基于同步跟隨技術的全自動玻璃加工單元控制系統開發

張順林 王平江1， 陳志鋒 柯榕彬

（1、華中科技大學機械科學與工程學院，湖北 武漢 430074 2、泉州華中科技大學智能制造研究院，福建 泉州 362000）

我國2018 年在長三角地區建立國內最大5G 外場技術試驗網，2019 年率先開始商用，2020 年成為國內首批商用地區之一。國家發改委此前批準了中國聯通在北京、天津、青島、貴陽等12 個城市試點建設5G 網絡，多個手機品牌也推出了5G 手機。

在5G 手機中玻璃既是功能材料，也是裝飾材料，從前蓋板、觸摸屏、顯示器到后蓋板，玻璃均是合適的材料。以后蓋為例，金屬材料對5G 高頻天線有明顯的吸收，5G 手機的后蓋不能采用金屬材料，而玻璃對電磁信號可順利傳輸，因此玻璃是5G 手機后蓋較理想的材料[1]，如圖1。

圖1 玻璃機雙工位加工示意圖

我國以5G 手機為典型代表的3C 電子產業巨大，近年來，視頻、移動和無線等新技術以及通訊、電腦與消費電子融合的發展趨勢，促使包括智能手機、平板電腦等在內的新產品不斷涌現，3C 電子產業新興領域快速成長，整體產業始終保持活躍，銷售額連年保持兩位數的持續高速增長。這一趨勢引發了3C電子產品產業對3C 數控機床需求爆發式增長，整個行業處在快速擴張階段[2]。

在3C 產品配件加工領域，數控機床的普及程度已經非常高，而且數控機床的數量也較多，但數控機床的上下料工作大部分仍然是由人工來完成，該環節導致出現大量的用工；只有部分企業采用工業機器人進行上下料，通過一臺機器人、料倉儲運單元、導軌移動單元或AGV 與若干臺數控機床組合成自動化生產線[3-4]，但該方案投資成本相對較大，且整線換款調試較為復雜。

本文針對3C 產品玻璃結構件全自動加工需求，通過對通道并行控制技術和通道間協同控制技術的研究，解決系統集成關鍵技術難點，開發通用的系統集成功能模塊，實現數控NC 加工單元（玻璃機）與自動上下料單元的控制系統集成，提高玻璃加工效率。

1 全自動玻璃加工單元加工工藝

全自動玻璃加工單元主要包括玻璃NC 加工單元和自動上下料單元。其中玻璃NC 加工單元主要完成玻璃板的銑邊、開孔、銑曲面等工序，典型的玻璃NC 加工單元為龍門式結構，有X、Y、Z 三個運動軸，其中X 軸為加工主軸頭沿龍門橫梁的水平方向運動軸，Y 軸為機床工作臺前后方向的運動軸，Z 軸為加工主軸頭豎直上下方向的運動軸。

自動上下料單元主要完成玻璃毛坯板的上料、加工后玻璃板的下料并裝入專用料架，典型的上下料機構采用桁架機械手，有X1、X2、Y1、Z1 四個運動軸，其中X1、X2 軸為水平方向運動的主臂和副臂，與玻璃機X 軸方向平行，Y1 軸為桁架機械手前后方向運動軸，與玻璃機Y 軸方向平行，Z1 軸為桁架機械手豎直上下方向的運動軸，全自動玻璃加工單元結構示意圖如圖2 所示。

為盡量縮減因上下料工序導致的玻璃機停機等待時間，玻璃機工作臺上安裝兩套玻璃板裝夾夾具，作為兩個工位，如圖3所示，兩個工位輪流作為加工工位和備料工位，實現不停機連續加工，提高機床稼動率，提升生產效率。

在連續加工過程中，工作臺停頓（加工玻璃板短邊時工作臺停止）的時間非常短，機械手無法在工作臺靜止時間內完成玻璃板的上、下料，如圖4 所示，因此上下料機械手的一個伺服軸（Y1 軸）要與工作臺運動軸（Y 軸）保持同步，實現上下料機械手吸盤與玻璃機工作臺的相對靜止，在玻璃機加工過程中完成對備料工位的上、下料動作流程。

圖4 典型玻璃板加工軌跡示意圖

2 全自動玻璃加工單元關鍵技術

基于通道并行控制的技術方案，一個通道作為玻璃NC 加工單元控制系統，另一個通道作為上下料機械手單元控制系統，全自動玻璃加工單元集成控制系統配置如圖5 所示。

圖5 全自動玻璃加工單元集成控制系統配置

為實現在玻璃NC 加工單元不停機的狀態下，完成備料工位的上、下料動作，關鍵點在于上下料機械手單元的一個軸要實現與玻璃NC 加工單元一個軸的同步，實現上下料機械手吸盤與玻璃機工作臺的相對靜止，完成上、下料動作流程。本文結合通道間同步技術和數控系統運動疊加模塊的開發，提出了一種“先同步、再跟隨”的雙軸同步跟隨控制方案。

華中8 型數控系統提供的二次開發平臺，其中1msinterface接口函數功能：以邏輯軸軸指令增量作為對象，通過axse.c 文件在1ms 時間內把插補器中1ms 周期內所有已配置的邏輯軸的指令增量，采用軸號增加的方式，依次調用1msinterface 接口，將系統中已配置的邏輯軸的增量傳遞給1msinterface 接口，用戶即可根據使用的實際情形，記錄或者修改該邏輯軸所對應的指令增量。該接口函數調用狀態機圖如圖6 所示，該功能的開啟可通過M代碼實現。

圖6 1msinterface 接口函數調用狀態機圖

本方案中，以玻璃NC 加工單元的Y 軸為主動軸，以上下料機械手單元的Y1 軸為從動軸，通過1msinterface 接口函數，實時查詢主動軸當前插補周期指令增量，并將其疊加到從動軸當前插補周期指令增量中，從而實現主、從動軸的同步，然后通過比較開啟同步功能第1 個插補周期時刻主、從動軸的實際位置，確定從動軸的跟隨位移，實現從動軸對主動軸的跟隨，該同步跟隨功能模塊控制流程如圖7 所示。

圖7 雙軸自動同步跟隨功能模塊控制流程

3 控制系統實現與驗證

針對玻璃NC 加工和自動上下料集成控制的需求，采用“華中8 型”數控系統雙通道方案，對玻璃NC 加工單元和上下料機械手單元進行集成控制，控制系統硬件架構如圖8 所示。

圖8 全自動玻璃加工單元控制系統硬件架構

基于數控系統提供的二次開發平臺，在1msinterface 接口函數中實現主、從動軸的同步，通過數控系統G 代碼程序、M代碼和PLC 程序[5]的設計，實現上下料機械手單元從動軸（Y1 軸）對玻璃NC 加工單元主動軸（Y 軸）的同步，進而實現了上下料機械手吸盤與玻璃機工作臺的相對靜止，完成玻璃機不停機自動上下料。

按照主、從軸實現同步的方案不同，本文提出兩種同步方案，方案一是采取玻璃NC 加工單元主動軸（Y 軸）運行到設定位置等待，上下料機械手單元從動軸（Y1 軸）從固定位置開始執行與主動軸的同步，完成上、下料動作流程后，從設定位置退出與主動軸的同步。數控系統雙通道G代碼程序、PLC 程序設計如圖9 所示。該方案需要對玻璃NC 加工單元原G 代碼程序作修改，在原G 代碼程序中添加M代碼，設定運行等待點，通過通道間協同控制，實現主、從軸的同步。

圖9 同步方案一控制系統雙通道G 代碼、PLC 程序圖

該方案控制簡單可靠，上下料機械手單元相對于玻璃NC 加工單元的運行軌跡固定，但NC加工單元、上下料機械手單元節拍匹配較為麻煩，節拍調試難度較大，上下料意外處理較復雜；且需要改動玻璃NC 加工單元的G 代碼程序，終端客戶接受度較差。

針對方案一存在的問題，本文提出了方案二，該方案通過數控系統G 代碼程序、M代碼和PLC 程序的合理設計，實現上下料機械手單元從動軸（Y1 軸）對玻璃NC 加工單元主動軸（Y軸）的先同步，再跟隨，進而實現了上下料機械手吸盤與玻璃機工作臺的相對靜止，完成玻璃機不停機自動上下料。本方案可以由玻璃NC 加工單元通道在任意時刻開啟同步，從開啟同步的時刻起，上下料機械手單元從動軸（Y1 軸）開始疊加玻璃NC加工單元主動軸（Y 軸）的運動，主、從軸開始實現同步，與此同時，通過獲取玻璃NC 加工單元主動軸Y 軸此刻實際位置，確定上下料機械手單元從動軸Y1 軸的跟隨位移，完成跟隨后，上下料機械手單元從動軸（Y1 軸）即到達設定上、下料位置，且與玻璃NC 加工單元主動軸（Y 軸）保持同步，完成上、下料動作流程后，從設定的安全位置退出與主動軸的同步。數控系統雙通道G代碼程序、PLC 程序設計如圖10 所示。

方案二采用“先同步、再追隨”的方案，實現在任意時刻、任意位置，上下料機械手單元從動軸（Y1 軸）對玻璃NC 加工單元主動軸（Y 軸）的實時、自動跟隨，省去同步跟隨節拍匹配的問題，相較于方案一，同步跟隨功能的靈活性有較大程度的提高，且無需修改玻璃NC 加工單元通道G 代碼程序，終端客戶操作也較為簡單。

本文中，結合圖11、圖12，對自動同步跟隨功能進行詳細說明，圖11 為主、從動軸同步跟隨位置示意圖，圖12 為主、從動軸同步跟隨測試數據分析圖，由數控系統配套測試軟件SSTT 采集、處理[6]。自動同步跟隨功能由M代碼M65 開啟，此時為同步起點，此刻起從動軸Y1 軸即開始疊加主動軸Y 軸的運動，與此同時，通過獲取主動軸Y 軸此刻實際位置，確定從動軸Y1 軸的跟隨位移，完成跟隨后，上下料機械手吸盤運動至工位1 同步點1（P11 點），然后上下料機械手吸盤運動至工位1 同步點2（P12 點），即開始取件/放料動作，完成后回退至工位1 同步點1（P11 點），上下料機械手吸盤運動至安全無干涉位置，最后由M 代碼M66 關閉同步跟隨功能，上下料機械手運動至待機位置，完成取件/放料動作子程序。工位2 取件/放料動作流程類似，在此不在贅述。

圖11 主、從動軸同步跟隨位置示意圖

圖12 主、從動軸同步跟隨測試數據分析圖

4 結論

本文面向3C 產品玻璃結構件全自動加工需求，通過對通道并行控制技術和通道間協同控制技術的研究，實現NC 加工單元與自動上下料單元的控制系統集成，主要工作和結論總結如下：

4.1 結合“華中8 型”數控系統多軸多通道的技術優勢，采用數控系統雙通道方案對玻璃NC 加工單元和上下料機械手單元進行集成控制。

4.2 基于數控系統提供的二次開發平臺，實現兩個控制通道兩軸的同步，通過數控系統G 代碼程序、M代碼和PLC 程序的合理設計，完成數控系統通道間信息的實時交互，實現上下料機械手一個伺服軸對玻璃NC 加工通道一個伺服軸的“先同步，再跟隨”，完成玻璃機不停機（暫停）自動上下料的控制方案。

4.3 本文針對自動上下料機械手對NC 加工單元同步跟隨并取放料的需求，提出了一種“先同步、再跟隨”的雙軸協同控制方案，可在任意時刻、任意位置，實現上下料機械手對NC 加工單元的自動同步跟隨。實踐證明，該集成控制方案可適用于“機床NC 加工+自動上下料”這一類型的應用場景，實現數控機床連續加工，提高機床稼動率。