觸屏蓋板玻璃自動(dòng)存儲(chǔ)機(jī)結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何 濤，許 博，程小明，王永濤

(1.安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2. 安徽貝可科技有限公司 項(xiàng)目工程部，安徽 淮南 232000)

觸屏蓋板玻璃在高端液晶電視、平板電腦、手機(jī)等電子產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛，其作為液晶面板必備組件，是電子交互系統(tǒng)的核心組成部分之一。中國(guó)大陸地區(qū)液晶面板產(chǎn)能約占全球總產(chǎn)量的23.7%，在整個(gè)液晶面板產(chǎn)業(yè)鏈中占據(jù)舉足輕重的地位[1-2]。觸屏蓋板玻璃厚度薄，且對(duì)表面光潔度要求極高，在不同的生產(chǎn)工序中轉(zhuǎn)移需要保證觸屏蓋板玻璃的完整性以確保液晶面板的安全生產(chǎn)[3-5]。國(guó)外的液晶面板生產(chǎn)有完整的自動(dòng)化生產(chǎn)線，采用的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)移裝置一般為A型架回轉(zhuǎn)裝置[6-7]，占地空間大，設(shè)備昂貴，而目前國(guó)內(nèi)采用的存儲(chǔ)裝置一般為氣動(dòng)的機(jī)械手夾取搬運(yùn)，機(jī)械手搬運(yùn)存在破損率高等問題，而且機(jī)械手設(shè)備昂貴，需要定期維護(hù)，影響生產(chǎn)效率，因此大部分采用人工存儲(chǔ)，但人工存儲(chǔ)蓋板玻璃存在次品率高、易傷人、效率低等問題[8]。PLC具有反應(yīng)快、可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在自動(dòng)化控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[9-11]，其可實(shí)現(xiàn)觸屏蓋板玻璃生產(chǎn)加工的全自動(dòng)化和無人化控制[12-13]。

研究針對(duì)人工存儲(chǔ)觸屏蓋板玻璃過程中存在的次品率高、易傷人、效率低等問題，設(shè)計(jì)了觸屏蓋板玻璃存儲(chǔ)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件電路、自動(dòng)控制系統(tǒng)及人機(jī)交互界面，并搭建樣機(jī)開展了樣機(jī)的性能試驗(yàn)研究。

1 存儲(chǔ)機(jī)方案設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。由圖1可知，觸屏蓋板玻璃存儲(chǔ)機(jī)主要包括傳送機(jī)構(gòu)和存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)兩個(gè)部分，傳送機(jī)構(gòu)包括步進(jìn)電機(jī)、傳送帶、傳感器等，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳送帶，傳感器通過檢測(cè)觸屏蓋板玻璃板的位置，進(jìn)而控制電機(jī)啟停。存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)包括升降臺(tái)、電機(jī)、夾緊裝置、料框和傳感器，其中料框通過夾緊裝置固定于升降臺(tái)上，電機(jī)驅(qū)動(dòng)升降臺(tái)升降，并借助傳感器檢測(cè)升降臺(tái)的上、下極限位置。

圖1 存儲(chǔ)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 功能設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)機(jī)的主要功能是實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格的觸屏蓋板玻璃片有序地輸送入料框，控制系統(tǒng)的原理圖如圖2所示。控制系統(tǒng)主要功能如下：

(1)模式切換功能。存儲(chǔ)機(jī)具備自動(dòng)與手動(dòng)切換、暫停、啟動(dòng)、急停復(fù)位等功能。總開關(guān)打開，系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行，黃色警示燈亮；按下自動(dòng)按鈕，系統(tǒng)處于準(zhǔn)備狀態(tài)，綠燈亮，按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行；按下暫停按鈕，紅燈亮，系統(tǒng)處于停止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)按下急停復(fù)位旋鈕，紅色警示燈亮，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲，系統(tǒng)處于停止?fàn)顟B(tài)；松開旋鈕，系統(tǒng)解除報(bào)警，料框回到原點(diǎn)，初始化設(shè)置完成。

圖2 控制系統(tǒng)原理圖

(2)皮帶傳送功能。自動(dòng)模式下，前光電傳感器檢測(cè)到觸屏蓋板玻璃板后，電機(jī)開始工作，皮帶開始轉(zhuǎn)動(dòng);光纖傳感器檢測(cè)到觸屏蓋板玻璃板脫離，電機(jī)暫停工作，皮帶停止轉(zhuǎn)動(dòng)；手動(dòng)模式下，點(diǎn)擊觸摸屏手動(dòng)控制皮帶的轉(zhuǎn)動(dòng)和停止。

(3)升降臺(tái)升降功能。觸屏蓋板玻璃板進(jìn)入料框后，電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，升降臺(tái)上升設(shè)定值后電機(jī)停止，重復(fù)此運(yùn)行狀態(tài)直至升降臺(tái)上升至設(shè)定的極限位時(shí)，存儲(chǔ)機(jī)停止上升，短暫延遲后，升降臺(tái)自動(dòng)返回初始位置。

1.3 控制方案設(shè)計(jì)

控制方案如圖3所示，具體控制過程如下：

(1)前置啟動(dòng)流程。電源開關(guān)打開，存儲(chǔ)機(jī)處于自動(dòng)模式，將料框放入升降臺(tái)，光電傳感器檢測(cè)到料框到位，氣缸充氣夾緊料框，此時(shí)按下啟動(dòng)按鈕，完成前置啟動(dòng)流程。

(2)玻璃存儲(chǔ)流程。存儲(chǔ)機(jī)完成前置啟動(dòng)流程后，綠色指示燈亮，傳感器檢測(cè)升降臺(tái)是否位于升降近原點(diǎn)，若未處于升降近原點(diǎn)，則電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使升降臺(tái)到達(dá)近原點(diǎn)位置。完成原點(diǎn)檢測(cè)后，當(dāng)前光電傳感器檢測(cè)到蓋板玻璃時(shí)電機(jī)啟動(dòng)，皮帶轉(zhuǎn)動(dòng)，皮帶上的擋板推動(dòng)玻璃板至光纖傳感器位置時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，玻璃因慣性滑動(dòng)到料框，升降臺(tái)上升設(shè)定值。

(3)暫停復(fù)位流程。當(dāng)后光電傳感器檢測(cè)到玻璃掉落時(shí)，存儲(chǔ)機(jī)停止工作，方便工作人員處理殘?jiān)蝗艉蠊怆妭鞲衅魑礄z測(cè)到玻璃掉落，則重復(fù)玻璃存儲(chǔ)流程直至升降臺(tái)到達(dá)上極限位置，此時(shí)紅色指示燈亮，蜂鳴器報(bào)警，按下急停復(fù)位旋鈕，解除警示狀態(tài)，升降臺(tái)回到原點(diǎn)。

(4)手動(dòng)控制流程。使用觸摸屏可切換至手動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)黃色指示燈亮，在升降臺(tái)放入料框，按下手動(dòng)界面的夾緊料框按鈕，完成前置準(zhǔn)備工作，放置玻璃板于傳送帶上，點(diǎn)動(dòng)傳送帶啟動(dòng)按鈕，電機(jī)一直轉(zhuǎn)動(dòng)直至玻璃到達(dá)光纖傳感器位置，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，手動(dòng)點(diǎn)動(dòng)上升一格按鈕或長(zhǎng)按點(diǎn)動(dòng)上升按鈕上升任意格。

2 存儲(chǔ)機(jī)硬件設(shè)計(jì)

硬件控制圖如圖4所示。觸屏蓋板玻璃存儲(chǔ)機(jī)智能控制系統(tǒng)以PLC為核心，急停復(fù)位開關(guān)、啟動(dòng)按鈕、傳感器連接到PLC的輸入口，氣動(dòng)電磁閥、指示燈、電機(jī)連接到PLC的輸出口。PLC接收傳感器信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器由PLC發(fā)射脈沖完成驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，觸摸屏與PLC通過RS-232通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

圖3 控制方案流程圖

2.1 PLC及觸摸屏選型

存儲(chǔ)機(jī)控制系統(tǒng)由1個(gè)皮帶開環(huán)步進(jìn)電機(jī)和1個(gè)升降臺(tái)開環(huán)步進(jìn)電機(jī)，以及多個(gè)檢測(cè)傳感器、開關(guān)、氣動(dòng)電磁閥和指示燈等部分組成；且驅(qū)動(dòng)器需要PLC發(fā)射脈沖驅(qū)動(dòng)，并預(yù)留I/O口以滿足后續(xù)升級(jí)需求。存儲(chǔ)機(jī)共需16個(gè)輸入口和16個(gè)輸出口，選用三菱通用型FX-3U-32MT-DS(晶體管型輸出)PLC為控制單元。硬件控制圖如圖4所示。

系統(tǒng)采用顯控EA-07B型觸摸屏，觸摸屏與PLC之間采用標(biāo)準(zhǔn)的RS-232通訊[14-15]，具有線路少、成本低等優(yōu)點(diǎn)。通訊口連接方式如圖5所示。觸摸屏通過COM1口與PLC的COM0口通訊。

圖4 硬件控制圖 圖5 觸摸屏和PLC通訊示意圖

2.2 電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器選型計(jì)算

料框凈重2 kg，最大負(fù)載重量1.5 kg，升降臺(tái)凈重15 kg，故取負(fù)載重量M=20 kg，升降臺(tái)垂直升降，負(fù)載力Fb如式(1)所示：

Fb=Mg,

(1)

式中，g為重力加速度，絲桿導(dǎo)程Bp=10 mm，絲杠直徑Db=40 mm，絲桿長(zhǎng)L=1 120 mm，碳素工具鋼密度ρ=7.85 g/cm3，取絲杠效率η=0.9，電機(jī)工作扭矩Tb如式(2)所示：

(2)

將各項(xiàng)數(shù)值代入式(2)計(jì)算得出Tb=0.35N·m，計(jì)算負(fù)載折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jw如式(3)所示：

(3)

減速比I=1，將各項(xiàng)數(shù)值代入式(3)計(jì)算得出Jw=0.5 kg·cm2。

絲桿的質(zhì)量Mb如式(4)所示：

(4)

代入數(shù)值計(jì)算得出Mb=11.04 kg。

絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jb如式(5)所示:

(5)

計(jì)算得出Jb=2.2 kg·cm3。

Jmax=Jb+Jw，

(6)

根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的選型原則可知，步進(jìn)電機(jī)的靜力矩T>Tb，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量J>Jmax。

皮帶電機(jī)和升降臺(tái)電機(jī)都選用雷賽智能開環(huán)步進(jìn)電機(jī)CM標(biāo)準(zhǔn)型的57CM23，靜力矩為2.3 N·m，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為5 kg·cm2，步距角為1.8°，為適應(yīng)電機(jī)和PLC的要求，驅(qū)動(dòng)器選擇DM系列DMA860H經(jīng)典型，支持脈沖/方向控制，驅(qū)動(dòng)器細(xì)分?jǐn)?shù)為8。皮帶電機(jī)需配備減速器(行星減速器PX-3)以滿足運(yùn)轉(zhuǎn)需求，為應(yīng)對(duì)傳送的穩(wěn)定性，需設(shè)置兩段速度，電機(jī)硬件原理如圖6所示。

圖6 電機(jī)硬件原理圖

2.3 同步帶選型計(jì)算

傳送帶行程LA=600 mm，負(fù)載及皮帶自重為MA=2 kg，玻璃片運(yùn)動(dòng)1個(gè)LA行程需要T=2 s，據(jù)工作情況過載系數(shù)KA查表取1.8，設(shè)計(jì)功率Pd計(jì)算如式(7)所示：

(7)

算得功率Pd=12 W，且皮帶轉(zhuǎn)速n=560 r/min，據(jù)帶速及安裝尺寸許可，最終皮帶選擇3M型。

2.4 I/O口分配

I/O地址是PLC與外部之間聯(lián)系的樞紐，通過對(duì)插片觸屏蓋板玻璃機(jī)中各類輸入和輸出進(jìn)行分配，來實(shí)現(xiàn)PLC和其他設(shè)備之間的信息交換，系統(tǒng)I/O口分配表如表1所示。

表1 系統(tǒng)I/O口分配表

3 存儲(chǔ)機(jī)軟件設(shè)計(jì)

3.1 觸摸屏程序設(shè)計(jì)

觸摸屏是一種簡(jiǎn)單的人機(jī)交互方式，通過人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)對(duì)觸屏蓋板玻璃存儲(chǔ)機(jī)系統(tǒng)的控制。采用SATOOL6.1來完成觸摸屏的編寫，實(shí)現(xiàn)與PLC的通訊和監(jiān)控。控制系統(tǒng)的觸摸屏設(shè)計(jì)如圖7所示，參數(shù)界面可對(duì)升降臺(tái)上升的隔板間距、開始位置、傳送軌道速度、升降臺(tái)升降速度和感應(yīng)到光電口的延時(shí)時(shí)間進(jìn)行設(shè)置，以適應(yīng)不同工況需求，升降臺(tái)上升一格所需的脈沖數(shù)是由選用的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器決定的，脈沖數(shù)計(jì)算如式(8)所示：

(8)

式中,θe為步距角；m為細(xì)分?jǐn)?shù)；P為脈沖數(shù)；H為升降臺(tái)上升高度。

升降臺(tái)上升高度為料框隔板間距，經(jīng)測(cè)量H=10 mm，電機(jī)步距角θe=1.8°，絲桿導(dǎo)程Bp=10 mm，減速比I=1，驅(qū)動(dòng)器細(xì)分?jǐn)?shù)m=8，將各項(xiàng)數(shù)值代入式(8)計(jì)算可以得出升降臺(tái)上升一格所需的脈沖數(shù)P=1 600。

根據(jù)圖2中工作流程設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)人機(jī)交互界面如圖7所示。觸摸屏的手動(dòng)界面(見圖7b)可以用來實(shí)現(xiàn)皮帶電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)和停止，升降臺(tái)的上升和下降以及報(bào)警復(fù)位的操作，可手動(dòng)調(diào)試，也可驗(yàn)證程序的執(zhí)行效果。

圖7 控制系統(tǒng)人機(jī)交互界面

3.2 PLC程序設(shè)計(jì)

部分PLC程序設(shè)計(jì)如圖8所示。PLC通電后，當(dāng)前光電傳感器檢測(cè)到玻璃板時(shí)，X6接通，經(jīng)過短暫的延時(shí)之后，M2置位，如圖8a所示。由圖8b可知，X16常閉狀態(tài)，M2接通后，皮帶電機(jī)以5 000 Hz的頻率低速運(yùn)行，同時(shí)給T50計(jì)時(shí)D308秒(觸摸屏感應(yīng)入口延時(shí)設(shè)定值)，計(jì)時(shí)完成后，T50常閉點(diǎn)斷開，常開點(diǎn)閉合，皮帶電機(jī)以D310(觸摸屏傳送軌道速度設(shè)定值)的頻率高速轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)光纖傳感器檢測(cè)到玻璃板離開后，X10會(huì)產(chǎn)生一個(gè)上升沿，此時(shí)M2和S1復(fù)位，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖8 PLC部分梯形圖程序

4 樣機(jī)試驗(yàn)

搭建試驗(yàn)平臺(tái)如圖9所示。對(duì)觸屏蓋板玻璃存儲(chǔ)機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試，試驗(yàn)對(duì)象為觸屏蓋板玻璃，外形尺寸為193 mm×103 mm×2 mm，料框?qū)訑?shù)為50，在觸摸屏中設(shè)置皮帶傳送速度、升降臺(tái)傳送速度、隔板間距、開始位置和延遲時(shí)間，按表2設(shè)置各項(xiàng)數(shù)值。

圖9 自動(dòng)存儲(chǔ)機(jī)樣機(jī)

表2 參數(shù)設(shè)置

設(shè)置不同脈沖數(shù)得到部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表3所示。當(dāng)脈沖數(shù)取1 720時(shí)，合格率為100%。在完成調(diào)試后，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)試驗(yàn)，進(jìn)行8 h的連續(xù)運(yùn)行測(cè)試，共完成5 760片觸屏蓋板玻璃的存儲(chǔ)，損壞觸屏蓋板玻璃數(shù)30片，合格率為99.4%，存儲(chǔ)效率為人工存儲(chǔ)2.5倍，合格率相對(duì)人工提高2.3%。

表3 試驗(yàn)記錄

5 結(jié)論

完成觸屏蓋板玻璃自動(dòng)存儲(chǔ)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件選型及PLC編程設(shè)計(jì)，編寫觸摸屏人機(jī)交互程序，設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)自定義功能，并研制了存儲(chǔ)機(jī)樣機(jī)，優(yōu)化了樣機(jī)性能，實(shí)現(xiàn)了觸屏蓋板玻璃存儲(chǔ)的自動(dòng)化。樣機(jī)試驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定、安全性能高、次品率低，8 h連續(xù)運(yùn)行合格率為99.4%，效率為人工存儲(chǔ)的2.5倍，合格率相對(duì)人工提高2.3%，且可節(jié)省操作工人1名，具有較大的推廣價(jià)值。