雙工位點膠機八軸運動控制系統的設計

羅 義,高自成,李立君,周飛科,閔淑輝

(中南林業科技大學機電工程學院，湖南 長沙 410004)

雙工位點膠機八軸運動控制系統的設計

羅 義,高自成,李立君,周飛科,閔淑輝

(中南林業科技大學機電工程學院，湖南 長沙 410004)

隨著微電子產業的快速發展，相關產業對于點膠機的需求不斷增長。針對當前人工經驗型液晶顯示屏點膠機存在的勞動強度大、效率低等問題，采用Inventor建模軟件，設計了一種全自動、高效率的雙工位點膠機，開發了一種基于PLC、觸摸屏以及伺服控制技術的八軸運動控制系統。對該系統的工作原理及硬件組成進行了研究，分別對雙工位點膠機的傳感檢測系統、電機控制系統、氣動系統和人機交互系統的設計進行了介紹。根據工藝流程與機械結構，編寫了控制程序；通過機械結構硬件與程序軟件，實現了對設備與人員的保護。試驗結果表明，該雙工位點膠機規模較小、產量較高、價格便宜，能實現自動上下料和點膠，具有結構穩定可靠、生產效率高及控制系統易于操作的優點，滿足了企業的點膠需求。

點膠機; PLC; 觸摸屏; 運動控制系統; 人機界面; 雙工位; 伺服技術; 自動控制

0 引言

近年來，隨著微電子產業的快速發展，相關產業對點膠機的需求不斷增加，如電子灌封、平面密封、液晶顯示屏的封裝等。相對于微電子技術、加工工藝的快速發展，封裝技術的發展相對滯后，已成為企業降低成本的瓶頸。點膠技術在封裝技術中具有重要作用，點膠機具有極高的實用價值[1]。當前工業領域內的點膠機主要分為手動式和自動式[2]。其中，手動式點膠機精度較低、生產速度慢，已無法滿足當前的點膠封裝要求；自動式點膠機能代替人工操作，極大地提高了生產效率，是目前的發展主流。自動式點膠機的控制部分決定了其點膠精度和產品的價格[3]。

目前，工業應用中常見的點膠機系統控制方案大致分為以下幾類：四軸機器人+外部控制器、運動控制卡+工控機+驅動器、PLC+觸摸屏+驅動器。考慮到機器人高昂的成本及其復雜的操控性和維護性，四軸機器人+外部控制器方案目前在國內不具備普及的基礎[4]，后兩種方案應用較廣泛。其中，PLC+觸摸屏+驅動器方案價格更為低廉，應用更為廣泛。

鑒于此，本文旨在設計一款規模較小、產量較高、價格便宜，能實現自動上下料、自動點膠的全自動化雙工位點膠機。采用Inventor軟件，以PLC技術為控制核心，結合觸摸屏，設計了一種可以應用于多種規格的液晶顯示屏封裝的雙工位點膠機八軸運動控制系統。

1 雙工位點膠機的設計

雙工位點膠機主要包括X1軸上料機構[5]、X2軸下料機構，X3、X4軸點膠機構，X5軸物料輸入機構，X6軸物料輸出機構，Y1、Y2軸定位機構，機架以及其他一些輔助機構。

X1軸上料機構，X2軸下料機構和X3、X4軸點膠機構結構類似，包括伺服電機、聯軸器、絲杠螺母組件、氣動滑臺、真空吸嘴、點膠閥以及一些安裝座和連接板等。伺服電機通過聯軸器與絲杠螺母組件連接，絲杠螺母組件帶動X1軸上料機構、X2軸下料機構和X3、X4軸點膠機構在X軸方向上平移；而氣動滑臺則裝在Z軸上，通過連接板帶動真空吸嘴及點膠閥在Z軸方向上移動。

Y1、Y2軸定位機構包括伺服電機、聯軸器、絲杠螺母組件、X方向氣動滑臺、Y方向氣動滑臺、工件安裝面板和一些安裝座和連接板等。其中：伺服電機通過聯軸器、絲杠螺母組件帶動Y1、Y2軸定位機構在Y軸上的平移；X方向氣動滑臺與Y方向氣動滑臺實現工件在工件安裝面板上X和Y方向上的定位。

X5軸物料輸入機構與X6軸物料輸出機構的結構相似，包括步進電機、同步帶、同步帶輪、平帶、平帶輪以及一些安裝座、連接板和支撐桿件，步進電機通過同步帶輪與同步帶帶動平帶輪和平帶運動，將工件放在平帶上，即可實現工件在X方向的上下料。

本系統設計的雙工位點膠機每小時可以完成3 000個工件的點膠任務，工件的最大尺寸為162 mm×96 mm×2.2 mm,工件的最大質量為0.075 kg。

由于X1軸上料機構，X2軸下料機構，X3、X4軸點膠機構，Y1、Y2軸定位機構對于工件最終的點膠精度影響很大，所以選用了6臺伺服電機，以確保每個動作的精度；而X5軸物料輸入機構，X6物料輸出機構則選用2臺步進電機。各軸電機的具體參數如表1、表2所示。

表1 各軸伺服電機參數表

表2 步進電機參數表

2 控制系統硬件設計

雙工位點膠機控制系統主要由PLC控制系統[6]、傳感器檢測系統、電機控制系統、氣動系統、人機交互系統[7]以及上位機等部分組成，其硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件框圖

PLC控制系統是點膠機控制系統的核心部分，其通過RS-485與上位機進行通信，接收或上傳用戶程序、接收傳感器檢測系統和人機交互系統的輸入信號，從而判斷點膠機的當前運行狀態，并根據程序作出反應，以實現對電機控制系統和氣動系統的控制。同時，通過人機交互系統顯示當前狀態。

2.1 傳感檢測系統

為了確保點膠的精度和準確性，以及操作人員和設備的安全，所設計的雙工位點膠機在多處關鍵部分使用限位開關、光電開關、負壓真空傳感器、位置檢測傳感器、速度檢測傳感器等。雙工位點膠機中所使用的各類傳感器信息如表3所示。

表3 各類傳感器信息表

2.2 電機控制系統

雙工位點膠機是一個全自動化的機電氣一體化設備[8]，其所需完成的功能多、動作多，而不同動作要求的精度又不一樣。為了節約成本，針對不同的動作，選用不同精度的電機。 針對伺服電機和步進電機，分別設計了不同的控制系統。

2.2.1 雙工位點膠機伺服電機控制系統

雙工位點膠機伺服電機的控制系統均采用PLC基本單元+定位模塊+驅動器+伺服電機的方式，完成對伺服電機的控制。

PLC向定位模塊發送驅動電機運行信號；定位模塊接收到信號后，以固定的端口向驅動器發送定位脈沖；驅動器接收到定位脈沖驅動伺服電機運行。其中，定位脈沖的數量決定電機轉動的角度，定位脈沖的頻率決定電機轉動的角速度大小，同時定位模塊和驅動器將一些信號反饋到PLC[9-10]。

2.2.2 雙工位點膠機步進電機控制系統

雙工位點膠機中的步進電機僅用來實現物料的輸入輸出，不需要精確的定位，故從成本的角度考慮，采用PLC的基本單元、驅動器、步進電機的組合。步進電機控制原理如圖2所示。

圖2 步進電機控制原理圖

PLC基本單元根據程序的需求，通過Y1端口向步進電機的驅動器DIR端口發送電脈沖，驅動器接收到電脈沖后，驅動步進電機轉動。其中，Y4端口用來控制電機的旋轉方向。

2.3 氣動系統

由于本設計使用了大量氣動元件，因此氣動系統是雙工位點膠機的一個重要組成部分。系統中，多處短距離直線位移是采用氣動滑臺實現的；吸緊和松開點膠工件是采用真空吸附與吹氣實現的。本雙工位點膠機所使用的主要氣動元件信息如表4所示。

表4 主要氣動元件信息

2.4 人機交互系統

人機交互系統由PLC與觸摸屏通信實現[10]。其基本的工作原理是：采用控制系統計算觸摸或按壓觸摸屏的坐標位置,根據定位的位置，將所選信息輸入到PLC基本單元；在PLC程序運行后，PLC基本單元將結果通過RS-485通信反饋給觸摸屏；觸摸屏按照先前設計的觸摸屏程序運行，并將運行結果顯示在觸摸屏上。這樣，工作人員即可通過觸摸屏，實現與雙工位點膠機的人機交互。

3 控制系統軟件設計

雙工位點膠機控制系統軟件主要包括前處理階段、軟件編寫及軟件調試運行階段。其中，前處理階段最為重要。通過與工藝工程師和機械工程師的不斷溝通，確定點膠的工藝過程以及實現工藝的機械結構，并編寫工藝流程圖和系統工作的流程圖；由軟件編寫、調試及運行階段可以看到最終的點膠效果，并根據結果對軟件作出調整。

3.1 前處理階段

本設計最大的特點就是根據當前點膠機存在點膠時間長、效率低的缺點設計了2個點膠工位，并通過相應算法極大地提高了生產效率。

根據點膠精度和產品全自動化的要求，結合機械機構，設計的雙工位點膠機的控制算法描述如下。①初始化，實現Y1工位、Y2工位上都放置一個工件并點膠完畢，Y1軸定位機構、Y2軸定位機構回到各自的定位工位，X1軸上料機構運動到上料工位處，X2軸下料機構運動到Y2工位定位工位。②X2軸下料機構從Y2工位定位工位將點膠完畢的工件搬運到下料工位，X1軸上料機構從上料工位處將未點膠完畢的工件搬運到Y2工位定位工位，二者同步同速運動，既防止出現碰撞，也保證了效率。③Y2工位接到工件后，將其定位后送至Y2工位點膠工位，X4軸點膠機構開始點膠，點膠完畢后送回Y2工位定位工位；與此同時，在Y2工位接到工件后，X1軸上料機構從Y2工位定位工位回到上料工位處，X2軸下料機構從下料工位運動到Y1工位定位工位。④X1軸上料機構從上料工位處將未點膠完畢的工件搬運到Y1工位定位工位，X2軸下料機構從Y1工位定位工位將點膠完畢的工件搬運到下料工位。⑤Y1工位接到工件后，將其定位后送至Y1工位點膠工位，X3軸點膠機構開始點膠，點膠完畢后送回Y1工位定位工位；與此同時，在Y1工位接到工件后，X1軸上料機構從Y1工位定位工位回到上料工位處，X2軸下料機構從下料工位運動到Y1工位定位工位，實現往復循環。

3.2 軟件編寫及軟件調試運行階段

根據前處理階段所作的工作，本設計編寫了初始化程序、自動化程序、單信號程序、單軸控制程序、連貫動作程序以及報警程序。

為了便于調試運行雙工位點膠機，在手動程序中增加了一些便于調試的子程序，包括手動初始化、所有信號的單個動作、每個電機的單軸運動以及連貫的組合動作等子程序。

4 執行機構保護與報警

本設計執行機構具備保護與報警功能，主要包括通過機械結構硬件與程序軟件實現對設備與人員的保護，一旦有危險則蜂鳴器立即鳴叫且觸摸屏顯示報警提醒。機械部分主要表現為每個絲杠組件兩端都裝有防撞用的彈簧膠，以及X1軸上料機構與X2軸下料機構由于在同一個水平面有發生碰撞的危險，在二者之間也裝有防撞裝置。程序設計時，為了防止X1軸上料機構與X2軸下料機構的碰撞，將X1軸上料機構與X2軸下料機構設置為每次都同步同速運行，每一個軸均有2個限位開關，一旦超出程序范圍，則立即停止運動的邏輯關系，采用雙重保護來保證人與設備的安全。

5 結束語

本設計的目的在于設計一款全自動、生產率高、操作簡單、運行可靠以及價格低廉的點膠機。通過分析計算，利用Inventor三維建模軟件，設計了一種擁有2個點膠工位的雙工位點膠機，開發了一種基于PLC技術、觸摸屏技術及伺服控制技術的雙工位點膠機的控制系統。該系統能夠完成上下料、工件的定位、點膠以及工件的輸入輸出等工藝，并且具備保護與報警功能。本雙工位點膠機具有結構合理、運行安全可靠、生產效率高、產品質量好以及操作方便、簡單等優點，滿足了企業對自動點膠的需求。

[1] 張鐵虎，詹民民，代欣，等.蠕動式點膠機的精確點膠研究[J].輕工機械,2016,34(3):18-22.

[2] 廖平，樊光鋒.壓電式點膠機驅動電源研究[J].壓電與聲光,2016,38(2):312-315.

[3] 許鑫.嵌入式點膠控制系統研究與實現[D].武漢：華中科技大學，2014.

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[5] 張志峰，肖世德，趙陽，等.一種控制型大板包裝機的設計[J].包裝工程,2016,37(11):122-126.

[6] 李文強.智能立體存儲控制系統的設計與開發[J].自動化儀表,2016,37(2):37-40.

[7] 陸波，王榮楊.基于的升降橫移立體車庫控制系統設計[J].自動化儀表,2016,36(7):22-25.

[8] 常玉萍.基于PLC的全自動點膠控制系統的設計與實現[D].武漢：武漢理工大學，2012.

[9] 李金城，富民忠.三菱FX系列PLC定位控制應用技術[M].北京：電子工業出版社，2014.

[10]黃靜文.基于PLC的三自由度數控系統設計與優化[J].自動化儀表,2016,37(5):24-26.

Design of the Eight Axis Motion Control System for Double Workplace Dispenser

LUO Yi，GAO Zicheng，LI Lijun，ZHOU Feike，MIN Shuhui

(School of Mechanical and Electrical Engineering,Central South University of Forestry & Technology,Changsha 410004,China)

Along with the rapid development of microelectronics industry,the demands for dispensers from relevant industries are continuously increasing.According to the problems exiting in current manual experience type dispenser for liquid crystal displaying screen,such as large labor intensity and low efficiency,a fully automatic and high efficient double workplace dispenser is designed using Inventor modeling software,and the eight axis motion control system based on PLC,touch screen and servo control technology is developed.The working principle and hardware composition of the system are studied,the sensing detection system of the double workplace dispenser,the electrical control system,pneumatic system and the design of the human-computer interaction system are respectively introduced,and the control program is written according to the process flow and mechanical structure.The protection of the equipment and personnel is implemented by the hardware of mechanical structure,and software of program.The test results show that the dispenser is a fully automatic double workplace dispenser which is smaller in scale,higher in yield,in low cost,and is able to load and unload automatically the materials for dispensing;its structure is stable and reliable,the control system is easy to operate,thus the requirements of the enterprises are effectively resolved.

Dispenser; PLC; Touch screen; Motion control system; Man machine interface; Double workplace; Servo technology; Auto-control

羅義(1992—)，男，在讀碩士研究生，主要從事智能裝備的設計與研發工作。E-mail:2357689891@qq.com。 高自成(通信作者)，男，碩士，副教授，主要從事智能裝備的設計與研發工作。E-mail:gzc1968@126.com。

TH-39；TP29

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201703005

修改稿收到日期:：2016-10-25