一 概述 由于玻璃鉆飾品外型的特異性，玻璃鉆飾品的加工和檢測基本上處于手工或半手工狀態(tài)，耗費較大的人力資源，效率低下，而且產品質量不一，很難保證產品質量的均衡性和持續(xù)性。二年前受廣東某玻璃飾品有限公司的委托，我公司代其開發(fā)專用機電一體化加工設備------玻璃鉆飾自動磨鉆機，目前該設備已投入試生產運行，本人獨自擔當了整套設備的電控系統(tǒng)集成設計任務，該設備的自動化程度較高，邏輯控制比較復雜，設備的控制核心由三菱FX2N系列PLC和擴展模塊以及FX2N-1PG特殊模塊集成，本人在此想同大家交流一下該系統(tǒng)的集成過程和應用體會。 二 磨鉆機用途 本磨鉆機主要用于加工玻璃鉆飾品，加工原料為球狀態(tài)玻璃，可加工直徑為φ1.0mm---φ10.0mm間的球狀玻璃，加工面為17個，分別為臺面一個，冠面8個，亭面8個，如下圖所示： 三 磨鉆機組成 為了減小設備體積，節(jié)約設備制造成本，提高生產效率，整臺磨鉆機設備設計成雙邊進料交叉加工形式，所以，整套設備有許多相同的部件，由以下各主要部件組成：粘桿夾具（4個）、上料機構（2個）、下料裝置（2個）、翻轉機構（2個）、磨拋機構（2個）、導軌齒條及支架等。 整個設備長約8米，寬約2米，高度約為2米。外型見所附設備照片。 四 磨鉆機傳動 磨鉆機夾具在水平方向的移動定位要求較準確，故采用導軌導向，齒輪齒條傳動，步進馬達驅動方式，磨頭、拋頭以及磨拋轉換采用普通三相異步交流電機驅動，上料機構、夾具垂直方向運動、磨拋換面等均采用氣缸氣動傳動。 五 磨鉆機加工工藝 磨鉆機加工工藝過程比較簡單，設備單邊加工工藝過程如下：粘沙——上料——燒結——磨切——拋光——（換面——磨切——拋光，共八個循環(huán)）——下料。 六 磨鉆機機械運動過程 按每個位置加工功能分，磨鉆機有四個加工工位，分別是：粘沙位、上料（下料）燒結位、轉接位、磨拋位。由于兩邊的加工過程一樣，所以以一邊為例說明其機械運動過程。 為了便于方便描述，把加工冠面的夾具稱為冠面夾具，加工亭面的夾具稱為亭面夾具，相應地，加工冠面的換向氣缸稱為冠面換向氣缸，加工亭面的換向氣缸稱為亭面換向氣缸，加工冠面的磨拋機構稱為冠面磨拋機構，加工亭面的磨拋機構稱為亭面磨拋機構。具體機械運動過程如下：（參看《磨鉆機總圖》） 自動開始，系統(tǒng)找原位------在粘沙位冠面夾具和亭面夾具定位——冠面夾具和亭面夾具在氣缸帶動下同時向下粘沙——粘沙完成后兩夾具向上——冠面夾具在步進馬達的驅動下向前移動到上料位（而亭面夾具則在另一步進電機的帶動下向前移動到轉接位，并在翻轉氣缸的驅動下做180°的翻轉，做好轉接準備）——上料機構在氣缸驅動下向上上料——上料完畢，上料機構向下，同時冠面夾具在步進馬達的驅動下移動到磨拋位（冠面夾具開始作周期性往復慢行，直到拋光加工結束為止）——冠面夾具在氣缸的驅動下向下磨臺面——加工完臺面，冠面夾具垂直向上，同時撤消冠面夾具定位，——冠面換向氣缸1動作換面，——冠面夾具向下磨第一冠面，——磨完冠面1，冠面夾具向上——撤消冠面換面氣缸1——冠面換向氣缸2動作換面——冠面夾具又向下磨第二冠面（如此這樣，一直把第八個冠面磨完）——然后，冠面夾具向上，磨拋機構在電機的驅動下做工180°的旋轉，準備進行拋光，（拋光接著從最后一個被磨冠面即第八冠面開始）——冠面夾具向下——拋光第八冠面——第八冠面拋光完畢，冠面夾具向上——同時撤消冠面換向氣缸8——冠面換向氣缸7動作——然后，冠面夾具向下拋光第七冠面（如此這樣，直到把第一冠面拋光完成）——冠面夾具向上——冠面夾具定位氣缸動作定位——冠面夾具向下拋臺面——拋光完臺面，冠面夾具向上（磨拋機構準備180°轉換）——冠面夾具停止往復慢行，然后找基準——冠面夾具在步進馬達的驅動下向后移動到轉接位——亭面夾具向上轉接玻璃球——點火燒結——亭面夾具向下——亭面夾具作180°翻轉——轉接完成，（冠面夾具則在步進馬達的驅動下向后移動到粘沙位，開始冠面夾具下一周期循環(huán)工作）——亭面夾具移到磨拋位——亭面夾具撤消定位（亭面夾具開始周期性往復慢行，直到亭面磨拋加工完成為止）——亭面換面氣缸1動作——亭面夾具向下——磨第一亭面——亭面夾具向上，撤消亭面換面氣缸1——亭面換面氣缸2動作——亭面夾具向下——磨第二亭面（如此這樣，直到把第八個亭面磨完）——亭面夾具向上（亭面磨拋機構180°轉換，準備拋光）——亭面夾具向下——拋光第八亭面（接著從最后被磨的第八亭面開始拋光）——亭面夾具向上，撤消亭面換面氣缸8——亭面換面氣缸7向下——拋光第七亭面（如此這樣，直到把最后一個亭面即第一亭面拋光完成）——亭面夾具停止往復慢行，找基準——亭面夾具向上（亭面磨拋機構準備180°轉換）——亭面夾具定位——亭面夾具在步進馬達的驅動下向后移動到下料位點火——下料——亭面夾具向后移動到粘沙位粘沙——（亭面夾具下一周期循環(huán)開始） 至此，一個玻璃飾品的加工已完成。 七 磨鉆機控制方式 設備控制有手動、自動、停止三種方式，在自動方式下又分為全自動和單步自動兩種，停止也分為自然停止和緊急停止兩種，下面加以詳細解釋： · 手動 手動方式的設立主要是方便于設備調試、維護，在手動方式下， 可任意起停各相對獨立的每一可動部件，如每一氣缸運動、馬達的起停等。 · 自動 自動分為全自動和單步自動。 全自動是指設備兩邊自動同時上料交叉加工，完成一周期加工后，自動再上料加工，直到接收到停止或故障命令為止。 單步自動是指設備一邊進行全自動上料加工，另一邊可不進行加工。 · 停止 由于設備自動工作后，一直處于不斷自動上料加工狀態(tài)，所以，設備停止分為自然停止和緊急停止。 自然停止是指按下停止按鈕后，設備并不馬上停止，而是進行完當前一周期的加工并返回到原位后停止下來。 緊急停止是指為發(fā)生意外或故障時設立的停止方式，按下緊急按鈕時，機器馬上中止當前的工作。 八 控制關鍵 · 冠面夾具和亭面夾具水平移動定位準確要求為10絲（道），除了步進電機控制精度要求較高外，還要考慮齒輪齒條之間間隙的影響。 · 玻璃球飾品磨切和拋光時，是由升降氣缸帶動粘桿向下緊壓在高速旋轉的磨、拋平臺上完成的，其磨切尺寸和拋光精度（包括臺面磨切拋光）均由三個臺階式的氣動限位塊進行調節(jié)，氣動限位塊由兩限位氣缸驅動，氣缸電磁閥采用雙線圈鎖緊式電磁閥，氣缸可停在任意行程位鎖緊，以實現(xiàn)三臺階定位驅動，這樣自動配合磨切和拋光時的不同尺寸。 · 冠面夾具和亭面夾具的找原位和找基準是否準確會影響到其水平方向的定位精度。 · 邏輯關系、整機動作配合相當復雜，程序量較大（目前實際程序長度為3980）。 九 控制系統(tǒng)集成方案選擇 控制系統(tǒng)集成基于可行性、可靠性還有性價比等多方面因素來綜合確認。下面就單片機控制、工控機（IPC）控制、PLC控制等簡單比較說明。 說明：基本控制約I/O=128/75，此外，還有四臺步進馬達控制。 1 單片機控制 · 可靠性低 單片機本來抗干擾能力較低，從現(xiàn)在所要求的I/O總數(shù)來看，不 論是MCS51系列還是MCS96系列單片機，都必須進行大規(guī)模的擴展，這樣系統(tǒng)電路更加復雜，進一步降低了系統(tǒng)的可靠性。 · 開發(fā)成本高 單片機的售價并不貴，以目前市場價，較有名氣的ATMEL也不 過十幾元錢一片而已，但簡單從這表面上看這個問題是不妥的，以本人幾年來單片機開發(fā)經驗可知，要購入單片機開發(fā)裝置（如仿真器、燒錄器、電源）和還要開模制版等，這都是一筆不小的費用。加上開發(fā)周期長所投入的人力物力，其價錢已遠遠地超過應用PLC開發(fā)的費用。 另外由于設備是專用特殊設備，其控制系統(tǒng)專用性較強，通用性較差，為其投入過多的開發(fā)費用不值得。 · 開發(fā)周期更長 單片機的開發(fā)周期較長，從電路設計、開模制版、編程、仿真、調 試等經歷非常長的周期，工程師往往要花大部分的時間在硬件設計和編程調試處理上，對最為重要的工藝過程往往沒有更多的時間考慮。 · 不便于修改和維護 利用單片機開發(fā)的設備往往是專用的特殊設備，在市場上往往不能 找到可替代的備件，所以不便于維護，這是用戶最不愿看到的。 基于以上（不限于）的原因，本人認為此方案不適用 2 工控機（IPC）控制 無疑，從可靠性來說，IPC要比單片機要好得多，但其價格昂貴， 不計其整機價格，單就要滿足I/O點數(shù)據的板卡量（32通道，約10塊）費用就不少，其價格要遠遠高于采用PLC控制的價格。 更為重要的是工控機更新?lián)Q代較快，不但硬件如此，而且最根本的操作系統(tǒng)也不斷地更新?lián)Q代，換句話說，如果設備控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，更換硬件，可能意味著更新操作系統(tǒng)，進而導致整個系統(tǒng)的應用軟件（包括界面）都要重新設計（或開發(fā)），這對太多數(shù)用戶來說是不能接受的。 所以，本人認為此方案也不適用。 3 PLC控制 · 可靠性 自第一臺PLC誕生就是應用于工業(yè)現(xiàn)場控制，不可否認，PLC的 可靠性得到了工控業(yè)界的認可。據最近行業(yè)統(tǒng)計顯示，目前采用PLC控制的設備份額達90％。 · 成本低 就此設備的控制來說，采用PLC來進行的設備開發(fā)和控制費用 都要遠遠低于采用單片機或IPC的費用，其系統(tǒng)可大可小，小的幾點，大的數(shù)千點，甚至上萬點，很好解決工業(yè)控制問題，適用于很多場合。 · 開發(fā)周期短 采用PLC進行設備控制，工程師無須花太多的精力在硬件的處理上，采用積木式結構很快可以形成系統(tǒng)電路，大部分精力集中在工藝的了解處理和程序的編寫上，有利于設備的快速開發(fā)，程序的編輯、修改和調試也都可隨時進行，縮短了開發(fā)時間。 · 性能加強 隨著微電子控制技術的發(fā)展，PLC的