平面玻璃系统设计研究

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【摘要】现有平面玻璃打磨设备功能少，打磨后的玻璃容易发生镜面反射问题。在已有机械结构的基础上，设计一套减少镜面反射，具有自动、手动和示教多功能的平面玻璃打磨控制系统。控制设备采用两种方式实现，一是控制卡与工控机结合，二是采用运动控制器。编程软件采用VS2015和OtoStudio，主要内容包括：分别利用两种方法实现磨床的自动、手动、回零等功能；分别对磨床的路径进行规划，设计不同的打磨轨迹；采用多种打磨轨迹结合的方法，消除由单一轨迹带来的纹路。

【关键词】平面玻璃；轨迹规划；运动控制；打磨

目前工业中常见的打磨办法有机械打磨，手工打磨这两种，手工打磨较为灵敏便利，广泛的实用性，然而劳动力强度较大，加工效率偏低，品质不太稳定。而机械打磨较于手工打磨效率高、打磨品质好，劳动力强度又低，同时也可以改善劳动条件等，所以机械打磨设施的应用更为普遍[1]。但已有的磨床打磨轨迹比较单一，存在精度不高的困境。同时单一的打磨轨迹使打磨后的玻璃容易发生镜面反射，存在磨削纹理，影响使用[2]。而且已有的玻璃磨床功能单一，不能完全满足用户对综合性功能的需求。因此需要设计一套具有多种功能结合，且可以进行轨迹设计的打磨设备的控制系统。

1平面玻璃打磨设备硬件组成

平面玻璃打磨设备硬件主要包括三个方面：位置固定的主轴磨头砂轮，XY可移动平台，控制箱三个部分[3]。主轴：旋转，配备打磨平面玻璃的磨头。XY可移动平台：连接两台伺服电机，由电机带动实现XY方向的移动。平台上放待打磨的玻璃，玻璃由真空吸盘固定。平台底部由气缸控制，可以进行升降。控制箱：电气设备与控制器。

2基于GUS控制器的磨床控制系统软件设计

2.1控制系统主程序流程。基于GUS控制器的磨床控制系统主要由三个模块构成，包括手动功能，回零功能和自动功能。手动模块中设计有点位运动模式和Jog运动模式；回零模块设计有X轴回零和Y轴回零，回零方式为正向寻找原点信号；自动模块设计用到插补运动，直线插补和圆弧插补运动，使打磨设备可移动平台完成N型和圆弧型轨迹打磨。采用GUS控制器中使用的OtoStudio软件实现打磨轨迹，而打磨轨迹采用MATLAB软件进行仿真模拟[4][5]，计算出轨迹点。磨床的手动功能磨床的手动功能，可设置XY平台的点位运动和JOG运动。点位运动完成的轨迹是点到点的直线运动，JOG运动可实现连续运动。在可视化界面上的手动模块上，启动和停止按钮，可实现磨床的手动运行。程序界面如图2所示。2.3磨床的回零功能。在系统的软件设计中，需要设计回零功能[6]。磨床启动后，准备开始打磨时，可移动平台回到原点位置，建立统一的坐标系。如遇到突发状况，打磨时，中途断电后。再次启动，也需要可移动平台就回到原点。如图3、图4所示，回零功能界面和模块设计流程图。2.4磨床的自动功能。在系统软件设计中，采用插补运动实现可移动平台自动打磨的功能，流程图如5所示。而插补运动有两种，圆弧插补和直线插补[7]。直线插补方式中，两点间的插补沿着直线的点群来逼近。圆弧插补是给出两端点间的插补数字信息，以一定的算法计算出逼近实际圆弧的点群，控制刀具沿这些点运动，加工圆弧曲线。打磨轨迹通过MATLAB仿真软件计算，然后将数据点导入到OtoStudio软件中。

3基于GTS控制卡的磨床控制系统软件设计

3.1控制系统功能。基于GTS控制卡和工控机结合,构成控制系统另一种方案的硬件基础。在windows平台上采用VS2015的C++进行研发设计。在此基础上，平面玻璃磨床的控制系统主要的功能有如下几个方面[8]：（1）自动模式：实现磨床的自动运行，可按照预设轨迹，速度等参数运行；（2）手动模式：实现磨床的手动运行，在手动模式下，可以进行磨床的调试，校正等操作；（3）示教模式：录入参数，设置磨床运行轨迹等；（4）设置模式：设置控制器IO端口等外设参数；（5）统计模式：记录日期，检修等信息。3.2磨床示教模式。示教模式的主要功能是设置玻璃，磨头，伺服电机速度，主轴速度及XY平台的轨迹等参数，形成文件后保存，作为自动模式的文件被调用。实现的主要功能包括：（1）玻璃尺寸设置；（2）磨头尺寸设置；（3）XY平台中X、Y平台的移动速度；（4）主轴移动速度；（5）磨床的运动轨迹规划在示教模式中，主要研究XY平台的轨迹规划。本课题采用直线轨迹和曲线轨迹两种方式结合的规划。3.2.1平面直线轨迹。本课题采用Jog运动模式与直线插补运动模式规划直线运动。在Jog模式中，每个轴能够单独设置速率、加减速度、平滑参数等数据，可以单独运动或停止。启动Jog运动以后，根据设置的加速度加速到匀速持续运转，在运动的时候能够随时随地修改运动参数。直线插补运动模式中，两个点之间的插补运动与沿着两点之间的直线逼近运动。Jog运动，它是基于单个轴的运动模式。可直接设计移动距离、与移动速度、加速度、减速度等运动参数。直线插补运动模式能够做出的轨迹如下图（图6）所示，可基于单个轴或多个轴的运动模式。上面运动模式主要用来做测试与调试阶段使用。3.2.2平面曲线轨迹。平面曲线轨迹的设计，曲线是运动的点在运动时，方向不断连续发生变化所构成的线，对于这种线段，XY移动平台的两个轴需要联合一起运动，构成不一样的线段，在GTS运动控制器中两个轴一起组合运动。这种模式可以根据需求，同时控制两个轴运动，实现圆弧或圆形的运动轨迹。3.3磨床自动模式。自动模式的主要功能是加载示教模式的文件，让磨床按照示教模式下设置的参数和轨迹自动运行，同时记录磨床工作时间等参数。实现的主要功能包括：（1）加载记录磨床轨迹等参数的文件；（2）记录磨床运行时间；（3）记录磨头使用时间。3.4磨床手动模式。手动模式的主要功能是对磨床的参数进行校正，并且记录矫正后的参数。实现的主要功能包括：（1）实现磨床XY平台的点动运行，步长和速度可设；（2）实现磨床XY平台的连续运行，速度可设；（3）回零操作；（4）实现磨床XY平台的升降等操作；（5）报警显示及清楚灯操作。手动模式主要研究磨床XY平台的点动，连续以及回零操作。点位运动下，各轴能够独立运动或停止。按下前、后、左、右的启动按钮，可移动平台进行前后左右的移动，需要中途停止时，松开按钮即可。连续运动模式下，设置步长参数，各轴按照相应的步长进行连续运动。点动和连续运动模式下，速度参数有三种方式，低速，中速和高速。通过XY平台的点动和连续运行，可以记录平台在X、Y方向的最大运行距离，校正平台的中点位置，偏移位置等。

4结语

本课题实现了平面玻璃打磨设备控制系统的设计，采用两种方案[9]，一种是基于GTS卡与工控机组合的模式，一种是基于GUS运动控制器模式。两种模式根据不同的使用场合与需求进行选择。两种模式下的控制系统均克服了已有磨床功能单一，不能形成自动化生产线的缺点；同时，增加了各种不同的打磨轨迹，减少了单一轨迹造成的磨削纹理和镜面反射的产生；而且，预留操作界面，可供用户加载自己设计的打磨轨迹，是程序的开放性更高，适用场合更广泛。

作者:王丹 莫瀚宁 邓毅 单位:梧州学院