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1 行業(yè)介紹

手機玻璃加工在手機生產(chǎn)過程中一個重要環(huán)節(jié)。玻璃的光滑度平整度硬度等直接影響觸屏手機的用戶觸摸手感和感官畫面質(zhì)量，屬于產(chǎn)品的門面。市面上常見的2D、2.5D、3D等手機玻璃產(chǎn)品都使用拋光機來進行拋光打磨，拋光過程對精度要求比較高，玻璃一定要準(zhǔn)確放入磨具內(nèi)固定位置進行拋光，才能保證產(chǎn)品的質(zhì)量和一致性，用機械手代替人工上下料可以保證到這一點。圖1為拋光機整體圖。

圖1 拋光機&機械手

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 方案背景

本文主要介紹拋光機的機械手部分，拋光機部分是客戶自己做的方案本文不多做介紹。傳統(tǒng)的上下料使用人工來實現(xiàn)，但是在生產(chǎn)過程中考慮到拋光機設(shè)備比較大，人工取放不方便，因此引入視覺機械手上下料。

視覺機械手機主要使用氣缸，皮帶，絲桿來完成機械運動控制。由X,Y兩個伺服電機來控制玻璃位置,Z軸伺服控制玻璃的高度，R軸伺服控制玻璃的角度。視覺系統(tǒng)用來采集玻璃的坐標(biāo)以及角度等信息。

本方案根據(jù)客戶的結(jié)構(gòu)特點使用永宏P(guān)LC能夠達到客戶的控制要求，松下A5系列伺服電機可以滿足客戶運動控制要求，HMI選用C3070SE觸摸屏。此設(shè)備的競爭對手主要有廣數(shù)數(shù)控和安川6軸關(guān)節(jié)機器人系統(tǒng)。

2.2 客戶要求

客戶要求機械手的取料精度會在0.5mm左右。取料過程輕拿輕放不能手動操作，自動操作和參數(shù)設(shè)置等都可以在觸摸屏上完成。

客戶要求：

1.與CCD通訊要準(zhǔn)確，不能有數(shù)據(jù)的缺失和錯誤。

2.調(diào)機可實現(xiàn)各軸各位置定位，相互間保護。

3.需要與拋光機進行聯(lián)合動作。

4.需要有CCD校準(zhǔn)程序。

5.機械手在運行過程中，當(dāng)拋光機需要抬起來換向時要求機械手回到安全位置。

6.在機械取放玻璃的過程中要不能與料架和模具有擦碰。

7.MARK點位置要實時做清洗。

2.3 解決方案

該方案設(shè)計主要包括系統(tǒng)硬件設(shè)計和系統(tǒng)軟件設(shè)計；其中系統(tǒng)硬件設(shè)計包括硬件（產(chǎn)品）配置、機械結(jié)構(gòu)和電氣控制等三部分，系統(tǒng)軟件設(shè)計包括流程控制、I/O配置和程序設(shè)計等三部分。

綜合上述方案背景和客戶要求，結(jié)合設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)，根據(jù)客戶的要求，硬件由永宏FBs-60MCT2控制器、永宏通訊模塊FBS-CM55E、松下伺服電機、CCD系統(tǒng)以及外圍輸入輸出線路等組成。HMI選用C3070SE，自動操作，參數(shù)設(shè)置等都可以在觸摸屏上完成。自動插榫機實物效果如圖2。設(shè)計參數(shù)如表1。

表1 機械手參數(shù)                                                   圖2 機械手實物效果

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 硬件配置

視覺機械手硬件由永宏主機FBs-60MCT2*1，模塊FBS-CM55E、作為CPU控制中心，觸摸屏C3070SE、松下A5400伺服*4，CCD系統(tǒng)*1以及外圍輸入輸出線路等組成。視覺機械手系統(tǒng)硬件清單如表2。硬件配置圖如圖3。

表2 視覺機械手硬件明細表                                圖3 視覺機械手硬件配置圖

3.2 機械結(jié)構(gòu)

3.2.1 整體機械結(jié)構(gòu)

視覺機械手主要包括X軸，Y軸，Z軸，和R軸四個定位機構(gòu)，以及CCD拍照機構(gòu)和取料爪機構(gòu)等。設(shè)備主體圖如圖4。

圖4 視覺機械手總體結(jié)構(gòu)圖

3.2.2旋轉(zhuǎn)軸機械結(jié)構(gòu)

圖5 視覺機械手旋轉(zhuǎn)機構(gòu)

圖5為旋轉(zhuǎn)軸機械結(jié)構(gòu)圖。主要結(jié)構(gòu)由夾料氣缸和旋轉(zhuǎn)伺服電機組成。

3.2.3拍照結(jié)構(gòu)

圖6為機械手拍照機構(gòu)，主要由Z軸伺服滑塊組，CCD系統(tǒng)，清洗氣缸，吸料真空氣缸，取料旋轉(zhuǎn)氣缸等組成。

圖6 拍照系統(tǒng)圖

3.3 電氣控制

視覺機械手硬件由永宏主機FBs-60MCT2*1，模塊FBS-CM55E、作為CPU控制中心，觸摸屏C3070SE、松下A5400伺服*4，CCD系統(tǒng)*1以及外圍輸入輸出線路等組成。電路原理圖和電控柜圖如圖7、圖8所示。

圖7 視覺機械手電路原理圖

圖8 電氣柜控制圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 工藝流程

視覺機械手主要包括有以下幾個工藝流程（圖9）：

圖9 視覺機械手工藝流程圖

1.放原料：工人將手機玻璃整齊放入入料倉里面。

2.上料拍照：CCD系統(tǒng)依次走到拋光機的4個磨盤圓心和基準(zhǔn)位置拍照。記錄夾具的位置和角度。

3.上料：機械手根據(jù)視覺系統(tǒng)給的位置和角度，將入料艙內(nèi)的玻璃抓到對應(yīng)的夾具位置。

4.加工：玻璃放完以后，拋光機旋轉(zhuǎn)到拋光面開始拋光加工工作。

5.下料拍照：拋光機加工完成以后，拋光機旋轉(zhuǎn)到取料面，相機到4個磨盤位置拍照，記錄玻璃位置和角度。

6.下料：機械手根據(jù)CCD給的玻璃位置和角度將加工完成的玻璃取回到成品倉。

4.2 控制流程

視覺機械手工作主要分為上料拍照，上料動作，下料拍照，下料動作等幾主體動作，詳細動作流程如圖10。

圖10 視覺機械手控制流程圖

4.3 IO配置

根據(jù)全自動插榫機工藝流程和控制流程要求，進行了永宏P(guān)LC程序I/O點配置；永宏P(guān)LC輸入輸出配置如表3所示。

表3 IO配置表（部分）

4.4 PLC程序設(shè)計思路

PLC程序設(shè)計架構(gòu)包括主體控制程序和輔助程序。主體控制程序包括：上料拍照，上料動作，下料拍照，下料動作。輔助程序包括初始化程序、回原程序、自動程序、手動程序、功能選擇程序、報警信息程序。PLC程序設(shè)計架構(gòu)如圖11。

圖11 PLC程序設(shè)計架構(gòu)圖

4.5 PLC編程技術(shù)要點，難點以及功能指令應(yīng)用

4.5.1PLC編程技術(shù)要點

此設(shè)備數(shù)據(jù)交互會比較多，所以在編寫程序前先要規(guī)劃好各個數(shù)據(jù)的程序索引指針。以及每個會用到的步進線圈，緩存器，計時器等數(shù)據(jù)范圍。方便程序編寫和后續(xù)的動作增加或者減少以及順序調(diào)整等。程序設(shè)置分塊索引，每個工位的S步進線圈，緩存器，計時器等隔開合適的范圍。不同功能的程序隔開，調(diào)試起來會非常方便。

4.5.2PLC編程技術(shù)難點&指令說明

根據(jù)視覺機械手的工藝要求,會有如下幾個技術(shù)難點需要注意:

1.與相機通訊：

自動視覺檢測設(shè)備直接使用PC端作為操作界面。通過永宏協(xié)議與上位機進行通訊，直接使用47號命令碼進行多個緩存器寫入。PLC通訊協(xié)議如圖12所示。

圖12 PLC通訊協(xié)議圖

2.第二拍照點位置確定：

CCD系統(tǒng)需要通過兩個MARK點配合比對產(chǎn)品CAD圖模型來確定產(chǎn)品的位置和角度。工作時機械手先找到每個工位的第一基準(zhǔn)點位置拍照，然后通訊給出第二基準(zhǔn)點的位置到PLC。

3.放料補償值計算：

手機玻璃容易被旋轉(zhuǎn)磨具的邊框劃傷。所以在放料到中心點時玻璃需要離旋轉(zhuǎn)基準(zhǔn)邊一個固定寬度D1(長邊)，D2（寬邊）。根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度，使用三角函數(shù)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型計算出每次的X放料坐標(biāo)補償值為D1=sinA+cosA，D2=sinAcosA。

4.拍照數(shù)據(jù)處理和調(diào)用：

因為通訊數(shù)據(jù)量大，在傳輸有效數(shù)據(jù)同時用一個標(biāo)志位來判斷數(shù)據(jù)是否有更新。PLC接收完數(shù)據(jù)以后先保存起來，等到全部拍照完成以后，使用指針調(diào)用出來進行機械手上下料信號位置控制，如圖13所示。

圖13 拍照數(shù)據(jù)處理和調(diào)用

4.6 觸摸屏程序設(shè)計

4.6.1觸摸屏程序設(shè)計思路

客戶要求自動插榫機通過觸摸屏能進行如下操作：

1.進行自動監(jiān)控

2.手動調(diào)試

3.參數(shù)設(shè)定報警監(jiān)控

4.輸入輸出監(jiān)控等操作

根據(jù)客戶對觸摸屏控制的要求客主要設(shè)定有如下畫面：

1.自動監(jiān)控畫面

2.手動操作界面

3.參數(shù)設(shè)置界面

4.I/O監(jiān)控界面

5.報警窗口界面

4.6.2自動監(jiān)控畫面（圖14）

圖14 自動監(jiān)控畫面

視覺機械手自動監(jiān)控畫面，根據(jù)客戶要求自動監(jiān)控畫面上有啟動開關(guān)復(fù)位開關(guān)，以及模擬運行開關(guān)等內(nèi)容。

4.6.3手動操作畫面

根據(jù)客戶要求，手動界面操作界面如圖15所示。

圖15 手動操作畫面

4.6.4參數(shù)設(shè)置畫面（圖16）

圖16 參數(shù)設(shè)置畫面

參數(shù)設(shè)置包括時間速度等參數(shù)以及相關(guān)的功能選擇開關(guān)。

4.6.5I/O監(jiān)控畫面（圖17）

圖17 部分I/O監(jiān)控畫面

I/O監(jiān)控畫面用來顯示PLC輸入輸出口是否對應(yīng)有信號。

5 結(jié)論

圖18 設(shè)備運行效果圖

1.該項目跟視覺系統(tǒng)要進行高度配合，PLC需要給定CCD系統(tǒng)像拍照信號，校準(zhǔn)信號，第二MARK點修正采集信號等。CCD需要反饋到PLC,每個產(chǎn)品的X坐標(biāo)，Y坐標(biāo)，偏移角度等位置信息給到PLC，而且要跟機械坐標(biāo)保持一致性，對數(shù)據(jù)交互速度和準(zhǔn)確性要求高。

2.像中心取放料位置，需要搭建數(shù)學(xué)模型來進行計算才能找準(zhǔn)對應(yīng)的準(zhǔn)確位置。

3.設(shè)備調(diào)試完全滿足客戶工藝要求。