液晶玻璃基板是液晶显示面板的核心部件，也是电子信息显示产业的关键材料之一，具有十分广阔的发展前景。液晶玻璃基板自动上料机用于将清洗后的液晶玻璃基板自动传送到AOI(自动光学检测)测试机进行检测[1-2]。清洗后的液晶玻璃基板要求无“叠片”现象，经检测定位后，传送至指定位置，由“机械手”搬运至AOI测试机相关工位。
PLC是一种以微处理器为基础，集计算机技术与自动控制技术为一体的一种数字运算控制器，其通过程序逻辑实现控制功能。本研究充分利用了PLC在自动化控制方面反应快、功能多样、运行可靠、操作简便等优越性，设计了一套液晶玻璃基板的自动上料控制系统。PLC的输入接口配置按钮、传感器等信号，输出接口配置指示灯、电机驱动器等执行元件。以PLC为核心控制器接收信号，经运算处理后，发送信号给执行元件完成机构的整体运作[3-5]。该系统成功取代了人工上料并克服了人工上料效率低、易出错等弊端。
1 自动上料系统整体方案设计
1.1 功能设计
本研究设计的液晶玻璃基板自动上料系统包含以下几种功能：
1) 启动、暂停、复位、急停、警示
按下“启动”按钮，系统自动运行。此时，警示灯显示绿灯亮。系统正常运行过程中安全门必须处于关闭状态，打开安全门，系统报警，系统停止运行。
按下“暂停”按钮，警示灯显示黄灯和绿灯同时亮，系统此时处于暂停状态。
按下“急停”按钮，警示灯红灯亮，设备立刻停止。
系统上电后，按下“复位”按钮，此时，所有电机回原点，所有气缸回初始位。初始化设置完成后，警示灯黄灯亮。
2) 皮带传送功能
上位机传送来的液晶玻璃基板经本系统检测后，OK料，皮带传送开始；NG料，系统报警。
3) 机械手搬运功能
皮带将料传送到取料位置后，机械手将料搬运到下位机指定位置。
1.2 自动上料控制系统方案设计
如图1所示，检测传感器检测到上位机传来的液晶玻璃基片后，如果玻璃基片无重叠现象，暂判定为OK料，皮带开始高速传送，当减速传感器检测到玻璃基片后，皮带进入低速传送区，直到停止传感器检测到玻璃基片后，皮带停止传送。皮带传送电机选用可调速的无刷电动机[6-7]。
皮带传送停止后，机械手执行“抓料”动作。机械手X向和Y向动作分别由伺服系统控制的X向和Y向模组实现，机械手Z向动作由电磁阀控制的气缸实现，机械手旋转的θ角度由驱动器控制的步进电机实现。最终机械手将玻璃基板搬运到下位机指定位置。
图1 自动上料示意图
2 自动上料控制系统硬件设计
2.1 硬件控制
如图2所示，自动上料控制系统以PLC为核心，安全开关、控制按钮、传感器、磁开关信号连接到PLC的输入接口，PLC的输出接口连接指示灯、电磁阀、电机驱动器。电机的驱动由相应的驱动器完成，其控制信号来自PLC，PLC进行逻辑运算、故障判断、传感器信号接收等。触摸屏通过232通讯接口连接到PLC，下位机和本系统采取PLC link的方式通讯，上位机和本系统采取I/O互联交换信号[8]。
图2 硬件控制框图
2.2 硬件选型
1) PLC
系统在PLC选型上综合考虑PLC的I/O点数、存储器容量以及控制功能等方面。
自动上料控制系统包括1个无刷可调速电机、2个伺服电机、1个步进电机。其中，伺服电机占用2个轴，步进电机选择I/O控制方式。系统还有多个控制按钮、安全开关、检测传感器、磁开关、电磁阀、警示灯等，同时考虑其他输入输出信号(包括与上位机的通讯信号)占用PLC的I/O点数，系统共计32个输入点，31个输出点[9-10]。所以选用松下FP-XH 通用型PLC控制单元：FP-XH C60T(24V DC输入32点、 0.5 A/5 V～24 V DC 晶体管输出28点)，并扩展I/O单元FP-X E16T (24 V DC输入8点、0.5 A/5 V～24 V DC晶体管输出8点)。此款PLC能满足系统需求并适当预留I/O点满足升级需求。
2) 触摸屏
系统采用威纶的触摸屏，型号：MT6070iH5。如图3所示，触摸屏通过COM1端口与PLC的COM0端口通讯。
3) 皮带电机
皮带电机选用东方马达的无刷电动机组合BMU系列：BMU230C-50-3(输出功率30 W，匹配50的减速比)。皮带电机的选型在满足一般通用要求外，主要考虑设置两段传送速度。
图3 触摸屏和PLC通讯示意图
将PLC的I/O信号按要求连接到电机的驱动器端子CN4上，CN4 Pin分配如表1所示，其中[ ]内为出厂时分配的功能，将X1变更为M1(选择运行数据)功能。通过切换M0、M1输入的ON/OFF，可选择运行数据No.0～3，如表2所示，最多进行4段速度切换运行。时序如图4所示。参照1.2所述方案设计，两段速度即可满足本系统要求，故硬件电路图设计原理如图5所示，通过CN4端子的6脚和7脚的信号输入情况选择运行速度，PLC通过输出信号到CN4端子的8脚控制电机的转动[11-12]。
表1 CN4 Pin分配
Pin No.端子名9C08X07X16X25C14Y0+3Y0-2Y1+1Y1-功能+IN-COM0[FWD][REV][M0]IN-COM1[SPEED-OUT][ALARM-OUT1]说明输入信号通用(外部电源用)[ON]时,电动机向FWD方向旋转[ON]时,电动机向REV方向旋转选择运行数据输入信号通用(内部电源用,0 V)电动机输出轴每转1圈,输出30个脉冲发生Alam变为OFF,(常闭)
表2 运行条件
运行数据No.M0M1转速/(r·min-1)0OFFOFF3 0001ONOFF1 0002OFFON2 0003ONON500
4) 机械手X向和Y向模组电机
机械手X向模组电机选用松下MHMJ系列的高惯量伺服电机：MHMJ022G1U(额定输出功率200 W)，对应驱动器型号MADKT1507E。Y向模组电机选用松下MHMJ系列的高惯量伺服电机：MHMJ042G1U(额定输出功率400 W，匹配8的减速机)，对应驱动器型MBDKT2510E。本系统将伺服电机和驱动器按要求连接后，PLC通过发出脉冲信号输入伺服驱动器，控制相应伺服电机的转动[13]。伺服系统采用位置控制方式，这样可由频率直接控制电机速度，由脉冲数来控制电机位置，达到高精度定位控制的目的。PLC通过2轴直线插补方式控制机械手X向和Y向搬运料。硬件电路图设计如图6所示。
图4 时序示意图
皮带电机-PLC输入/输出点(I/O)分配输入点地址描述输出点地址描述1X0上料皮带脉冲计数1Y10皮带电机正向旋转1X1上料皮带报警输出1Y11选择运行速度
图5 皮带电机硬件原理示意图
5) 机械手θ向电机
由于上位机来料方向的不确定性，根据工艺要求，参照实际情况需要将玻璃基板旋转90°、180°、270°。机械手θ向电机选用鼎智的混合式旋转步进电机(定制款)：23H2045-250-4BK-20，驱动器选用步科的FM860-LA-000。PLC采用I/O方式控制步进电机。利用kincostep调试软件对驱动器I/O进行功能定义：选择DIN1为指令启动，DIN2为位置0，DIN3为位置1，DIN4为开始找原点，DIN5为原点输入，DIN6为工作模式控制；OUT1为位置到达，OUT2为找原点完成，OUT3为报警输出。硬件电路图设计如图7所示。
机械手X向模组电机-PLC输入/输出点(I/O)分配输入点地址描述输出点地址描述1X8定位完成信号1Y0脉冲信号1X9报警信号1Y1方向信号1YC偏差清除信号1Y12报警复位信号
机械手Y向模组电机-PLC输入/输出点(I/O)分配输入点地址描述输出点地址描述1XA定位完成信号1Y2脉冲信号1XB报警信号1Y3方向信号1YD偏差清除信号1Y13报警复位信号
图6 伺服电机硬件原理示意图
θ向电机-PLC输入/输出点(I/O)分配输入点地址描述输出点地址描述IX17原点1Y18指令启动1X18位置到达1Y19位置01X19找原点完成1Y1A位置11X1A报警1Y1B开始找原点1Y1D工作模式控制
图7 θ向电机硬件原理示意图
3 自动上料控制系统软件设计
3.1 触摸屏程序设计
触摸屏是一种简单、方便、自然的人机交互方式。本系统主要设计了手动操作界面、参数设置界面、报警界面[14]。
手动操作设计了3个界面，如图8所示，手动操作-1界面主要完成各轴回原点、皮带电机、气缸、真空、θ轴的手动操作；手动操作-2界面可以实现X轴与Y轴单独或插补去取料位和放料位；手动操作-3界面实现X轴和Y轴的JOG操作。
图8 手动操作界面
参数设置设计了2个界面，如图9所示，参数设置-1界面对各轴JOG加速时间、减速时间、速度以及定位加速时间、减速时间、速度进行设置，并将屏上当前画面数据下载到PLC；参数设置-2界面对各轴的放料位、取料位进行设置及执行，同时可以执行各轴JOG+、JOG-操作。各位置对应一个保存按键，点击对应的保存按键，将当前值设定为位置值。
报警界面如图10所示，用来显示自工作以来的所有报警信息。
图9 参数设置界面
图10 报警界面
3.2 PLC程序设计
PLC程序设计的控制模式分为自动和手动。在自动模式下，按运行后，设备将自动运行，直到出现故障后停止。手动模式可用于手动上料或者检修，操作方便。自动运行的软件流程如图11所示。
图11 软件流程框图
本系统采用松下Control FPWIN Pro编程软件，利用顺序流程图(SFC)的方法编写程序，SFC是利用步迁移、分支等表示程序步的一系列流程的结构，可以将复杂的程序表现成易于理解的形式[15]。本系统SFC如图12所示。皮带传送料采用两段速度运行，程序设计如图13所示；机械手采用直线插补的方法搬运料，程序设计如图14所示。
图12 顺序流程框图
图13 皮带传送程序设计框图
图14 机械手搬运程序设计框图
4 结论
自动上料控制系统以PLC为核心，采用触摸屏显示与操作，针对不同规格的基板，精心设计了参数设置界面，直接在触摸屏上输入相关参数输出到PLC，PLC通过运算输出信号到各执行元件，将检测OK的玻璃基板按照指定方向搬运到下位机。为提高系统工作效率，皮带传送采用两段速度，完成基板的高/低速传送；伺服系统采用位置控制方式，实现基板的精准上料。
系统设计了手动和自动控制两种工作模式，手动控制模式便于对系统进行维护，操作灵活方便；自动控制模式完成了系统的自动化流程，运行平稳，高效实现了基板上料功能，成功克服了人工上料效率低、易损伤面板等弊端，系统效率高、稳定性好。
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