陶瓷砖（石材）数控智能磨边倒角机系统的研究

詹新平

摘 要：本文通过深入分析控制对象的特性，借助于数控技术、定位技术、伺服电机和传感器，发挥控制器快速运算速度和高速采集信号的能力，运用控制器的编程语言写入具有自主知识产权的控制算法，实现对复杂控制对象高精智能的控制。本系统由位于办公室的上位机及位于车间的磨边倒角主机组成。

关健词：智能；数控；高精度；集自动化；能效管理

1 引言

自陶瓷深加工机械在上世纪80年代末90年代初出现以来，意大利等凭借在基础材料、设计方法、控制技术等方面的优势，多年来一直在设计制造方面处于领先水平，特别是在高档机型方面占有优勢。以BMR、ANCORA、BRETON为代表的国际陶瓷深加工机械制造商领先技术的潮流，能实现数控精准自动化调节。

上世纪80年代末90年代初，由科达洁能研发出国产第一台陶瓷磨边倒角机，形成国产陶瓷深加工机械，一直处在稳步发展阶段，经过多年发展，国内机型种类齐全，技术水平可以满足多数应用场合，陶瓷深加工机械产量居世界第一。但受各种因素影响，陶瓷深加工机械装备的数控智能化应用方面发展比较慢。在公司的支持下，笔者所在的团队从2015年就开始了数控智能磨边倒角机的研究与开发，2016年6月第1台数控智能磨边倒角机交付给客户并获得好评，同年年底实现了批量订单。

2 系统的设计及控制原理

数控智能磨边倒角机包括机械部分、电控部分和管理软件部分。相关的机械部分的设计及其工作原理本文只简述，本文主要叙述相关数控智能磨边倒角机的电控部分和管理软件部分。

2.1设计思路

现有普通磨边倒角机存在以下几个缺点。（1）磨边头进给采用手动调节进给。缺点：进给不方便，进给量无法保证，磨边轮的消耗无法显示需要不断打开水罩检查，操作人员劳动强大。（2）磨边机的推砖装置中推砖爪采用手动调节。缺点：调节不方便及运行调节时存在很大安全事故；对控制瓷砖（石材）产品对角线误差需返复多次调节才能完成，操作人员劳动强大。（3）磨边机的主传动装置采用单异步电机变频器驱动，4条输送同步带采用机械轴同步。缺点：机械轴容易出现磨损传动键，造成加工的产品出现对角线超差；更换4条输同步带非常不方便耗时长，操作人员劳动强大。（4）磨边机的横梁调节采用手动调节或电动调节。缺点：手动调节需要操作人员返复用尺测量检测；电动调节不能自动按设定值调节横梁；精度控制不准确。（5）例如普通磨边倒角机加工600 mm × 600 mm陶瓷砖对角线误差只能控制在0.5 mm以上、宽度尺寸只能控制在0.2 mm以上。

针对上述缺点，本团队研发了全新的数控智能磨边倒角机，600 mm × 600 mm陶瓷砖对角线误差能控制在0.3 mm以下、宽度尺寸控制在0.1 mm以下，优等率99%。

（1）数控智能磨边倒角机的机械部分主要由以下几个部件组成：1）双压带输送皮带采用2台伺服电机驱动，负责陶瓷砖的输送的部件；2）数字进给磨边磨头，配有位置检测传感器和进给驱动电机，安装磨具对被加工件周边进行磨削的部件；3）数控推砖爪装置，配有伺服电机的推砖爪，通过数控的方法校正被加工件位置的部件；4）数字调宽装置，配有工作宽度计量传感器，数字调节工作宽度的部件等。如图2。

（2）数控智能磨边倒角机的电控部分采用高性能PLC对上述图2数字控制的4个机械部件进行集成控制实现数控和自动化控制，而上位机中磨边倒角机的管理软件对产量、能耗、磨具消耗、维修保养进行统计并生成各种报表。

2.2系统的具体设计

2.2.1数控智能磨边倒角机开发的控制系统结构图

设计先进的智能数字控制策略，以高速的数据采样、处理和输出周期，使磨边倒角机主传动、横梁调节、推砖动作、磨边头进给速度快、精度高、动作更进一步柔和的目标。

2.2.2详细的技术路线

（1）双伺服驱动磨边倒角机的双输送带电控系统的软硬件设计。

传统的陶瓷磨边倒角机的双输送带控制，采用机械轴联接2条输送带的传动部件从而同步运行；易出现机械轴生锈无法调节，长期使用机械轴的平键或花键磨损从而2条输送带无法同步运行。

新控制系统在分析目前陶瓷磨边倒角机输送带运动控制系统的动静态特性，采用两侧伺服电机独立驱动同步控制，取消联接机械轴有效避免传动轴及空心轴键槽磨损所带来的同步误差、皮带更换方便省时；双侧伺服同步系统，同步精度可达0.1 mm，从而减少陶瓷砖对角线误差。

（2）伺服驱动磨边倒角机的横梁运动电控系统的软硬件设计。

传统的陶瓷磨边倒角机横梁控制，采用普通PLC高数计数编码器输入检测横梁位移，交流变频器+交流异步电机驱动普通丝杆，由于普通丝杆间隙、异步电机转差及交流变频器响应速度等影响，所以其控制精度和稳定性不能得到保证。

新控制系统在分析目前陶瓷磨边倒角机横梁运动控制系统的动静态特性，针对伺服驱动器+伺服电机驱动滚珠丝杆，以及高速定位模块等，构成的横梁调节的电控系统硬件部分，设计先进的智能控制策略。

（3）伺服驱动磨边倒角机的推砖机构运动电控系统的软硬件设计。

传统的陶瓷磨边倒角机推砖控制，采用普通PLC高数计数编码器输入检测推砖位移，交流变频器+交流异步电机驱动推砖机构由于异步电机转差及交流变频器响应速度等影响，所以其控制精度和稳定性不能得到保证。

新控制系统针对伺服驱动器+伺服电机驱动推砖机构，以及高速定位模块等，构成推砖机构的电控系统硬件部分，设计先进的智能控制策略。

（4）磨边倒角机的磨边头进给电控系统的软硬件设计。

传统的陶瓷磨边倒角机的磨边头进给，采用人功手动轮调节进给，所以其控制精度和稳定性不能得到保证。

新控制系统在分析磨边倒角机磨边头结构后，针对电机驱动+位置检测传感器控制磨边头进给，通过电流检测每一对磨边头的电流负荷，以及高速定位模块等可达每一对磨边头同步进给及进给量的负荷相同，设计先进的智能控制策略，以高速的数据采样、处理和输出周期，使磨边头进给量相等、精度高、负载相等的目标。

（5）数字存储、记录参数，智能存储所有运行参数。

传统的磨边倒角机参数采用人工记录和保存。新控制系统可随时记录、存储比较好的磨边机参数，按照所生产产品的不同，存储大量不同的加工配方，随时调出使用。另外，可智能存储所有加工参数及运行状态数据，方便在新产品试机或需要时，提供直接调用历史运行的所有参数，使得磨边机加工可以立即恢复历史良好状态，而不必重复调试。

2.3系统网络设计

网络拓扑图如图4。

（1）办公室上位机安装有智能磨边机信息管理软件；

（2）车间由两台或多台数控磨边主机组成，通过局域工业以太网（Modbus TCP/IP协议）把1条或多条磨边线连接到上位机局域网络中；

（3）上位机与车间主机通过交换机、网线连接。

2.4软件设计及关键技术实现

2.4.1高性能PLC控制软件设计

（1）设计2轴同步控制算法，实现两侧伺服电机传动同步运行；

（2）通过陶瓷砖尺寸检测仪传送到PLC的陶瓷砖对角线误差数据，设计推砖爪自动补偿算法，实现陶瓷砖对角线误差值自动调节；

（3）通过每个磨边头位置传感器、磨边头负载电流检测传送到PLC的值，设计磨边头自动进给、磨轮消耗自动补偿算法，实现磨边倒角机的磨边头进给量自动调节；

（4）磨边倒角机的保养软件设计，在人机界面（HMI）设计有磨边倒角机各部件润滑周期设定、润滑时间倒计时功能，润滑周期到时自动弹出提示及报警；

（5）通过智能电能表测量整机负载电流值、用电量传送到PLC，结合产量计算出单位平方米用电量。见图5。

2.4.2智能化软件设计

上位机软件主要研发方向能效管理、设备保养到期提示、自动生成生产报表。

（1）上位机软件详细技术特点：

1）开发平台：基于SOA架构，微软 Dot Net 框架；

2）开发语言：Visual Studio、C#以及Visual C++；

3）架構：B/S 与 C/S 相结合；

4）采用的数据库：SQL Server 2008；

5）软件运行平台：客户端Windows XP/Win7， 服务器2003Server / 2008R2；

6）采用的技术：组件技术、数据仓库、API技术、Web Service技术等；

7）数据挖掘技术： OLAP（联机分析处理） 、多维度分析，数据透视、数据分析；

8）展示形式：曲线图、棒图、堆积趋势图、报表等。

（2）能效管理方法主要三方面，如下图6。

注：能耗降低主要通过两方面：

1）通过自动化实现的主动能效管理；

2）告知生产管理人员、生产工如何提升生产管理效率。

2.4.3系统关键技术实现

（1）2条输送带伺服同步控制技术；

（2）磨边头磨轮自动进给数字控制技术；

（3）陶瓷砖（石材）产品的对角线误差值自动调节技术；

（4）磨边头磨轮磨损自动补偿控制技术；

（5）能效评估，帮助实现并评估能效测量；

（6）能源产量展示，报表、web发布、移动端的APP。

3 系统实现及使用效果

3.1经济、社会、环境效益

陶瓷磨边倒角机是陶瓷深加工机械装备中的重要设备，数控智能控制系统成功应用于陶瓷深加工机械装备中，为陶瓷深加工提高生产效益、降低劳动强度以及改善产业工人的工作环境，提供了陶瓷机械的“智能制造”解决方案。增加陶瓷深加工机械装备性能和附加值，2016年销售10条以上数控陶瓷抛光线为公司创造600万元销值。

3.2数控智能磨边使用效果

（1）减少操作人员数量，降低操作人员劳动强度；

（2）降低操作人员劳动技能要求，无经验人员经培训3小时即可操作；

（3）提高产品质量，砖坯大小头可控制在0.1 mm以内，对角线可控制在0.3 mm以内（600 mm × 600 mm）。磨边优等品率可达99.0%以上；

（4）磨边轮进给及推砖爪调整精确至0.01 mm；

（5）多点触控触摸屏操作，屏幕自带配件维修手册及维修保养记录；

（6）一二级保养及润滑到期提示；

（7）强大的报表输出功能，可自动采集产量、质量、能耗、磨具消耗、配件消耗、维修保养记录、设备利用率，并自动上传至上位机，简化工厂生产管理及统计工作；

（8） 开放的标准接口，可输出数据至工厂的ERP管理系统；

（9）远程监控及操作屏幕同步功能，无需下车间，生产状况了如指掌。

4 结论与展望

让陶瓷企业使用的不再是一台简易的磨边倒角机，而是一台高精度的数控磨边倒角机及一套先进制造企业的管理模式。我们所输出的不再单纯是设备，还包括我们多年的管理经验和思维模式。希望本文能够为陶瓷业智能制造提供参考。

参考文献

[1] 顾轩， 何问慎， 陆倩映，等. 陶瓷砖平整度检测系统的研究[J]. 佛山陶瓷， 2016， 26（5）：42-45.

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[5] 郭其一， 黄世泽， 薛吉，等. 现场总线与工业以太网应用[M]. 科学出版社， 2016.

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