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1 行業(yè)介紹

手機(jī)玻璃加工在手機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中一個(gè)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(jī)的用戶觸摸手感和感官畫(huà)面質(zhì)量，屬于產(chǎn)品的門面。市面上常見(jiàn)的2D、2.5D、3D等手機(jī)玻璃產(chǎn)品都使用拋光機(jī)來(lái)進(jìn)行拋光打磨，拋光過(guò)程對(duì)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(jìn)行拋光，才能保證產(chǎn)品的質(zhì)量和一致性，用機(jī)械手代替人工上下料可以保證到這一點(diǎn)。圖1為拋光機(jī)整體圖。

圖1 拋光機(jī)&機(jī)械手

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 方案背景

本文主要介紹拋光機(jī)的機(jī)械手部分，拋光機(jī)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(lái)實(shí)現(xiàn)，但是在生產(chǎn)過(guò)程中考慮到拋光機(jī)設(shè)備比較大，人工取放不方便，因此引入視覺(jué)機(jī)械手上下料。

視覺(jué)機(jī)械手機(jī)主要使用氣缸，皮帶，絲桿來(lái)完成機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制。由X,Y兩個(gè)伺服電機(jī)來(lái)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(jué)系統(tǒng)用來(lái)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(diǎn)使用永宏P(guān)LC能夠達(dá)到客戶的控制要求，松下A5系列伺服電機(jī)可以滿足客戶運(yùn)動(dòng)控制要求，HMI選用C3070SE觸摸屏。此設(shè)備的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手主要有廣數(shù)數(shù)控和安川6軸關(guān)節(jié)機(jī)器人系統(tǒng)。

2.2 客戶要求

客戶要求機(jī)械手的取料精度會(huì)在0.5mm左右。取料過(guò)程輕拿輕放不能手動(dòng)操作，自動(dòng)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(cuò)誤。

2.調(diào)機(jī)可實(shí)現(xiàn)各軸各位置定位，相互間保護(hù)。

3.需要與拋光機(jī)進(jìn)行聯(lián)合動(dòng)作。

4.需要有CCD校準(zhǔn)程序。

5.機(jī)械手在運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)拋光機(jī)需要抬起來(lái)?yè)Q向時(shí)要求機(jī)械手回到安全位置。

6.在機(jī)械取放玻璃的過(guò)程中要不能與料架和模具有擦碰。

7.MARK點(diǎn)位置要實(shí)時(shí)做清洗。

2.3 解決方案

該方案設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)；其中系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括硬件（產(chǎn)品）配置、機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣控制等三部分，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括流程控制、I/O配置和程序設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)、CCD系統(tǒng)以及外圍輸入輸出線路等組成。HMI選用C3070SE，自動(dòng)操作，參數(shù)設(shè)置等都可以在觸摸屏上完成。自動(dòng)插榫機(jī)實(shí)物效果如圖2。設(shè)計(jì)參數(shù)如表1。

表1 機(jī)械手參數(shù)                                                   圖2 機(jī)械手實(shí)物效果

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件配置

視覺(jué)機(jī)械手硬件由永宏主機(jī)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(jué)機(jī)械手系統(tǒng)硬件清單如表2。硬件配置圖如圖3。

表2 視覺(jué)機(jī)械手硬件明細(xì)表                                圖3 視覺(jué)機(jī)械手硬件配置圖

3.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)

3.2.1 整體機(jī)械結(jié)構(gòu)

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

圖4 視覺(jué)機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)圖

3.2.2旋轉(zhuǎn)軸機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖5 視覺(jué)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

圖5為旋轉(zhuǎn)軸機(jī)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(jī)組成。

3.2.3拍照結(jié)構(gòu)

圖6為機(jī)械手拍照機(jī)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(jué)機(jī)械手硬件由永宏主機(jī)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(jué)機(jī)械手電路原理圖

圖8 電氣柜控制圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 工藝流程

視覺(jué)機(jī)械手主要包括有以下幾個(gè)工藝流程（圖9）：

圖9 視覺(jué)機(jī)械手工藝流程圖

1.放原料：工人將手機(jī)玻璃整齊放入入料倉(cāng)里面。

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

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

4.加工：玻璃放完以后，拋光機(jī)旋轉(zhuǎn)到拋光面開(kāi)始拋光加工工作。

5.下料拍照：拋光機(jī)加工完成以后，拋光機(jī)旋轉(zhuǎn)到取料面，相機(jī)到4個(gè)磨盤(pán)位置拍照，記錄玻璃位置和角度。

6.下料：機(jī)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(cāng)。

4.2 控制流程

視覺(jué)機(jī)械手工作主要分為上料拍照，上料動(dòng)作，下料拍照，下料動(dòng)作等幾主體動(dòng)作，詳細(xì)動(dòng)作流程如圖10。

圖10 視覺(jué)機(jī)械手控制流程圖

4.3 IO配置

根據(jù)全自動(dòng)插榫機(jī)工藝流程和控制流程要求，進(jìn)行了永宏P(guān)LC程序I/O點(diǎn)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(jì)思路

PLC程序設(shè)計(jì)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(dòng)作，下料拍照，下料動(dòng)作。輔助程序包括初始化程序、回原程序、自動(dòng)程序、手動(dòng)程序、功能選擇程序、報(bào)警信息程序。PLC程序設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖11。

圖11 PLC程序設(shè)計(jì)架構(gòu)圖

4.5 PLC編程技術(shù)要點(diǎn)，難點(diǎn)以及功能指令應(yīng)用

4.5.1PLC編程技術(shù)要點(diǎn)

此設(shè)備數(shù)據(jù)交互會(huì)比較多，所以在編寫(xiě)程序前先要規(guī)劃好各個(gè)數(shù)據(jù)的程序索引指針。以及每個(gè)會(huì)用到的步進(jìn)線圈，緩存器，計(jì)時(shí)器等數(shù)據(jù)范圍。方便程序編寫(xiě)和后續(xù)的動(dòng)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(gè)工位的S步進(jìn)線圈，緩存器，計(jì)時(shí)器等隔開(kāi)合適的范圍。不同功能的程序隔開(kāi)，調(diào)試起來(lái)會(huì)非常方便。

4.5.2PLC編程技術(shù)難點(diǎn)&指令說(shuō)明

根據(jù)視覺(jué)機(jī)械手的工藝要求,會(huì)有如下幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn)需要注意:

1.與相機(jī)通訊：

自動(dòng)視覺(jué)檢測(cè)設(shè)備直接使用PC端作為操作界面。通過(guò)永宏協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行通訊，直接使用47號(hào)命令碼進(jìn)行多個(gè)緩存器寫(xiě)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(diǎn)位置確定：

CCD系統(tǒng)需要通過(guò)兩個(gè)MARK點(diǎn)配合比對(duì)產(chǎn)品CAD圖模型來(lái)確定產(chǎn)品的位置和角度。工作時(shí)機(jī)械手先找到每個(gè)工位的第一基準(zhǔn)點(diǎn)位置拍照，然后通訊給出第二基準(zhǔn)點(diǎn)的位置到PLC。

3.放料補(bǔ)償值計(jì)算：

手機(jī)玻璃容易被旋轉(zhuǎn)磨具的邊框劃傷。所以在放料到中心點(diǎn)時(shí)玻璃需要離旋轉(zhuǎn)基準(zhǔn)邊一個(gè)固定寬度D1(長(zhǎng)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(jì)算出每次的X放料坐標(biāo)補(bǔ)償值為D1=sinA+cosA，D2=sinAcosA。

4.拍照數(shù)據(jù)處理和調(diào)用：

因?yàn)橥ㄓ崝?shù)據(jù)量大，在傳輸有效數(shù)據(jù)同時(shí)用一個(gè)標(biāo)志位來(lái)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(lái)，等到全部拍照完成以后，使用指針調(diào)用出來(lái)進(jìn)行機(jī)械手上下料信號(hào)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(jì)

4.6.1觸摸屏程序設(shè)計(jì)思路

客戶要求自動(dòng)插榫機(jī)通過(guò)觸摸屏能進(jìn)行如下操作：

1.進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控

2.手動(dòng)調(diào)試

3.參數(shù)設(shè)定報(bào)警監(jiān)控

4.輸入輸出監(jiān)控等操作

根據(jù)客戶對(duì)觸摸屏控制的要求客主要設(shè)定有如下畫(huà)面：

1.自動(dòng)監(jiān)控畫(huà)面

2.手動(dòng)操作界面

3.參數(shù)設(shè)置界面

4.I/O監(jiān)控界面

5.報(bào)警窗口界面

4.6.2自動(dòng)監(jiān)控畫(huà)面（圖14）

圖14 自動(dòng)監(jiān)控畫(huà)面

視覺(jué)機(jī)械手自動(dòng)監(jiān)控畫(huà)面，根據(jù)客戶要求自動(dòng)監(jiān)控畫(huà)面上有啟動(dòng)開(kāi)關(guān)復(fù)位開(kāi)關(guān)，以及模擬運(yùn)行開(kāi)關(guān)等內(nèi)容。

4.6.3手動(dòng)操作畫(huà)面

根據(jù)客戶要求，手動(dòng)界面操作界面如圖15所示。

圖15 手動(dòng)操作畫(huà)面

4.6.4參數(shù)設(shè)置畫(huà)面（圖16）

圖16 參數(shù)設(shè)置畫(huà)面

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

4.6.5I/O監(jiān)控畫(huà)面（圖17）

圖17 部分I/O監(jiān)控畫(huà)面

I/O監(jiān)控畫(huà)面用來(lái)顯示PLC輸入輸出口是否對(duì)應(yīng)有信號(hào)。

5 結(jié)論

圖18 設(shè)備運(yùn)行效果圖

1.該項(xiàng)目跟視覺(jué)系統(tǒng)要進(jìn)行高度配合，PLC需要給定CCD系統(tǒng)像拍照信號(hào)，校準(zhǔn)信號(hào)，第二MARK點(diǎn)修正采集信號(hào)等。CCD需要反饋到PLC,每個(gè)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(jī)械坐標(biāo)保持一致性，對(duì)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(lái)進(jìn)行計(jì)算才能找準(zhǔn)對(duì)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。