旋转式中空玻璃抹胶机系统设计*

陈德立，史添添※，陈振宇

（1.辽宁理工学院智能工程学院，辽宁 锦州 121013；2.比亚迪汽车工业有限公司汽车工程研究院，广东 深圳 518118）

0 引言

中空玻璃是由双层或多层的普通玻璃组合而成，之间使用高气密度性且高强度粘合剂与金属框架组装而成[1]。从结构的角度看，中空玻璃是一种性能优秀且应用广泛的玻璃材料制品[2]，有些国家已经实现生产线的全自动化，如德国的LENHARDT[3], 奥地利的LISEC[4]。我国近些年来中空玻璃的需求量在逐年上升，但中空玻璃的应用率仍然较低，这样就会导致能源和资源的浪费[5]。在国内的中空玻璃生产线研究中，部分设备已经实现半自动化或自动化，如济南德佳玻璃机械、北京韩江玻璃机械都开发出了中空玻璃生产线上的大部分的设备，但都没有开发出与其相配套的性能稳定安全可靠全自动的中空玻璃抹胶机系统。而在一些中小型企业的抹胶环节由工人用手持胶枪进行涂抹，这不仅效率低、成本高、浪费大，还很难达到密封抹胶所要求的效果[6]。比如常见的卧式抹胶系统中有抹胶台和导向支撑部件，抹胶过程是通过人工控制抹胶机沿着同一方向前进与后退对单边抹胶，完成同一块玻璃四条边抹胶工作，需要对玻璃翻转3 次。这种抹胶方式中出胶的控制和断胶的控制不够准确，出胶过早和断胶过晚造成密封胶的浪费和抹胶质量差；同时需要根据不同的玻璃形状而单独设计，增加了投入的成本。为此设计出旋转式抹胶机，通过PLC 控制电机带动工作台，对玻璃工件连续抹胶，同时能够根据玻璃制品形状不同调整喷枪的移动方式进行抹胶，减少工装的开发，同时配备胶枪与工件距离检测装置，做到恒距抹胶。

1 抹胶机机械结构

自动抹胶控制系统主要由控制系统、旋转装置、抹胶装置、抓取装置、压紧装置、传感器及编码器等部分组成，其机械结构布局如图1 所示。其控制难点在于实时根据当前放置玻璃的形状、电机的速度等因素来控制喷枪出胶速度和调整喷枪的位置以实现抹胶系统的协同工作。

图1 抹胶机机械结构

1.1 机械结构

旋转装置是由步进电机2 控制工作台面上的玻璃工件1、2 动作，使其逆时针转动，当自动抹胶系统工作后，为实现不间断抹胶做准备。抹胶装置中喷枪上装有恒温控制的热熔丝连续给喷枪进行加热，防止送入其中的密封胶受到温度的影响产生品质的下降，电机3、4分别控制纵向和横向移动，使得电机3和电机4协同控制抹胶喷枪的位置，使喷枪嘴部始终与玻璃工件之间距离保持在设定值。

抓取装置由抓取部位采用气动控制气流负压吸盘式机械手承担工作，比较容易抓取玻璃工件，提高抓取玻璃的可靠度以及减少工件破损率，能够很好地满足不同类型的玻璃工件加工的柔性生产。系统运行后，电机1控制传动轴带动机械手到物料处吸取玻璃工件，然后转动到工作台上方，气缸2 动作释放玻璃工件，使玻璃工件平稳安放到工装处；然后电机转动，带动机械手旋转到物料处继续抓取工件。当一个抹胶工序完成后由压紧装置负责对玻璃工件进行压紧。

1.2 检测反馈装置

光电距离传感器用来检测喷枪与玻璃工件之间的距离，在系统上电初始化时，喷枪移动到距离玻璃工件规定的距离范围内[7]。用以检测玻璃工件在旋转过程中前一检测点到下一检测点位移的变化，通过其位移的变化调整喷枪与玻璃工件的距离。14 位RS485 输出的GES 单圈绝对值编码器配合步进电机4 来保证喷枪与玻璃工件间距离始终在给定的距离范围内，编码器检测到步进电机运行到需要到达的位置的时候会反馈信号给PLC，据设定脉冲数与实际脉冲数相比较，这样PLC 可以输出与控制要求相对应的脉冲，来克服步进电机开环的弊端，又能改善控制工况和提高系统的协同性[8-9]。

2 喷枪与出胶速度控制

2.1 喷枪移动控制

喷枪与玻璃之间的距离是否恒定对玻璃工件密封的质量有很大的影响，因而确定喷枪在x轴方向上移动方式尤为重要。而系统中选用的电机是步进电机，其具有恒定的步距角，步距角是1.8°，并取周期为500 μs，频率为2 kHz，细分倍数设定为8。

电机3 控制y轴方向的丝杆运动方式由玻璃1、2 之间的间隙来确定，设其间隙为默认ε，根据中空玻璃对其间隙的要求不同，间隙变化了Δε，电机3 控制喷枪在y轴的相对零点基础上上升或下降Δε/2，确保喷枪嘴部始终与两块玻璃之间中线对齐。

图2所示为抹胶机工作台坐标系，对x轴上的喷枪移动方式进行分析，xoz平面坐标系中Mn和Mn+1是待抹胶玻璃上任意的相邻两点，这两点到中心点的距离分别是rn和rn+1。系统上电运转，首先将玻璃工件放置到位及压紧装置就绪，步进电机3和4协调工作使喷枪到达工作位置；然后步进电机2 开始匀速旋转带动工作台上的玻璃工件旋转，同时步进电机4 带动喷枪工作，通过玻璃工件旋转产生的相对半径的变化关系以及步进电机正转和反转来进行控制。步进电机带动玻璃工件运动时相邻测量点移动的距离采用光栅尺位移传感器进行测量。使步进电机2、4间的相互协同工作，实现喷枪与玻璃之间保持距离恒定的目的[10]。

图2 抹胶机工作台坐标系

在博图软件中对于电机配置轴的常规和驱动器，对于限位采取下到位，触发停止，上到位，触发停止。轴驱动器配置如图3所示。

图3 轴驱动器配置

对于电机的控制程序中，首先确保MC_Power 指令一直调用，然后根据运行速度要求控制电机，当电机运行到位信号检测到，自动停止，图4 所示为电机运行程序中主要指令。

图4 MC_Move_velocity电机运行程序

2.2 出胶速度控制

为了使中空玻璃的抹胶均匀，避免产生抹胶波浪、断胶等质量问题[11]。喷枪出胶速度的快慢也是影响中空玻璃抹胶质量的重要影响因素，因而出胶速度的控制也至关重要，要控制喷枪的出胶速度，首先就要了解出胶速度的快慢与什么影响因素有关。

出胶量的计算公式：

式中：v为出胶的速度，mm3/min；t为出胶时间，min。

同时出胶量的计算公式也可以表示为：

式中：V为出胶的体积，即出胶量，mm3；h为抹胶的深度，mm；W为抹胶的宽度，mm；L为抹胶的长度，mm。

又可知抹胶速度与抹胶长度的关系为：

式中：ω为玻璃旋转的角速度，rad/min；t为抹胶时间即出胶时间，min；r为玻璃的相对半径长度，mm；n为步进电机的转速，r/min。

将式（2）～（3）代入式（1）可以得到出胶的速度计算公式：

式（4）即为出胶速度与抹胶深度、抹胶宽度以及玻璃旋转的速度的对应关系。

玻璃旋转的速度ω是与步进电机的旋转速度有关，而步进电机的旋转速度可以由系统进行控制，转速n与脉冲的关系可以根据系统需要进行计算出，从而能够得出旋转的玻璃工件的角速度，抹胶所需宽度W在同一块玻璃中其数值也是确定值。所以，在自动抹胶机中对玻璃实际的抹胶深度h的控制在一定值之内，就能很好地控制玻璃工件抹胶的成色与品质。

3 自动抹胶机控制系统设计

3.1 硬件电路设计

图5 所示为抹胶机的系统控制电气图。采用西门子S7-1200 PLC 作为系统处理器，以及配备RS485和RS232通信模块[12]，根据抹胶控制系统的要求，系统的数字量输入点有13 个，输出点有8 个，选用的西门子S7-1200 PLC 完全符合要求。同时抹胶机的控制还可由PC 机或HMI 触摸屏监控运行，这样使得控制效果更加明了与清晰。其中SB0与SB1分别是手动启动和停止按钮，SB2是手自动切换开关，可以实现对机器的手自动控制的切换，SB3 和SB4 分别是机器的运行的启动和停止按钮，SB5～SB11是对步进电机的正反转的控制按钮，可以实现对步进电机的控制；SX 是光电距离传感器信号输入点，检测喷枪到玻璃工件之间的距离，来确保系统上电初始化的时候喷枪和玻璃工件的距离为规定值，为光栅尺位移传感器的初始零位做准备；PLC 的信号模块RS232 和RS485 分别与光栅尺位移传感器和编码器相连接，以达到系统就实现自动生产。

图5 系统控制电气图

3.2 软件设计

自动抹胶控制系统的工作流程如图6 所示。系统有两种工作状态，即手动状态与自动状态。手动状态是主要用于系统调试；自动状态是检测各个工作机构的状态没有异常情况之后，系统按照设定数据对应的程序进行自动运行。首先完成对工件的夹装（玻璃位置的对正、压紧、转台转动等），然后根据PLC 中的程序进行抹胶，喷枪进行来回移动，并按照一定要求的抹胶深度和抹胶规格进行出胶速度的运算达到合适的出胶速度，使得整个系统协同运行，转台旋转一周完成玻璃的抹胶。

图6 系统工作流程

在机器运转之前操作人员可以根据需要来选择手动或自动，并且手动运行与自动运行相互锁，确保抹胶系统的安全运行。当系统遇故障脱机停止工作，需要进行检查和清除故障后再行恢复运行。

当为手动运行时，操作人员可以对设备各功能部件进行单独调试。包括机械手机构中的抽真空负压和气缸往复运动；喷枪上的热熔丝操作人员能够根据送人喷枪的密封胶的不同，而设定其对应的合适温度等。

4 运行效果分析

该抹胶设备在试验阶段取得了良好的运行效果，解决了中空玻璃生产加工效率低的问题，抹胶效果良好，胶条成型后无波浪、无断胶，操作方便安全，符合中空玻璃加工设计要求。抹胶速度可根据步进电机的转速进行调整，可达到12～36 m/min 的速度范围；抹胶宽度在6～24 mm 之间，抹胶深度在2～15 mm 之间，胶头的可调范围是6～20 mm。抹胶机具有很好的通用性，可以对不同形状的玻璃进行生产加工，系统控制能够实现参数一键推送。抹胶机能进行高速扫描，很好地解决了抹胶速度快、又要涂的好的问题，产品的破损率在实验生产中很低，预计在大规模实际生产中破损率能够低于1%。

5 结束语

针对中空玻璃抹胶连续性和通用性问题，提出了在PLC 的控制下步进电机如何工作和协调各个功能部件运转，并在系统结构上装设光电传感器进行位置检测；编码器配合步进电机使用有效地改善步进电机开环的弊端，使系统更具有可控性及运行的稳定性。实现对工件自动抹胶，改变了传统中空玻璃抹胶的研究与设计方法，完成了抹胶机的机械设计，为全面自动化生产、提高产品质量提供了支持。该控制系统通用性较强，可以对不同类型的玻璃工件进行加工，系统设计趋于合理与完善。