陶瓷磚（石材）數控智能磨邊倒角機系統的研究

詹新平

摘 要：本文通過深入分析控制對象的特性，借助于數控技術、定位技術、伺服電機和傳感器，發揮控制器快速運算速度和高速采集信號的能力，運用控制器的編程語言寫入具有自主知識產權的控制算法，實現對復雜控制對象高精智能的控制。本系統由位于辦公室的上位機及位于車間的磨邊倒角主機組成。

關健詞：智能；數控；高精度；集自動化；能效管理

1 引言

自陶瓷深加工機械在上世紀80年代末90年代初出現以來，意大利等憑借在基礎材料、設計方法、控制技術等方面的優勢，多年來一直在設計制造方面處于領先水平，特別是在高檔機型方面占有優勢。以BMR、ANCORA、BRETON為代表的國際陶瓷深加工機械制造商領先技術的潮流，能實現數控精準自動化調節。

上世紀80年代末90年代初，由科達潔能研發出國產第一臺陶瓷磨邊倒角機，形成國產陶瓷深加工機械，一直處在穩步發展階段，經過多年發展，國內機型種類齊全，技術水平可以滿足多數應用場合，陶瓷深加工機械產量居世界第一。但受各種因素影響，陶瓷深加工機械裝備的數控智能化應用方面發展比較慢。在公司的支持下，筆者所在的團隊從2015年就開始了數控智能磨邊倒角機的研究與開發，2016年6月第1臺數控智能磨邊倒角機交付給客戶并獲得好評，同年年底實現了批量訂單。

2 系統的設計及控制原理

數控智能磨邊倒角機包括機械部分、電控部分和管理軟件部分。相關的機械部分的設計及其工作原理本文只簡述，本文主要敘述相關數控智能磨邊倒角機的電控部分和管理軟件部分。

2.1設計思路

現有普通磨邊倒角機存在以下幾個缺點。（1）磨邊頭進給采用手動調節進給。缺點：進給不方便，進給量無法保證，磨邊輪的消耗無法顯示需要不斷打開水罩檢查，操作人員勞動強大。（2）磨邊機的推磚裝置中推磚爪采用手動調節。缺點：調節不方便及運行調節時存在很大安全事故；對控制瓷磚（石材）產品對角線誤差需返復多次調節才能完成，操作人員勞動強大。（3）磨邊機的主傳動裝置采用單異步電機變頻器驅動，4條輸送同步帶采用機械軸同步。缺點：機械軸容易出現磨損傳動鍵，造成加工的產品出現對角線超差；更換4條輸同步帶非常不方便耗時長，操作人員勞動強大。（4）磨邊機的橫梁調節采用手動調節或電動調節。缺點：手動調節需要操作人員返復用尺測量檢測；電動調節不能自動按設定值調節橫梁；精度控制不準確。（5）例如普通磨邊倒角機加工600 mm × 600 mm陶瓷磚對角線誤差只能控制在0.5 mm以上、寬度尺寸只能控制在0.2 mm以上。

針對上述缺點，本團隊研發了全新的數控智能磨邊倒角機，600 mm × 600 mm陶瓷磚對角線誤差能控制在0.3 mm以下、寬度尺寸控制在0.1 mm以下，優等率99%。

（1）數控智能磨邊倒角機的機械部分主要由以下幾個部件組成：1）雙壓帶輸送皮帶采用2臺伺服電機驅動，負責陶瓷磚的輸送的部件；2）數字進給磨邊磨頭，配有位置檢測傳感器和進給驅動電機，安裝磨具對被加工件周邊進行磨削的部件；3）數控推磚爪裝置，配有伺服電機的推磚爪，通過數控的方法校正被加工件位置的部件；4）數字調寬裝置，配有工作寬度計量傳感器，數字調節工作寬度的部件等。如圖2。

（2）數控智能磨邊倒角機的電控部分采用高性能PLC對上述圖2數字控制的4個機械部件進行集成控制實現數控和自動化控制，而上位機中磨邊倒角機的管理軟件對產量、能耗、磨具消耗、維修保養進行統計并生成各種報表。

2.2系統的具體設計

2.2.1數控智能磨邊倒角機開發的控制系統結構圖

設計先進的智能數字控制策略，以高速的數據采樣、處理和輸出周期，使磨邊倒角機主傳動、橫梁調節、推磚動作、磨邊頭進給速度快、精度高、動作更進一步柔和的目標。

2.2.2詳細的技術路線

（1）雙伺服驅動磨邊倒角機的雙輸送帶電控系統的軟硬件設計。

傳統的陶瓷磨邊倒角機的雙輸送帶控制，采用機械軸聯接2條輸送帶的傳動部件從而同步運行；易出現機械軸生銹無法調節，長期使用機械軸的平鍵或花鍵磨損從而2條輸送帶無法同步運行。

新控制系統在分析目前陶瓷磨邊倒角機輸送帶運動控制系統的動靜態特性，采用兩側伺服電機獨立驅動同步控制，取消聯接機械軸有效避免傳動軸及空心軸鍵槽磨損所帶來的同步誤差、皮帶更換方便省時；雙側伺服同步系統，同步精度可達0.1 mm，從而減少陶瓷磚對角線誤差。

（2）伺服驅動磨邊倒角機的橫梁運動電控系統的軟硬件設計。

傳統的陶瓷磨邊倒角機橫梁控制，采用普通PLC高數計數編碼器輸入檢測橫梁位移，交流變頻器+交流異步電機驅動普通絲桿，由于普通絲桿間隙、異步電機轉差及交流變頻器響應速度等影響，所以其控制精度和穩定性不能得到保證。

新控制系統在分析目前陶瓷磨邊倒角機橫梁運動控制系統的動靜態特性，針對伺服驅動器+伺服電機驅動滾珠絲桿，以及高速定位模塊等，構成的橫梁調節的電控系統硬件部分，設計先進的智能控制策略。

（3）伺服驅動磨邊倒角機的推磚機構運動電控系統的軟硬件設計。

傳統的陶瓷磨邊倒角機推磚控制，采用普通PLC高數計數編碼器輸入檢測推磚位移，交流變頻器+交流異步電機驅動推磚機構由于異步電機轉差及交流變頻器響應速度等影響，所以其控制精度和穩定性不能得到保證。

新控制系統針對伺服驅動器+伺服電機驅動推磚機構，以及高速定位模塊等，構成推磚機構的電控系統硬件部分，設計先進的智能控制策略。

（4）磨邊倒角機的磨邊頭進給電控系統的軟硬件設計。

傳統的陶瓷磨邊倒角機的磨邊頭進給，采用人功手動輪調節進給，所以其控制精度和穩定性不能得到保證。

新控制系統在分析磨邊倒角機磨邊頭結構后，針對電機驅動+位置檢測傳感器控制磨邊頭進給，通過電流檢測每一對磨邊頭的電流負荷，以及高速定位模塊等可達每一對磨邊頭同步進給及進給量的負荷相同，設計先進的智能控制策略，以高速的數據采樣、處理和輸出周期，使磨邊頭進給量相等、精度高、負載相等的目標。

（5）數字存儲、記錄參數，智能存儲所有運行參數。

傳統的磨邊倒角機參數采用人工記錄和保存。新控制系統可隨時記錄、存儲比較好的磨邊機參數，按照所生產產品的不同，存儲大量不同的加工配方，隨時調出使用。另外，可智能存儲所有加工參數及運行狀態數據，方便在新產品試機或需要時，提供直接調用歷史運行的所有參數，使得磨邊機加工可以立即恢復歷史良好狀態，而不必重復調試。

2.3系統網絡設計

網絡拓撲圖如圖4。

（1）辦公室上位機安裝有智能磨邊機信息管理軟件；

（2）車間由兩臺或多臺數控磨邊主機組成，通過局域工業以太網（Modbus TCP/IP協議）把1條或多條磨邊線連接到上位機局域網絡中；

（3）上位機與車間主機通過交換機、網線連接。

2.4軟件設計及關鍵技術實現

2.4.1高性能PLC控制軟件設計

（1）設計2軸同步控制算法，實現兩側伺服電機傳動同步運行；

（2）通過陶瓷磚尺寸檢測儀傳送到PLC的陶瓷磚對角線誤差數據，設計推磚爪自動補償算法，實現陶瓷磚對角線誤差值自動調節；

（3）通過每個磨邊頭位置傳感器、磨邊頭負載電流檢測傳送到PLC的值，設計磨邊頭自動進給、磨輪消耗自動補償算法，實現磨邊倒角機的磨邊頭進給量自動調節；

（4）磨邊倒角機的保養軟件設計，在人機界面（HMI）設計有磨邊倒角機各部件潤滑周期設定、潤滑時間倒計時功能，潤滑周期到時自動彈出提示及報警；

（5）通過智能電能表測量整機負載電流值、用電量傳送到PLC，結合產量計算出單位平方米用電量。見圖5。

2.4.2智能化軟件設計

上位機軟件主要研發方向能效管理、設備保養到期提示、自動生成生產報表。

（1）上位機軟件詳細技術特點：

1）開發平臺：基于SOA架構，微軟 Dot Net 框架；

2）開發語言：Visual Studio、C#以及Visual C++；

3）架構：B/S 與 C/S 相結合；

4）采用的數據庫：SQL Server 2008；

5）軟件運行平臺：客戶端Windows XP/Win7， 服務器2003Server / 2008R2；

6）采用的技術：組件技術、數據倉庫、API技術、Web Service技術等；

7）數據挖掘技術： OLAP（聯機分析處理） 、多維度分析，數據透視、數據分析；

8）展示形式：曲線圖、棒圖、堆積趨勢圖、報表等。

（2）能效管理方法主要三方面，如下圖6。

注：能耗降低主要通過兩方面：

1）通過自動化實現的主動能效管理；

2）告知生產管理人員、生產工如何提升生產管理效率。

2.4.3系統關鍵技術實現

（1）2條輸送帶伺服同步控制技術；

（2）磨邊頭磨輪自動進給數字控制技術；

（3）陶瓷磚（石材）產品的對角線誤差值自動調節技術；

（4）磨邊頭磨輪磨損自動補償控制技術；

（5）能效評估，幫助實現并評估能效測量；

（6）能源產量展示，報表、web發布、移動端的APP。

3 系統實現及使用效果

3.1經濟、社會、環境效益

陶瓷磨邊倒角機是陶瓷深加工機械裝備中的重要設備，數控智能控制系統成功應用于陶瓷深加工機械裝備中，為陶瓷深加工提高生產效益、降低勞動強度以及改善產業工人的工作環境，提供了陶瓷機械的“智能制造”解決方案。增加陶瓷深加工機械裝備性能和附加值，2016年銷售10條以上數控陶瓷拋光線為公司創造600萬元銷值。

3.2數控智能磨邊使用效果

（1）減少操作人員數量，降低操作人員勞動強度；

（2）降低操作人員勞動技能要求，無經驗人員經培訓3小時即可操作；

（3）提高產品質量，磚坯大小頭可控制在0.1 mm以內，對角線可控制在0.3 mm以內（600 mm × 600 mm）。磨邊優等品率可達99.0%以上；

（4）磨邊輪進給及推磚爪調整精確至0.01 mm；

（5）多點觸控觸摸屏操作，屏幕自帶配件維修手冊及維修保養記錄；

（6）一二級保養及潤滑到期提示；

（7）強大的報表輸出功能，可自動采集產量、質量、能耗、磨具消耗、配件消耗、維修保養記錄、設備利用率，并自動上傳至上位機，簡化工廠生產管理及統計工作；

（8） 開放的標準接口，可輸出數據至工廠的ERP管理系統；

（9）遠程監控及操作屏幕同步功能，無需下車間，生產狀況了如指掌。

4 結論與展望

讓陶瓷企業使用的不再是一臺簡易的磨邊倒角機，而是一臺高精度的數控磨邊倒角機及一套先進制造企業的管理模式。我們所輸出的不再單純是設備，還包括我們多年的管理經驗和思維模式。希望本文能夠為陶瓷業智能制造提供參考。

參考文獻

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