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(cè)基本上處于手工或半手工狀態(tài)，耗費(fèi)較大的人力資源，效率低下，而且產(chǎn)品質(zhì)量不一，很難保證產(chǎn)品質(zhì)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(kāi)發(fā)專用機(jī)電一體化加工設(shè)備------玻璃鉆飾自動(dòng)磨鉆機(jī)，目前該設(shè)備已投入試生產(chǎn)運(yùn)行，本人獨(dú)自擔(dān)當(dāng)了整套設(shè)備的電控系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)任務(wù)，該設(shè)備的自動(dòng)化程度較高，邏輯控制比較復(fù)雜，設(shè)備的控制核心由三菱FX2N系列PLC和擴(kuò)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(guò)程和應(yīng)用體會(huì)。 二 磨鉆機(jī)用途 本磨鉆機(jī)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(gè)，分別為臺(tái)面一個(gè)，冠面8個(gè)，亭面8個(gè)，如下圖所示： 三 磨鉆機(jī)組成 為了減小設(shè)備體積，節(jié)約設(shè)備制造成本，提高生產(chǎn)效率，整臺(tái)磨鉆機(jī)設(shè)備設(shè)計(jì)成雙邊進(jìn)料交叉加工形式，所以，整套設(shè)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(gè)）、上料機(jī)構(gòu)（2個(gè)）、下料裝置（2個(gè)）、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（2個(gè)）、磨拋機(jī)構(gòu)（2個(gè)）、導(dǎo)軌齒條及支架等。 整個(gè)設(shè)備長(zhǎng)約8米，寬約2米，高度約為2米。外型見(jiàn)所附設(shè)備照片。 四 磨鉆機(jī)傳動(dòng) 磨鉆機(jī)夾具在水平方向的移動(dòng)定位要求較準(zhǔn)確，故采用導(dǎo)軌導(dǎo)向，齒輪齒條傳動(dòng)，步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)方式，磨頭、拋頭以及磨拋轉(zhuǎn)換采用普通三相異步交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，上料機(jī)構(gòu)、夾具垂直方向運(yùn)動(dòng)、磨拋換面等均采用氣缸氣動(dòng)傳動(dòng)。 五 磨鉆機(jī)加工工藝 磨鉆機(jī)加工工藝過(guò)程比較簡(jiǎn)單，設(shè)備單邊加工工藝過(guò)程如下：粘沙——上料——燒結(jié)——磨切——拋光——（換面——磨切——拋光，共八個(gè)循環(huán)）——下料。 六 磨鉆機(jī)機(jī)械運(yùn)動(dòng)過(guò)程 按每個(gè)位置加工功能分，磨鉆機(jī)有四個(gè)加工工位，分別是：粘沙位、上料（下料）燒結(jié)位、轉(zhuǎn)接位、磨拋位。由于兩邊的加工過(guò)程一樣，所以以一邊為例說(shuō)明其機(jī)械運(yùn)動(dòng)過(guò)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(yīng)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(jī)構(gòu)稱為冠面磨拋機(jī)構(gòu)，加工亭面的磨拋機(jī)構(gòu)稱為亭面磨拋機(jī)構(gòu)。具體機(jī)械運(yùn)動(dòng)過(guò)程如下：（參看《磨鉆機(jī)總圖》） 自動(dòng)開(kāi)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(dòng)下同時(shí)向下粘沙——粘沙完成后兩夾具向上——冠面夾具在步進(jìn)馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下向前移動(dòng)到上料位（而亭面夾具則在另一步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下向前移動(dòng)到轉(zhuǎn)接位，并在翻轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)下做180°的翻轉(zhuǎn)，做好轉(zhuǎn)接準(zhǔn)備）——上料機(jī)構(gòu)在氣缸驅(qū)動(dòng)下向上上料——上料完畢，上料機(jī)構(gòu)向下，同時(shí)冠面夾具在步進(jìn)馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下移動(dòng)到磨拋位（冠面夾具開(kāi)始作周期性往復(fù)慢行，直到拋光加工結(jié)束為止）——冠面夾具在氣缸的驅(qū)動(dòng)下向下磨臺(tái)面——加工完臺(tái)面，冠面夾具垂直向上，同時(shí)撤消冠面夾具定位，——冠面換向氣缸1動(dòng)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(dòng)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(gè)冠面磨完）——然后，冠面夾具向上，磨拋機(jī)構(gòu)在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下做工180°的旋轉(zhuǎn)，準(zhǔn)備進(jìn)行拋光，（拋光接著從最后一個(gè)被磨冠面即第八冠面開(kāi)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(shí)撤消冠面換向氣缸8——冠面換向氣缸7動(dòng)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(dòng)作定位——冠面夾具向下拋臺(tái)面——拋光完臺(tái)面，冠面夾具向上（磨拋機(jī)構(gòu)準(zhǔn)備180°轉(zhuǎn)換）——冠面夾具停止往復(fù)慢行，然后找基準(zhǔn)——冠面夾具在步進(jìn)馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下向后移動(dòng)到轉(zhuǎn)接位——亭面夾具向上轉(zhuǎn)接玻璃球——點(diǎn)火燒結(jié)——亭面夾具向下——亭面夾具作180°翻轉(zhuǎn)——轉(zhuǎn)接完成，（冠面夾具則在步進(jìn)馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下向后移動(dòng)到粘沙位，開(kāi)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(kāi)始周期性往復(fù)慢行，直到亭面磨拋加工完成為止）——亭面換面氣缸1動(dòng)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(dòng)作——亭面夾具向下——磨第二亭面（如此這樣，直到把第八個(gè)亭面磨完）——亭面夾具向上（亭面磨拋機(jī)構(gòu)180°轉(zhuǎn)換，準(zhǔn)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(kāi)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(gè)亭面即第一亭面拋光完成）——亭面夾具停止往復(fù)慢行，找基準(zhǔn)——亭面夾具向上（亭面磨拋機(jī)構(gòu)準(zhǔn)備180°轉(zhuǎn)換）——亭面夾具定位——亭面夾具在步進(jìn)馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下向后移動(dòng)到下料位點(diǎn)火——下料——亭面夾具向后移動(dòng)到粘沙位粘沙——（亭面夾具下一周期循環(huán)開(kāi)始） 至此，一個(gè)玻璃飾品的加工已完成。 七 磨鉆機(jī)控制方式 設(shè)備控制有手動(dòng)、自動(dòng)、停止三種方式，在自動(dòng)方式下又分為全自動(dòng)和單步自動(dòng)兩種，停止也分為自然停止和緊急停止兩種，下面加以詳細(xì)解釋： · 手動(dòng) 手動(dòng)方式的設(shè)立主要是方便于設(shè)備調(diào)試、維護(hù)，在手動(dòng)方式下， 可任意起停各相對(duì)獨(dú)立的每一可動(dòng)部件，如每一氣缸運(yùn)動(dòng)、馬達(dá)的起停等。 · 自動(dòng) 自動(dòng)分為全自動(dòng)和單步自動(dòng)。 全自動(dòng)是指設(shè)備兩邊自動(dòng)同時(shí)上料交叉加工，完成一周期加工后，自動(dòng)再上料加工，直到接收到停止或故障命令為止。 單步自動(dòng)是指設(shè)備一邊進(jìn)行全自動(dòng)上料加工，另一邊可不進(jìn)行加工。 · 停止 由于設(shè)備自動(dòng)工作后，一直處于不斷自動(dòng)上料加工狀態(tài)，所以，設(shè)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(shè)備并不馬上停止，而是進(jìn)行完當(dāng)前一周期的加工并返回到原位后停止下來(lái)。 緊急停止是指為發(fā)生意外或故障時(shí)設(shè)立的停止方式，按下緊急按鈕時(shí)，機(jī)器馬上中止當(dāng)前的工作。 八 控制關(guān)鍵 · 冠面夾具和亭面夾具水平移動(dòng)定位準(zhǔn)確要求為10絲（道），除了步進(jìn)電機(jī)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(shí)，是由升降氣缸帶動(dòng)粘桿向下緊壓在高速旋轉(zhuǎn)的磨、拋平臺(tái)上完成的，其磨切尺寸和拋光精度（包括臺(tái)面磨切拋光）均由三個(gè)臺(tái)階式的氣動(dòng)限位塊進(jìn)行調(diào)節(jié)，氣動(dòng)限位塊由兩限位氣缸驅(qū)動(dòng)，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(shí)現(xiàn)三臺(tái)階定位驅(qū)動(dòng)，這樣自動(dòng)配合磨切和拋光時(shí)的不同尺寸。 · 冠面夾具和亭面夾具的找原位和找基準(zhǔn)是否準(zhǔn)確會(huì)影響到其水平方向的定位精度。 · 邏輯關(guān)系、整機(jī)動(dòng)作配合相當(dāng)復(fù)雜，程序量較大（目前實(shí)際程序長(zhǎng)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(jià)比等多方面因素來(lái)綜合確認(rèn)。下面就單片機(jī)控制、工控機(jī)（IPC）控制、PLC控制等簡(jiǎn)單比較說(shuō)明。 說(shuō)明：基本控制約I/O=128/75，此外，還有四臺(tái)步進(jìn)馬達(dá)控制。 1 單片機(jī)控制 · 可靠性低 單片機(jī)本來(lái)抗干擾能力較低，從現(xiàn)在所要求的I/O總數(shù)來(lái)看，不 論是MCS51系列還是MCS96系列單片機(jī)，都必須進(jìn)行大規(guī)模的擴(kuò)展，這樣系統(tǒng)電路更加復(fù)雜，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的可靠性。 · 開(kāi)發(fā)成本高 單片機(jī)的售價(jià)并不貴，以目前市場(chǎng)價(jià)，較有名氣的ATMEL也不 過(guò)十幾元錢一片而已，但簡(jiǎn)單從這表面上看這個(gè)問(wèn)題是不妥的，以本人幾年來(lái)單片機(jī)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)可知，要購(gòu)入單片機(jī)開(kāi)發(fā)裝置（如仿真器、燒錄器、電源）和還要開(kāi)模制版等，這都是一筆不小的費(fèi)用。加上開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)所投入的人力物力，其價(jià)錢已遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過(guò)應(yīng)用PLC開(kāi)發(fā)的費(fèi)用。 另外由于設(shè)備是專用特殊設(shè)備，其控制系統(tǒng)專用性較強(qiáng)，通用性較差，為其投入過(guò)多的開(kāi)發(fā)費(fèi)用不值得。 · 開(kāi)發(fā)周期更長(zhǎng) 單片機(jī)的開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)，從電路設(shè)計(jì)、開(kāi)模制版、編程、仿真、調(diào) 試等經(jīng)歷非常長(zhǎng)的周期，工程師往往要花大部分的時(shí)間在硬件設(shè)計(jì)和編程調(diào)試處理上，對(duì)最為重要的工藝過(guò)程往往沒(méi)有更多的時(shí)間考慮。 · 不便于修改和維護(hù) 利用單片機(jī)開(kāi)發(fā)的設(shè)備往往是專用的特殊設(shè)備，在市場(chǎng)上往往不能 找到可替代的備件，所以不便于維護(hù)，這是用戶最不愿看到的。 基于以上（不限于）的原因，本人認(rèn)為此方案不適用 2 工控機(jī)（IPC）控制 無(wú)疑，從可靠性來(lái)說(shuō)，IPC要比單片機(jī)要好得多，但其價(jià)格昂貴， 不計(jì)其整機(jī)價(jià)格，單就要滿足I/O點(diǎn)數(shù)據(jù)的板卡量（32通道，約10塊）費(fèi)用就不少，其價(jià)格要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于采用PLC控制的價(jià)格。 更為重要的是工控機(jī)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(shuō)，如果設(shè)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(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用軟件（包括界面）都要重新設(shè)計(jì)（或開(kāi)發(fā)），這對(duì)太多數(shù)用戶來(lái)說(shuō)是不能接受的。 所以，本人認(rèn)為此方案也不適用。 3 PLC控制 · 可靠性 自第一臺(tái)PLC誕生就是應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制，不可否認(rèn)，PLC的 可靠性得到了工控業(yè)界的認(rèn)可。據(jù)最近行業(yè)統(tǒng)計(jì)顯示，目前采用PLC控制的設(shè)備份額達(dá)90％。 · 成本低 就此設(shè)備的控制來(lái)說(shuō)，采用PLC來(lái)進(jìn)行的設(shè)備開(kāi)發(fā)和控制費(fèi)用 都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于采用單片機(jī)或IPC的費(fèi)用，其系統(tǒng)可大可小，小的幾點(diǎn)，大的數(shù)千點(diǎn)，甚至上萬(wàn)點(diǎn)，很好解決工業(yè)控制問(wèn)題，適用于很多場(chǎng)合。 · 開(kāi)發(fā)周期短 采用PLC進(jìn)行設(shè)備控制，工程師無(wú)須花太多的精力在硬件的處理上，采用積木式結(jié)構(gòu)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(shè)備的快速開(kāi)發(fā)，程序的編輯、修改和調(diào)試也都可隨時(shí)進(jìn)行，縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間。 · 性能加強(qiáng) 隨著微電子控制技術(shù)的發(fā)展，PLC的