（机械电子工程专业论文）基于pmac的双组份打胶机数控系统的研究与开发.pdf

北方i 业人学硕士学位论文 摘要 双组份打胶机是中空玻璃生产线的关键设备。本研究旨在实现对打胶机的数字化 控制、自动化操作，以取代手工操作，提高生产效率，提高中空玻璃的生产质量。 本论文根据打胶工艺的特点，选择以p m a c ( p r o g r a m m a b l e m u l t i a x i sc o n t r o l l e r ) 可编程多轴控制器( p m a c 内置p l c 功能) 作为c n c 模块，工控机为系统支撑单元的双 c p u 开放式数控系统，即以“i p c 十适配器”方案为硬件平台，以w i n d o w s2 0 0 0 操作 系统为软件平台构建的打胶机数控系统。在硬件方面，本文介绍了p m a c 卡的内部控 制原理和外部接口，详细阐述了控制方案的选择和硬件系统的整体搭建；在软件设计 方面，采用了面向对象的方法，用v b 语言编制了系统管理与调度、人机界面，实现 了数控系统准确、可靠运行。最后，讨论了数控系统的抗干扰的问题，并且对所设计 的数控系统的调试过程进行了阐述。 本文研究与开发的全自动数控打胶机有两个特点： 1 可对不同长宽规格的玻璃自动打胶，无需人工输入玻璃长宽值。 2 可自适应打胶深度的变化，相应改变出胶量，不但可以对不同厚度规格的玻璃涂胶， 而且还可以在一定范围内补偿铝隔条安装倾斜的缺陷。 该项目的研究成果将提高我国打胶设备在国际上的竞争力。 关键词：双组份打胶设备，c n c ，p m a c ，开放式数控系统 北方1 业人学硕士学位论文 a b s t r a c t t w o c o m p o n e n ts e a l i n gr o b o ti s ac r i t i c a le q u i p m e n ti np r o d u c t i o nl i n eo fi n s u l a t e d g l a s s t h i sr e s e a r c ha i m st or e a l i z en u m e r i c a lc o n t r o l ，a u t o m a t i o no f t h et w o c o m p o n e n t s e a l i n gr o b o t ，s oa st or e p l a c em a n u a lo p e r a t i o n ，i n c r e a s ep r o d u c t i v i t y ，a n di m p r o v et h e q u a l i t yo f i n s u l a t e dg l a s s a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i co fs e a l i n gp r o c e s s ，t h i sp a p e rs e l e c t sad o u b l ec p u o p e nn cs y s t e m w h i c hu s e sp m a c ( p r o g r a m m a b l em u l t i - a x i sc o n t r o l l e r ) a sc n c b l o c k ， u s e s i p c ( i n d u s t r i a l p e r s o n a l c o m p u t e r ) a ss u p p o r t u n i to ft h e s y s t e m ，a n d u s e s w i n d o w s 2 0 0 0a ss o f t w a r e p l a t f o r m i nh a r d w a r e ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e s t h ec o n t r o l p r i n c i p l ea n d e x t e r n a li n t e r f a c e so fp m a c ，a n d e x p o u n d st h es e l e c to f c o n t r o ls c h e m ea n d t h eh o l i s t i cc o n f o r m a t i o no fh a r d w a r es y s t e m ；i ns o t t w a r ed e s i g n ，u s e st h em e t h o do fo o p ， c o m p i l e s t h e m a n a g e m e n t 、d i s p a t c h m e n t a n dm a n m a c h i n e i n t e r f a c e b y v b ， a n d i m p l e m e n t st h ee x a c ta n d r e l i a b l ef u n c t i o no ft h i sn c s y s t e m a tl a s t ，t h i sp a p e rd i s c u s s e s a n t i - i n t e r f e r e n c em e a s u r e so ft h en c s y s t e m ，a n de x p a t i a t e st h ed e b u g g i n gc o u r s eo ft h e n c s y s t e m t h ea u t o m a t i cn u m e r i c a lc o n t r o l l e ds e a l i n gr o b o tw h i c hi sr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e d i nt h i s p a p e rh a st w oc h a r a c t e r i s t i c s ：f i r s t l y ，t h i se q u i p m e n tc a ns e a l a r o u n dv a r i o u s i n s u l a t e dg l a s sa u t o m a t i c a l l yw h i c hh a sd i f f e r e n tl e n g t ha n dw i d t h ，h a v i n gn ou s ef o ra n y m a n u a lo p e r a t i o n ；s e c o n d l y ，t h i se q u i p m e n tc a na d a p ti t s e l ft ot h ev a r i e t yo f g l a s sd e p t h ， a n da l t e rt h eg l u e sd i s c h a r g ea c c o r d i n g l y ，s oi tn o to n l yc a ns e a la r o u n dt h ei n s u l a t e dg l a s s w h i c hh a sv a r i o u st h i c k n e s s ，b u ta l s om a k e u p t h ea s l a n tf i x e d d i s f i g u r e m e n t so f a l u m i n u m b a ri ni n s u l a t e dg l a s si nc e r t a i nr a n g e t h i sr e s e a r c hw i l l i m p r o v et h e i n t e r n a t i o n a l c o m p e t i t i v ep o s i t i o no fs e a l i n gr o b o t m a d ei no u rc o u n t r y k e yw o r d s ：t w o c o m p o n e n ts e a l i n gr o b o t ，c n c ，p m a c ，o p e nn cs y s t e m i i 北方工业大学 y 7 5 2 7 3 5 学科带头人( 签字) 妈立牟 t ，年月2 日 学位论文任务书 研究生：雷元斌 赳电王程 学院 扭越电王工捏 专业 熬撞技查研究方向 论文题目： 基壬! 坠! 曲巫坦丛虹膣扭数控丕统的亟塞皇珏基 ( 三雯雯三年三月土五日经院学术委员会批准) 选题的来源、意义和价值：查堡题塞近王j e 直王些太堂扭电王捏堂院皇i e 立昌童塑 丑蕉丝丛直隧垒国盒篮凶塑旦! 这项目的班塞盛墨金太盘握矗扛照煎室型】：膣厦 量! 回吐鱼缝强工垫围扛堰煎蚤垄旦匿吏塑土曲童生左! 学位论文工作自三雯雯三年三月五日起 至三茎雯五年五月三w i h 旱交学位论文日期 三雯雯重 年 五 月三日 答辩日期三雯雯五年盍月 土r导师( 签字) 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得d e 直王些盘堂或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 。易吣签字日期：艚年j - 月j 臼 学位论文版权使用授权书 奉学位论文作者完全了解j e 友王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权e 直王些杰堂可卧将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 宫乞斌 签字日期：一甜年月于9 日 导师签名 签字日期 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：京东方科技集团 电话：0 1 0 - 6 4 3 1 6 6 9 8 通讯地址：北京市朝阳区酒仙桥路1 0 号邮编：1 0 0 0 1 6 北方1 ：业人学硕士学1 _ ) = 论文 第一章绪论 1 1 引言 随着社会的不断发展，能源短缺已经是世界各国面临的重大问题，在开发新型能 源的同时，节约现有资源是一项关系国家正常运转的重要举措。 在建筑结构中，门窗担负着对外采光、空气交换、建筑装饰等功能任务。但是， 其功能和结构也决定了它在保温和节能方面相对墙体有一定的差距。要取得更好的节 能效果，就必须采用新技术和新工艺，加强门窗的保温性能，这对于我国北方地区的 冬季取暖节能具有十分重要的意义。“1 于是，现代门窗的玻璃不仅仅限于使用单层 普通玻璃，而转向使用中空玻璃，镀膜玻璃等新型玻璃，以达到保温节能的作用，同 时兼顾美观。n ， 中空玻璃的生产技术最早起源于美国，由于它具有最突出的独特功能丽在我国、 北美、欧洲各国、日本、韩国等国家得到迅速推广、生产和应用。中空玻璃是两片或 多片玻璃以有效的支撑均匀隔开，并在周边黏结密封，使玻璃层间形成干燥气体腔室 的产品。该产品具有隔音、隔热、防结露和降低能耗的作用。预计到2 0 0 5 年我国市 场需求量将达到4 5 0 0 万平方米。3 专门用来生产中空玻璃的设备中空玻璃生产线，包括的加工设备主要有：玻 璃划片机、磨边机、玻璃清洗机、合片一压合机、打胶机等。必要的辅助设备有：铝 隔条存放机、玻璃装载机、卸料机、原料输送车、成品输送车等等。本课题所研究和 开发的全自动双组份数控打胶机，是中空玻璃自动生产线的关键设备，负责对玻璃周 边进行涂胶密封，其涂胶快慢直接影响整个生产线的生产速度，涂胶质量也直接影响 中空玻璃的品质。 1 2 国内外打胶设备技术现状 1 2 1 国外打胶设备技术现状“” 目前，世界上先进的工业化国家借助于其完善的通用数控技术和高性能的伺服控 制系统，使其打胶设备与工艺都达到了相当成熟的状况。例如，德国l e n h a r d t 公 司( 现已经兼并瑞士b y s t r o n i c 公司) 就研制出了全自动的双组份打胶机，其技 术参数如下( 长度单位：m m ) ： 北方：业人学硕十学位论文 中空玻璃尺寸：m i n 1 9 0 3 5 0m a x 3 2 0 0 3 8 0 0 打胶宽度 ：6 2 4 打胶深度 ：2 1 0 中窄玻璃厚度：1 2 - - 6 0 玻璃厚度 ：m a x 1 5 国外著名的厂商还有：意大利的e m m e g i 、f o m ，德国的r a p i d 、p a s s t a 、f t 本岐阜机械等公司。 1 2 2 国内打胶设备技术现状 我国在打胶设备的研制方面起步比较晚，因此在打胶设备方面与世界先进国家相 比有很大的差距。我国自主开发的打胶设备一般档次较低，缺乏竞争力。目前为止， 国产的打胶机还停留在手动阶段。国产设备一般采用两个泵分别气动打胶，两个泵采 用机械换向，运行中无死点，使在两个大小压盘下的a 、b 两种胶体交替压出。a 、 b 两组份胶料按一定比例( 该比例可根据实际生产需要进行适当调节) 同时到达静态 混合器，经过充分混合，通过胶枪挤出，对需要密封的地方进行涂胶。 目前，北京昌益和科技发展有限公司生产的手动打胶机质量较好。国内比较有名 的厂家还有北京中瑞德玻璃机械制造有限公司、哈尔滨东升特种玻璃有限公司、济南 光明机器有限公司、济南华亚现代机械有限公司，济南德佳玻璃机器有限公司等。 尽管厂家众多，但打胶效率还是很低，并出现“黑白胶”现象，浪费性大，配比精度 不高，很难发挥密封胶的应有功效。 1 3 开放式数控系统 1 ，3 1 传统数控存在的缺点 数控技术是先进制造技术的核心，关系到一个国家的战略地位和综合国力水平。 数控技术经历了4 0 多年的发展，从n c 到c n c ，从硬件数控到软件数控，一点都是 国外一些大型数控商以技术保密的专用控制器牢牢控制着市场。这种专用控制器因其 结构上的封闭性，有着固有的缺陷：”m m m 3 封闭式的结构：控制系统的内部包括控制算法和底层的接口等对用户是一个 “黑箱”。这不利于对系统的功能进行扩展和改进，同时也不利于系统资源的共享和 再利用。 一2 北方工业人学硕士学位论文 控制软件的兼容性差：软件的结构依赖于处理器硬件，很难在不同的系统日j 移 植，不利于软件的升级与更新。 缺少网络功能：无法构造一个较大的系统来实现多系统协调以及远程控制。 总之，传统数控系统的这一现状已不能适应当今制造业市场变化与竞争，也不能 满足现代制造业向信息化、敏捷制造化模式发展的需要，而开放式数控系统却能很好 的解决上述问题。因此，数控系统开放化是新一代n c 发展的必然趋势。 1 3 2 开放式数控系统的概念和特征 根据系统工程的有关理论，“系统”是指相互作用和相互依赖的若干组成部分按 一定的规律结合而成的具有特定功能的有机整体。顾名思义，“开放式数控系统”是 按照“开放化”原则将系统作用范围内的有关硬件和软件组织成的具有特定功能的有 机整体。 目前，开放式数控系统还是一个发展中的新概念，没有统一的定义。其中比较有 代表性的有： i e e e 的定义为：“a no p e ns y s t e m p r o v i d e sc a p a b i l i t i e s t h a te n a b l e p r o p e r l y i m p l e m e n t e da p p l i c a t i o n s t or u no nav a r i e t yo fp l a t f o r m sf r o m m u l t i p l ev e n d o r s ， i n t e r o p e r a t ew i t hs y s t e m sa p p l i c a t i o n s ，a n dp r e s e n t ac o n s i s t e n ts t y l eo f i n t e r a c t i o nw i t ht h e u s e r ”( 开放式系统提供这样一些功能，他们能在不同厂商的各种不同平台上运行， 能与其他系统相互兼容，并且具有致风格的用户界面。) “” n i s t ( n a t i o n a li n s t i t u t eo fs t a n d a r do ft e c h n o l o g y ) 将开放式系统的要求归纳为可 互操作性、可移植性、可派生性和可互换性，它认为：“开放式体系结构是能够实现 所有功能的控制器，而构成这种控制器的所有硬件和软件都能从现有的大量资源中获 得。1 l u n d h o l m 对开放性的定义是模块化、可移植性、可派生性和可扩展性。1 0 m a c ( o p e n m o d u l a ra r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r s ) 对开放控制的定义是开放的、模块化的、可派 生的、经济的和可维护的。州1 州”m 7 1 s h o i e l d 的定义是：“开放式体系结构控制器的软件和硬件具有柔性，硬件的基本 配置可以改变，软件可以在控制的各个层面上改变，可以适用高级的监控技术；允许 第三方开发商开发硬件和软件，这样有利于新技术的发展；开放式体系结构控制器易 于集成其他系统：在控制层上，集成用于机床的协调；在系统层上，集成利用控制器 的高级传感器和控制算法实现高层次的规划功能。”“” 3 北方1 ：业大学硕十学位论文 w r i g h tp a u l 认为装备有开放式体系结构控制器的机床作为单机可以生产小批量、 高精度器件，在敏捷制造中可以作为基于网络的设备，与工厂的其它部分进行双向通 讯。另外，开放式体系结构应该具有即插即用的兼容性。“” g ef a n u c 将开放性的定义为：将最优秀的c n c 技术和其他自动化技术相结合从 而提高用户的生产率的能力。他认为应该将p c 领域的成就加到机床控制器中而不是 取代机床控制器，他不主张将c n c 控制功能分丌，而是将p c 的柔性和c n c 的可靠性 相结合。1 综匕所述，歼放式数控系统的基本特征是以通用计算机( p c ) 的硬件和软件作为 基础，通常采用标准总线技术，! t l j i s a 、p c i 、s t d $ 1 1 u s b 总线等；采用模块化设计原 则开发系统软件；具有可扩展性、可移植性、可互换性、可操作性和可配置性等。 1 3 3 国内外开放式系统的研究现状 当前随着个人计算机技术和计算机体系结构的发展，研制和开发基于p c 的开放 式数控系统已成为开放式数控系统发展的最显著的趋势。“”国内外研究的开放式数控 系统概括起来有三种模式：。2 1 第一种为衍生式，是专用n c + p c ，将p c 作为专用控制器的前端接口。在传统的 非开放式的c n c 上插入一块专门开发的个人计算机模板，使传统的专用c n c 带有个人 计算机的特点。这里，传统c n c 没有改变，进行实时插补、伺服控制、电源控制以及 i o 控制等一些实时控制；p c 部分执行前端管理等非实时控制，例如：人机界面，存 储和通讯。这是一种折中的方案，在专用的c n c 系统中加入p c 的前端接口，使其具 有p c 处理的柔性，也就是说，这种模式只具有部分开放性，它不能实现n c 内核的开 放。 第二种为嵌入式，即p c + 适配器。p c 机作为系统的核心，将控制卡插入至r | p c 的 标准扩展槽中完成各种标准数控功能，一般p c 机处理各种非实时性任务，由控制卡 处理实时任务。这种模式中，p c 能提供一定意义上的开放，控制卡能保证实时性， 是目前研究以p c 为基础的数控系统的主流。美国d e l t a t a u 公司的p m a c ，德国p a 公司 的p a s 0 0 0 、美国o r m e cs y s t e m 公司的o r i o n 、g a l i l 公司的d m c ，德国i n d r a m a t 公司的 m t c 2 0 0 都是类似的这种模式。 第三种为扩展式，b p p c + c n c 接口板。将c n c 接1 1 1 板插入至i j p c 机的标准插槽中， 这里的p c 是不需要改造的通用p c ，整个系统由p c 扩展而成。个人计算机即完成前端 管理等非实时性任务，又完成如实时插补、伺服控制、电源控制及i o 控制等一些实 d 北方工业人学硕士学位论文 时任务，c n c 接口板则担任沟通p c 接口和物理驱动器连接的任务，能够最大限度地 利用p c 的软硬件资源。 近年来，以p c 机为平台丌发c n c 系统已得到大部分数控开发商的共同认可，出 现了许多成熟的产品：s i e m e n sa g 在8 4 0 d 数控系统中采用了开放式结构，利用双p c 来完成人机接口和实时控制工作，人机接口采用基于w i n d o w s 的图形接口，实时控制 则采用r i s c 或p c 实时控制内核来完成。在同一系统中提供了各种结构机床的控制算 法g l c + + 丌发工具，用户可以根据需要来选择或自行开发控制算法。美国的d e l t at a u 公司提供了单台p c 的解决方案和系统，插补运算、伺服控制以及p l c 控制等实时控制 功能由一块高速的运动控制板来完成，利用p c 的图形接口完成人机交互、状态显示 等非实时功能，在一般的单台数控机床和机器人的控制上取得了较好的效果。丽t e c h n o l o g y8 0 公司也采用单p c 的方案，但它用p c 机完成插补和p l c 控制功能，因此控制 效果不! z i d e l t at a u 公司的产品。”3 与国际先进水平相比，国内的开放式数控系统的研究还处于起步阶段。主要是一 些研究单位为了一些特殊控制的需要或从节约成本、开发的方便性考虑，采用在工业 p c ( 或普通p c ) 的总线槽上插入运动控制卡和i o 卡，配以自行开发的控制软件来完成 控制功能”1 。也有一些数控系统开发商将原有的系统移植至l j p c 平台上，如北京机床所 的中华系列、沈阳计算所的蓝天系列等。华中一型数控系统利用p c 平台通过串行总 线和自行开发的数字交流伺服系统相连，开发出的基于p c 的数控系统系列产品是目 前国内比较成功和富有特色的基于p c 的数控系统。北京航空航天大学的郇极教授领 导的课题组采用a r c n e t 网络连接全数字交流伺服系统和p l c 。在p c + w i n d o w s 环境下 开发出了多通道多轴联动的开放式数控系统，并在四坐标锥度线切割机等设备上得到 了成功的应用。 本课题开发的控制系统中选用了成熟的商业c n c 模块p m a c 运动控制卡采用 “i p c + p m a c ”搭建t p c b a s e d 结构的开放式数控系统。其中以i p c 作为上位机完成 控制系统中的非实时任务，而采用具有p c 上标准插件板形式的开放式运动控制器 p m a c 作为下位机完成实时的控制任务。上、下位机间通过总线方式进行信息交互。 这种体系结构，可充分利用i p c 机的系统软件和p m a c 的数据处理能力，并采用模块 化、层次化的思想开发控制软件和系统管理软件，进而通过统一的应用程序接口，使 得系统软件具有良好的可移植性、可扩展性、互操作性。 1 4 课题的提出及研究的意义 5 北方1 ：业大学硕士学位论文 在我国，随着物质生活水平的提高，人们节能、环保的意识逐步加强，对具有隔 热、降噪的中空玻璃的需求也大幅增加。然而，我国自主研制的中空玻璃生产线的打 胶段仍处于手动状态。手动操作生产方式不仅效率低，而且难以保证打胶的严格配比， 已经远远不能满足市场对数量与质量的要求。与此同时，数控技术的飞速发展，特别 是工控机的广泛应用和丌放结构体系的提出，使得打胶设备数控化成为可能。虽然国 外成熟的全自动打胶设备早已上市，但是其昂贵的价格对国内的中小型中空玻璃生产 厂家来说是无法承受的，例如：德国l e n h a r d t 公司的一套全自动打胶设备的售价 大约为3 0 万欧元。面对如此大机遇和挑战，北京昌益和科技发展有限公司联合北方工 业大学机电学院开发全自动数控打胶系统。 该项目的研制属于特殊专用数控系统机电设备的研究与开发，是典型的机电一体 化范畴。该项目的研究成果将使我国也掌握全自动打胶设备的核心技术，在中空玻璃 领域赶超国际先进水平，提高我打胶设备的国际竞争力。 1 5 本课题的研究任务 本课题以打胶设备为控制对象，以p m a c 伺服运动控制器为核心，研制开发一套 功能完备的丌放型双组份打胶机数控系统，具体的研究任务如下： 开放型双组份打胶机数控系统控制对象和任务分析研究。 所研制的双组份打胶机数控系统是一个功能完备的自动控制系统，除了应具备一 般数控系统常规功能外，还应具备一些特殊功能，因而需要对被控对象进行任务分析 研究，进行打胶设备数控系统的功能设计。 开放型双组份打胶机数控系统开放策略的选择。 对所研制的双组份打胶机数控系统的开放策略进行选择，研究数控系统开放的结 构形式、开放性最终能达到何种程度，以及在所选择的开发结构下，如何进行特殊功 能的扩展。 丌放型双组份打胶机数控系统硬件结构设计。 数控系统硬件结构的设计首先要根据功能来选择相应的硬件模块，其次要保证各 功能模块相互之间的通讯，以构成功能完善、性能可靠的双组份打胶机数控系统的硬 件系统。 丌放型双组份打胶机数控系统软件模块开发。 开放型双组份打胶机数控系统软件模块是系统开发的重点所在，包括系统通讯模 6 ， 北方】：业人学硕士学位论文 块、插补计算模块、p l c 监测和控制模块、系统管理等模块的研制和开发。 友好人机界面的开发。 人机界面的开发应本着“界面友好、易于操作”的原则，让操作者能在短期内就 可以掌握操作过程。 开放型双组份打胶机数控系统联机调试和参数优化。 对控制系统的控制参数进行调试和参数优化，保证控制精度，以优良的产品质量 投放市场，为国民经济服务。 7 北方i 业人学硕十学位论文 第二章数控打胶机的机械结构及其工作流程 2 1 数控打胶机的机械构成 数榨打胶机的机械部分出供胶系统、配比系统、玻璃输入段、吸盘组件、玻璃厚 度检测系统、打胶系统和玻璃输出段七部分组成。功能模块图( 俯视图) 如下所示， 各轴的定义见附录b 。 a 组 份 供 胶 系 统 a 绢 份 ( a 轴) 配比 系统 混合器 b 组 份 b 组 份 ( c 轴) f ( w 轴) 输山同步带( v 轴 ij ( b 轴) 厂 i 胶枪组件 厚度 检测 输入同步带( u 轴) 图2 1 机械部分功能模块图 当玻璃从台片段进入打胶段后，为了防止玻璃翻倒，整个打胶设备与竖直平面有 一个9 。的央角。数控打胶机各部分的功能如下： 供胶系统：使用气动泵将胶体从胶桶中抽出，为整个打胶系统提供密封胶。该部 分由a 组份供胶部分和b 组份供胶部分组成，各由独立的气泵驱动。 - 8 。 北方。l ：业人学硕十学位论文 配比系统：与供胶系统以胶管相连，将a 、b 两种组份的胶体按一定比例输入混 合器，使两种胶均匀混合。该系统由a 组份柱塞泵和b 组份柱塞泵构成。柱塞泵兼具 计量功能，由滚珠丝杠驱动，滚珠丝杠与伺服电机相连，依靠电机正反转完成供胶和 补胶动作，电机的位置控制保证输出胶的体积。 玻璃输入段：该段是中空玻璃生产线上与台片段直接衔接的部分。合片段将两 片玻璃以铝隔条隔开，并用丁基胶将三者粘合，压实并输出。玻璃输入段将合片段上 输送的玻璃传送至由程序所控制的位置，进行玻璃厚度检测。该段由水平同步带组成。 吸盘组件：与输入段、输出段一起协助打胶系统对矩形玻璃各边打胶。该部分 由吸盘、真空发生器、气缸和同步带组成。真空发生器为吸气装置，与吸盘相连。气 缸活塞杆与吸盘相连，驱动吸盘在y 向移动。整个组件固联在同步带上，依靠同步带 实现x 向运动。 玻璃厚度检测系统：检测输入玻璃的总厚。由气动元件和直线电位计组成。 打胶系统：数控打胶机的核心部分，对玻璃四边打胶。由胶枪、抹板组件、深 度检测装置组成。胶枪与配比系统以胶管相连，以摆动气缸驱动打开和关闭。抹板组 件由抹板、三个气缸、导轨等组成，在气缸的驱动下，抹板可沿导轨在x 、y 和z 三 个方向上运动。深度检测装置由气缸、旋转电位计和月牙扳组成，月牙板是一块与旋 转电位计同轴相连、边缘为月牙状弧线的钢板，该弧线可将隔条深度的变化线性转化 为旋转电位计的角度，气缸为驱动器，使月牙板始终与铝隔条接触。 玻璃输出段：将打胶完毕的玻璃输出，并等待操作人员卸载成品。该段由两条 同步带斜置构成v 型而成，称为v 型带，玻璃以底边的左右边缘接触v 型带，避免胶 体接触输送带而影响产品质量。 2 2 数控打胶机的工作流程： 数控打胶机可重复地接收合片段传送的玻璃、对玻璃打胶、输出玻璃，其工作流 程主要包括： 1 回零： 对各轴回零，建立坐标系，并使电机闭环。该步骤仅在上电时执行次。 2 打胶条件判断： 判断本机状态是否满足打胶条件，这些条件包括：输出段上的成品玻璃被移走、 输入段上已有合片机上送入的玻璃、各轴已经复位、胶源压力正常且胶量充足、气源 9 北方1 ：业大学硕十学位论文 压力一常、胶枪扣开。只有上述所有条件均满足时，方可进行打胶作业。 3 输入玻璃： 同步带以一定的速度将玻璃运输至玻璃厚度检测处。 4 玻璃厚度检测： 检测玻璃厚度，为胶枪对中和v 型带调整获得驱动数据。 5 胶枪对中、玻璃进入打胶区： 6 玻璃被吸盘吸合，与此同时，胶枪对中( 即胶枪口对正玻璃铝隔条的中心线) ，v 型带调整，以适应玻璃厚度。吸盘、输入段同步带和输出段同步带共同将玻璃运输至 打胶区，并使玻璃后边缘经过胶枪部分。 7 。 玻璃压紧胶枪： 8 胶枪组件逆时针旋转，胶枪口对准x 轴正方向。玻璃慢速向后运动，使玻璃后边 缘接触并压紧胶枪口，准备打胶。 9 打胶： 该过程包括对四边打胶和3 个转角动作： 在打胶系统中，定义与竖直平面成9 。的平面为z 平面，与z 平面平行的轴为z 轴。如图2 2 为打胶系统沿z 轴正向运动给玻璃第一边打胶。图中，打胶系统的右边 为玻璃的输入段，左边为输出段，玻璃的正前方为吸盘组件。 图2 2打胶机给第一边打胶 第一边打胶完毕后，配比部分停止供胶，转为补充胶体。胶枪停止打胶，胶枪组 1 0 北方1 业人学硕士学位论文 件相对其旋转中心逆时针旋转9 0 。，使胶枪口对正玻璃第二边( 玻璃上边) 。抹板靠 紧第一边，点胶，抹板脱离玻璃，然后对第二边打胶。如此依次对各边打胶。 1 0 输出： 将打胶完毕的玻璃送入输出段，吸盘脱离玻璃，由v 型传送带将成品玻璃送出。 1 1 各轴复位： 吸盘组件、胶枪组件均按顺序返回初始位置，为下次打胶做准备。 2 3 本章小结 本章的主要工作是详细介绍数控打胶机的机械构成、各个组成部分所实现的功能 以及打胶的工作流程，是后面控制系统设计的依据。 北方l 业大学硕士学伉论文 第三章打胶机控制系统硬件的搭建 3 1 控制系统硬件设计的原则 针对打胶机的功能要求和工艺流程，结合开放式数控系统的发展需要，打胶机数 控系统的硬件设计应遵循如下原则： 1 可互操作性 开放式系统各个组件之间可以相互协作共同工作，总线式设计是实现可互操作性 的关键。c n c 系统中，可以供选择的丌放总线有i s a 、s t d 、v m e 、p c i 及u s b 等。 2 最大限度地利用p c 硬件技术 p c 是实现开放式数控系统比较现实的途径。p c 从产生到现在，其计算速度可谓 同新月异，突飞猛进，而且硬件已经完全实现标准化。尤其是工控机( i p c ) 除具有一 般p c 机的特点外，它更可靠，更加适合在工业环境下使用。 3 模块化、可扩展性 开放式c n c 系统的各组件采用模块化设计，同时所设计的控制系统的功能也可 以方便地进行扩展。 4 层次化设计 当6 仃，p c 已经广泛地应用于过程控制和自动化领域。但是将p c 直接用于c n c 系统，伺服驱动、p l c 控制等均由p c 来实现，必然使p c 的处理速度大大降低，从 而也降低了系统的性能。因此，所设计的控制系统方案应该采用层次化的思想，即构 建多c p u 系统。p c 作为核心的管理者，完成对底层设备的管理和宏观控制等一些非 实时的任务；像运动控制，p l c 等一些实时性的任务由另一c p u 来完成。 5 可靠性高 设计的控制系统要求可在恶劣的环境中工作，所以对其工作的可靠性要求较高， 这就要求组成控制系统的各个核心部件以及传感器必须有很高的可靠性。 3 2 控制方案的确定 上一节，我们已经阐述了控制系统的设计原则，在这一节，我们将遵循原则来设 计出控制方案。 32 1 典型的控制方案的优缺点 1 2 北方l 业人学硕十学位论文 目前，国外已经出现了技术成熟的数控打胶机，其控制核心采用的是p l c 技术。 这样类型的设备有它们先天性的缺陷：轴之间不能进行插补。在第一章，我们曾经捉 到了典型的三种控制方案，实际上可以归纳成两种典型方案：p c + c n c 结构和p c - - b a s e d 结构。1 方案一：p c + 专用c n c 系统 图3 i“p c + 专用c n c ”系统 该方案的控制系统采用：“专用p c + c n c ”的体系结构，如图3 1 所示，这种结 构是将通用p c 与n c 系统连接在一起构成前后台的结构形式。专用控制卡可以根据 打胶工艺，每个动作都写出相应的控制函数，完成相应的控制功能。p c 系统执行前 端管理等非实时控制，通过串、并行方式传给运动控制卡，两套系统可以完成对 打胶机的控制。 1 该方案的优点： 两套系统各司其职，因此系统的可靠性和实时性较高，专用运动控制卡系统技术 成熟，风险小，开发周期短。 2 该方案的缺点： 专用的控制卡采用封闭式结构，软硬件一一对应，往往控制程序直接与硬件相关， 不具备灵活性。因此，这种结构有一定的开放性，但是其开放性只是在p c 部分，其 专业的数控部分仍然处于瓶颈结构，用户无法介入数控系统的核心。 方案二：i p c + 运动控制卡 “商性能的i p c + 运动控制卡”构成开放式的平台，如图3 2 所示。运动控制卡 1 3 北方，j ：业人学硕士学位论文 实现轴的实时控制，检测卡完成各种信息的采集，i o 卡完成各种开关信号的输入输 出。软件基于w i n d o w s 系统，设计成通用性较高的可编程控制方式，使整套控制 系统的软硬件都具有较强的开放性。 幸毒每 图3 2i p c + 运动控制卡 1 该方案的优点： 由于控制和检测信息都在系统内部传递，系统数据传递实时性高，系统总体性能 好开放性高。系统的所有硬件都公用一个i p c 平台，因而系统的硬件扩充方便。软 件设计基于w i n d o w s 平台开发，可以充分利用各种通用的软件和开发工具，系统 的设计周期短，易于实现模块化结构，功能扩展方便。当修改硬件时，只需修改硬件 驱动程序，而且许多硬件供应商也提供相应的驱动程序，使得系统升级和修改工作量 大大减小，提高了系统的开发效率。 2 该方案的缺点： 由于该方案公用一套i p c 系统，i p c 任务很多，如果编写的软件不恰当，就无法 保证系统的实时性。 3 2 2 控制方案的比较及确定 方案二与方案一比较起来，优势明显： 1 系统硬件结构简单，可靠性高。 - 1 4 北方1 业大学硕士学位论文 控制卡在插入工控机后，与i p c 浑然一体，结构自然紧凑。 2 有很好的扩展性。 方案二采用开放的体系结构，用户可以利用开放的应用程序接口方便地进行功能 扩展。 但是，方案二缺点也突出：解决不了系统的实时性问题。如果能够采用双c p u ， 应用w i n d o w s 平台进行实时任务分配和调度，就能在简单可靠的硬件平台下完成 高性能的实时任务。 p m a c ( p r o g r a m m a b l em u l t i a x i sc o n t r o l l e r ) 是美国d e l t at a u 公司九十年代推出的 开放式多轴运动控制器，是集运动轴控制、p l c 控制以及数据采集的多功能的运动控 制产品“”。它提供运动控制、离散控制、内务处理、同主机的交互等数控的基 本功能。p m a c 内部使用了m o t o r o l a d s p 5 6 0 0 1 数字信号处理芯片，其速度、分辨率、 带宽等指标远优于一般的控制器。与同类产品相比，p m a c 的特性给系统集成者和最 终用户提供了更大的柔性。它允许同一控制软件在三种不同总线( p c x t 和a t v m e ， s t d ) 上运行，价格适中，是一款性价比很高的控制卡，能够很好地满足我们的控制 系统的需求。 综上所述，选择“i p c + p m a c ”的结构，其中p m a c 完成插补、位置控制等实时 控制；i p c 完成诸如初始化、参数管理等非实时性任务。 3 3 开放式数控系统的核心p m a c 多轴运动控制器 3 3 1p m a c 工作原理及功能 p m a c 是可编程多轴运动控制器，也称运动控制计算机，它主要由m o t o r o l ad s p c p u 与d e l t a t a u 公司丌发和特制的用户门阵列1 c 组成，是一种开放式结构。它不仅 可以象普通p c 机那样运行，还可以通过设置变量来控制运动过程。它不仅具有开环 指令，还具有闭环指令。它可以对电机进行p i d 调整，可以控制8 轴联动，经扩展可 控制1 2 8 根轴，其具有下列功能。 1 执行运动程序 p m a c 的最明显任务是按运动程序中的顺序执行一个运动程序。当被告知执行一 个运动程序时，p m a c 一次执行程序的一个指令，进行该移动命令( 包括非移动的任 务) 的所有计算，从而为该运动的实际执行做好准备。p m a c 总是工作在实际移动之 前，如果需要，它总能f 确地与即将执行的动作相调和。 1 5 北方 ：业人学硕十学位论文 2 执行p l c 程序 运动程序的顺序特性使得它能很好地适应一系列的运动并相互协调其它坐标系 的动作；然而，当在执行那些不是用运动的顺序来直接协调的动作时，这些程序就不 适于做坐标系的运动。对于这些类型的任务，p m a c 提供给用户编写“p l c 程序” 的能力。这些程序对于在运动顺序上不同步的任务是非常有用的。 3 伺服环更新 对于每一个电机，p m a c 都以一个固定频率( 通常为2 k h z 左右) 对其进行伺服更 新。伺服更新工作进程是：先根据运动程序或别的运动命令得到的等式求得要求的位 黄增量，然后将此与由反馈传感器读回的实际位置相比较，最后在两者之差的基础上， 发出一个输出命令使此差值变小，如此反复，直到此差值在允许的范围内为止。 4 换相更新 对于一台多相电机，p m a c 自动地以一个固定的频率( 通常9 k h z 左右) 进行换相 更新。换相更新，就是测量并估算转子磁场方向，然后再分配通过分布在电机的不同 相位的伺服更新算出的命令。 5 资源管理 p m a c 会定期自动地执行资源管理的功能，以确定整个系统是否处于正常工作状 况。这些功能包括安全检查，看门狗计时器的更新。如果任何的硬件或软件的问题使 这些功能不能得到执行，则看门狗计时器将会触发，从而使卡关闭。 6 与主机通信 p m a c 可以在任何时间与主机通信，甚至在一个运动序列中间。p m a c 接受一 个命令，然后采取相应的动作，将命令放入一个程序缓冲区以便以后执行，提供数据 以响应主机，开始电机的移动等。如果命令是非法的，它将会向主机报错。 7 任务优先级 任务是按照优先级电路组织起来的，这可以使它们得以最优化，从而让程序能有 效、安全地运行。当优先级确定以后，不同任务的执行频率可由程序员自己控制。 3 3 2p m a c 硬件的开放性m 1 1 p m a c 适应多种硬件操作平台，可在i b m 及其兼容机上运行，在w i r t 9 5 1 9 8 ， w i nn t 2 0 0 0 及l i n u x 下运行及开发，具有p c 、s t d 、v m e 、p c i 、1 0 4 总线及串口 等通讯方式以及脱机运行的功能，方便用户选用适合自己的主机。同时，底层的控制 程序只针对p m a c ，所以同一控制软件可以在不同的硬件平台上运行。 1 6 北方1 ：业大学硕士学位论文 2 p m a c 适用于所有电动机，包括普通的交流电动机、直流电动机、交直流伺服电 动机、步进电动机、直线电动机、陶瓷电动机等，也适用于液压马达。对不同电动机， p m a c 可提供相应的p w m ，p f m ，d a c ，p u l s e + d i r 等控制信号。 3 p m a c 可接收各种检测元件的反馈，包括测速发电机、旋转变压器、激光干涉仪、 并行数据、光电编码器、磁滞伸缩位移传感器、光栅尺等。 4 p m a c 的绝大部分地址向用户开放，包括电动机的所有信息、坐标系的所有信息 及各种保护信息等。 因此，应用p m a c 的系统设计灵活自如，不受局限，可将各种先进的设计理念 融入系统，而且同一系统可以选择不同的电机，接收不同的反馈信息。 3 3 3 本课题所选用的p m a c 2 a - - p c 10 4 p c 1 0 4 是一种嵌入式的总线规范。提到p c 1 0 4 ，我们就必须提及著名的i s a 总 线，因为这二者之间有着天然的联系：p c 1 0 4 是i s a ( i e e e 9 9 6 ) 标准的延伸。p c 1 0 4 是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线，其实质上就是一种紧凑型的 i e e e p 9 9 6 ，其信号定义和p c a