基于PLC的液晶玻璃基板自动下料控制系统的研究

刘　星，尹逍渊

（中国电子科技集团公司第二研究所，山西　太原　030024）

引言

液晶玻璃基板是构成液晶显示器件的一个基本部件，随着液晶屏应用领域越来越广泛，人工操作效率低、长期稳定性差，已不能满足市场需求，同时雇佣和管理成本高，限制了生产厂家的再扩大化[1]。

液晶玻璃基板的自动下料机用于前道设备对液晶玻璃基板检测后，对不同检测结果OK品、NG品、ERR品进行分类下料。为了实现精确控制、降低人工成本，对自动下料的功能和工艺流程进行分析，利用PLC在控制系统方面的卓越性以及伺服系统和气动系统的强大功能，对液晶玻璃基板的自动下料进行研究。设计了一套液晶玻璃基板自动下料控制系统，在满足基本功能的基础上，可适应多种规格的产品，同时实现取料和换盘不能停机等功能。

1　自动下料系统功能分解

通过综合分析液晶玻璃基板自动下料运行情况，将自动下料系统的功能概括为取料、分类放料、机械手搬运、皮带传输、料盘升降、空盘搬运以及启动、停止、复位、急停和警示七大内容。

1.1　取料功能

通常，经过上道设备视觉检测的液晶玻璃基板会分别放置在不同的工位上，下料机构要去各工位上取料。

1.2　分类放料功能

当机械手取料后，根据上道设备发送的检测结果，判定该料是OK品、NG品还是ERR品，将不同结果的料分类放置。OK品放置在皮带上，传送给后面的流水线；NG品放置在吸塑盘内；ERR品旋转180°后放置在吸塑盘内，机械手设计了步进电机旋转结构，可将料旋转90°、180°、270°。

1.3　机械手搬运功能

根据不同情况，机械手将料搬运到适当位置，本研究采用了一套由伺服系统控制的XY模组来实现。

1.4　皮带传输功能

当OK料放置在皮带上时，皮带开始传输，末端传感器检测到有料时，皮带停止传输，并且发送信号给后道设备，等待取料，皮带传输用交流电机控制。

1.5　料盘升降功能

料盘升降机构分为空盘升降机构和满盘升降机构，为了实现不停机换料，设计了A侧和B侧双工位下料。为了保证每次放料时料盘都在同一高度，且不引起压碎料以及丢料、碎料的现象，设计了满盘升降机构。同时，为了保证每次都能再同一高度取到空盘，设计了空盘升降机构。料盘升降功能采用伺服电机进行精确控制。料盘两侧设计了对射传感器，检测料盘是否到位。料盘可以多层放置，比如设定30层，30层满之后，下降到原点位，并发出报警提示，通知取料。空料盘设计也同理，每取一个料盘上升一定高度，当上升到设定的最高位置时，对射传感器依然没有检测到有料，便下降到原点位，并且报警提示无空料盘。

1.6　空盘搬运功能

当前料盘已放满，需要放置一个空料盘，此时空盘搬运机构启动。

1.7　启动、停止、复位、急停、警示

系统上电后，需要进行复位，即点动“复位”按钮，电机回原点，气缸回初始位。同时系统设置警示灯显示工作状态。

启动、停止、复位、急停警示功能的具体设计如下：

系统上电后，必须先复位，即点动“复位”按钮，电机回原点，气缸回初始位。所有电机的原点传感器和气缸初始位的磁开关检测到之后，警示灯黄灯亮，提示设备复位完成。

按下“启动”按钮，警示灯绿灯亮。安全起见，运行过程中，需关闭所有安全门，打开安全门，系统报警，机构全部停止运行。

按下“停止”按钮，警示灯黄灯和绿灯亮，设备处于暂停状态，可以再次启动，继续执行当前动作。

按下“急停”按钮，警示灯红灯亮，设备立刻停止，如需再次启动，则需要取消急停，再复位，再启动。

根据上述模型，本研究设计规划的自动下料系统如图1所示。

图1　自动下料俯视图

2　PLC控制系统设计

2.1　硬件配备

PLC作为通用工业控制计算机，具有可靠性高、抗干扰能力强、配套齐全、功能完善、适用性强、系统设计建造量小、维护方便等优点，广泛应用于许多特殊场合。机型选择的基本原则，是满足功能要求及保证可靠性和维护方便的前提下，力求最佳的性价比[2]。

本控制系统包括6个伺服电机，1个步进电机，1个交流电机，有多个按钮、开关、极限传感器、对射传感器、光纤、磁开关、气缸、警示灯、安全门等。伺服电机需要占用6个轴，步进电机和交流电机用I/O控制，其他输入输出信号占用I/O点，包括与上下道设备的PLC通讯，共占用76个输入点，55个输出点，所以处理器选用松下小型PLC，FP-XH 60T，配6轴控制用的输入输出点，32点输入，28点输出，并扩展两个输入输出模块E-40TD，24个输入点，16个输出点[3]。系统硬件结构图如图2所示。

2.2　工艺流程方案设计

为了清晰表示各机构的运动控制，本研究设计了如图3所示的工艺流程方案，以该流程图为主线，编写功能模块，进行模块衔接、综合调试。

2.3　取料控制方法

程序设计要考虑取料机械手和两侧的空盘搬运机构相互避让，防止撞击，所以在取料条件满足的情况下，首先要看空盘搬运机构是否在运行中，即是否有换空盘标志，并且取料机械手和空盘搬运机构在空间位置是否有交叉，如果有则L形路径去取料位，反之，插补去取料位，如下页图4所示。

图2　硬件结构图

图3　工艺流程图

1）A侧有换盘标志：i=1/2/3/4，取料手在A侧，插补方式去取料位（X+，Y+）/（X+，X-）；i=1/2，取料手在B侧或OK放料位，L形路径去取料位，（X+，0），（0，Y+）；

2）B侧有换盘标志：i=1/2/3/4，取料手在B侧，插补方式去取料位（X+，Y+）/（X+，X-）；i=3/4，取料手在A侧或OK放料位，L形路径去取料位，（X+，0），（0，Y-）；

2.4　放料控制方法

与取料同理，程序设计考虑取料机械手和两侧的空盘搬运机构相互避让，防止撞击，如果放料位没有空吸塑盘或者有换盘标志需要空间避让，先去等待位，待有空料盘并且空盘搬运机构回到初始位，再插补去放料，如下页图5所示。

1）i=1/2：去A侧放料且A侧换盘中，等待换料完成插补去放料位（X-，Y+）/（X-，Y-）；去B测放料且B侧换盘中，先L形路径去皮带上方等待位，（0，Y-），（X-，0），再插补去 B 侧放料位（X-，Y-）。

图4　取料工艺流程控制图

图5　放料工艺流程控制图

2）i=3/4：去A侧放料且A侧换盘中，先L形路径去皮带上方等待位，（0，Y+），（X-，0），再插补去放料位（X-，Y+）；去B测放料且B侧换盘中，先L形路径去皮带上方等待位，（0，Y+），（X-，0），再插补去放料位（X-，Y-）。

2.5　配方计算

由于每个料盘的规格不同，有3×6，1×2，2×3以及其他一些规格的吸塑盘，吸塑盘如图6所示。为了保证每次切换产品之后都能快速准确地将料放入吸塑盘，设计了该配方。同时设计了人性化的操作界面，只需在触摸屏上输入当前料盘规格，机械手会按照新的规格去放料，切换方便，如图7所示。

iMax：料盘x方向的最大放料数，jMax：料盘y方向的最大放料数。DiXData：x方向执行放料位，DiYData：y 方向执行放料位，DiX0：x 方向初值，DiY0：y方向初值，DiXd：x 方向间距，DiYd：y方向间距，Xilimit：x 方向正极限值，Yilimit：y 方向正极限值，Xnlimit：x 方向负极限值，Ynlimit：y 方向负极限值，alarm：报警信号。配方计算程序如下页图8和图9所示。

图6　不同规格的吸塑盘

图7　配方设置

2.6　程序设计

执行取料，两种路径实现，L形路径取料和插补方式取料，如图10所示。

图8　配方计算1

图9　配方计算2

3　产生的技术效果

本研究将调试后的程序在机构上运行，运行结果表明本系统设计的控制系统稳定性好，维护方便，运行周期达到4S/PCS。双工位放料实现了换料不停机，切换不同型号的液晶玻璃基板和吸塑盘，只需在触摸屏上设定配方参数，操作方便快捷。不仅为企业节约了人工成本，而且提高了液晶玻璃基板的下料质量和效率。

图10　取料程序

[1]马群刚.TFT_LCD原理与设计[M].北京：电子工业出版社，2011.

[2]刘星，任蓉莉.基于PLC的LCD自动检测控制系统的研究[J].山西电子技术，2017（3）：76-77.

[3]松下电工株式会社.松下PLC--FP-XH系列用户手册[Z].2015.