張彭朋，周 敏

(武漢科技大學(xué) 機械自動化學(xué)院，武漢 430081)

0 引言

液晶基板是液晶面板的重要組成部分，隨著液晶基板尺寸不斷增大，液晶制造行業(yè)也對搬運設(shè)備提出了更高的要求，以提高生產(chǎn)設(shè)備的利用率和生產(chǎn)效率。液晶基板尺寸巨大導(dǎo)致搬運任務(wù)龐大，傳統(tǒng)的人工或半自動的搬運方式已難以滿足當前液晶基板生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍。在現(xiàn)階段，通過控制液晶搬運機器人以實現(xiàn)整個控制系統(tǒng)的研究尚處于空白階段。因此，實現(xiàn)液晶基板生產(chǎn)線的全自動化對整個液晶行業(yè)具有重要意義。

針對以上情況，為實現(xiàn)工廠的全自動化生產(chǎn)，本文在展開對液晶基板自動生產(chǎn)線應(yīng)用型研究工作的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一條以三菱PLC為主控制器，工業(yè)機器人與觸摸屏為輔的全自動生產(chǎn)線。主要對控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)進行了詳細設(shè)計與選型，以及完成了生產(chǎn)線的軟件設(shè)計與界面設(shè)計?，F(xiàn)場實踐表明,該系統(tǒng)有效提高了液晶基板生產(chǎn)線搬運系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計及工作流程

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

控制系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖1所示。系統(tǒng)使用PLC作為主控制器，通過計算機將編寫好的程序?qū)隤LC中。PLC接收到各傳感器的輸入信號與觸摸屏的參數(shù)設(shè)置后，通過電磁閥控制氣缸的運動實現(xiàn)物料的固定；通過機器人控制器控制機器人的運動并實現(xiàn)物料的吸取與釋放。在整個系統(tǒng)運行過程中，將當前控制系統(tǒng)的實時信息顯示到觸摸屏上，便于操作人進行監(jiān)視。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計圖

1.2 系統(tǒng)工作流程

該系統(tǒng)為液晶基板生產(chǎn)的第一道搬運線，主要由工作臺與機器人兩部分組成，車間結(jié)構(gòu)布局如圖2所示。其工作原理為：工作臺上裝有壓力檢測傳感器，當壓力檢測傳感器檢測到工作臺無搬運箱后，向自動導(dǎo)引運輸車(AGV)發(fā)送搬運箱搬入請求信號，AGV接收到信號后，通過走箱線將裝有液晶基板的玻璃搬運箱搬送至工作臺；當工作臺上的壓力檢測傳感器檢測到搬運箱后，工作臺自動進行固定并檢測搬運箱內(nèi)玻璃層數(shù)，然后將固定信號與層數(shù)信息傳給PLC；PLC通過CC-Link總線把信號傳給機器人控制器，機器人收到信號后開始執(zhí)行液晶基板搬運任務(wù)；機器人到達預(yù)定位置，手臂伸出并上行吸附玻璃，然后回收手臂，到達投入口，手臂伸出并下行釋放玻璃，最后回收手臂。若玻璃傳輸運行無故障，則搬運機器人完成一次搬送，繼續(xù)等待PLC信號與搬運信號進行下一次取放動作，直到完成搬運任務(wù)。

圖2 車間結(jié)構(gòu)布局圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

搬運生產(chǎn)線的硬件部分主要由PLC、工業(yè)機器人、傳感器、電磁閥、觸摸屏以及急停開關(guān)等組成。

根據(jù)設(shè)計需求以及經(jīng)濟性考慮，系統(tǒng)的主控制器選用三菱公司生產(chǎn)的Q系列Q13UDV型號PLC，該型號PLC具有64DI/32DO與2個AD通道，具有可接受模擬信號，存儲能力較強等特點。PLC與觸摸屏通過以太網(wǎng)連接，配備了QJ71GP型號的以太網(wǎng)模塊彌補以太網(wǎng)口不足的缺點。信號交互采用了QJ61BT1N型號的CC-Link模塊并設(shè)置了18個設(shè)備站與16個保留站，在滿足系統(tǒng)I/O點需求的同時也為后續(xù)程序與設(shè)備的擴展預(yù)留了足夠的I/O點。選用兩個QE81WH智能模塊監(jiān)視機器人的電流與電壓?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計使用普洛菲斯GP4000觸摸屏，具有性能穩(wěn)定，能在極端惡劣環(huán)境下工作等特點。

控制系統(tǒng)采用PLC作為主控制器，通過以太網(wǎng)模塊與觸摸屏進行通訊，通過CC-Link模塊與機器人控制器，工作臺電磁閥與傳感器，以及自動導(dǎo)引運輸車進行通訊?？刂葡到y(tǒng)的硬件接線如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括PLC軟件設(shè)計，機器人程序設(shè)計以及觸摸屏界面設(shè)計。PLC程序主導(dǎo)整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)流程，實現(xiàn)傳感器的信號接收，電磁閥的驅(qū)動以及機器人之間的信息交換。機器人程序生成搬運軌跡與搬運動作，完成液晶基板的搬運任務(wù)。觸摸屏程序?qū)崿F(xiàn)與PLC的人機交互功能，完成各種生產(chǎn)線的參數(shù)設(shè)定，并設(shè)計有緊急停止，故障顯示報警等安全裝置，使整條生產(chǎn)線操作簡單，運行安全。

3.1 PLC軟件設(shè)計

在編寫PLC程序之前，首先根據(jù)系統(tǒng)的控制功能要求進行流程圖設(shè)計，系統(tǒng)總體工作流程如圖4所示。PLC程序主要由玻璃搬運箱搬運程序，手動運行程序，自動運行程序，監(jiān)視程序4個程序組成。

圖4 系統(tǒng)工作流程

玻璃搬運箱搬運程序：工作臺上的壓力傳感器檢測到無搬運箱，發(fā)送搬運箱搬入請求信號；工作臺上的壓力傳感器檢測到搬運箱后，PLC通過CC-Link總線向電磁閥發(fā)送信號，驅(qū)動氣缸并固定搬運箱，玻璃檢測光線傳感器對射光線，檢測搬運箱內(nèi)的玻璃層數(shù)，最后將固定信息與層數(shù)信息通過總線反饋給PLC。

手動運行程序：手動運行模式下，操作者可以重新固定或松開工作臺并重新檢測搬運箱內(nèi)玻璃層數(shù)，手動操作機器人從玻璃搬運箱或投入口中取放玻璃，點動操作機器人完成機器人的檢修與測試。

自動運行程序：自動運行模式下，控制系統(tǒng)循環(huán)執(zhí)行搬運任務(wù)，工作臺檢測到有玻璃搬運箱后，機器人不斷從玻璃搬運箱中取玻璃并放入投入口；玻璃搬運箱中無玻璃后自動松開搬運箱并向AGV發(fā)送搬出請求，搬出搬運箱后自動發(fā)送搬入搬運箱請求。不斷循環(huán)工作，保證生產(chǎn)自動化。

監(jiān)視程序：實時監(jiān)控機器人在運行過程中的作業(yè)狀態(tài)，并對控制系統(tǒng)的各個傳感器進行監(jiān)視。當機器人在作業(yè)過程中出現(xiàn)運行故障后，立刻在人機界面上顯示錯誤信息并進行報警。

3.2 工業(yè)機器人程序設(shè)計

羅普伺達機器人機身選用碳素纖維鋼材料制造，具有較高的機械性能和較強的抗震動能力，動作高速，運行穩(wěn)定，軌跡重復(fù)定位精度小于0.20mm等優(yōu)點。故本系統(tǒng)選用羅普伺達機器人作為搬運機器人。

由于液晶基板的尺寸不同，機器人需要根據(jù)玻璃尺寸調(diào)整手臂的伸縮量。機器人手臂上一共有4根叉子，其中中間兩根叉子位置固定，外側(cè)兩個叉子可橫向伸縮實現(xiàn)X方向上的伸縮，調(diào)整兩根手臂連接軸可實現(xiàn)Y方向上的伸縮。由于不同投入口的定位方式不同，同種液晶基板尺寸，機器人手臂伸縮量也不同。根據(jù)車間的實際生產(chǎn)情況，設(shè)計機器人搬運的投入口定位類型如圖5所示。

圖5 投入口定位類型

根據(jù)圖5所示的投入口定位類型建立的二維模型，定義玻璃包各變量，長為chang，寬為kuan，機器人X方向的移動量為xp,Y方向的移動量為yp。以投入口的左下角為原點基準，依次建立各手臂伸縮量。

投入口1采用頂端定位：xp=(chang-1136)/2,yp=(kuan-956)/2。

投入口2采用中心定位：xp=(chang-1136)/2,yp=kuan-956。

投入口3采用后端定位：xp=(chang-1136)/2,yp=956-kuan。

寫好機器人的算法以后，使用羅普伺達的仿真編程軟件OrangEdit進行編程并進行仿真運行，查看算法的可行型以及軌跡的合理性。確認仿真運行無誤后，將機器人程序?qū)胫翙C器人運動控制卡中，通過機器人示教器在設(shè)計完成后的搬運系統(tǒng)進行關(guān)鍵位置點的示教及調(diào)整，實現(xiàn)機器人在玻璃搬運箱與投入口進行搬運動作，最后與PLC進行聯(lián)動調(diào)試與信號交換，進而完善機器人程序。

3.3 人機界面設(shè)計

觸摸屏采用普洛菲斯的GP-Pro編程軟件，該軟件具有監(jiān)視與記錄并組態(tài)的功能。人機界面包括模式選擇，手動畫面，監(jiān)控畫面，參數(shù)設(shè)置，報警顯示五個功能模塊組成，如圖6所示。

模式選擇包括選擇自動模式與手動模式。

手動畫面包括工作臺的重新固定或松開搬運箱并重新檢測層數(shù)與機器人的手動取料，手動畫面便于設(shè)備的維修與測試。

監(jiān)控畫面是觸摸屏的重要功能之一，該界面監(jiān)視系統(tǒng)的傳感器狀態(tài)，記錄機器人的作業(yè)動作。

參數(shù)設(shè)置是管理員權(quán)限。根據(jù)車間的實際情況，操作者可以對工作臺的相關(guān)參數(shù)與機器人的伸縮量進行設(shè)置，滿足企業(yè)的要求。

報警顯示能夠記錄機器人在作業(yè)過程中的錯誤信息并顯示在觸摸屏中。

圖6 人機界面主界面

4 設(shè)備運行

在液晶面板行業(yè)，節(jié)拍時間的定義為一片液晶基板從搬運箱內(nèi)取出后，放入投入口并重新回到搬運箱取片所花費的時間。圖7為機器人節(jié)拍時間記錄界面。

圖7 機器人節(jié)拍時間記錄界面

由于機器人采用雙手臂搬運，因此一次搬運時間同時搬運兩片液晶基板，記錄時間為兩倍節(jié)拍時間?，F(xiàn)場測試過程中，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試以及簡化PLC與機器人控制器的信號交互時間，車間實際節(jié)拍時間為9.7s，小于標準節(jié)拍時間(15s)，完全能夠滿足下游設(shè)備的生產(chǎn)節(jié)拍，從而提高了整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。

通過設(shè)備的長時間運行，液晶基板自動生產(chǎn)搬運控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，觸摸屏人機交互簡單。當設(shè)備發(fā)生故障時，系統(tǒng)自動識別故障類型并做出報警顯示。因此，該系統(tǒng)在保證設(shè)備安全運行的同時，也大大提高了連續(xù)生產(chǎn)效率，縮短了生產(chǎn)周期。

5 結(jié)論

本文基于液晶基板生產(chǎn)線工作原理，對PLC與工業(yè)機器人進行了應(yīng)用型研究，并應(yīng)用三菱PLC技術(shù)進行了系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計，完成了液晶基板自動生產(chǎn)搬運控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)與其他搬運系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)勢：通過PLC與觸摸屏的聯(lián)合使用，簡化了現(xiàn)場的操作難度，提高了自動化水平；具有良好的擴展性，通過預(yù)存的站設(shè)置，為后續(xù)功能的擴展提供了基礎(chǔ)；通過縮短信號交互時間與PLC的程序運行速率，現(xiàn)場節(jié)拍時間達到了10s提高了液晶生產(chǎn)線的效率。研究結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)能夠提高液晶行業(yè)生產(chǎn)效率，具有巨大的市場前景。