旋轉式中空玻璃抹膠機系統設計*

陳德立，史添添※，陳振宇

（1.遼寧理工學院智能工程學院，遼寧 錦州 121013；2.比亞迪汽車工業有限公司汽車工程研究院，廣東 深圳 518118）

0 引言

中空玻璃是由雙層或多層的普通玻璃組合而成，之間使用高氣密度性且高強度粘合劑與金屬框架組裝而成[1]。從結構的角度看，中空玻璃是一種性能優秀且應用廣泛的玻璃材料制品[2]，有些國家已經實現生產線的全自動化，如德國的LENHARDT[3], 奧地利的LISEC[4]。我國近些年來中空玻璃的需求量在逐年上升，但中空玻璃的應用率仍然較低，這樣就會導致能源和資源的浪費[5]。在國內的中空玻璃生產線研究中，部分設備已經實現半自動化或自動化，如濟南德佳玻璃機械、北京韓江玻璃機械都開發出了中空玻璃生產線上的大部分的設備，但都沒有開發出與其相配套的性能穩定安全可靠全自動的中空玻璃抹膠機系統。而在一些中小型企業的抹膠環節由工人用手持膠槍進行涂抹，這不僅效率低、成本高、浪費大，還很難達到密封抹膠所要求的效果[6]。比如常見的臥式抹膠系統中有抹膠臺和導向支撐部件，抹膠過程是通過人工控制抹膠機沿著同一方向前進與后退對單邊抹膠，完成同一塊玻璃四條邊抹膠工作，需要對玻璃翻轉3 次。這種抹膠方式中出膠的控制和斷膠的控制不夠準確，出膠過早和斷膠過晚造成密封膠的浪費和抹膠質量差；同時需要根據不同的玻璃形狀而單獨設計，增加了投入的成本。為此設計出旋轉式抹膠機，通過PLC 控制電機帶動工作臺，對玻璃工件連續抹膠，同時能夠根據玻璃制品形狀不同調整噴槍的移動方式進行抹膠，減少工裝的開發，同時配備膠槍與工件距離檢測裝置，做到恒距抹膠。

1 抹膠機機械結構

自動抹膠控制系統主要由控制系統、旋轉裝置、抹膠裝置、抓取裝置、壓緊裝置、傳感器及編碼器等部分組成，其機械結構布局如圖1 所示。其控制難點在于實時根據當前放置玻璃的形狀、電機的速度等因素來控制噴槍出膠速度和調整噴槍的位置以實現抹膠系統的協同工作。

圖1 抹膠機機械結構

1.1 機械結構

旋轉裝置是由步進電機2 控制工作臺面上的玻璃工件1、2 動作，使其逆時針轉動，當自動抹膠系統工作后，為實現不間斷抹膠做準備。抹膠裝置中噴槍上裝有恒溫控制的熱熔絲連續給噴槍進行加熱，防止送入其中的密封膠受到溫度的影響產生品質的下降，電機3、4分別控制縱向和橫向移動，使得電機3和電機4協同控制抹膠噴槍的位置，使噴槍嘴部始終與玻璃工件之間距離保持在設定值。

抓取裝置由抓取部位采用氣動控制氣流負壓吸盤式機械手承擔工作，比較容易抓取玻璃工件，提高抓取玻璃的可靠度以及減少工件破損率，能夠很好地滿足不同類型的玻璃工件加工的柔性生產。系統運行后，電機1控制傳動軸帶動機械手到物料處吸取玻璃工件，然后轉動到工作臺上方，氣缸2 動作釋放玻璃工件，使玻璃工件平穩安放到工裝處；然后電機轉動，帶動機械手旋轉到物料處繼續抓取工件。當一個抹膠工序完成后由壓緊裝置負責對玻璃工件進行壓緊。

1.2 檢測反饋裝置

光電距離傳感器用來檢測噴槍與玻璃工件之間的距離，在系統上電初始化時，噴槍移動到距離玻璃工件規定的距離范圍內[7]。用以檢測玻璃工件在旋轉過程中前一檢測點到下一檢測點位移的變化，通過其位移的變化調整噴槍與玻璃工件的距離。14 位RS485 輸出的GES 單圈絕對值編碼器配合步進電機4 來保證噴槍與玻璃工件間距離始終在給定的距離范圍內，編碼器檢測到步進電機運行到需要到達的位置的時候會反饋信號給PLC，據設定脈沖數與實際脈沖數相比較，這樣PLC 可以輸出與控制要求相對應的脈沖，來克服步進電機開環的弊端，又能改善控制工況和提高系統的協同性[8-9]。

2 噴槍與出膠速度控制

2.1 噴槍移動控制

噴槍與玻璃之間的距離是否恒定對玻璃工件密封的質量有很大的影響，因而確定噴槍在x軸方向上移動方式尤為重要。而系統中選用的電機是步進電機，其具有恒定的步距角，步距角是1.8°，并取周期為500 μs，頻率為2 kHz，細分倍數設定為8。

電機3 控制y軸方向的絲桿運動方式由玻璃1、2 之間的間隙來確定，設其間隙為默認ε，根據中空玻璃對其間隙的要求不同，間隙變化了Δε，電機3 控制噴槍在y軸的相對零點基礎上上升或下降Δε/2，確保噴槍嘴部始終與兩塊玻璃之間中線對齊。

圖2所示為抹膠機工作臺坐標系，對x軸上的噴槍移動方式進行分析，xoz平面坐標系中Mn和Mn+1是待抹膠玻璃上任意的相鄰兩點，這兩點到中心點的距離分別是rn和rn+1。系統上電運轉，首先將玻璃工件放置到位及壓緊裝置就緒，步進電機3和4協調工作使噴槍到達工作位置；然后步進電機2 開始勻速旋轉帶動工作臺上的玻璃工件旋轉，同時步進電機4 帶動噴槍工作，通過玻璃工件旋轉產生的相對半徑的變化關系以及步進電機正轉和反轉來進行控制。步進電機帶動玻璃工件運動時相鄰測量點移動的距離采用光柵尺位移傳感器進行測量。使步進電機2、4間的相互協同工作，實現噴槍與玻璃之間保持距離恒定的目的[10]。

圖2 抹膠機工作臺坐標系

在博圖軟件中對于電機配置軸的常規和驅動器，對于限位采取下到位，觸發停止，上到位，觸發停止。軸驅動器配置如圖3所示。

圖3 軸驅動器配置

對于電機的控制程序中，首先確保MC_Power 指令一直調用，然后根據運行速度要求控制電機，當電機運行到位信號檢測到，自動停止，圖4 所示為電機運行程序中主要指令。

圖4 MC_Move_velocity電機運行程序

2.2 出膠速度控制

為了使中空玻璃的抹膠均勻，避免產生抹膠波浪、斷膠等質量問題[11]。噴槍出膠速度的快慢也是影響中空玻璃抹膠質量的重要影響因素，因而出膠速度的控制也至關重要，要控制噴槍的出膠速度，首先就要了解出膠速度的快慢與什么影響因素有關。

出膠量的計算公式：

式中：v為出膠的速度，mm3/min；t為出膠時間，min。

同時出膠量的計算公式也可以表示為：

式中：V為出膠的體積，即出膠量，mm3；h為抹膠的深度，mm；W為抹膠的寬度，mm；L為抹膠的長度，mm。

又可知抹膠速度與抹膠長度的關系為：

式中：ω為玻璃旋轉的角速度，rad/min；t為抹膠時間即出膠時間，min；r為玻璃的相對半徑長度，mm；n為步進電機的轉速，r/min。

將式（2）～（3）代入式（1）可以得到出膠的速度計算公式：

式（4）即為出膠速度與抹膠深度、抹膠寬度以及玻璃旋轉的速度的對應關系。

玻璃旋轉的速度ω是與步進電機的旋轉速度有關，而步進電機的旋轉速度可以由系統進行控制，轉速n與脈沖的關系可以根據系統需要進行計算出，從而能夠得出旋轉的玻璃工件的角速度，抹膠所需寬度W在同一塊玻璃中其數值也是確定值。所以，在自動抹膠機中對玻璃實際的抹膠深度h的控制在一定值之內，就能很好地控制玻璃工件抹膠的成色與品質。

3 自動抹膠機控制系統設計

3.1 硬件電路設計

圖5 所示為抹膠機的系統控制電氣圖。采用西門子S7-1200 PLC 作為系統處理器，以及配備RS485和RS232通信模塊[12]，根據抹膠控制系統的要求，系統的數字量輸入點有13 個，輸出點有8 個，選用的西門子S7-1200 PLC 完全符合要求。同時抹膠機的控制還可由PC 機或HMI 觸摸屏監控運行，這樣使得控制效果更加明了與清晰。其中SB0與SB1分別是手動啟動和停止按鈕，SB2是手自動切換開關，可以實現對機器的手自動控制的切換，SB3 和SB4 分別是機器的運行的啟動和停止按鈕，SB5～SB11是對步進電機的正反轉的控制按鈕，可以實現對步進電機的控制；SX 是光電距離傳感器信號輸入點，檢測噴槍到玻璃工件之間的距離，來確保系統上電初始化的時候噴槍和玻璃工件的距離為規定值，為光柵尺位移傳感器的初始零位做準備；PLC 的信號模塊RS232 和RS485 分別與光柵尺位移傳感器和編碼器相連接，以達到系統就實現自動生產。

圖5 系統控制電氣圖

3.2 軟件設計

自動抹膠控制系統的工作流程如圖6 所示。系統有兩種工作狀態，即手動狀態與自動狀態。手動狀態是主要用于系統調試；自動狀態是檢測各個工作機構的狀態沒有異常情況之后，系統按照設定數據對應的程序進行自動運行。首先完成對工件的夾裝（玻璃位置的對正、壓緊、轉臺轉動等），然后根據PLC 中的程序進行抹膠，噴槍進行來回移動，并按照一定要求的抹膠深度和抹膠規格進行出膠速度的運算達到合適的出膠速度，使得整個系統協同運行，轉臺旋轉一周完成玻璃的抹膠。

圖6 系統工作流程

在機器運轉之前操作人員可以根據需要來選擇手動或自動，并且手動運行與自動運行相互鎖，確保抹膠系統的安全運行。當系統遇故障脫機停止工作，需要進行檢查和清除故障后再行恢復運行。

當為手動運行時，操作人員可以對設備各功能部件進行單獨調試。包括機械手機構中的抽真空負壓和氣缸往復運動；噴槍上的熱熔絲操作人員能夠根據送人噴槍的密封膠的不同，而設定其對應的合適溫度等。

4 運行效果分析

該抹膠設備在試驗階段取得了良好的運行效果，解決了中空玻璃生產加工效率低的問題，抹膠效果良好，膠條成型后無波浪、無斷膠，操作方便安全，符合中空玻璃加工設計要求。抹膠速度可根據步進電機的轉速進行調整，可達到12～36 m/min 的速度范圍；抹膠寬度在6～24 mm 之間，抹膠深度在2～15 mm 之間，膠頭的可調范圍是6～20 mm。抹膠機具有很好的通用性，可以對不同形狀的玻璃進行生產加工，系統控制能夠實現參數一鍵推送。抹膠機能進行高速掃描，很好地解決了抹膠速度快、又要涂的好的問題，產品的破損率在實驗生產中很低，預計在大規模實際生產中破損率能夠低于1%。

5 結束語

針對中空玻璃抹膠連續性和通用性問題，提出了在PLC 的控制下步進電機如何工作和協調各個功能部件運轉，并在系統結構上裝設光電傳感器進行位置檢測；編碼器配合步進電機使用有效地改善步進電機開環的弊端，使系統更具有可控性及運行的穩定性。實現對工件自動抹膠，改變了傳統中空玻璃抹膠的研究與設計方法，完成了抹膠機的機械設計，為全面自動化生產、提高產品質量提供了支持。該控制系統通用性較強，可以對不同類型的玻璃工件進行加工，系統設計趨于合理與完善。