基于插值控制器的全自動可擴(kuò)展合模線拋光設(shè)備應(yīng)用實(shí)踐

路如旃

（浙江清華柔性電子技術(shù)研究院，浙江 嘉興 314000）

手機(jī)殼生產(chǎn)時(shí)一般采用注塑的方式，由于塑膠加工工藝特點(diǎn)，在手機(jī)殼表面通常存在合模線。合模線的存在不但影響手感，更影響手機(jī)殼的美觀，因此，需要采用一定的措施消除掉。目前的措施一般有如下兩種，采用人工+拋光機(jī)+鍍膜，機(jī)器人+鍍膜。前者不但存在勞動量大、效率低、成本高、質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，而且手動拋光工作場所空氣質(zhì)量較差，鍍膜采用化工原料，特別在目前環(huán)保要求較高的情況下，成本會更高；而后者，前期投入大，也存在環(huán)保的問題。在此情況下，采用插值算法控制器+流水線+納米改性的生產(chǎn)方式，不但提高效率、高質(zhì)量，并且避開了鍍膜的環(huán)保問題，手機(jī)殼表面經(jīng)過納米改性后，其手感達(dá)到了鍍膜的效果，并且材料表面具有了自清潔效果（此處不討論納米改性）。

1 合模線控制系統(tǒng)

1.1 控制原理

全自動可擴(kuò)展拋光機(jī)由PLC、插值控制器、磨頭、載物臺、機(jī)架、控制柜和除塵系統(tǒng)等組成，PLC、插值控制器等在控制柜內(nèi)部，除塵系統(tǒng)為磨頭除掉的粉塵經(jīng)過濾后排放到其他地方，PLC 控制磨頭的旋轉(zhuǎn)速度，插值控制器控制磨頭的運(yùn)動軌跡，載物臺（Z 軸）放置并固定手機(jī)殼，機(jī)架承載X 軸、Y 軸電機(jī)在其上運(yùn)動，根據(jù)插值算法，磨頭（R 軸）運(yùn)動圓弧軌跡。圖1 為控制框圖。

1.2 插值控制器

目前，具有插值算法的控制器品牌較多，并且單軸、多軸系列存在，根據(jù)拋光設(shè)備需求和較低成本的要求，采用具有2 軸的插值算法控制器即可。此處以FX2N-20GM 為例。此插值控制器或者運(yùn)動控制器接口結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖1 拋光機(jī)控制框圖

圖2 FX2N-20GM 接口圖

表1 性能參數(shù)表

1.3 插值原理

插補(bǔ)，就是根據(jù)零件輪廓的幾何形狀、幾何尺寸以及輪廓加工的精度要求和工藝要求，在零件輪廓的起點(diǎn)和終點(diǎn)之間順序插入一系列中間點(diǎn)（折現(xiàn)端點(diǎn)）的過程，即數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化過程或脈沖分配的過程，其多對應(yīng)的算法成為插補(bǔ)算法。

數(shù)控系統(tǒng)中，插值算法分為兩類，脈沖增量插補(bǔ)和數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)，在前者中又分為逐點(diǎn)比較法、數(shù)字積分法、矢量判斷法、比較積分法和數(shù)字脈沖法，其中，最簡單且常用的為逼近法。插值函數(shù)的選取有代數(shù)多項(xiàng)式、三角多項(xiàng)式和有理函數(shù)等，此中選擇代數(shù)多項(xiàng)式插值函數(shù)。

由圖4R 軸運(yùn)動的軌跡可以看出，R 軸運(yùn)動的軌跡為手機(jī)殼的尺寸規(guī)格（其插值的多項(xiàng)式與氣放置的方式有關(guān)），并且非采用1 個多項(xiàng)式即可完整、正確描述的，因此，采用分段插值進(jìn)行多項(xiàng)式擬合。以圖4 運(yùn)動軌跡為例，其插值有兩種：線性插值和圓弧插值。

手機(jī)殼在象限中放置的姿態(tài)不同，其擬合的多項(xiàng)式會有差別，以圖4 放置的姿態(tài)，其線性插值多項(xiàng)式為1 次多項(xiàng)式，其線性分段插值多項(xiàng)式如下：

圓弧分段插值多項(xiàng)式如下：

上式為連續(xù)表達(dá)式，離散表達(dá)式為： ? y = f ( ? x)，對于線性插值，比如，與x、y 軸平行的表達(dá)式，控制器的進(jìn)給分辨率對其無影響，而對于具有斜率和其他軌跡的表達(dá)式具有一定的影響，圖3 直線離散與圓弧離散進(jìn)給圖。

圖3 離線進(jìn)給圖

2 合模線拋光控制結(jié)構(gòu)

合模線拋光機(jī)控制結(jié)構(gòu)采用5 軸結(jié)構(gòu)，分別為旋轉(zhuǎn)軸（R軸），功能為帶動摩擦布摩擦掉合模線；帶動R 軸運(yùn)動的x軸和y 軸，功能為沿著合模線的方向運(yùn)動；手機(jī)殼升降軸（z軸），功能為手機(jī)殼的升降，便于流水線的運(yùn)動；手機(jī)殼固定軸（lock 軸），功能為當(dāng)手機(jī)殼在z 軸上到位后，lock軸對手機(jī)殼加緊固定；流水線運(yùn)動周（L 軸），功能為帶動流水線運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)手機(jī)殼在流水線上的運(yùn)動。

2.1 單軸拋光程序圖

以單R 軸為例，其運(yùn)動的軌跡與手機(jī)殼放置的姿態(tài)有關(guān)，為了便于插值處理，其放置姿態(tài)如圖4 所示，表達(dá)式采用分段插值（參考1.3 節(jié)），其表達(dá)式比較簡單，控制器處理的運(yùn)算量比較小并且運(yùn)動路線較優(yōu)。1.3 節(jié)的表達(dá)式為連續(xù)函數(shù)，而對于計(jì)算機(jī)處理的離散量來說，線性插值沒有影響，而對于圓弧插值具有稍微的影響，如1.3 節(jié)圓弧插值離散軌跡圖，不過，由于R 軸上的摩擦布其固定方式并且其本身具有一定的彈性，因此，可以克服圓弧插值對摩擦面的影響。

圖4 R 軸軌跡圖

圖5 單軸運(yùn)動程序

2.2 可擴(kuò)展拋光結(jié)構(gòu)

可擴(kuò)展結(jié)構(gòu)即擴(kuò)展R 軸、lock 軸以及傳感器等的數(shù)量（包括升降結(jié)構(gòu)和夾緊結(jié)構(gòu)），其都在X/Y 軸的帶動下實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)多個R 軸處理多個手機(jī)殼的功能。如圖6 為擴(kuò)展到3 個R 軸的情形，可以同時(shí)處理3 個手機(jī)殼的合模線（在圖3 中，R 軸與lock 軸都有1 個增加到3 個）。

圖6 運(yùn)動軌跡

需要注意的是，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面：（1）R 軸在X/Y 軸上，由X/Y 軸帶動R 軸進(jìn)行運(yùn)動；（2）Z 軸把樣品頂起到一定高度并有l(wèi)ock 軸固定；（3）Z 軸升起的高度與R 軸位置需配合；（4）在R 軸上摩擦部分具有一定的彈力。

2.3 排塵系統(tǒng)

合模線被磨下的部分顆粒微小，若被呼吸進(jìn)體內(nèi)會對肺造成損害，因此，需要采取一定的措施對操作人員進(jìn)行保護(hù)。此微小顆粒有兩種處理的方法，被風(fēng)帶走或者水流帶走。由于設(shè)備采用金屬制造，因此，潮濕的環(huán)境會對金屬造成腐蝕，此處采用被風(fēng)帶走的方式，即手機(jī)殼處理的區(qū)域進(jìn)行密閉處理，只留流水線出入的位置留有缺口，并且可以采用風(fēng)扇帶走的功能，使密封的腔體內(nèi)造成負(fù)壓，因此，在流水線的出入口處，不會有顆粒飄蕩出來，從而保護(hù)操作人員。示意圖如圖7。

圖7 除塵腔體示意圖

2.4 客戶界面

客戶界面采用某一廠家觸摸屏軟件繪制，如圖8 和圖9中按鈕具有啟/停功能，并對當(dāng)前的啟或停的狀態(tài)進(jìn)行指示。

圖8 手動操作界面

圖9 自動操作界面

2.5 程序流程

圖10 為拋光機(jī)主功能程序流程圖，其5 軸配合邏輯清晰，其他報(bào)警程序、通訊程序、安全保護(hù)等都未在此中體現(xiàn)。

3 流水線接口

圖10 程序流程圖

此拋光機(jī)自帶1 段2m 左右的流水線，在流水線的出/入口端具有檢測手機(jī)殼的傳感器，此傳感器不但可以進(jìn)行手機(jī)殼的計(jì)數(shù)，而且當(dāng)入口傳感器檢測到手機(jī)殼后告知控制系統(tǒng)讓手機(jī)殼處理處的定位裝置進(jìn)行準(zhǔn)備，而出口傳感器檢測到腔體內(nèi)的手機(jī)殼完全出去后，入口的手機(jī)殼才可進(jìn)入，若一直無手機(jī)殼進(jìn)入，則一定時(shí)間后拋光機(jī)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，待機(jī)狀態(tài)的喚醒是有入口傳感器實(shí)現(xiàn)的。

另外，在流水線的入口處具有堆棧功能，一旦從流水線過來的待處理手機(jī)殼數(shù)量級較多，則進(jìn)行暫存。流水線上具有手機(jī)殼放置位置卡槽。

4 結(jié)語

此合模線拋光機(jī)采用具有插值算法的控制器，不但可以實(shí)現(xiàn)離線編程，兼容不同規(guī)格的手機(jī)殼，而且在結(jié)構(gòu)方面可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展，從而提高生產(chǎn)效率。另外，此設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)流水線24 小時(shí)連續(xù)不間斷工作，不受外界因素影響；并且實(shí)現(xiàn)了自動上下料，替代傳統(tǒng)停機(jī)人工上料方式；拋光程序支持離線編程，可適應(yīng)多種類、大批量的手機(jī)殼的打磨拋光——新型手機(jī)殼拋光，可離線即時(shí)啟動拋光程序，可實(shí)現(xiàn)無間斷的打磨拋光；此3 種舉措大大提高了產(chǎn)品的處理效率。