多頭玻璃機控制方法應用

李 健，葉 琦

(武漢華中數控股份有限公司，湖北 武漢 430000)

1 概述

玻璃機是一種用于加工玻璃的機床，其結構與銑床非常相似，主要應用于3C玻璃、陶瓷的磨邊工藝，比如智能手機玻璃蓋板、智能手表背板等。多頭機床一般按Z軸或主軸軸數分類，常見的有2～4個主軸頭[1]。本文將以雙頭玻璃機為例，介紹多頭玻璃機控制方法。雙頭玻璃機指的是有2個z軸、2個主軸，共用x、y軸，可以同時加工2個工件的玻璃機。與2個z軸相對應的2個工作臺、2個刀庫、2個對刀儀，它們在x、y平面的相對偏移，必須與2個z軸在x、y平面的相對偏移相同。2個z軸在z方向上可以單獨運動，也可以同步運動。每個z軸都有對應的刀庫、獨立的刀具長度補償、獨立刀具壽命以及獨立的工件零點。圖1為雙頭玻璃機數控系統坐標界面。

圖1 雙頭玻璃機數控系統界面

2 多頭玻璃機控制原理

多頭玻璃機控制主要是解決多個z軸同步運動問題。實現多z同步運行的方法是：虛擬z軸與x、y軸一起進行插補運算，然后系統將計算出的z軸(主動軸)的移動增量轉發給實際z1、z2軸(從動軸)，這樣就可以達到z1、z2運動完全一致的效果，由于z軸只是虛擬軸，不會對產生實際的運行效果。一般一個主動軸可以與多個從動軸建立同步關系，一旦同步關系建立完成，從軸的移動增量始終與主動軸保持一致，直到執行解除同步指令，多頭同步原理見圖2。

圖2 多頭同步原理圖

因為每個z軸對應的工作臺高度不同，刀具磨損也有可能不同，而同步只能保證各個從軸移動相同的增量，并不能應對加工實際情況，所以在同步運行之前，需要先將各個從軸的位置調整到合適的高度，使得每個從軸在同步運行時能同時到達工件表面，這個調整的過程即對齊。對齊完成時，各個從軸的機械坐標差值即從軸之間的落差，此時再同步運行，即可保證機床兩個z軸可以在兩個不同高度的空間完全同步。

3 方案選擇

為了兼容操作員操作單頭玻璃機的操作習慣，多頭玻璃機的控制一般是在單頭機型的基礎上增加多頭控制功能，目前改進方案主要有宏程序控制和軟件控制2種。宏程序控制方案具有較高的靈活性，在很多新機型被研發出來時，都會采用這種方案，但是隨著新機型的功能擴展越來越多，宏程序也越來越復雜，后期維護起來也會更加困難。軟件控制方案研發周期較長，一般在宏程序方案使用趨于穩定后，再定制開發軟件控制方案。

對于多頭玻璃機，宏程序的方案體現出來的缺點有如下幾個。

1)對齊宏程序復雜。因為對齊宏程序中的邏輯會根據頭數的排列組合進行分類，所以宏程序行數會隨著頭數的增加而增加，四頭的機床對齊宏程序可達數百行。

2)對齊指令影響加工效率。宏指令對齊方案中，必須先對齊才能繼續執行后面的同步指令。

3)對齊后不方便動態調整刀具長度補償。

雖然兩種控制方式實現方法不同，但相同之處在于系統宏程序、數控系統軟件，用戶對數控系統的使用方法與使用習慣是相同的。

4 關鍵實施步驟

4.1 對齊與同步

對齊是多頭同步的必要步驟，理論上同步運行時，各個主軸刀尖需要移動到同一高度，這個過程即對齊。在實際應用中，對齊一般發生在加工G代碼之前(示例分析圖見圖3)，比如工件坐標系調用G54，或者建立刀長補G43/G44。根據這一特征，可以設計在執行G代碼G54～G59、G43/G44時，設置對齊標記，等到有z軸移動指令時，再按各個z軸的落差，移動到對齊的位置，完成自動對齊。因此，z1、z2要有獨立的長度補償和工件零點，以便在對齊時計算落差。

圖3 G代碼示例分析圖

完成對齊動作后，后續的z軸指令會以同步的方式運行，直到下一次調用切換坐標系或切換刀補的指令。在同步過程中，z1、z2的移動增量與z保持一致。

另外，回零時，各個z軸需要回到各自機械零點，此時會暫時解除同步。常用的回零方式有“G53Z0”和“G91G28Z0”兩種，當使用第一種方式回零時，以G53為標記，當使用第二種方式回零時，以G28為標記，標記生效時，z1、z2軸需要解除同步并運行到各自指定坐標。

對齊時，由于各個z軸的起始位置和終點位置都各不相同，移動距離不同，其速度應與移動距離成比例。

4.2 換刀

多頭玻璃機換刀是多個主軸頭同時換刀，這樣可以節約換刀時間。換刀功能需要z1、z2軸以G01模態從當前位置走到各自換刀點，此過程既非對齊，也非同步。一般換刀動作由機床出廠預設宏程序實現，用戶無需修改，因此可在該宏程序中使用特殊指令G代碼來輔助完成多頭同步換刀。

由于z1、z2的移動距離不同，可以使用類似“G01z1=…z2=…”的指令格式分別指定每個z軸的目標位置，使z1、z2可以移動到各自的換刀點。z1與z2的運動速度應該與移動距離成比例，并且要先計算移動距離最大的速度，然后依次按比例計算其他軸移動速度，否則可能超速。

4.3 刀具測量與落差設定

與單頭玻璃機對刀不同，多頭玻璃機的刀補表有多個刀具長度補償，分別對應不同主軸上的刀具。刀具測量時需要同時測量各個z軸刀具長度，填入各個z軸對應的刀具長度補償中，對刀與落差設定(見圖4)。落差設置是將對應刀尖落差設置到各個Z軸的工件零偏移中。以雙刀庫雙工位的應用場景為例，雙頭玻璃機刀具測量的具體步驟如下。

圖4 對刀與落差設定

1)切換到刀具測量界面，選擇需要對刀的主軸頭。

2)選擇需要測量的刀具號。

3)確定開始測量。

完成上述操作步驟后，機床的各個z軸會同步移動刀量儀位置，觸碰量儀，并將刀尖觸碰量儀時的機床位置設置到當前刀的刀具長度中，完成刀具測量。

在刀具測量后，下一步是設定落差。設定落差需要切換到坐標零點設置界面，并將機床切換到手動模式，然后將刀尖移動到工件表面，再將光標移動到需要設置的軸的零點輸入位置并點擊落差設定按鍵，此時，軟件內部會將當前z軸位置與當前刀具長度的差值設置到當前z軸的工件坐標系零點中，完成落差設定。

按上述方式設置好每個z軸的落差，即可保證加工時，z1和z2運行的高度差正好等于兩個軸對應的工件表面的高度差。

4.4 刀具壽命

在雙頭玻璃機上，兩個主軸頭上的刀具算到同一個刀具號上。比如當前刀具號為1，那么z1的刀具壽命為刀號1的z1刀具壽命，z2的刀具壽命為刀號1的z2刀具壽命。當z1、z2中任意一個軸的刀具已用壽命達到報警壽命，都需要報警。如果是主軸頭數更多的機型，同樣要根據刀具已用壽命最大的主軸頭來報警，這樣可以最大限度地減少報警相關的PLC工作。

5 應用驗證與比較

5.1 現場應用

在生產過程中，多頭玻璃機操作與普通玻璃機操作相同，操作人員只需裝夾與各個z軸對應的工位、點擊循環啟動、結束時更換毛坯料。

根據現場加工過程可以看出，多頭玻璃機在保證生產質量的前提下，可以明顯提升生產效率，并且生產效率與玻璃機頭數成正比。圖5為四頭玻璃機工作臺和工件。

圖5 四頭機工作臺(左)與工件(右)

5.2 宏程序比較

采用該方案的多頭玻璃機已在某3C玻璃生產廠批量應用生產，系統運行穩定，操作簡單，穩定性和適用性得到了驗證。

在調試復雜度上，軟件控制相比宏程序控制方案，可以明顯減少宏程序的編寫和維護的工作量，縮短調機周期，減輕機床調試人員負擔。表1是多種多頭玻璃機分別使用兩種方案的宏程序行數統計。

表1 多頭玻璃機宏程序行數統計表

6 結語

本文介紹了一種同步軸的多頭玻璃機的方案，并結合實際開發調試的情況，說明了對刀、換刀、落差設定等調試過程中可能遇到的問題及解決方案。采用本方案的數控系統，已應用到了雙頭、三頭、四頭的玻璃機機床，廣泛應用于3C玻璃機加工市場，得到了市場的充分檢驗。