基于PLC的液晶玻璃基板自動(dòng)下料控制系統(tǒng)的研究

劉　星，尹逍淵

（中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西　太原　030024）

引言

液晶玻璃基板是構(gòu)成液晶顯示器件的一個(gè)基本部件，隨著液晶屏應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，人工操作效率低、長期穩(wěn)定性差，已不能滿足市場需求，同時(shí)雇傭和管理成本高，限制了生產(chǎn)廠家的再擴(kuò)大化[1]。

液晶玻璃基板的自動(dòng)下料機(jī)用于前道設(shè)備對(duì)液晶玻璃基板檢測(cè)后，對(duì)不同檢測(cè)結(jié)果OK品、NG品、ERR品進(jìn)行分類下料。為了實(shí)現(xiàn)精確控制、降低人工成本，對(duì)自動(dòng)下料的功能和工藝流程進(jìn)行分析，利用PLC在控制系統(tǒng)方面的卓越性以及伺服系統(tǒng)和氣動(dòng)系統(tǒng)的強(qiáng)大功能，對(duì)液晶玻璃基板的自動(dòng)下料進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)了一套液晶玻璃基板自動(dòng)下料控制系統(tǒng)，在滿足基本功能的基礎(chǔ)上，可適應(yīng)多種規(guī)格的產(chǎn)品，同時(shí)實(shí)現(xiàn)取料和換盤不能停機(jī)等功能。

1　自動(dòng)下料系統(tǒng)功能分解

通過綜合分析液晶玻璃基板自動(dòng)下料運(yùn)行情況，將自動(dòng)下料系統(tǒng)的功能概括為取料、分類放料、機(jī)械手搬運(yùn)、皮帶傳輸、料盤升降、空盤搬運(yùn)以及啟動(dòng)、停止、復(fù)位、急停和警示七大內(nèi)容。

1.1　取料功能

通常，經(jīng)過上道設(shè)備視覺檢測(cè)的液晶玻璃基板會(huì)分別放置在不同的工位上，下料機(jī)構(gòu)要去各工位上取料。

1.2　分類放料功能

當(dāng)機(jī)械手取料后，根據(jù)上道設(shè)備發(fā)送的檢測(cè)結(jié)果，判定該料是OK品、NG品還是ERR品，將不同結(jié)果的料分類放置。OK品放置在皮帶上，傳送給后面的流水線；NG品放置在吸塑盤內(nèi)；ERR品旋轉(zhuǎn)180°后放置在吸塑盤內(nèi)，機(jī)械手設(shè)計(jì)了步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，可將料旋轉(zhuǎn)90°、180°、270°。

1.3　機(jī)械手搬運(yùn)功能

根據(jù)不同情況，機(jī)械手將料搬運(yùn)到適當(dāng)位置，本研究采用了一套由伺服系統(tǒng)控制的XY模組來實(shí)現(xiàn)。

1.4　皮帶傳輸功能

當(dāng)OK料放置在皮帶上時(shí)，皮帶開始傳輸，末端傳感器檢測(cè)到有料時(shí)，皮帶停止傳輸，并且發(fā)送信號(hào)給后道設(shè)備，等待取料，皮帶傳輸用交流電機(jī)控制。

1.5　料盤升降功能

料盤升降機(jī)構(gòu)分為空盤升降機(jī)構(gòu)和滿盤升降機(jī)構(gòu)，為了實(shí)現(xiàn)不停機(jī)換料，設(shè)計(jì)了A側(cè)和B側(cè)雙工位下料。為了保證每次放料時(shí)料盤都在同一高度，且不引起壓碎料以及丟料、碎料的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了滿盤升降機(jī)構(gòu)。同時(shí)，為了保證每次都能再同一高度取到空盤，設(shè)計(jì)了空盤升降機(jī)構(gòu)。料盤升降功能采用伺服電機(jī)進(jìn)行精確控制。料盤兩側(cè)設(shè)計(jì)了對(duì)射傳感器，檢測(cè)料盤是否到位。料盤可以多層放置，比如設(shè)定30層，30層滿之后，下降到原點(diǎn)位，并發(fā)出報(bào)警提示，通知取料。空料盤設(shè)計(jì)也同理，每取一個(gè)料盤上升一定高度，當(dāng)上升到設(shè)定的最高位置時(shí)，對(duì)射傳感器依然沒有檢測(cè)到有料，便下降到原點(diǎn)位，并且報(bào)警提示無空料盤。

1.6　空盤搬運(yùn)功能

當(dāng)前料盤已放滿，需要放置一個(gè)空料盤，此時(shí)空盤搬運(yùn)機(jī)構(gòu)啟動(dòng)。

1.7　啟動(dòng)、停止、復(fù)位、急停、警示

系統(tǒng)上電后，需要進(jìn)行復(fù)位，即點(diǎn)動(dòng)“復(fù)位”按鈕，電機(jī)回原點(diǎn)，氣缸回初始位。同時(shí)系統(tǒng)設(shè)置警示燈顯示工作狀態(tài)。

啟動(dòng)、停止、復(fù)位、急停警示功能的具體設(shè)計(jì)如下：

系統(tǒng)上電后，必須先復(fù)位，即點(diǎn)動(dòng)“復(fù)位”按鈕，電機(jī)回原點(diǎn)，氣缸回初始位。所有電機(jī)的原點(diǎn)傳感器和氣缸初始位的磁開關(guān)檢測(cè)到之后，警示燈黃燈亮，提示設(shè)備復(fù)位完成。

按下“啟動(dòng)”按鈕，警示燈綠燈亮。安全起見，運(yùn)行過程中，需關(guān)閉所有安全門，打開安全門，系統(tǒng)報(bào)警，機(jī)構(gòu)全部停止運(yùn)行。

按下“停止”按鈕，警示燈黃燈和綠燈亮，設(shè)備處于暫停狀態(tài)，可以再次啟動(dòng)，繼續(xù)執(zhí)行當(dāng)前動(dòng)作。

按下“急停”按鈕，警示燈紅燈亮，設(shè)備立刻停止，如需再次啟動(dòng)，則需要取消急停，再復(fù)位，再啟動(dòng)。

根據(jù)上述模型，本研究設(shè)計(jì)規(guī)劃的自動(dòng)下料系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　自動(dòng)下料俯視圖

2　PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1　硬件配備

PLC作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、配套齊全、功能完善、適用性強(qiáng)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)建造量小、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于許多特殊場合。機(jī)型選擇的基本原則，是滿足功能要求及保證可靠性和維護(hù)方便的前提下，力求最佳的性價(jià)比[2]。

本控制系統(tǒng)包括6個(gè)伺服電機(jī)，1個(gè)步進(jìn)電機(jī)，1個(gè)交流電機(jī)，有多個(gè)按鈕、開關(guān)、極限傳感器、對(duì)射傳感器、光纖、磁開關(guān)、氣缸、警示燈、安全門等。伺服電機(jī)需要占用6個(gè)軸，步進(jìn)電機(jī)和交流電機(jī)用I/O控制，其他輸入輸出信號(hào)占用I/O點(diǎn)，包括與上下道設(shè)備的PLC通訊，共占用76個(gè)輸入點(diǎn)，55個(gè)輸出點(diǎn)，所以處理器選用松下小型PLC，F(xiàn)P-XH 60T，配6軸控制用的輸入輸出點(diǎn)，32點(diǎn)輸入，28點(diǎn)輸出，并擴(kuò)展兩個(gè)輸入輸出模塊E-40TD，24個(gè)輸入點(diǎn)，16個(gè)輸出點(diǎn)[3]。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.2　工藝流程方案設(shè)計(jì)

為了清晰表示各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制，本研究設(shè)計(jì)了如圖3所示的工藝流程方案，以該流程圖為主線，編寫功能模塊，進(jìn)行模塊銜接、綜合調(diào)試。

2.3　取料控制方法

程序設(shè)計(jì)要考慮取料機(jī)械手和兩側(cè)的空盤搬運(yùn)機(jī)構(gòu)相互避讓，防止撞擊，所以在取料條件滿足的情況下，首先要看空盤搬運(yùn)機(jī)構(gòu)是否在運(yùn)行中，即是否有換空盤標(biāo)志，并且取料機(jī)械手和空盤搬運(yùn)機(jī)構(gòu)在空間位置是否有交叉，如果有則L形路徑去取料位，反之，插補(bǔ)去取料位，如下頁圖4所示。

圖2　硬件結(jié)構(gòu)圖

圖3　工藝流程圖

1）A側(cè)有換盤標(biāo)志：i=1/2/3/4，取料手在A側(cè)，插補(bǔ)方式去取料位（X+，Y+）/（X+，X-）；i=1/2，取料手在B側(cè)或OK放料位，L形路徑去取料位，（X+，0），（0，Y+）；

2）B側(cè)有換盤標(biāo)志：i=1/2/3/4，取料手在B側(cè)，插補(bǔ)方式去取料位（X+，Y+）/（X+，X-）；i=3/4，取料手在A側(cè)或OK放料位，L形路徑去取料位，（X+，0），（0，Y-）；

2.4　放料控制方法

與取料同理，程序設(shè)計(jì)考慮取料機(jī)械手和兩側(cè)的空盤搬運(yùn)機(jī)構(gòu)相互避讓，防止撞擊，如果放料位沒有空吸塑盤或者有換盤標(biāo)志需要空間避讓，先去等待位，待有空料盤并且空盤搬運(yùn)機(jī)構(gòu)回到初始位，再插補(bǔ)去放料，如下頁圖5所示。

1）i=1/2：去A側(cè)放料且A側(cè)換盤中，等待換料完成插補(bǔ)去放料位（X-，Y+）/（X-，Y-）；去B測(cè)放料且B側(cè)換盤中，先L形路徑去皮帶上方等待位，（0，Y-），（X-，0），再插補(bǔ)去 B 側(cè)放料位（X-，Y-）。

圖4　取料工藝流程控制圖

圖5　放料工藝流程控制圖

2）i=3/4：去A側(cè)放料且A側(cè)換盤中，先L形路徑去皮帶上方等待位，（0，Y+），（X-，0），再插補(bǔ)去放料位（X-，Y+）；去B測(cè)放料且B側(cè)換盤中，先L形路徑去皮帶上方等待位，（0，Y+），（X-，0），再插補(bǔ)去放料位（X-，Y-）。

2.5　配方計(jì)算

由于每個(gè)料盤的規(guī)格不同，有3×6，1×2，2×3以及其他一些規(guī)格的吸塑盤，吸塑盤如圖6所示。為了保證每次切換產(chǎn)品之后都能快速準(zhǔn)確地將料放入吸塑盤，設(shè)計(jì)了該配方。同時(shí)設(shè)計(jì)了人性化的操作界面，只需在觸摸屏上輸入當(dāng)前料盤規(guī)格，機(jī)械手會(huì)按照新的規(guī)格去放料，切換方便，如圖7所示。

iMax：料盤x方向的最大放料數(shù)，jMax：料盤y方向的最大放料數(shù)。DiXData：x方向執(zhí)行放料位，DiYData：y 方向執(zhí)行放料位，DiX0：x 方向初值，DiY0：y方向初值，DiXd：x 方向間距，DiYd：y方向間距，Xilimit：x 方向正極限值，Yilimit：y 方向正極限值，Xnlimit：x 方向負(fù)極限值，Ynlimit：y 方向負(fù)極限值，alarm：報(bào)警信號(hào)。配方計(jì)算程序如下頁圖8和圖9所示。

圖6　不同規(guī)格的吸塑盤

圖7　配方設(shè)置

2.6　程序設(shè)計(jì)

執(zhí)行取料，兩種路徑實(shí)現(xiàn)，L形路徑取料和插補(bǔ)方式取料，如圖10所示。

圖8　配方計(jì)算1

圖9　配方計(jì)算2

3　產(chǎn)生的技術(shù)效果

本研究將調(diào)試后的程序在機(jī)構(gòu)上運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)果表明本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好，維護(hù)方便，運(yùn)行周期達(dá)到4S/PCS。雙工位放料實(shí)現(xiàn)了換料不停機(jī)，切換不同型號(hào)的液晶玻璃基板和吸塑盤，只需在觸摸屏上設(shè)定配方參數(shù)，操作方便快捷。不僅為企業(yè)節(jié)約了人工成本，而且提高了液晶玻璃基板的下料質(zhì)量和效率。

圖10　取料程序

[1]馬群剛.TFT_LCD原理與設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[2]劉星，任蓉莉.基于PLC的LCD自動(dòng)檢測(cè)控制系統(tǒng)的研究[J].山西電子技術(shù)，2017（3）：76-77.

[3]松下電工株式會(huì)社.松下PLC--FP-XH系列用戶手冊(cè)[Z].2015.