陶瓷砖(石材)数控智能磨边倒角机系统的研究

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摘 要：本文通过深入分析控制对象的特性，借助于数控技术、定位技术、伺服电机和传感器，发挥控制器快速运算速度和高速采集信号的能力，运用控制器的编程语言写入具有自主知识产权的控制算法，实现对复杂控制对象高精智能的控制。本系统由位于办公室的上位机及位于车间的磨边倒角主机组成。

关健词：智能；数控；高精度；集自动化；能效管理

1 引言

自陶瓷深加工机械在上世纪80年代末90年代初出现以来，意大利等凭借在基础材料、设计方法、控制技术等方面的优势，多年来一直在设计制造方面处于领先水平，特别是在高档机型方面占有优荨RBMR、ANCORA、BRETON为代表的国际陶瓷深加工机械制造商领先技术的潮流，能实现数控精准自动化调节。

上世纪80年代末90年代初，由科达洁能研发出国产第一台陶瓷磨边倒角机，形成国产陶瓷深加工机械，一直处在稳步发展阶段，经过多年发展，国内机型种类齐全，技术水平可以满足多数应用场合，陶瓷深加工机械产量居世界第一。但受各种因素影响，陶瓷深加工机械装备的数控智能化应用方面发展比较慢。在公司的支持下，笔者所在的团队从2015年就开始了数控智能磨边倒角机的研究与开发，2016年6月第1台数控智能磨边倒角机交付给客户并获得好评，同年年底实现了批量订单。

2 系统的设计及控制原理

数控智能磨边倒角机包括机械部分、电控部分和管理软件部分。相关的机械部分的设计及其工作原理本文只简述，本文主要叙述相关数控智能磨边倒角机的电控部分和管理软件部分。

2.1设计思路

现有普通磨边倒角机存在以下几个缺点。（1）磨边头进给采用手动调节进给。缺点：进给不方便，进给量无法保证，磨边轮的消耗无法显示需要不断打开水罩检查，操作人员劳动强大。（2）磨边机的推砖装置中推砖爪采用手动调节。缺点：调节不方便及运行调节时存在很大安全事故；对控制瓷砖（石材）产品对角线误差需返复多次调节才能完成，操作人员劳动强大。（3）磨边机的主传动装置采用单异步电机变频器驱动，4条输送同步带采用机械轴同步。缺点：机械轴容易出现磨损传动键，造成加工的产品出现对角线超差；更换4条输同步带非常不方便耗时长，操作人员劳动强大。（4）磨边机的横梁调节采用手动调节或电动调节。缺点：手动调节需要操作人员返复用尺测量检测；电动调节不能自动按设定值调节横梁；精度控制不准确。（5）例如普通磨边倒角机加工600 mm × 600 mm陶瓷砖对角线误差只能控制在0.5 mm以上、宽度尺寸只能控制在0.2 mm以上。

针对上述缺点，本团队研发了全新的数控智能磨边倒角机，600 mm × 600 mm陶瓷砖对角线误差能控制在0.3 mm以下、宽度尺寸控制在0.1 mm以下，优等率99%。

（1）数控智能磨边倒角机的机械部分主要由以下几个部件组成：1）双压带输送皮带采用2台伺服电机驱动，负责陶瓷砖的输送的部件；2）数字进给磨边磨头，配有位置检测传感器和进给驱动电机，安装磨具对被加工件周边进行磨削的部件；3）数控推砖爪装置，配有伺服电机的推砖爪，通过数控的方法校正被加工件位置的部件；4）数字调宽装置，配有工作宽度计量传感器，数字调节工作宽度的部件等。如图2。

（2）数控智能磨边倒角机的电控部分采用高性能PLC对上述图2数字控制的4个机械部件进行集成控制实现数控和自动化控制，而上位机中磨边倒角机的管理软件对产量、能耗、磨具消耗、维修保养进行统计并生成各种报表。

2.2系统的具体设计

2.2.1数控智能磨边倒角机开发的控制系统结构图

设计先进的智能数字控制策略，以高速的数据采样、处理和输出周期，使磨边倒角机主传动、横梁调节、推砖动作、磨边头进给速度快、精度高、动作更进一步柔和的目标。

2.2.2详细的技术路线

（1）双伺服驱动磨边倒角机的双输送带电控系统的软硬件设计。

传统的陶瓷磨边倒角机的双输送带控制，采用机械轴联接2条输送带的传动部件从而同步运行；易出现机械轴生锈无法调节，长期使用机械轴的平键或花键磨损从而2条输送带无法同步运行。

新控制系统在分析目前陶瓷磨边倒角机输送带运动控制系统的动静态特性，采用两侧伺服电机独立驱动同步控制，取消联接机械轴有效避免传动轴及空心轴键槽磨损所带来的同步误差、皮带更换方便省时；双侧伺服同步系统，同步精度可达0.1 mm，从而减少陶瓷砖对角线误差。

（2）伺服驱动磨边倒角机的横梁运动电控系统的软硬件设计。

传统的陶瓷磨边倒角机横梁控制，采用普通PLC高数计数编码器输入检测横梁位移，交流变频器+交流异步电机驱动普通丝杆，由于普通丝杆间隙、异步电机转差及交流变频器响应速度等影响，所以其控制精度和稳定性不能得到保证。

新控制系统在分析目前陶瓷磨边倒角机横梁运动控制系统的动静态特性，针对伺服驱动器+伺服电机驱动滚珠丝杆，以及高速定位模块等，构成的横梁调节的电控系统硬件部分，设计先进的智能控制策略。

（3）伺服驱动磨边倒角机的推砖机构运动电控系统的软硬件设计。

传统的陶瓷磨边倒角机推砖控制，采用普通PLC高数计数编码器输入检测推砖位移，交流变频器+交流异步电机驱动推砖机构由于异步电机转差及交流变频器响应速度等影响，所以其控制精度和稳定性不能得到保证。

新控制系统针对伺服驱动器+伺服电机驱动推砖机构，以及高速定位模块等，构成推砖机构的电控系统硬件部分，设计先进的智能控制策略。

（4）磨边倒角机的磨边头进给电控系统的软硬件设计。

传统的陶瓷磨边倒角机的磨边头进给，采用人功手动轮调节进给，所以其控制精度和稳定性不能得到保证。

新控制系统在分析磨边倒角机磨边头结构后，针对电机驱动+位置检测传感器控制磨边头进给，通过电流检测每一对磨边头的电流负荷，以及高速定位模块等可达每一对磨边头同步进给及进给量的负荷相同，设计先进的智能控制策略，以高速的数据采样、处理和输出周期，使磨边头进给量相等、精度高、负载相等的目标。