基于同步跟随技术的全自动玻璃加工单元控制系统开发

张顺林 王平江1， 陈志锋 柯榕彬

（1、华中科技大学机械科学与工程学院，湖北 武汉 430074 2、泉州华中科技大学智能制造研究院，福建 泉州 362000）

我国2018 年在长三角地区建立国内最大5G 外场技术试验网，2019 年率先开始商用，2020 年成为国内首批商用地区之一。国家发改委此前批准了中国联通在北京、天津、青岛、贵阳等12 个城市试点建设5G 网络，多个手机品牌也推出了5G 手机。

在5G 手机中玻璃既是功能材料，也是装饰材料，从前盖板、触摸屏、显示器到后盖板，玻璃均是合适的材料。以后盖为例，金属材料对5G 高频天线有明显的吸收，5G 手机的后盖不能采用金属材料，而玻璃对电磁信号可顺利传输，因此玻璃是5G 手机后盖较理想的材料[1]，如图1。

图1 玻璃机双工位加工示意图

我国以5G 手机为典型代表的3C 电子产业巨大，近年来，视频、移动和无线等新技术以及通讯、电脑与消费电子融合的发展趋势，促使包括智能手机、平板电脑等在内的新产品不断涌现，3C 电子产业新兴领域快速成长，整体产业始终保持活跃，销售额连年保持两位数的持续高速增长。这一趋势引发了3C电子产品产业对3C 数控机床需求爆发式增长，整个行业处在快速扩张阶段[2]。

在3C 产品配件加工领域，数控机床的普及程度已经非常高，而且数控机床的数量也较多，但数控机床的上下料工作大部分仍然是由人工来完成，该环节导致出现大量的用工；只有部分企业采用工业机器人进行上下料，通过一台机器人、料仓储运单元、导轨移动单元或AGV 与若干台数控机床组合成自动化生产线[3-4]，但该方案投资成本相对较大，且整线换款调试较为复杂。

本文针对3C 产品玻璃结构件全自动加工需求，通过对通道并行控制技术和通道间协同控制技术的研究，解决系统集成关键技术难点，开发通用的系统集成功能模块，实现数控NC 加工单元（玻璃机）与自动上下料单元的控制系统集成，提高玻璃加工效率。

1 全自动玻璃加工单元加工工艺

全自动玻璃加工单元主要包括玻璃NC 加工单元和自动上下料单元。其中玻璃NC 加工单元主要完成玻璃板的铣边、开孔、铣曲面等工序，典型的玻璃NC 加工单元为龙门式结构，有X、Y、Z 三个运动轴，其中X 轴为加工主轴头沿龙门横梁的水平方向运动轴，Y 轴为机床工作台前后方向的运动轴，Z 轴为加工主轴头竖直上下方向的运动轴。

自动上下料单元主要完成玻璃毛坯板的上料、加工后玻璃板的下料并装入专用料架，典型的上下料机构采用桁架机械手，有X1、X2、Y1、Z1 四个运动轴，其中X1、X2 轴为水平方向运动的主臂和副臂，与玻璃机X 轴方向平行，Y1 轴为桁架机械手前后方向运动轴，与玻璃机Y 轴方向平行，Z1 轴为桁架机械手竖直上下方向的运动轴，全自动玻璃加工单元结构示意图如图2 所示。

为尽量缩减因上下料工序导致的玻璃机停机等待时间，玻璃机工作台上安装两套玻璃板装夹夹具，作为两个工位，如图3所示，两个工位轮流作为加工工位和备料工位，实现不停机连续加工，提高机床稼动率，提升生产效率。

在连续加工过程中，工作台停顿（加工玻璃板短边时工作台停止）的时间非常短，机械手无法在工作台静止时间内完成玻璃板的上、下料，如图4 所示，因此上下料机械手的一个伺服轴（Y1 轴）要与工作台运动轴（Y 轴）保持同步，实现上下料机械手吸盘与玻璃机工作台的相对静止，在玻璃机加工过程中完成对备料工位的上、下料动作流程。

图4 典型玻璃板加工轨迹示意图

2 全自动玻璃加工单元关键技术

基于通道并行控制的技术方案，一个通道作为玻璃NC 加工单元控制系统，另一个通道作为上下料机械手单元控制系统，全自动玻璃加工单元集成控制系统配置如图5 所示。

图5 全自动玻璃加工单元集成控制系统配置

为实现在玻璃NC 加工单元不停机的状态下，完成备料工位的上、下料动作，关键点在于上下料机械手单元的一个轴要实现与玻璃NC 加工单元一个轴的同步，实现上下料机械手吸盘与玻璃机工作台的相对静止，完成上、下料动作流程。本文结合通道间同步技术和数控系统运动叠加模块的开发，提出了一种“先同步、再跟随”的双轴同步跟随控制方案。

华中8 型数控系统提供的二次开发平台，其中1msinterface接口函数功能：以逻辑轴轴指令增量作为对象，通过axse.c 文件在1ms 时间内把插补器中1ms 周期内所有已配置的逻辑轴的指令增量，采用轴号增加的方式，依次调用1msinterface 接口，将系统中已配置的逻辑轴的增量传递给1msinterface 接口，用户即可根据使用的实际情形，记录或者修改该逻辑轴所对应的指令增量。该接口函数调用状态机图如图6 所示，该功能的开启可通过M代码实现。

图6 1msinterface 接口函数调用状态机图

本方案中，以玻璃NC 加工单元的Y 轴为主动轴，以上下料机械手单元的Y1 轴为从动轴，通过1msinterface 接口函数，实时查询主动轴当前插补周期指令增量，并将其叠加到从动轴当前插补周期指令增量中，从而实现主、从动轴的同步，然后通过比较开启同步功能第1 个插补周期时刻主、从动轴的实际位置，确定从动轴的跟随位移，实现从动轴对主动轴的跟随，该同步跟随功能模块控制流程如图7 所示。

图7 双轴自动同步跟随功能模块控制流程

3 控制系统实现与验证

针对玻璃NC 加工和自动上下料集成控制的需求，采用“华中8 型”数控系统双通道方案，对玻璃NC 加工单元和上下料机械手单元进行集成控制，控制系统硬件架构如图8 所示。

图8 全自动玻璃加工单元控制系统硬件架构

基于数控系统提供的二次开发平台，在1msinterface 接口函数中实现主、从动轴的同步，通过数控系统G 代码程序、M代码和PLC 程序[5]的设计，实现上下料机械手单元从动轴（Y1 轴）对玻璃NC 加工单元主动轴（Y 轴）的同步，进而实现了上下料机械手吸盘与玻璃机工作台的相对静止，完成玻璃机不停机自动上下料。

按照主、从轴实现同步的方案不同，本文提出两种同步方案，方案一是采取玻璃NC 加工单元主动轴（Y 轴）运行到设定位置等待，上下料机械手单元从动轴（Y1 轴）从固定位置开始执行与主动轴的同步，完成上、下料动作流程后，从设定位置退出与主动轴的同步。数控系统双通道G代码程序、PLC 程序设计如图9 所示。该方案需要对玻璃NC 加工单元原G 代码程序作修改，在原G 代码程序中添加M代码，设定运行等待点，通过通道间协同控制，实现主、从轴的同步。

图9 同步方案一控制系统双通道G 代码、PLC 程序图

该方案控制简单可靠，上下料机械手单元相对于玻璃NC 加工单元的运行轨迹固定，但NC加工单元、上下料机械手单元节拍匹配较为麻烦，节拍调试难度较大，上下料意外处理较复杂；且需要改动玻璃NC 加工单元的G 代码程序，终端客户接受度较差。

针对方案一存在的问题，本文提出了方案二，该方案通过数控系统G 代码程序、M代码和PLC 程序的合理设计，实现上下料机械手单元从动轴（Y1 轴）对玻璃NC 加工单元主动轴（Y轴）的先同步，再跟随，进而实现了上下料机械手吸盘与玻璃机工作台的相对静止，完成玻璃机不停机自动上下料。本方案可以由玻璃NC 加工单元通道在任意时刻开启同步，从开启同步的时刻起，上下料机械手单元从动轴（Y1 轴）开始叠加玻璃NC加工单元主动轴（Y 轴）的运动，主、从轴开始实现同步，与此同时，通过获取玻璃NC 加工单元主动轴Y 轴此刻实际位置，确定上下料机械手单元从动轴Y1 轴的跟随位移，完成跟随后，上下料机械手单元从动轴（Y1 轴）即到达设定上、下料位置，且与玻璃NC 加工单元主动轴（Y 轴）保持同步，完成上、下料动作流程后，从设定的安全位置退出与主动轴的同步。数控系统双通道G代码程序、PLC 程序设计如图10 所示。

方案二采用“先同步、再追随”的方案，实现在任意时刻、任意位置，上下料机械手单元从动轴（Y1 轴）对玻璃NC 加工单元主动轴（Y 轴）的实时、自动跟随，省去同步跟随节拍匹配的问题，相较于方案一，同步跟随功能的灵活性有较大程度的提高，且无需修改玻璃NC 加工单元通道G 代码程序，终端客户操作也较为简单。

本文中，结合图11、图12，对自动同步跟随功能进行详细说明，图11 为主、从动轴同步跟随位置示意图，图12 为主、从动轴同步跟随测试数据分析图，由数控系统配套测试软件SSTT 采集、处理[6]。自动同步跟随功能由M代码M65 开启，此时为同步起点，此刻起从动轴Y1 轴即开始叠加主动轴Y 轴的运动，与此同时，通过获取主动轴Y 轴此刻实际位置，确定从动轴Y1 轴的跟随位移，完成跟随后，上下料机械手吸盘运动至工位1 同步点1（P11 点），然后上下料机械手吸盘运动至工位1 同步点2（P12 点），即开始取件/放料动作，完成后回退至工位1 同步点1（P11 点），上下料机械手吸盘运动至安全无干涉位置，最后由M 代码M66 关闭同步跟随功能，上下料机械手运动至待机位置，完成取件/放料动作子程序。工位2 取件/放料动作流程类似，在此不在赘述。

图11 主、从动轴同步跟随位置示意图

图12 主、从动轴同步跟随测试数据分析图

4 结论

本文面向3C 产品玻璃结构件全自动加工需求，通过对通道并行控制技术和通道间协同控制技术的研究，实现NC 加工单元与自动上下料单元的控制系统集成，主要工作和结论总结如下：

4.1 结合“华中8 型”数控系统多轴多通道的技术优势，采用数控系统双通道方案对玻璃NC 加工单元和上下料机械手单元进行集成控制。

4.2 基于数控系统提供的二次开发平台，实现两个控制通道两轴的同步，通过数控系统G 代码程序、M代码和PLC 程序的合理设计，完成数控系统通道间信息的实时交互，实现上下料机械手一个伺服轴对玻璃NC 加工通道一个伺服轴的“先同步，再跟随”，完成玻璃机不停机（暂停）自动上下料的控制方案。

4.3 本文针对自动上下料机械手对NC 加工单元同步跟随并取放料的需求，提出了一种“先同步、再跟随”的双轴协同控制方案，可在任意时刻、任意位置，实现上下料机械手对NC 加工单元的自动同步跟随。实践证明，该集成控制方案可适用于“机床NC 加工+自动上下料”这一类型的应用场景，实现数控机床连续加工，提高机床稼动率。