（机械电子工程专业论文）全自动涂胶设备控制软件开发.pdf

北方工业大学硕士学位论文 摘要 能源问题的日益突出，使人们在各个领域寻求节约能源的途径。中空玻璃作为建筑 行业的主要节能产品，其应用越来越广泛。与此同时，生产中空玻璃的核心设备一双组 分自动打胶机的研制成为日益迫切的课题。 本课题从分析打胶机的机械结构和打胶流程入手，构建其控制硬件平台和软件平 台。系统采用“n c 嵌入p c ”的开放式数控系统，由上下位控制系统配合完成打胶机的 全部机械运动进行控制。下位机选用p m a c ( p r o g r a r m n a b l em u l t i - a x i sc o n t r o l l e r ) 作为 运动控制器，与上位工业p c 机配合完成对打胶机1 2 轴的控制及通信协调、人机交 互、监视与显示等任务。 打胶机控制软件设计是本课题的主要任务之一。对于下位程序，依据打胶机功能需 要，使用一个p l c 程序作为流程控制主程序，其它p l c 程序和运动程序作为子程序， 完成了对打胶机控制流程的开发，使系统能在玻璃长度和高度、打胶宽度、打胶深度均 未知的情况下，实现对任意规格的矩形中空玻璃打胶。其中，打胶流程时序控制程序和 出胶程序是下位程序丁| ：发的关键程序。对于上位程序，使用v i u s a lb a s i c 开发了一套界 面友好、功能强大的人机交互界面。通过上下位通信实现其上位功能。 整个系统涵盖了流程控制、数字控制、a d 转换，数字滤波等内容，目前在北京市 昌益和机械制造有限责任公司生产的z d j 2 5 0 型双组分数控打胶机上运行正常。该型数 控打胶机的研制成功，填补了国内空白，在市场上占有很大的优势。 关键词：数控打胶机，开放式数控系统，p m a c 运动控制器 北方工业大学硕士学位论文 s o f t w a r ed e s i g nf o rc n c s e a l i n gr o b o t a b s t r a c t w i t ht h ee n h a n c i n gs h o r t a g eo fe n e r g y ，h u m a nh a v et os e a r c hf o ra p p r o a c h e st os a v e e n e r g yi ne v e r yf i e l d i n s u l a t i n gg l a s s ，w h i c hi st h em a i np r o d u c to fa r c h i t e c t u r ef i e l d ，i sn o w a p p l i e dm o r ea n dm o r ew i d e l y m e a n w h i l e ，t h ek e ye q u i p m e n to fi n s u l a t i n gg l a s sp r o d u c t i o n l i n ew h i c hi sc a l l e dt w o c o m p o n e n t sa u t o m a t i cs e a l i n gm b o th a sb e c a n q et h ek e yp r o j e c to f r e s e a r c h i nt h i sp a p e r , h a r d w a r ep l a r f f o r ma n ds o f t w a r ep l a t f o r ma r eb u i l tu pb ya n a l y s i n gt h e m a c h i n e r ya n ds e a l i n gp r o c e s so fs e a l i n gr o b o t t h e no p e nc n cs y s t e mw i t h n ci n s e r ti n t o p c ”a r c h i t e c t u r ea r ea p p l i e di nt h e s e a l i n gr o b o t p m a c s ( p r o g r a m m a b l em u l t i a x i s c o n t r o l l e r ) a r eu s e da st h en cd e v i c e so ft h ec o n l r o ls y s t e m w i t ht h eh e l po fi p c ，p m a c c o u l dc o n t r o lt h es e a l i n gr o b o t s1 2a x i s e s ，a n ds e r v et h ep o r p n s eo fc o m m u n i c a t i o n , h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e , m o n i t o r i n ga n dd i s p l a y c o n t r o ls o f t w a r ed e s i g no fc n c s e a l i n gr o b o ti st h em a i nt a s ko ft h i st h e s i s i np m a c s ， o n ep l c p r o g r a m i su s e da sm a i np r o c e s s c o n t r o lp m g r a z n ，a n do t h e rp l c sa n dm o t i o nc o n t r o l p r o g r a m sa r eu s e da sr o u t i n e s t h i se n a b l et h ec o n l r o ls y s t e mt os e a la n ys i z eo fr e c t a n g l e i s u l a t i n gg l a s s e sw i t h o u tk n o w i n gi t sl e n g t h , h e i g h t , s e a l i n gw i d t ha n ds e a l i n gd e p t h t h em a i n p r o c e s s - c o n t r o lp r o g r a ma n dt h es e a l i n gp r o g r a m sa r et h ek e yp r o g r a m si nt h ec o u r s eo f s o f t w a r ed e s i g n i nt h eh o s tc o m p u t e r , v i s u a lb a s i ci sa p p l i e da sad e v e l o pe n v i m n m e n tt o d e v e l o p eap o w e r f u la n df r i e n d l yh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ，a l lt h ef u n c t i o no f w h i c hi sb a s eo n h o s t p m a cc o m m u n i c a t i o n t h ew h o l es y s t e mc o n s i s t so fp r o c e s sc o n t r o l ，n u m e r i c a lc o n t r o l ，a dc o n v e r t i o na n d d i g i t a lf i l t e ra n ds oo i l i tw o r k sw e l lo nz d j 一2 5 0t y p et w o c o m p o n e n tc n cs e a l i n gr o b o t ， w h i c hi sc o n s t r u c t e db yb e i j i n gc h a n g - y i h em a c h i n e r ym a i l u f a c t u r i n gc o ，l t d t h i st y p eo f s e a l i n gr o b o ti st h ef i r s tm o d e li nc h i n a s of a r , w h i c hg e tg r e a ta d v a n t a g ei nt h em a r k e t ， k e yw o r d s ：c n cs e a t i n gr o b o t ，o p e n - a r c h i t e c t u r ec n cs y s t e m ，p m a cm o t i o n c o n t r o l l e r 3 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，也不包含为获得北方工业大学或其他教育机构 的学位或证书面使用过的材料。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：互弓韪、签字日期：舻5 年石月扫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北方工业大学有关保留、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j e 直互些盍堂可以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： 违；晷 签字口期：细年石月矽日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名：洲 签字日期： o e 年怕骗 电话： 邮编： 北方工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 目前，能源问题己经是各国亟待解决的大问题，在开发新型能源的同时，节约现有 资源是一项关系国计民生的重要举措。鉴于此，2 0 0 4 下半年起，北京市开始全面推行 新的居住建筑节能设计标准( 以下简称标准) ，要求今后新建的住宅达到节能 6 5 的目标( 即每平方米采暖的煤耗降至8 7 5 公斤) 。新标准较之原标准有两个特 点：一是从原有的节能5 0 提高到节能6 5 ，建筑降低能耗的措施从过去仅由围护结 构和采暖来分担，扩大到由围护结构、外墙、屋顶、外门窗来承担；二是过去节能标准 只涉及到冬季采暖，新标准则根据北京的气候特点，以冬季采暖为主，兼顾夏季空调制 冷的节能。北京是全国率先实旋这一标准的城市，相信随着技术的发展和中空玻璃造 价的进一步降低，这一举措将在全国推广。 在我国，建筑业是一个持续快速发展的行业。随着科学技术的发展，环保和节能的 要求，建筑业所需要的各种材料及其加工方法、加工工艺也随着不断更新和进步。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和美观需要。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，达到标准的要求，就必须采用新技术和新工艺，加强门窗的保温性能。于 是，现代门窗的玻璃不仅仅限于使用单层普通玻璃，而更多地转向使用中空玻璃、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。中空玻璃还具有良好的降噪 作用，普通中空玻璃可降噪2 9 3 1 分贝( 单片玻璃可降噪2 0 2 2 分贝) ，特种中空玻璃 可降噪4 5 分贝【2 】。因此，使用中空玻璃，可有效地将环境和交通噪音降低到居住、办 公可按受的程度。 中空玻璃是以两片或多片玻璃，以有效的支撑均匀隔开( 一般为热塑隔条或灌有分 子筛的中空铝隔条) ，周边黏结密封胶，使玻璃层间形成干燥气体腔室的产品。这种产 品具有隔音、隔热、防结露和降低能耗的作用，被广泛应用于建筑门窗和玻璃幕墙、交 通、冷藏等行业，尤其是民宅、办公楼、宾馆、学校、图书馆等领域。中空玻璃的制作 一般常用胶接法，用这种方法制作中空玻璃均应双道密封。第一道密封使用丁基胶，涂 布于铝隔条与玻璃板之间( 热塑隔条可自行填缝，无需再使用丁基胶) ，该胶填缝性能 好，但强度较差。二道密封，使用聚硫胶或硅铜结构胶，涂布于两块玻璃板和隔条形成 北方工业大学硕士学位论文 的空隙中，、起到密封作用。作为干燥剂的分子筛保证了中空玻璃内部空气的干燥，两种 不同的胶体保证了密封效果，使中空玻璃具有很高的使用寿命。 玻璃幕墙是现代建筑，特别是高层建筑经常采用的外层样式，它赋予建筑的最大特 点是将建筑美学、建筑功能、建筑节能和建筑结构等因素有机地统一起来，建筑物从不 同角度呈现出不同的色调，髓阳光、月色、灯光的变化而变化。在世界各大洲的主要城 市均建有宏伟华丽的玻璃幕墙建筑，如纽约世界贸易中心、芝加哥石油大厦、西尔斯大 - 厦都采用了玻璃幕墙。香港中国银行大厦、北京长城饭店和上海联谊大厦也相继采用。 玻璃幕墙的核心也是中空玻璃，通过使用特殊的胶体将中空玻璃粘接和固定，实现其保 温性能和视觉效果m 。 建筑行业对高质量玻璃产品的需求促进了玻璃精加工设备的研发，其中，中空玻 璃生产设备的研发成为玻璃机械行业中非常重要的组成部分，各国的业内公司纷纷投入 资金和研发力量研制中空玻璃生产设备。 1 2 国内外技术现状 1 2 1 国外技术现状 一套完整的中空玻璃生产线，包括主要加工设备：铝隔条折弯机、分子筛灌装机、 玻璃划片机、玻璃磨边机、玻璃清洗机、合片一板压机、打胶机等，以及必要的辅助设 备：如铝隔条存放机、玻璃装载机、卸料机、原料输送车、成品输送车等。在实际使用 中，一般将玻璃立置的加工设备，包括玻璃清洗机、合片一板压机、打胶机等组成立式 中空玻璃生产线。其中，本课题涉及的中空玻璃全自动双组分打胶机，是中空玻璃生产 线的重要组成部分，用于对玻璃周边进行涂胶密封( 二道密封) 。 国外的玻璃机械生产厂家起步较早，具有明显的技术领先优势。德国l e n h a r d t 公 司( l e n h a r d tm a s c h i n e n b a ug m b h ) ，是瑞士百超集团( b y s t r o n i c ) 下属专门从事玻 璃中空线设备研发的子公司，该公司对玻璃加工机械有着深厚的研发功底，精于数控技 术、气动与气浮、流体技术在玻璃加工行业的应用，研制了一整套高端中空玻璃生产设 备。包括：玻璃装载机、磨边机( 单头版、双头版和数控版) 、玻璃输送机、玻璃清洗 机、净水机、铝隔条定位器、隔条折弯机、t p s ( 热塑隔条) 涂布机、合片一充气机、 打胶机( 单头版、双头版) 、自动卸料机、玻璃输送车、旋转打胶机、丁基胶涂布机等 一系列生产设备。其中，全自动打胶机既可对各种尺寸矩形玻璃进行打胶，加工尺寸可 达3 2 0 0 m m 。又可对各种异形玻璃( 非矩形玻璃，如六边形、带有圆弧的玻璃等) 打 胶，既可对不同厚度、不同打胶深度的玻璃打胶，又可对大小片的台阶玻璃进行打胶， 一2 北方工业大学硕士学位论文 并可以根据玻璃大小自动运算整个打胶时间，保证与生产线的其它段协调工作。全自动 打胶机有单头版、双头版等多种型号可供用户选择，前者可对双层中空玻璃打胶，后者 可对三层中空玻璃打胶”。该公司是目前国际上业界技术力量非常先进的公司。奥地利 李赛克( l b e c ) 玻璃机械公司也是玻璃机械行业里实力较为雄厚的企业，其系列产品中 的打胶段也实现了全自动，除了卸料外，无需人工干预。目前国内有多家玻璃生产企业 进口上述几家公司的产品生产中空玻璃。 1 2 2 国内技术现状 在国内，整个中空玻璃生产线的玻璃清洗段、合片一板压段等均实现了国产化，某 些段可全自动运行，有的则需外加少许人工辅助操作。例如，济南德佳玻璃机器有限公 司的l b z 侣0 0 p a 立式中空玻璃自动平压生产线，包括立式玻璃清洗机、铝框装配 段、合片板压段、翻转台。能完成槽铝式中空玻璃生产中玻璃清洗干燥、铝框定位安 放、自动合片板压、中空玻璃放平移出等主要功能。另外北京韩代、济南锐驰等企业也 都有同类产品，技术水平相当。但是，国内中空玻璃生产线均没有配套的自动打胶段 ( 即打胶机) ，尚无国产全自动打胶设备。打胶任务都是人工作业，由普通打胶机供 胶，人工手持胶枪，完成打胶、修边、抹平等动作。用户购买上述中空玻璃生产线后， 或者自行购买国外全自动打胶机与之配套使用，或者打胶任务由人工完成。 1 3 开放式数控系统 数控系统的开放化，是指机械设备制造商，能够根据用户( c n c 最终用户) 需要， 追加或更改n c 功能，以便更好地实现对设备的控制。 传统数控系统，又称专用数控系统，它是由专用的主板、c p u 和控制板组成，使用 专用的、技术细节不对用户公开的软件的数控系统，如现在比较常见的f a n u c0 系统、 m i t s u b i s h im 5 0 系统、s i n u m e r i k8 1 0 m t c 系统等。传统数控系统是2 种专用的封闭 体系结构的数控系统：系统硬件是专用的，各厂家的主板、伺服电路板专门设计，不 同厂家之间产品无互换性。系统软件结构是专用的，无可移植性，也无f 申缩性。由于 该类数控系统存在封闭性，控制系统很难适应机床功能变化，特别是机床要更换控制系 统时，需要设置大量的参数；控制软件专用，各控制软件依赖于专用控制系统的硬件体 系结构和软件设计思想；机床制造商对控制器供应商的依赖性很大1 4 j 。传统的数控系统 给用户带来很多困难：用户很难对多个供应商的设备和解决方案进行集成，只能有限的 3 北方工业大学硕士学位论文 加入自己需要的功能，对机床本体很小的改动将导致整个系统很大的改动。该类系统运 行可靠性很高，目前仍占领着数控制造业的大部分市场。但由于开放体系结构数控系统 的发展，传统数控系统的市场正在受到挑战，已逐渐减小。 2 0 世纪9 0 年代以来，由于计算机技术的飞速发展，推动数控技术更快的更新换 代。世界上许多数控系统生产厂家利用p c 机丰富的软、硬件资源开发开放式结构的新 一代数控系统。开放式体系结构使数控系统有更好的通甩性、柔性、适应性、可扩展 性，并更易于实现智能化、网络化。近几年许多国家纷纷研究开发这种系统，如美国科 学制造中心( n c m s ) 与空军共同领导的“下一代工作站机床控制器体系结构”n g c ，欧 共体的“自动化系统中开放式体系结构”o s a c a ，日本的o s e c 计划等。开放式体系结构 大量采用通用微机技术，使编程、操作以及技术升级和更新变得更加简单快捷。开放式 体系结构的新一代数控系统，其硬件。软件和总线规范都是对外开放的，数控系统制造 商和用户可以根据这些开放的资源进行的系统集成，同时它也为用户根据实际需要灵活 配置数控系统带来极大方便，促进了数控系统多档次、多品种的开发和广泛应用，开发 生产周期大大缩短。同时，这种数控系统可随c p u 升级而升级，而结构可以保持不变。 目前，实际应用于工业现场的开放式数控系统主要有以下几种类型，分别代表了数 控技术的不同发展阶段，对不同类型的数控系统进行分析后发现，数控系统不但从封闭 体系结构向开放体系结构发展，而且正在从硬数控向软数控方向发展的趋势。 ( 1 ) “p c 嵌入n c ”结构的- 开放式数控系统如f a n u c i s i 、1 6 i 系统、 s i n u m e r i k8 4 0 d 系统、n u m l 0 6 0 系统、a b9 3 6 0 等数控系统。这是一些数控系统制造 商将多年来积累的数控软件技术和当今计算机丰富的软件资源相结合开发的产品。它具 有一定的开放性，但由于它的n c 部分仍然是传统的数控系统，用户无法介入数控系统 的核心。这类系统功能强大，但结构复杂、价格昂贵。 ( 2 ) “n c 嵌入p c ”结构的开放式数控系统它由开放体系结构运动控制卡和p c 机 菇同构成。这种运动控制卡通常选用高速a s p 作为c p u ，具有很强的运动控制和p l c 控 制能力。运动控制卡本身就是一个数控系统，可以单独使用。它开放的函数库供用户在 w i n d o w s 或l i n u x 平台下自行开发构造所需的控制系统。因而这种开放结构运动控制卡 被广泛应用于制造业自动化控制各个领域。如美国d e l t at a u 公司用p m a c 多轴运动控 制卡构造的p m a c - n c 数控系统；日本m a z a k 公司用三菱电机的m e l d a s m a g i c6 4 构造的 m a z a t r o l6 4 0c n c ；w i z d o m c o n l x o l s 公司的p a r a d y m 3 l 。该产品采用d e l t at a u 公司的 p m a c 可编程多轴运动控制卡实现运动控制，嵌入 p c 中。优点是：成本低( 采用标 准计算机) 。可运行用户自定义的软件。界面比传统的c n c 友好。 d 北方工业大学硕士学位论文 ( 3 ) s o f t 型开放式数控系统这是一种最新开放体系结构的数控系统。它提供给用 户最大的选择和灵活性，它的c n c 软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺 服驱动和外部t o 之间的标准化通用接口。就像计算机中可以安装各种品牌的声卡和相 应的驱动程序一样。用户可以在w i n d o w sn t 平台上，利用开放的c n c 内核，开发所需 的各种功能，构成各种类型的高性能数控系统，与前几种数控系统相比，s o f t 型开放 式数控系统具有最高的性能价格比，因而最有生命力。通过软件智能替代复杂的硬件， 正在成为当代数控系统发展的重要趋势。其典型产品有美国m d s i 公司的o p e nc n c 、德 国p o w e ra u t o m a t i o n 公司的p a 8 0 0 0n t 等”“。 目前，开放式数控系统还是一个不断发展的概念，学术晃还没有一个准确统一的定 义，但根据目前开放式数控系统的特征，一些机构给出了开放式数控系统的定义，列举 了其具有的特征。 i e e e 标准提出的开放式数控系统的定义为：能够在多种平台上运行，可以和其他 系统互操作，并能给用户提供一种统一风格的交互方式。开放式数控系统具有以下基本 特征： 可互换性，构成系统的各硬件模块、功能软件的选用不受单一供应商的限制， 可根据功能、可靠性、性能要求相互替换，不影响系统整体的协调运行； 可伸缩性，c n c 系统的功能、规模可以灵活设置，方便修改。控制系统的大小 ( 硬件或软件模块) ，可根据具体应用增减； 可移植性，系统的功能软件与设备无关，各种功能模块可运行于不同的控制系 统内，即能运行于不同供应商提供的硬件平台上； 可扩展性，c n c 用户或二次开发者能有效地将自己的软件集成到n c 系统中， 形成自己的专用系统，功能的增减只需功能模块的装卸； 可互换性，通过标准化接口，通信和交互机制，使不同功能模块能以标准的应 用程序接口运行于系统平台之上，并获得平等的相互操作能力，协调工作”。 o s a c a 对于开放式控制系统定义如下0 1 ： 开放式控制系统包括一组逻辑上分离的组件，组件之间和组件与应用平台之间的界 面有良好的定义，以使来自不同供应商的组件协同工作运行于多个平台之上完成控制工 作，并对用户和其它控制系统提供良好的界面。 开放式控制系统有以下特点： ( 1 ) 互操作性( i n t e r o p e r a b i l i t y ) ：提供一个统一标准的通讯系统来实现数据 交换。 5 北方工业犬学硕士学位论文 ( 2 ) 可移植j 眭( p o r t a b i l i t y ) ：使用平台提供的标准a p i ，应用程序可在不同的 平台上运行。 ( 3 ) 可伸缩性( s c a l a b i l i t y ) ：可任意增删各功能模块。 ( 4 ) 可互换性( i n t e r c h a n g e a b i t i t y ) 一：可任意互换功能模块。 开放式数控系统不仅仅用于传统的机床和加工母机等装备制造业的设备中，还更多 的应用与其它数控产业中，如，数控弯管机，数控火焰切割机等。使用开放式数控系统 使新产品开发成本更低，开发速度更快，功能更强，柔性更高，、同时保证良好的可靠性 嘲。 1 4 课题意义 手动打胶有其固有的缺点和局限性：打胶速度慢，打胶质量不稳定、浪费胶的现 象很严重；手动打胶时，使用旋转打胶台作为辅助设备，需要人工从中空玻璃生产线 上卸载玻璃并重新放置在旋转打胶台上进行打胶，增加了生产工序，不利于提高生产效 率；配比系统采用传统的机械式配比机构，依靠机械式连杆调节两种组分的压力决定 配比比例，这种方法配比比例不精确，气缸换向启停时胶体容易出现色差甚至“白丝现 象”( 注1 ) 对大片玻璃( 长宽大于2 m 的玻璃) ，合片完毕的玻璃水平放置于旋转 打胶台上，隔条上侧的玻璃仅有四周的铝隔条支撑，在自重作用下发生凹曲变形，打胶 完毕胶体固化后，上侧玻璃板仍保持凹曲状态，在光的作用下出现“彩虹现象”，严重 影响美观。所以，手动打胶不能生产大片中空玻璃，+ 特别是幕墙用中空玻璃，极大限制 了手动打胶机的用途。 全自动数控打胶机则完全避免了上述缺陷和不足：全自动打胶机由数控系统控 制，以交流伺服电机作为驱动部件，传动部件采用行星齿轮减速器、精密丝杠、滚珠丝 杠、同步带等结构，传动精度高，传动速度快，从而打胶速度快、生产率高；配比 系统由伺服电机带动，使用精密丝杠作为传动机构，柱塞泵作为计量设各，配比精确， 出胶速度按照中空玻璃的铝槽宽度和深度计算而得，故打胶质量好、胶体浪费少；打 胶时玻璃立置，大片空玻璃不会发生凹曲，避免了“彩虹现象”。 虽然国外设备技术较为成熟，自动化程度较高，但对于我国的中空玻璃生产商，引 进整套国外中空玻璃生产线价格昂贵，仅仅一套全自动打胶机，其造价高达2 8 万欧元 ( 德国l e n h a r d t 公司) ：有的全自动打胶机( 如奥地利l i s e c 公司) ，其管路和 配比系统严格按照某一种胶体的粘度特性设计，只能使用厂商指定的国外高价胶，应用 受到限制。故，研制开发一套功能先进、质量可靠、用户认可、可使用任何一种胶体 6 北方工业大学硕士学位论文 ( 特别是国产胶) 、符合我国国情的全自动打胶机，对于提高我国中空玻璃生产能力和 生产质量、降低中空玻璃生产成本、减小对国外设备的依赖，振兴我国玻璃加工业具有 十分重要的意义。 本课题研制的全自动双组分打胶机，既可作为独立的机械单独使用，由人工装载玻 璃，打胶完毕后由人工卸载玻璃，又可与国内现有的中空玻璃生产线配合使用，组成更 高级的中空玻璃生产线，提高现有中空玻璃生产线的自动化程度，全面提高打胶速度和 打胶质量。全自动打胶机在国内玻璃机械业内属领先水平，具有广阔的技术和市场前 景，对我国的玻璃机械行业发展具有十分重要的意义。同时，在国内率先将数控技术推 广应用到玻璃机械行业，为国内的数控行业向更宽广的应用领域推广起到了一定的推动 发展。 1 5 本章小结 本章节简述了中空玻璃的概念及其应用领域，分析了国内外中空玻璃生产设备，特 别是全自动打胶机的国内外技术现状，分析了开放式数控系统的现状、特点与发展趋 势。 注1 ：“白丝现象”是指由于胶体混合不均匀，a 组分胶体( 白胶) 呈丝状分布于混合后的胶 体内的现象。“色差”是指由于两种组分胶体局部混合比例失控( 通常是a 组分多b 组分少) ，造 成混合后的局部胶体颜色与正常颜色不一致。上述两种现象都是混合胶效果不好的表现。现场较为 常用的鉴定方法为：用白纸接取少量胶体，对折并压平，使胶体平铺于纸面上，依靠肉眼观察即 可。由于很多情况下对折后胶体在自纸上的图案酷似蝴蝶，故该方法又称“蝴蝶实验”。如果需要 获得更精确的比例数据，需采用光谱分析法。 一7 一 北方工业大学硕士学位论文 2 1 数控打胶机的机械结构简介 数控打胶机，是一种在中空玻璃的两块玻璃板和隔条形成的空隙中填涂聚硫胶或硅 铜结构胶的自动机械，属于玻璃深加工设备。可单机使用，由人工上下料，也可连接中 空玻璃生产线使用，由中空玻璃生产线的合片段提供玻璃。 从机械结构上，打胶机可分为供胶、配比和打胶三个部分。其中，供胶部分负责从 胶桶向柱塞泵提供胶体。打胶需要两种胶体，分别为密封胶( a 组分) 和固化种( b 组 分) ，两个组分的胶体经充分混合后，填涂于玻璃板和隔条形成的空隙中。它们分别由 各自的供胶气缸带动双行程活塞泵提供给配比部分。 配比出胶部分，由a 组分柱塞泵、b 组分柱塞泵、配比混合器和胶枪组成，a 组分 柱塞泵和b 组分柱塞泵分别接收供胶部分的a 、b 组分胶体，经计量后按设定比例( 不 同的胶体比例不同，一般为1 b ：1 ) 混合，供打胶使用，是打胶机的核心部件之一。打 胶部分由两套输入同步带、两套输出同步带、吸盘组件、以及打胶头组成。输入民1 由 减速器、连轴器、同步带结构组成，用于将玻璃运送至打胶区，并在段末有玻璃厚度检 测装置，可检测玻璃厚度：输入段2 结构与输入段1 相同，是打胶过程中x 方向打胶 的执行部件：吸盘组件由吸盘、同步带结构、导轨等组成，用于在打胶过程中吸合固定 玻璃，是x 方向打胶的执行部件；输出段1 ，由两条同步带以v 字型分布组成，在z 方向可调整，是x 方向打胶的执行部件；输出段2 ，结构与输出段1 相同，用于将打胶 完毕的玻璃输出至段末，等待卸载。打胶头，包括胶枪、抹板系统、打胶深度检测等， 可绕轴心旋转，用于对玻璃周边填涂胶体，是打胶机的核心部件之一。 其整机机械结构如图2 1 所示： 8 北方工业大学硕士学位论文 图2 1 打胶机机械结构示意图 2 - 2 数控打胶机打胶工艺流程分析 全自动打胶机打胶工艺流程是执行打胶任务时打胶机机械部件执行的动作过程与时 序关系。它是软件功能分析的一部分，是编制控制代码的基础。 为了理解方便，将打胶工艺中的工艺名称作必要的说明，见表2 1 。并将打胶工艺 按时序划分为数块，每块中以( 代表先后顺序) 。 表2 1 打胶动作及名称解释 工艺名称描述 光电x 第x 号光电传感器 m 1 玻璃输入同步带前段 ，2 玻璃输入同步带后段 o p l 玻璃输出同步带前段 o p 2 玻璃输出同步带后段 9 北方工业大学硕士学位论文 胶枪对中 调整y 轴的位置，使胶嘴对正铝隔条的中线 月牙板打胶深度测量装置 点胶为保证打胶质量，在矩形玻璃的拐角处，填涂一定体积的胶体 抹板动作t气缸驱动抹板沿y 向运动 抹板动作2 气缸驱动抹板靠紧玻璃 抹板动作3气缸驱动抹板靠紧胶枪，使点胶区域封闭 抹板动作4 气缸驱动抹板沿y 负向运动，与“抹板动作1 ”相反，具有将胶体 抹平的功能 抹板动作5 气缸驱动抹板与玻璃脱离接触，与“抹板动作2 ”相反 抹板动作6气缸驱动抹板远离胶枪，与“抹板动作3 ”相反 翻转胶枪绕b 轴轴心旋转9 0 度， 上电回零：( 仅上电执行一次) 各轴按顺序自动回零( 程序确保不发生运动干涉) 。 参数输入：( 一个批次生产任务执行一次) 输入前片玻璃板厚度一 输入后片玻璃板厚度一 输入胶体比例一 输入打胶速度 用户确认参数 玻璃输入： 判断打胶条件：胶压正常，胶桶有胶，各段无玻璃，胶枪混合器在位、脚踏开关按 下一 婵1 、i p 2 启动，运输玻璃一 玻璃前沿经过光电2 时，i p i 低速输入玻璃一 玻璃 前沿经过光电3 时，制动i p l 电机。 玻璃厚度检测： 启动玻璃厚度检测推板一 延时3 秒一 启动玻璃检测标志位，由上位机进行a d 转化并计算玻璃厚度一 通信传送玻璃厚度值一 启动厚度检测完毕标志位- - n 断打胶 标志位是否为0 ，是，则胶枪对中- - n 断o p 2 是否有玻璃，无，则根据中空玻璃总厚 度调整v 1 轴与v 2 轴。 玻璃继续输入： 判断打胶标志位，l 则继续启动i p l 、i p 2 电机运输玻璃一 玻璃后沿经过光电2 时，转入低速运输玻璃一 玻璃后沿经过光电3 时，i p l 、p 2 继续运行至吸合位置一 吸 盘到达工作位置( 传感器前方7 0 m m 处) 一 吸盘伸出，启动真空发生器一 当吸合玻璃 后( 真空压力表达到预设值) ，锁紧吸盘伸缩气缸一 启动i p 2 、o p l 和x 轴电机运输 玻璃一 玻璃经过i p 2 辅助支撑光电传感器时，启动玻璃辅助支撑一 玻璃经过o p i 辅 助支撑光电传感器时，启动玻璃辅助支撑一 玻璃前沿测量传感器1 时，启动计数器 l ，开始测量玻璃长度一 玻璃前沿测量传感器2 时，启动计数器2 ，开始测量玻璃长度 1 0 北方工业大学硕士学位论文 一 玻璃后沿测量传感器1 时，中止计数器1 2 一 计算玻璃长度，比较两传感器的测量值， 中止程序。 玻璃回退： 一 玻璃后沿测量传感器2 时，中止计数器 测量误差在允许范围内则继续打胶，否则 胶枪翻转( b 轴动作) 同时向z 方向移动到达工作位置一 启动立边压紧压力一 启 动o p l 和x 轴，玻璃回退，直至玻璃压紧打胶头并共同回退一 回退电位计的a d 转 换值达到预设值时，制动o p l 和x 轴，完成回退。 第边打胶： 月牙板按下一 启动增压程序一 启动计数器，胶枪所在的z 轴向上运动，同时m b 组分出胶- - n 量传感器到达玻璃边缘( 此时胶头距玻璃边缘1 5 4 r a m ) ，关闭计数器一 月牙板到达铝隔条边缘，升起月牙板一 胶头运动至距边缘2 0 m m 处，停止打胶a 、b 组分电机返回零位补充胶体，胶头脱离玻璃一 胶头继续行进至玻璃边缘。 第拐角处理： 胶枪翻转，同时启动供胶泵，打开a 、b 组分入口阀，a 、b 组分电机返回零点一 鬯、o p l 和吸盘组件( x 轴) 运动，带动玻璃向x 轴负方向运动2 0 n m a - 启动顶边 压紧压力一 月牙板动作一 托板翻转支持玻璃一 抹板动作1 、2 、3 一 a 、b 组分点胶 一 抹板动作4 、5 、6 。 第二边打胶： l p 2 、o p l 和吸盘组件( x 轴) 运动，同时a 、b 组分出胶一 月牙板到达铝隔条边 缘，升起月牙板一 胶头运动至距玻璃边缘2 0 m m 处，停止打胶a 、b 组分电机返回零 位补充胶体，胶头脱离玻璃一 胶头继续行进至玻璃边缘。 第二拐角处理： 胶枪翻转，同时启动供胶泵，打开a 、b 组分入口阎，a 、b 组分电机返回零点一 z 轴向负方向运动2 0 m m - 启动竖边压紧压力一 月牙板动作一 托板返回原位一 抹 板动作l 、2 、3 一 a 、b 组分点胶一 抹板动作4 、5 、6 。 第三边打胶： 月牙板动作一 z 轴向下运动，同时a 、b 组分出胶一 月牙板到达铝隔条边缘，升 起月牙板一 胶头运动至距玻璃边缘2 0 m m 处，停止打胶a 、b 组分电机返回零位补充 胶体，胶头脱离玻璃一 胶头继续行进至玻璃边缘。 第三拐角处理： 北方工业大学硕士学位论文 胶枪翻转，同时启动供胶泵，打开a 、b l ( f f 入口阀，a 、b 。组分电机返回零点一 l e a 、o p l 和吸盘组件( x 轴) 运动，带动玻璃向x 轴负方向运动2 0 m m - - 启动底边 压紧压力一 抹板动作1 、2 、3 一 a 、b 组分点胶一 抹板动作4 5 6 。 第四边打胶： i p 2 、o p l 和吸盘组件( x 轴) 运动，。同时a 、b 组分出胶一 启动计数器，当胶头 距玻璃边缘1 3 5 m m 时，制动1 1 ：v 2 、o p l 和x 轴一 月牙板到达铝隔条边缘，升起月牙板 一 胶头运动至距玻璃边缘2 0 m m 处。 第四拐角处理： 抹板动作1 、2 、3 一 a 、b 组分点胶一 抹板动作4 、5 、6 。 玻璃输出： 判断o p 2 上有无玻璃，有则等待卸载；无则o p l 、o p 2 和吸盘组件运送玻璃至 0 1 7 2 段一 关闭真空发生器一 关闭吸盘伸缩锁紧一 吸盘缩回。 各轴返回工作初始状态： 胶枪头翻转3 6 0 度一 吸盘组件返回工作位置。 玻璃输出至段末： 判断v 2 是否已经按当前玻璃厚度调整，是则启动o p l 、o p 2 输出玻璃，否则先调 整v 2 再输出玻璃一 玻璃经过光电7 时，o p l 制动，o p 2 减速一 玻璃经过光电9 时， o p 2 制动，玻璃停止于o p 2 段上，等待卸载。 清洗胶枪，各轴进入关机状态：( 停机前仅执行一次) 关闭b 组分管路上各截止阀一 打开a 组分管路上各截止阀一 启动供胶泵一 启动 a 组分电机，以单组分胶体清洗管路一 各轴进入关机位置( 即各轴的静态安全状 态) 。 2 3 数控打舷； j 兀系统分析 供胶系统由双行程气缸驱动，并自行保持供胶压力，故仅以开关量控制即可。 配比部分的柱塞泵，由于打胶过程中需要严格控制打胶量，要求胶体既不能溢出造 成胶体浪费，又不能胶量不足造成密封失效，同时a 、b 两个组分又具有严格的配比比 例，故a 、b 组分柱塞泵均以伺服电机带动滚珠丝杠驱动，并要求联动。 对于打胶部分，输入1 段和输出段2 分别用于玻璃的输入与输出，要求运送速度 快，起停性能好，故采用伺服电机；输入2 段、输出1 段和吸盘组件均参与打胶过程的 x 方向运动，要求具有良好的位置控制能力、速度和起停性能，并要求三者严格位置和 1 2 北方工业大学硕士学位论文 速度同步，故采用伺服电机，控制时联动；打胶头上包含z 、y 和b 三个方向上的运 动，其中，z 方向运动参与打胶过程，要求具有良好的位置控制能力、速度和起停性 能，故选用伺服电机；y 轴用于胶枪嘴在y 方向上调整，对于任意厚度的玻璃总能保证 胶枪嘴始终对准铝隔条的中线，由于该轴行程小、速度要求不高、不与其它轴联动，故 采用步进电机。b 轴为y 方向的旋转轴，用于控制胶枪组件的旋转，要求具有良好的位 置控制能力、速度和起停性能，故选用伺服电机；为了避免打胶完毕的玻璃接触运输同 步带造成产品缺陷，输出段1 和输出段2 均采用两条同步带v 字型分布，仅使玻璃两 侧的外棱接触同步带，则该v 型带需要在y z 两个方向上进行调整，以适应不同厚度的 中空玻璃，这两个调整轴定义为v l 和v 2 轴。由于v 1 轴和v 2 轴的行程小、速度要求 不高、不与其它电机联动但需要位置控制，故选用步进电机。 通过分析打胶机机械功能及打胶流程，根据运动的需要，在输入过程中，玻璃输入 传送带与吸盘组件不能发生相对位移；在玻璃输出过程中，玻璃输出传送带与吸盘组件 不能发生相对位移，故u 、x 和w 轴为联动轴，以保持位置同步眭；在打胶过程中， 配比系统为胶枪提供严格配比并均匀混合的胶体，a 和c 也为联动轴，其它轴无联动 关系。故该机控制系统为1 2 轴3 联动系统。 综上所述，该系统为总控制轴数为1 2 轴，其中9 个轴为伺服轴，3 个轴为步进 轴，这样，既实现系统功能，又在一定程度上降低了造价。其联动轴数最高为3 轴，整 个系统为1 2 轴3 联动系统。 2 4 控制系统的硬件组成 2 4 1 硬件方案 对于一个多i o 的1 2 轴的数控系统，如果使用现有的数控系统，经济型数控系统 无法达到1 2 个控制轴数，必须采用高档数控系统，如西门子8 4 0 系列的s i n u m e r i k 8 4 0 d i e 、s i n u m e r l k8 4 0 d i 、s i n u m e r l k8 4 0 d ep o w e r - l i n en c u 5 7 2 4 等数控系统， 具有1 2 3 1 轴控制能力【1 0 ，使用厂商的h m i a d v a n c ev 6 系列软件包，亦可以开发出用 户需要上位软件，具有一定的开放j 陛。但该方案造价过高，仅数控系统一项开支就会高 于3 0 万人民币，使用h m i - a d v a n c ev 6 系列软件包需要作为附件购买更增加了系统造 价。 “n c 嵌入p c ”式的开放式数控系统结构是目前技术成熟、广为采用的一种开放式 数控系统构架。以运动控制卡作为嵌入式板卡，作为系统的n c 部件，完成数控系统的 1 3 联动、插补、y o 操作等实时任务；p c 用于完成上位处理、显示等其它非实时任务。 “n c 嵌入p c ”式的数控系统具有可靠性高、功能强、性能好，操作简单方便，开发厨 期短，开发成本低等优点【1 1 1 0 课题的n c 部件采用美国d e l t at a u 公司的可编程多轴运 动控制器p m a c ，实现对1 2 轴的控制，完成打胶机的控制功能，可选方案如表2 2 所 示。从开发难度、系统功能可实现性和开发成本综合考虑，本课题选用了1 号方案。下 位采用两块p m a c 2 a - p c i 0 4 ：p m a c 0 由基板、a c c i p 扩展板和a c c 2 p 扩展板构 成，基板和a c c - 1 p 扩展板各有4 轴控制能力，a c c 一2 p 扩展板是通信板，用于i o 操 作，可使用a c c 3 4 a a 扩展y o 数量；p m a c l 是一块基板，具有4 轴控制能力。 表2 21 2 轴数控系统可选硬件方案 方案号方案描述及硬件配置优点缺点 1 支持板卡内部轴联动，可实现两卡独立工作，不同控制 p m a c 2 a - p c l 0 4 ( 八轴)用户需要的功能。成本较低。卡上的轴不能联动，需要 + p m a c 2 a p c i 0 4 ( 四轴)合理分配电机轴，并需要。 上位机通信协调； 限于工控机山部空间，只 能扩展到1 2 轴，系统无扩 展裕度。 2t u r b op m a c 2 - p c ( 8 轴 可实现l 3 2 轴控制能力，支成本较高 i s a 或p c i ) 扩展为1 6 轴持8 轴联动，可扩展性强。 3u m a c 可实现1 3 2 轴控制能力，支成本更高 持8 轴联动，可扩展性强，集