標(biāo)移動(dòng)到某個(gè)地方時(shí)，首先要知道現(xiàn)在在何處，然后確定往那個(gè)方向走，每時(shí)每刻要給用戶反饋當(dāng)前所在位置。絕對(duì)定位系統(tǒng)要求每次觸摸點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過校準(zhǔn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為屏幕上的坐標(biāo)，因此同一觸摸點(diǎn)輸出的數(shù)據(jù)應(yīng)該穩(wěn)定。否則，觸摸屏不能保證絕對(duì)坐標(biāo)定位，坐標(biāo)定位不準(zhǔn)是觸摸屏嚴(yán)重問題。從技術(shù)原理上分析如果同一觸摸點(diǎn)每次采樣數(shù)據(jù)不同，這種現(xiàn)象稱為漂移。具體表現(xiàn)在當(dāng)你點(diǎn)擊一個(gè)你在屏幕上看到的位置，反應(yīng)出來(lái)的結(jié)果卻偏離了你的位置，這種現(xiàn)象就是漂移，又稱為指定位功能故障。理論上講，觸摸屏幕都具有一些漂移，但正常情況下漂移量微小，可以忽略。電容式觸摸屏具有一定漂移現(xiàn)象。（3）檢測(cè)觸摸并定位，各種觸摸屏技術(shù)都是依靠各自的傳感器工作，有的觸摸屏本身就是一套傳感器。各自的定位原理和各自所用的傳感器決定了觸摸屏的反應(yīng)速度、可靠性、穩(wěn)定性和壽命。根據(jù)檢測(cè)觸摸裝置的工作原理，常用的有四類觸摸屏：電阻式、電容式、紅外線式和表面聲波式。

2.5 電氣元件BOM表

如表1。

3 繪制電氣圖

電氣圖運(yùn)用Eplan P8.0應(yīng)用軟件繪制，Eplan作為電氣計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)時(shí)代的先鋒。

自1984年以來(lái)，EPLAN一直是為電氣規(guī)劃，工程設(shè)計(jì)和項(xiàng)目管理領(lǐng)域提供智能化軟件解決方案和專業(yè)化服務(wù)的全球標(biāo)志型電氣應(yīng)用軟件界。

4 自控流程圖

流程圖（Flow Chart）：使用圖形表示算法的思路是一種極好的方法，因?yàn)榍а匀f(wàn)語(yǔ)不如一張圖。以特定的圖形符號(hào)加上說(shuō)明，表示算法的圖，稱為流程圖或框圖。

流程圖是流經(jīng)一個(gè)系統(tǒng)的信息流、觀點(diǎn)流或部件流的圖形代表。在企業(yè)中，流程圖主要用來(lái)說(shuō)明某一過程。這種過程既可以是生產(chǎn)線上的工藝流程，也可以是完成一項(xiàng)任務(wù)必需的管理過程。

5 控制過程

5.1 系統(tǒng)調(diào)試界面

該界面用于調(diào)試維修用，可監(jiān)控各輸入元件狀態(tài)，可讓執(zhí)行元件動(dòng)作；

5.2 初始化

初始化是讓執(zhí)行元件歸原點(diǎn)動(dòng)作，順序?yàn)椋簻y(cè)試工件位置傳感器上升→主軸向左運(yùn)行至原點(diǎn)再右行起始點(diǎn)→切刀內(nèi)行到位；初始化時(shí)指示燈綠燈亮，初始化完成后黃色燈亮。

5.3 自動(dòng)

5.3.1 隱形眼鏡基本參數(shù)

前弧R1、前弧與周邊弧差值、扣料中心厚度、鏡片中心厚度、扣料直徑D2、光學(xué)區(qū)直徑D1；

5.3.2 自動(dòng)控制過程

為了使鏡片表面精細(xì)光潔，切刀分粗刀、中刀、細(xì)刀，其深度粗刀約0.5mm，中刀0.2mm，細(xì)刀0.1mm；程序內(nèi)根據(jù)設(shè)定的參數(shù)，扣料中心厚度、鏡片中心厚度、周邊弧R2、扣料直徑D2、中刀深度、中刀數(shù)量、細(xì)刀深度、細(xì)刀數(shù)量計(jì)算出粗刀數(shù)，粗刀深度為設(shè)定值，其中算下余數(shù)為粗刀第一刀；初始化后黃燈亮，工件裝好，設(shè)定好參數(shù)，按啟動(dòng)，位置檢測(cè)傳感器下行，伺服前行至位置檢測(cè)傳感器，停下，記憶此處的伺服前行的脈沖數(shù)據(jù)作為后面位置計(jì)算的0位，上行位置檢測(cè)傳感器。

工件運(yùn)行至第一次粗刀位置，行程=0位+0位到刀架中心點(diǎn)距離（常量）+前弧R1+前弧與周邊弧差值-（細(xì)刀總切削深度+中刀總切削深度+粗刀總切削深度）+粗刀第一刀深度；粗刀后面幾刀伺服采用相對(duì)定位，循環(huán)執(zhí)行，中刀、細(xì)刀伺服采用絕對(duì)定位，細(xì)刀，最后一刀細(xì)刀的絕對(duì)定位坐標(biāo)：0位脈沖數(shù)+0位到刀架中心點(diǎn)距離（常量）+前弧R1+前弧與周邊弧差值。

6 設(shè)計(jì)軟件

6.1 Profce HMI

人機(jī)界面使用Proface GE4501觸摸屏，界面友好，操作與監(jiān)控更人性化；有參數(shù)設(shè)置，操作按鈕，位及數(shù)據(jù)監(jiān)控。

通訊：Proface HMI有232與485串口，通過232口與松下PLC進(jìn)行通訊；通訊的實(shí)時(shí)響應(yīng)速度較快。

6.2 PLC控制程序 LAD

PLC程序設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件為FPWIIN GR V3.19，該軟件具有FP0系列PLC程序（STL/LAD）編寫、上傳、下載、監(jiān)控等功能；FPWIIN編程的應(yīng)用面廣、功能強(qiáng)大、使用方便，已經(jīng)成為當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化的主要裝置之一，在工業(yè)生產(chǎn)的所有領(lǐng)域得到了廣泛的使用，在其他領(lǐng)域（例如民用和家庭自動(dòng)化）的應(yīng)用也得到了迅速的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]姜曉強(qiáng)，項(xiàng)占琴.PLC在鋼管自動(dòng)分選生產(chǎn)線中的應(yīng)用[J].機(jī)電工程，2004（9）.

[2]曹京生.PLC輸入端擴(kuò)展技巧[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2004（6）.

[3]王向東.PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法[J].職業(yè)教育研究，2004（3）.