FX2N系统集成在玻璃钻饰自动磨钻机上的应用

一 概述 由于玻璃钻饰品外型的特异性，玻璃钻饰品的加工和检测基本上处于手工或半手工状态，耗费较大的人力资源，效率低下，而且产品质量不一，很难保证产品质量的均衡性和持续性。二年前受广东某玻璃饰品有限公司的委托，我公司代其开发专用机电一体化加工设备------玻璃钻饰自动磨钻机，目前该设备已投入试生产运行，本人独自担当了整套设备的电控系统集成设计任务，该设备的自动化程度较高，逻辑控制比较复杂，设备的控制核心由三菱FX2N系列PLC和扩展模块以及FX2N-1PG特殊模块集成，本人在此想同大家交流一下该系统的集成过程和应用体会。 二 磨钻机用途 本磨钻机主要用于加工玻璃钻饰品，加工原料为球状态玻璃，可加工直径为φ1.0mm---φ10.0mm间的球状玻璃，加工面为17个，分别为台面一个，冠面8个，亭面8个，如下图所示： 三 磨钻机组成 为了减小设备体积，节约设备制造成本，提高生产效率，整台磨钻机设备设计成双边进料交叉加工形式，所以，整套设备有许多相同的部件，由以下各主要部件组成：粘杆夹具（4个）、上料机构（2个）、下料装置（2个）、翻转机构（2个）、磨抛机构（2个）、导轨齿条及支架等。 整个设备长约8米，宽约2米，高度约为2米。外型见所附设备照片。 四 磨钻机传动 磨钻机夹具在水平方向的移动定位要求较准确，故采用导轨导向，齿轮齿条传动，步进马达驱动方式，磨头、抛头以及磨抛转换采用普通三相异步交流电机驱动，上料机构、夹具垂直方向运动、磨抛换面等均采用气缸气动传动。 五 磨钻机加工工艺 磨钻机加工工艺过程比较简单，设备单边加工工艺过程如下：粘沙——上料——烧结——磨切——抛光——（换面——磨切——抛光，共八个循环）——下料。 六 磨钻机机械运动过程 按每个位置加工功能分，磨钻机有四个加工工位，分别是：粘沙位、上料（下料）烧结位、转接位、磨抛位。由于两边的加工过程一样，所以以一边为例说明其机械运动过程。 为了便于方便描述，把加工冠面的夹具称为冠面夹具，加工亭面的夹具称为亭面夹具，相应地，加工冠面的换向气缸称为冠面换向气缸，加工亭面的换向气缸称为亭面换向气缸，加工冠面的磨抛机构称为冠面磨抛机构，加工亭面的磨抛机构称为亭面磨抛机构。具体机械运动过程如下：（参看《磨钻机总图》） 自动开始，系统找原位------在粘沙位冠面夹具和亭面夹具定位——冠面夹具和亭面夹具在气缸带动下同时向下粘沙——粘沙完成后两夹具向上——冠面夹具在步进马达的驱动下向前移动到上料位（而亭面夹具则在另一步进电机的带动下向前移动到转接位，并在翻转气缸的驱动下做180°的翻转，做好转接准备）——上料机构在气缸驱动下向上上料——上料完毕，上料机构向下，同时冠面夹具在步进马达的驱动下移动到磨抛位（冠面夹具开始作周期性往复慢行，直到抛光加工结束为止）——冠面夹具在气缸的驱动下向下磨台面——加工完台面，冠面夹具垂直向上，同时撤消冠面夹具定位，——冠面换向气缸1动作换面，——冠面夹具向下磨第一冠面，——磨完冠面1，冠面夹具向上——撤消冠面换面气缸1——冠面换向气缸2动作换面——冠面夹具又向下磨第二冠面（如此这样，一直把第八个冠面磨完）——然后，冠面夹具向上，磨抛机构在电机的驱动下做工180°的旋转，准备进行抛光，（抛光接着从最后一个被磨冠面即第八冠面开始）——冠面夹具向下——抛光第八冠面——第八冠面抛光完毕，冠面夹具向上——同时撤消冠面换向气缸8——冠面换向气缸7动作——然后，冠面夹具向下抛光第七冠面（如此这样，直到把第一冠面抛光完成）——冠面夹具向上——冠面夹具定位气缸动作定位——冠面夹具向下抛台面——抛光完台面，冠面夹具向上（磨抛机构准备180°转换）——冠面夹具停止往复慢行，然后找基准——冠面夹具在步进马达的驱动下向后移动到转接位——亭面夹具向上转接玻璃球——点火烧结——亭面夹具向下——亭面夹具作180°翻转——转接完成，（冠面夹具则在步进马达的驱动下向后移动到粘沙位，开始冠面夹具下一周期循环工作）——亭面夹具移到磨抛位——亭面夹具撤消定位（亭面夹具开始周期性往复慢行，直到亭面磨抛加工完成为止）——亭面换面气缸1动作——亭面夹具向下——磨第一亭面——亭面夹具向上，撤消亭面换面气缸1——亭面换面气缸2动作——亭面夹具向下——磨第二亭面（如此这样，直到把第八个亭面磨完）——亭面夹具向上（亭面磨抛机构180°转换，准备抛光）——亭面夹具向下——抛光第八亭面（接着从最后被磨的第八亭面开始抛光）——亭面夹具向上，撤消亭面换面气缸8——亭面换面气缸7向下——抛光第七亭面（如此这样，直到把最后一个亭面即第一亭面抛光完成）——亭面夹具停止往复慢行，找基准——亭面夹具向上（亭面磨抛机构准备180°转换）——亭面夹具定位——亭面夹具在步进马达的驱动下向后移动到下料位点火——下料——亭面夹具向后移动到粘沙位粘沙——（亭面夹具下一周期循环开始） 至此，一个玻璃饰品的加工已完成。 七 磨钻机控制方式 设备控制有手动、自动、停止三种方式，在自动方式下又分为全自动和单步自动两种，停止也分为自然停止和紧急停止两种，下面加以详细解释： · 手动 手动方式的设立主要是方便于设备调试、维护，在手动方式下， 可任意起停各相对独立的每一可动部件，如每一气缸运动、马达的起停等。 · 自动 自动分为全自动和单步自动。 全自动是指设备两边自动同时上料交叉加工，完成一周期加工后，自动再上料加工，直到接收到停止或故障命令为止。 单步自动是指设备一边进行全自动上料加工，另一边可不进行加工。 · 停止 由于设备自动工作后，一直处于不断自动上料加工状态，所以，设备停止分为自然停止和紧急停止。 自然停止是指按下停止按钮后，设备并不马上停止，而是进行完当前一周期的加工并返回到原位后停止下来。 紧急停止是指为发生意外或故障时设立的停止方式，按下紧急按钮时，机器马上中止当前的工作。 八 控制关键 · 冠面夹具和亭面夹具水平移动定位准确要求为10丝（道），除了步进电机控制精度要求较高外，还要考虑齿轮齿条之间间隙的影响。 · 玻璃球饰品磨切和抛光时，是由升降气缸带动粘杆向下紧压在高速旋转的磨、抛平台上完成的，其磨切尺寸和抛光精度（包括台面磨切抛光）均由三个台阶式的气动限位块进行调节，气动限位块由两限位气缸驱动，气缸电磁阀采用双线圈锁紧式电磁阀，气缸可停在任意行程位锁紧，以实现三台阶定位驱动，这样自动配合磨切和抛光时的不同尺寸。 · 冠面夹具和亭面夹具的找原位和找基准是否准确会影响到其水平方向的定位精度。 · 逻辑关系、整机动作配合相当复杂，程序量较大（目前实际程序长度为3980）。 九 控制系统集成方案选择 控制系统集成基于可行性、可靠性还有性价比等多方面因素来综合确认。下面就单片机控制、工控机（IPC）控制、PLC控制等简单比较说明。 说明：基本控制约I/O=128/75，此外，还有四台步进马达控制。 1 单片机控制 · 可靠性低 单片机本来抗干扰能力较低，从现在所要求的I/O总数来看，不 论是MCS51系列还是MCS96系列单片机，都必须进行大规模的扩展，这样系统电路更加复杂，进一步降低了系统的可靠性。 · 开发成本高 单片机的售价并不贵，以目前市场价，较有名气的ATMEL也不 过十几元钱一片而已，但简单从这表面上看这个问题是不妥的，以本人几年来单片机开发经验可知，要购入单片机开发装置（如仿真器、烧录器、电源）和还要开模制版等，这都是一笔不小的费用。加上开发周期长所投入的人力物力，其价钱已远远地超过应用PLC开发的费用。 另外由于设备是专用特殊设备，其控制系统专用性较强，通用性较差，为其投入过多的开发费用不值得。 · 开发周期更长 单片机的开发周期较长，从电路设计、开模制版、编程、仿真、调 试等经历非常长的周期，工程师往往要花大部分的时间在硬件设计和编程调试处理上，对最为重要的工艺过程往往没有更多的时间考虑。 · 不便于修改和维护 利用单片机开发的设备往往是专用的特殊设备，在市场上往往不能 找到可替代的备件，所以不便于维护，这是用户最不愿看到的。 基于以上（不限于）的原因，本人认为此方案不适用 2 工控机（IPC）控制 无疑，从可靠性来说，IPC要比单片机要好得多，但其价格昂贵， 不计其整机价格，单就要满足I/O点数据的板卡量（32通道，约10块）费用就不少，其价格要远远高于采用PLC控制的价格。 更为重要的是工控机更新换代较快，不但硬件如此，而且最根本的操作系统也不断地更新换代，换句话说，如果设备控制系统出现故障，更换硬件，可能意味着更新操作系统，进而导致整个系统的应用软件（包括界面）都要重新设计（或开发），这对太多数用户来说是不能接受的。 所以，本人认为此方案也不适用。 3 PLC控制 · 可靠性 自第一台PLC诞生就是应用于工业现场控制，不可否认，PLC的 可靠性得到了工控业界的认可。据最近行业统计显示，目前采用PLC控制的设备份额达90％。 · 成本低 就此设备的控制来说，采用PLC来进行的设备开发和控制费用 都要远远低于采用单片机或IPC的费用，其系统可大可小，小的几点，大的数千点，甚至上万点，很好解决工业控制问题，适用于很多场合。 · 开发周期短 采用PLC进行设备控制，工程师无须花太多的精力在硬件的处理上，采用积木式结构很快可以形成系统电路，大部分精力集中在工艺的了解处理和程序的编写上，有利于设备的快速开发，程序的编辑、修改和调试也都可随时进行，缩短了开发时间。 · 性能加强 随着微电子控制技术的发展，PLC的