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精密制造与 自动化 2 0 1 4 年第 3 期 Y T 2 M- 4 8 2 6 双面研磨机气动控制系统的设计 许君 许世雄 1 ． 湖南大学 电气与信息工程学院长沙 4 1 0 0 8 2 ； 2 ． 湖南宇环数控机床有限公司 长沙 4 1 0 3 2 3 摘要针对手机、平板 电脑玻璃显示屏及太阳能 电池晶片、红宝石等 需求急增，迫切要 求大量 的高工 艺、高精 度 、高效率 的研 磨抛 光设备。根据传统产 品存在精度差和效率低 的缺 陷，采用先进的压力传感器、P L C和气缸 的 控制技术，同时采用数字 P I D控制方法，实现轻压、白重、重压 3 种工艺的研磨抛光方式，解决了加工工件时易 造成工件的破碎和难加工的问题。该方法运用在 Y T 2 M． 4 8 2 6双面研磨机上，实现了研磨机的精密、平稳的研磨 和抛光功能，更实现了研磨抛光工件的高精度和高效率加工。经深圳富士康公司使用，反映很好，完全达到设计 和加工要求 。 关键词双面研磨机工艺优化压力 闭环 双面研磨机是用于玻璃 ，蓝 宝石等 上下两个 平 面进行研 磨加工，是 自动化程度和可靠性能要 求较 高的一类机械工艺设备 。针对传统产 品无法 控制气压平稳 、无法 实时监控 的缺 点，采用 了先 进 的气动 比例阀对气压进 行精密的控制和采用压 力传感器对 气压进 行实时的监控 ，形成一个 闭环 控 制，解 决了气压的不平稳现象和无法监控实时 气压 的缺 陷。传统产 品 P L C控制设备 的操作面板 上的各种按钮 L E D显示越来越复杂 ，工位指示也 很多，这就增加 了操作难度和设备 的故障点 。为 了解决上述 问题 ，该系统采用 了触摸屏 ，对上述 的 问题有 了较好 的改善⋯。 1 双面研磨机的系统要求及系统组成 链轮 传 上盘 减速 机构 图 1 研磨机的硬件组成 双面研磨机是通过 P L C控制 3个 电动机 即 下研 盘变 频 电动机 7 ． 5 k W ，太阳轮变频 电动机 1 ． 5 k W 、上研盘与齿圈变频 电动机 5 ． 5 k W ， 从 而实现 下研 盘、太阳轮 、上研盘与齿圈不 同速度 的旋转 。工件安装在游行轮 ，人机接 口界面由触摸 屏来实现 。 1 ． 1 P L C的选型 P L C的选择一般从基本性能，特殊功能和通信 联网三方面考虑。选择的基本原则是在能满足控制 要求的前提下，力争性价比最高的产 品。对于双面 研磨机来说，P L C需要大量的运算 ，所 以运算速度 需要足够快，维修量较小，因此选用整体式结构的 P L C机型比较合适 。采用的 I ／ O地址见表 1 。 表 1 I ， o地址表 针 脚 号 定 义 针脚 号 定 义 X 0 下 盘和 齿 圈电动 机空 开保 护 X1 7 X1 上盘电动机空开保护 X2 O 挂钩 1退到位 X2 太阳轮电动机空开保护 X2 1 挂钩 2退到位 X3 相序缺项报警 X2 2 齿圈抬升上限位 X4 齿圈升降电动机空开保护 X2 3 疮圈抬升下限位 X5 砂 泵 电动 机空 开保护 X2 4 空气 压力 过低 X6 搅拌 电动 机空 开保 护 X 2 5 压力 传感 器报 警 X7 电磁阀空开保护 X 2 6 紧急停止 X1 O 抬升气缸上限位 X2 7 运行准备 X1 1 抬升气缸下限位 X3 O 循环停止 X1 2 齿圈上升 X3 1 循环开始 X1 3 齿 圈下 降 X 3 2 复位 X1 4 X 3 3 点动 Xl 5 相序保护 X3 4 上盘快升 X1 6 X3 5 上盘快降 精密制造与 自动化 2 0 1 4 年第 3 期 接上表 针脚 号 定 义 针脚 号 定 义 X3 6 上盘缓升 Y 2 0 下盘电动机启动 X 3 7 上盘缓降 Y 2 l 下盘电动机正反转 Y0 砂泵 电动 机 Y 2 2 F盘 电动 机启 动 Y1 齿圈升 Y 2 3 上盘电动机正反转 Y2 齿圈降 Y 2 4 上盘电动机反转 Y3 搅拌电动机 Y2 5 上盘电动机点动 Y4 循环启动指示 Y 2 6 太阳轮 电动机启动 Y5 点动指示 Y 2 7 太阳轮 电动机正反转 Y6 Y V1 电磁阀 Y3 O 太阳轮电动机正反转 Y7 Y V2电磁 阀 Y 3 1 二 二 循环启动 Yl O Yv3电磁阀 色 Yl l YV4电磁阀 报 Y3 2 待料 Yl 2 YV5电磁阀 警 Y1 3 YV6电磁阀 Y 3 3 灯 故障指示 Yl 4 w 7电磁阀 Y 3 4 Y1 5 Y v8电磁 阀 Y 3 5 变频器故障复位 Y1 6 Y V9电磁阀 Y3 6 润滑泵 Yl 7 w l 0电磁 阀 Y3 7 根据表1所述 ，选用 的是 日本三 菱 公司 的 F X一 3 U型 P L C。该 P L C是 2 2 0 V交流供 电，1 ／ O点 为 6 4 ，最多可使用 3 个通信端 口，适用于触摸屏和 变频器 2个端 口的串 口通信。同时还需要配置一个 RS 4 8 5的通信模块，以实现通信。 1 ． 2 触摸屏的选型 触摸屏主要用于显示设备和系统状态的实时信 息。触摸屏的按钮可产生相应的开关信息或输入数 值、字符给 P L C进行数据交换 ，从而产生相应的动 作来控制设备及系统。触摸屏作为人机界面，主要 实现对电动机的转 向、转速和行程的监控 ，对触摸 屏的主要要求 1 有足够 的画面数据存储器 ， 有足够的分辨率 和显示亮度。 2 有基本的串行通信功能，方便与 P L C连接 实现通信 。 基于 以上 的要求 选用 步科 Ki n c o 公司 生产 的 MT 4 5 2 3 T触摸 屏，MT 4 5 2 3 T触摸屏主要性能 是 1 0 ． 4 ” L E D彩色液晶触摸屏，8 0 0 x 4 8 0点像素，有 4 0 0 MH z R I S C 处 理 速 度 ， 存 储 器 有1 2 8 M F L AS H 6 4 M S D R AM ； 通 信口 C O M0 R S 2 3 2 ／ R S 4 8 5 ． 2 ／ 4 用于 P L C； 还有一个 C O M2 R S 2 3 2 通信 口。 1 ． 3 可编程逻辑控制器与触摸屏通信 触摸屏背面有两个连接外部设备的通信 口，分 别 是 R S 4 8 5 瓜S 2 3 2和 R S 2 3 2 。该系 统采用 的是 R S 2 3 2通信 口与 P L C连接的控制方式 ， 设置的通信 3 2 参数波特率为 9 6 0 0 ，数据位 8 ，奇偶校验 为无校 验 ，停止位 1 ，这样就可 以实现通信 。 2 双面研磨机压力气动控制设计 近年来 ，市场需要加工的易碎品越来越多，玻 璃的厚度也越来越薄，双面研磨机的工作主要是靠 上盘的加压来进行工作的。该设备的最大特点就是 设计了一个精密的气动控制系统 ，与电气控制系统 联合组成了一个压力 闭环控制。组成的整体方框 图 如图 2所示 。 数据输 圈 量 数字量 嘲 量 匦 仍 转 换 模 }舟 力 传 感 器 图 2 精密气动的闭环控制 2 ． 1 精密气动控制算法 在实现设定压力值的时候 ，正压是根据 比例 阀 自动调节的，所 以只要设定需要的压力 ，系统就会 根据公式 自动的计算 出正压所需要的压力。根据这 个返回值可以精密的控制气动 ， 实现气动闭环控制， 控制原理如图 3所示。 图3 上盘受力分析 计算用到的公式有 1 M P a 1 0 b a r 1 0 k g ／ c m N m x g 这样就可 以根据公式算 出向上反力， 公式如下 根据压力公式 P F 2 P 2 x 1 F 1 mg F 2 2 1 mg 3 许君 等Y T 2 M一 4 8 2 6双面研磨机气动控制系统的设计 根据公式可以得出 P 正 的调节值 。 P 1 4 上式中， 为正压； 为反压；F为设定压力；S 1 为 上受压面积； 为下受压面积；mg 为上盘 自重。 2 ． 2 气动控制系统的D ／ A 转换模块 在实现精密的气动控制的功能时，选用了一个 1 2位 4 ～2 0 mA 的 S MC电气 比例阀，增长的关系 为线性关系，检测范围在 0 ． 0 0 5 0 ． 5 MP a 。电气比 例 阀的工作原理通常是经过 电流的输入，通过挡板 和 阀门来控制气流大小的输入。当没有电流输入的 时候，挡板和阀门完全打开，比例阀内部的气压和 大气压连通 。 正压是根据比例阀 自动调节 的，所 以根据式 4 可 以得 出， 只需要设定工件所受的压力 ，系统就可以 自动 的计算出正压所需要的压力值。 根据图 4中的对应关系 ， 可以计算 出需要传给 D ／ A 转换模 块的数字量 ，再转换成 电流值输 出给 电气 比例 阀来精密地控制气压 的大小。 图4 比例阀模拟量与数字量的对应关系 2 ． 3 气动控制系统的A ／ D 转换模块 一 个精密的压力 闭环控制系统 ，不止有精密的 控制，还需要有反馈 ，这样就需要增加一个压力传 感器。在受压和受拉的情况下，反馈受到的压力是 否和设定 的压 力值相 同。压力传 感器 的工作原理 通常是将应变 片通过特 殊的粘 合剂 紧密的粘合在 产 生力 学 应 变 基 体 上 粘 合 在上 盘 和 上 气 缸 之 间 。当基体受力发生变化 时，电阻应变片也一起 产 生形变 ，使应变 片的阻值发生改变 ，从而使加 在 电阻上 的电压发生改变。通过后续 的仪表放大器 进行放大 ，再传输给处理电路 通常是 A ／ D 转换和 C P U 显示或执行机构 。 采用的是 1 2位 0 ～1 0 V 电压的压力传感器 ， 对 应的输出值是 O ～4 0 9 6 ，计算使用 0 ～4 0 0 0 。定制 的压 力传感器是 0 ～5 V 0 ～2 0 0 0 为受拉 的情 况 ，5 ～1 0 V 2 0 0 0 4 0 0 0 为受压 的情况。最大的 压力设定为 1 5 0 0 0 N，都是线性增长。在没有受拉 和受压 的情况下 ，输 出的电压为 0 ，值为 2 0 0 0 。在 实时监控压力的时候 ， 通过压力传感器 电压的输入， 通过图 5中的对应关系 ， 经过 A ／ D转换输 出数字值 给 P L C，判断是受拉还是受压，最后计算 出受到多 少压力后再进行对 比。 4 00 0_ 3 O 0O ／ ≯ I I I I I 2 5 5 7 5 1 0 ． 1 5 00 0． 1 0 0 0 0． 5 00 0 5 0 0 0 1 0 0 0 0 1 5 0 0 0 电压范围， 、 ， 压力范围 图5 压力传感器模拟量与数字量的对应关系 2 ． 4 精密气动的调试 首先，用一个称重仪器对上盘进行称重 。在拔 掉上盘所有气管 的情 况下 ，显 示的数值就是上盘 的质量 。把 这个数值输入 到上盘 重量 的输入框里 面 ，再看 一下压力传感器 的返回值 。在没有受力 的情况下， 需要把压力传感器调节到 2 0 0 0 ，当做是 一 个受拉和受压 的中心点。设定盘重为 3 0 0 k g ，上 盘承压面积 2 0 1 ． 9 6 c m ，下盘承压面积 1 8 8 ． 4 9 c m ， 反压 调 节 值 0 ． 3 MP a 需 要 在 没 有 正压 的情 况 下 ，设定 的反压值能使上盘上升 ，取料 ，设定的 所需压力为 1 0 0 0 N。根据公式P 1 F -F z - m g，可 1 以算出输出的正压 自动调节值是 0 ． 1 8 1 MP a ，而实 际显示值 为 0 ． 1 8 2 MP a ，相差 0 ． 0 0 1 MP a ，这是因 为气 管可能会有一点漏气 的现象和一些外界 的因 素。反压压力调节范围为 0 ． 0 0 5 0 ． 5 MP a ，压力重 复精度达到 0 ． 5 ％， 实现上研磨盘快速下降一慢降一精 确实现各段压气动控制 慢升 快升的工作循环 。 2 ． 5 气动控制的整体设计 压力控制采用压力传感器闭环控制，如图 6 所 示为气动控制系统图。机床在工作时，通过在人机 界面编辑好加工程序，再下载至 P L C，P L C就会按 当前 下载的程序运行 。可 以根据不 同的工件 ，编 辑不同的加 工程序和工艺参数，大大提高机床 的 3 3 精密制造与 自动化 2 0 1 4年第 3期 使用效率，同时也降低工人的工作强度。 图 6 气动控制系统图 为了实现快速下降一慢降一精确实现各段压气 动控制系统及工作原理压力控制一慢速上升一快速 上升的工作循环，根据所设计的气动控制系统 ，结 合电磁阀的应用。在一次研磨加工循环过程中，其 工作原理如下 1 在工件放入游星轮后 ，将 四位操作手柄置于 “ 快降” 位置，电磁阀 YV 7得 电，锁紧气缸活塞杆 退回。当电磁 阀Yv7得电延时 3 S 后，电磁阀 YV6 得 电， 气体经 电磁 阀 Y V6进入气缸上腔 ， 气缸前腔 气体经 电磁阀 YV6消声器排出。 2 当上研磨盘快速下降触及接近开关时，快降 停止此时请将四位操作手柄置于 “ 缓降”位置，上 盘开始缓慢下降。在 电磁阀 YV3 、YV 4 、Y Vl 得电 加压，气缸上腔通气在气压和 自重的作用下 ，上盘 将气缸下腔气体压缩 。当大于规定压力时从精密调 压阀溢 出，使得上盘可以缓慢下降。 3 系统 自动加压是通过电气比例阀来精确控制 的。在加压时，YV 4 、Y V3 、l 5 、YVl电磁 阀均得 电，空气通过精密调压再经过 YV3和 YV 4进入加 压气缸上腔 。装在活塞杆端的压力传感器检测当前 的承受压力反馈给 P L C， 通过 P L C来判断当前压力 是否在设定压力范围之 内，若不是再通过比例阀调 整气压。如此实时检测和调整压力实现工件压力的 精确 自动控制 。 4 当加工完成后需先缓升再快升。缓升将四位 3 4 操作手柄置于 “ 缓升”位置，电磁 阀 Y Vl 、Y V4 、 YV 2得电。当 YV2和 YV4得电后，气缸上腔空气 经阀 Y V2 、Y V4排出，此时下腔的气压克服盘的 自 重上盘开始缓慢上升。若不能 自动上升，应检查精 密调压阀的压力是否调节至 O ． 3 MP a 此 阀在机器 调试好后就不需再调整压力 。 5 快升将 四位操作手柄置于 “ 快升”位置。此 时电磁阀YV 5得电，空气经 W 5 进入气缸下腔，而 此时Y V6失电，上腔空气经 YV6 消声器排 出。当上 盘快升碰到上 限位开关时 Y V5失电，同时 Y V8得 电，自锁气缸伸出将上盘安全锁住。 6 外齿圈下降取料 ，整个研磨过程结束。 4 结语 YT 2 M一 4 8 2 6双面研磨机控制系统的特点如下 1 采用 P L C与触摸屏控制，使操作更加灵活 方便、简单、直观 。 2 使用压力传感器和 电气 比例 阀精密地监控 和控制气压 ，使其成为一个 闭环控制 ，实现 了研磨 压力的精确控制 。 3 使用了加压延时，多段设定压力， 使启动更 加平稳可靠 ，不易造成工件损伤。 目前，该设备 已成功应用在实际工作中，用户 反映很好，且运行正常、工作效率高、安全可靠 。 下转第 4 0页 精密制造与 自动化 2 0 1 4 年第 3 期 0 ． 0 8 7 3 ％，可以算出相对误差的平均值为 0 _ 3 l ％， 标准偏差小于 O ． 0 9 1 ／ l lT I 。也就是说系统在圆形零件 直径测量上准确度较高 ，受系统误差的影响比较 小，精确度在 0 ． 0 9 ra i n范围内。 表 1 圆形零件直径测量结果及数据分析 mm 公称值 所测圆直径值 直径平均值 绝对误差 相对误差 标准偏差 平均值的标准偏差 极限误差 测量序号 d d 一 △ o a 品 曲 1 3 0 ．0 5 5 6 0 ．0 4 3 6 0 ． 1 4 5 3 ％ 2 2 9 ． 9 41 7 0 ．0 7 0 3 0 ． 2 3 4 2 ％ 3 2 9 ．9 6 4l 一 0．0 4 7 9 O1 5 9 6 ％ 4 2 9 ． 8 8 7 0 0 ． 1 2 5 0 ． 4 1 6 5 ％ 5 2 9 ． 8 7 5 7 0 ． 1 3 6 3 0 ． 4 5 4 2 ％ 3 0 ．Ol 2 2 9 ． 9 5 4 2 0 ．08 9 0 0．0 2 81 0 0 8 44 6 3 0 ． 0 3 8 2 0 ．0 2 6 2 0 ． 0 8 7 3 ％ 7 2 9 ． 9 2 2 7 0 ．0 8 9 3 0 ． 2 9 7 6 ％ 8 2 9 ． 7 9 5 l 0 ．21 6 9 0 ． 7 2 2 7 ％ 9 2 9 ． 9 5 0 9 0 ．O 6l l 0 ． 2 0 3 6 ％ 1 0 3 O ． 1 1 0 9 0 ． 0 9 8 9 0 ． 3 2 9 5 ％ 6 结语 利用 C C D摄像机、P C I 视频卡和 P C机构建图 像尺寸测量系统 ，基于 V C6 ． 0集成开发环境，设计 测量界面和编写 图像处理算法程序 ，在系统标定的 基础上 ，对 圆零件进 行了直径的测量 ，精确度在 0 ． 0 9 ran 2 范围内。采用 图像尺寸测量技术可以极 大地提高圆零件尺寸测量 的精度和速度 ，最大程度 避免人为误差，保证产品质量 ，提高生产效率。图 像测量技 术具有实时在 线监测 的优 点，满足 非接 触无损 自动测量 的要求，使制造业 中圆零件 的加 工 、检测和控制融为一体成为可能。 参考文献 [ 1 ] 张馥生， 陈琦． 基于面阵 C C D图像检测的光电影像测 量系统[ J ] ． 光机电信息， 2 0 1 l ， 2 8 5 3 2 3 7 ． [ 2 ] 王建 民，浦昭邦 ，等． 二维图像测 量机 系统的研 究 l J ] ． 仪器仪表学报， 2 0 0 1 ， 2 6 2 7 2 7 3 ． [ 3 ] 张 红娜 ， 王祁． 图像测 量技术及其应用 [ J ] ． 电测与仪 密机械 表， 2 0 0 3 ， 4 0 4 5 1 1 9 - 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