基于PLC控制的隱形眼鏡前弧車削設計

摘 要：隨著社會經濟的發展，隱形眼鏡生產中自動控制及精度較高的工藝當屬車削工藝，其精度要求在0.01mm，本設計論文采用車削法，關鍵因素伺服電機控制其車削工件的進給量，精密控制其中心厚度，而眼鏡的偏光度由機械部分決定。直徑為12mm，高為5mm 圓柱型RGP 塑料扣料，在基弧車床上已經將基弧即內弧車削好，此設計是前弧車床將已經形成基弧的扣料分約5-10刀粗刀、2刀中刀、2刀細刀切削其前弧形成隱形眼鏡鏡片。

關鍵詞：PLC 隱形眼鏡 伺服電機 中心厚度

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）04（a）-0072-02

1 隱形眼鏡的生產工藝

目前軟性隱形眼鏡的生產工藝有：車削法、離心澆鑄法、模壓法和混合工藝法。

1.1 離心澆鑄法

優點：（1）重復生產性好，可大規模生產，成本較低。（2）表面光滑。

缺點：（1）在低度數時不夠挺，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，易粘連。（5）內表面成拋物線形，與角膜三點接觸，低對比度視力較差。

1.2 模壓法

優點：（1）表面平滑、堅固，邊緣薄。（2）重復生產性好，成本低。（3）內表面成球形，低對比度視力良。

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

1.3 車削法

優點：（1）表面不帶電荷，不易粘連，不易吸附蛋白質。（2）由于更挺，故更易操作。（3）內表面呈球形，低對比度視力良好。（4）球面鏡片，視覺更穩定，更清晰。（5）使用壽命更長。（6）沒有參數方面的限制，可按驗配員要求訂做任何鏡片，完成復雜設計.

缺點：產量低，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；綜合了兩者的優點。

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，檢測輸入傳感器、按鈕的執行指令，再控制所有的執行元件；（2）人機界面HMI ：用于與PLC交互數據，控制，操作、顯示等功能；（3）伺服電機：接收來自PLC發來的脈沖數控制工件進給量，車削的精度與深度均有此決定；（4）刀頭旋轉直流電機，帶動刀頭以一定角度旋轉而切削工件；（5）主軸直流電機：功率24V/90W，帶動工件以8000-12000r/m速度高速旋轉；直流電機轉速3000r/m，變比1：4；（6）工件位置檢測電機：工件車削前該電機會帶動檢測傳感器下行以測試工件位置；（7）輸入傳感器等檢測元件：電機極限位、Home位；（8）其它絲桿等機械結構，這里不再介紹。

2.2 PLC

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

采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。

2.3 交流伺服電機選型

伺服電機內部的轉子是永磁鐵，驅動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉子在此磁場的作用下轉動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅動器，驅動器根據反饋值與目標值進行比較，調整轉子轉動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數）。

選用松下A5系列伺服電機，編碼器的線數為20位，2^20=1048576，所以伺服電機分辨率為1/1048576，但實際應用可設定nP/r（脈沖每轉），則實際分辨率等于1/n（n≤1048576）。

伺服是該系統的控制核心，設定的控制方式為脈沖+方向，伺服電機旋轉的角位移通過絲桿轉換成線位移，最終達到控制切削厚度與鏡片的中心厚度。

伺服設定2000p/r，同步帶輪變比5：1，絲桿導程2.0mm，從而10000p/2.0mm，即5000P/mm，5P/um；即伺服旋轉一周，工件的線位移為0.4mm。

2.4 工業觸摸屏 HMI

觸摸屏主要特點可概括為以下幾點：（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合薄膜構成，透明效果稍差。（2）觸摸屏在物理上是一套獨立的絕對定位系統，即你選擇了哪一項就直接觸摸到那，不需要第二個動作。相比之下，鼠標則是一個相對定位系統，當需要光標移動到某個地方時，首先要知道現在在何處，然后確定往那個方向走，每時每刻要給用戶反饋當前所在位置。絕對定位系統要求每次觸摸點的數據通過校準數據轉為屏幕上的坐標，因此同一觸摸點輸出的數據應該穩定。否則，觸摸屏不能保證絕對坐標定位，坐標定位不準是觸摸屏嚴重問題。從技術原理上分析如果同一觸摸點每次采樣數據不同，這種現象稱為漂移。具體表現在當你點擊一個你在屏幕上看到的位置，反應出來的結果卻偏離了你的位置，這種現象就是漂移，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象。（3）檢測觸摸并定位，各種觸摸屏技術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速度、可靠性、穩定性和壽命。根據檢測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

電氣圖運用Eplan P8.0應用軟件繪制，Eplan作為電氣計算機輔助設計時代的先鋒。

自1984年以來，EPLAN一直是為電氣規劃，工程設計和項目管理領域提供智能化軟件解決方案和專業化服務的全球標志型電氣應用軟件界。

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，因為千言萬語不如一張圖。以特定的圖形符號加上說明，表示算法的圖，稱為流程圖或框圖。

流程圖是流經一個系統的信息流、觀點流或部件流的圖形代表。在企業中，流程圖主要用來說明某一過程。這種過程既可以是生產線上的工藝流程，也可以是完成一項任務必需的管理過程。

5 控制過程

5.1 系統調試界面

該界面用于調試維修用，可監控各輸入元件狀態，可讓執行元件動作；

5.2 初始化

初始化是讓執行元件歸原點動作，順序為：測試工件位置傳感器上升→主軸向左運行至原點再右行起始點→切刀內行到位；初始化時指示燈綠燈亮，初始化完成后黃色燈亮。

5.3 自動

5.3.1 隱形眼鏡基本參數

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、光學區直徑D1；

5.3.2 自動控制過程

為了使鏡片表面精細光潔，切刀分粗刀、中刀、細刀，其深度粗刀約0.5mm，中刀0.2mm，細刀0.1mm；程序內根據設定的參數，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、中刀數量、細刀深度、細刀數量計算出粗刀數，粗刀深度為設定值，其中算下余數為粗刀第一刀；初始化后黃燈亮，工件裝好，設定好參數，按啟動，位置檢測傳感器下行，伺服前行至位置檢測傳感器，停下，記憶此處的伺服前行的脈沖數據作為后面位置計算的0位，上行位置檢測傳感器。

工件運行至第一次粗刀位置，行程=0位+0位到刀架中心點距離（常量）+前弧R1+前弧與周邊弧差值-（細刀總切削深度+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定位，循環執行，中刀、細刀伺服采用絕對定位，細刀，最后一刀細刀的絕對定位坐標：0位脈沖數+0位到刀架中心點距離（常量）+前弧R1+前弧與周邊弧差值。

6 設計軟件

6.1 Profce HMI

人機界面使用Proface GE4501觸摸屏，界面友好，操作與監控更人性化；有參數設置，操作按鈕，位及數據監控。

通訊：Proface HMI有232與485串口，通過232口與松下PLC進行通訊；通訊的實時響應速度較快。

6.2 PLC控制程序 LAD

PLC程序設計應用軟件為FPWIIN GR V3.19，該軟件具有FP0系列PLC程序（STL/LAD）編寫、上傳、下載、監控等功能；FPWIIN編程的應用面廣、功能強大、使用方便，已經成為當代工業自動化的主要裝置之一，在工業生產的所有領域得到了廣泛的使用，在其他領域（例如民用和家庭自動化）的應用也得到了迅速的發展。

參考文獻

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[2]曹京生.PLC輸入端擴展技巧[J].機械制造與自動化，2004（6）.

[3]王向東.PLC控制系統設計方法[J].職業教育研究，2004（3）.