基于PLC的周拋機的控制系統

葛 凱,馬 馳,陳 威,周進偉

(蚌埠凱盛工程技術有限公司，蚌埠 233010)

根據IHS Markit最新的《觸控面板與蓋板玻璃與CPI》報告，手機觸控面板蓋板玻璃全球出貨量預計在2019年達到24億片，較2018年的21億片增長13.9%；這種穩定增長態勢在未來兩年內將繼續保持，2020年預計增長11.4%，2021年則增長7.3%[1]。巨大的社會需求極大地促進手機玻璃制造行業的發展。隨著對手機玻璃性能要求日趨增高，在其產業鏈中，手機玻璃磨邊環節不斷受到重視，從而需要用到相應的設備，此類設備叫周拋機或者邊拋機。

傳統的磨邊法主要是為了徹底去除前道工序精磨后的各種加工痕跡(磨紋、劃印、麻點、毛刺),一般都不能大幅度地提高打磨工件的形狀和尺寸精確度。其中所采用的是靠模加工的方式,需要我們在開始加工產品前先做專門的產品模板,當生產的品種比較多時,會使得更換模板麻煩，而且模板的制作與管理成本也較高。

鑒于此，該文提供了一種不需要靠模，加工精度高、加工方便、快速且加工產品良率高的智能電子仿形靠模控制系統。

1 周拋機的機構組成和工藝過程

周拋機機構可分為玻璃夾具的自轉、毛刷自轉、毛刷水平移動等部分，其基本結構組成如圖1所示。

其中玻璃夾具配有專用上料臺，不同產品只需更換兩側定位板即可。定位板外形按玻璃1∶1制作。裝好定位板后，依次放入玻璃，放玻璃時兩側各用一塊膠板墊底，起保護作用。夾具一次裝夾產品厚度達180 mm，按0.4 mm一塊可一次裝載300～400塊,采用工裝快速定位，氣動夾緊，無需真空，避免漏氣吸不住玻璃、飛片等異常。玻璃夾具的驅動為伺服電機配精密行星減速機，能夠以恒定的線速度進行自轉運動。

毛刷旋轉采用伺服電機直聯傳動，最高轉速可達1 800 r/min，傳動效率高，性能穩定，噪音小，且能實時反饋當前電機電流、扭力情況，方便監控。毛刷選用的是優質的豬毛刷，其特點是彈力好，不易掉毛，拋光效果好。新毛刷使用前，需浸泡在研磨水里1～2 d，以減少掉毛現象。

毛刷水平移動采用伺服電機配絲桿傳動。毛刷在水平方向上設有原點位和加工位，原點位是通過原點開關尋找到原點位，在初始狀態或者加工完成后毛刷都會自動回到原點位。加工位是手動移動毛刷，當毛刷碰到玻璃邊緣時立即停止，再點擊位置標定，即把當前位置記錄下來，此位置就是毛刷進行拋光的初始加工位。當玻璃放置在機器的中間位置進行恒定角速度進行自轉，毛刷不停地進行高速旋轉并在電子靠模的控制下進行進退往復運動，使毛刷始終與玻璃邊相切，從而實現對玻璃側邊的拋光。其中每次更換一個新產品，必需用新毛刷校準左右軸起始位，裝好產品及新毛刷后，切換到手動狀態，手動移動毛刷，當毛刷碰到玻璃邊緣時立即停止，再點擊位置標定，即把當前位置記錄下來。

水泵選用的是帶攪拌功能的自吸水泵，水泵通過不銹鋼板固定在塑料粉水桶上，桶里加入足夠的水及磨粉，連接好進/排水管。為了達到良好的拋光效果，粉水比重需達到1.3左右，否則會出現拋不透或加工效率低等現象。

2 控制系統硬件配置

為了滿足上述工藝及精度要求， 設計了以DVP15MC控制器為核心的控制系統。硬件組成如圖2所示。

DVP15MC是一款基于CANopen的現場總線的多軸運動控制器，它將傳統PLC與運動控制器高度整合，實現一體化，這種設計大幅降低了掃描周期，程序執行高效、運動控制精準。DVP15MC同時對電子凸輪、電子齒輪、旋切等功能的支持也更加強大。圖形凸輪編輯器可以實現復雜軌跡控制，運行中還可以動態修正凸輪數據。讓加工作業的效率、精準度和靈活性都改善不少。15MC內部還具有更豐富的集成端口。集成兩個CAN端口，一個專用于Motion，另一個專用于CANopen數據交換(支持主/從站模式)；集成兩個獨立的Ethenert端口，支持Modbus TCP協議。新一代總線型運動控制器DVP15MC，不僅支持標準G代碼、NC功能(點位控制、直線插補、圓弧插補、螺旋插補等)，還新增了平滑過渡功能。同時G代碼指令空間、程序容量以及變量空間也都有了幾十倍乃至上百倍的提升，讓各種精密編程更加游刃有余。在此基礎上，DVP15MC支持循環、事件、自由運行等多種任務類型，并可同時支持多達31個任務，運動執行更加高效。并支持運動指令BufferMode功能，可以改善運動曲線，減少對機械的沖擊。

伺服驅動器選用ASDA-A2系列，該驅動器內含64組PR運動路徑編輯功能、電子凸輪功能，無需高階控制系統，就可實現復雜的運動控制和凸輪同步功能；內含伺服By-pass功能，可以實現命令信號逐級傳遞不衰減，輕松構造一主多從的控制架構。還集成了高速輸入接口，結合運動控制的特點，配有原點、限位、位置捕捉、STO 安全急停等高速輸入功能端子[2]。

觸摸屏是人機交互的中樞，通過RS232與15MC運動控制器相連。觸摸屏內存儲著不同的配方數據、常用的玻璃尺寸規格、不同的工作模式等信息。操作者通過觸摸屏能夠獲知設備各軸的狀態,還可以隨時更改不同參數來更改設備運行的軌跡,以達到快速更改生產計劃。

周拋機的控制系統是以CANopen為物理介質進行網絡組態。CANopen是一種架構在控制局域網絡(Control Area Network，CAN)上的高層通訊協議，包括通訊子協議及設備子協議，常在嵌入式系統中使用，是工業控制常用到的一種現場總線。同時CANopen也是一個開放的、標準化的高層協議，支持各種CAN設備的互用性、互換性，在各工業控制系統中得到了廣泛的應用[3]。CANopen協議定義了4類數據傳輸對象：網絡管理對象(NMT)、服務數據對象(SDO)、過程數據對象(PDO)和特殊功能對象。通過此4類對象的操作，可實現對相關設備的控制[4]。

控制方式上，主要是以線速度恒定的輪廓加工，通過將玻璃的輪廓形狀轉化為加工所需的電子凸輪(CAM)表來實現。加工模型如圖3所示。我們將玻璃看做是直線和圓弧構成的類長方形輪廓，加工過程中會自轉運動。左右分別1個標準圓(圓筒毛刷)，加工過程中會沿水平方向運動。最終在加工過程中達到的效果是隨著工件的自轉，工具也會在水平方向運動，使得與工件實時相貼合(相切)。加工起始點如圖3所示，將毛刷相切于玻璃長中心點的位置再加上補償值的位置規定為加工的起始位置。

3 控制系統軟件設計

3.1 PLC程序設計

程序的設計應用了模塊化的程序設計的方式。即在進行程序設計時將一個項目的程序按照不同的功能劃分為若干個小程序模塊，每個小程序模塊能夠獨立完成一個確定的功能，并且在這些模塊之間建立必要的聯系，通過每個模塊之間的相互協作從而達到一個項目的程序設計。

PLC的控制程序主要包含手動控制模式、回原點模式、自動控制模式、報警系統及復位程序。手動控制模式主要是用于調試時獨立測試各個單元是否能夠正常工作以及后期設備的維護；回原點模式是用于設備各軸回歸到待工作轉態；自動模式是實現拋光過程的自動化控制，即一鍵啟動后就能完成整個拋光過程，然后自動回歸原點，等待下一次的啟動信號。報警程序是為了維護設備安全運行的必備功能，報警系統里主要包括伺服的各軸報警、氣缸動作不到位報警、傳感器長時間沒信號報警等，復位程序是用于將所有已經解除報警信號的報警信息復位。PLC使用CANopen Builder軟件編譯程序，自動控制程序流程圖如圖4所示。

控制核心主要是實現線速度恒定的輪廓加工，通過將工件的輪廓形狀轉化為加工所需的電子凸輪(CAM)表來實現。過程的實現需要建立5張CAM表，若想添加其他CAM表，該5張CAM表地址不可用。實際需占用哪5張由CAM_ID輸入參數設置。

1) CAM_ID[0]存放以實際加工輪廓長度為主軸，工件自轉角度為從軸的CAM數據。

2) CAM_ID[1]存放以實際加工輪廓長度為主軸，工具水平運動距離(未加補償)為從軸的CAM數據。

3) CAM_ID[2]存放以虛擬輪廓長度為主軸，實際加工輪廓長度為從軸的CAM數據。

4) CAM_ID[3]存放以實際加工輪廓長度為主軸，右工具補償值為從軸的CAM表數據。

5) CAM_ID[4]存放以實際加工輪廓長度為主軸，左工具補償值為從軸的CAM表數據。

6) CAM_ID[0]、CAM_ID[1]、CAM_ID[3]和 CAM_ID[4]存放的CAM表的主軸為同一個虛軸，即實時已加工的實際輪廓長度。

7) CAM_ID[2]的從軸為CAM_ID[0]、CAM_ID[1]、CAM_ID[3] 和 CAM_ID[4]的主軸，主軸為另一個虛軸。

8) CAM_ID[1]和CAM_ID[3]的從軸疊加可實現對右工具水平運動的補償調節；CAM_ID[1]和CAM_ID[4]的從軸疊加可實現對左工具水平運動的補償調節。這些都可通過MC_CombineAxes指令實現。

9) 利用電子凸輪性質，通過控制CAM_ID[2]的主軸來達到控制從軸的目的。主軸的運行速度即為加工的線速度，即可通過給主軸一個恒定的速度來使加工線速度保持不變。

3.2 人機界面設計

如圖5、圖6所示，觸摸屏控制程序的設計采用臺達DOPSoft組態軟件設計，觸摸屏主要的控制界面包括自動模式、手動模式、參數設置、IO監控、報警界面。當我們想進入不同的控制功能，只需點擊對應的按鈕可跳轉到對應功能的界面，各功能的界面也可以方便返回主界面。

4 結 語

該文是以臺達DVP15MC PLC為核心設計的控制系統，它以CANopen Builder平臺為基礎，以Can總線為控制方式，可實現精確的運動控制。經調試，此系統加工效率高、運行平穩、操作方便、性能可靠、成本低，能滿足工件最小裝夾尺寸4" 55×120工件、最大裝夾尺寸9" 130×230規格的手機玻璃四周拋光要求。