1 系統(tǒng)概述

1.1 真空灌膠的原理

真空灌膠系統(tǒng)[1]是在普通灌膠機(jī)的基礎(chǔ)上，通過(guò)控制真空泵的抽吸，使密封設(shè)備內(nèi)的氣壓達(dá)到生產(chǎn)產(chǎn)品所設(shè)定的負(fù)壓值，然后開始灌膠，在灌膠的過(guò)程中進(jìn)行分步灌膠，即不斷的泄壓注膠再泄壓再注膠，這個(gè)過(guò)程可以把注入到產(chǎn)品里的膠水氣泡都擠壓出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)真空環(huán)境下灌膠的方案。

1.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想

控制器設(shè)計(jì)的硬件思路為根據(jù)灌膠設(shè)備空間的大小和真空度等工藝要求選擇合適的真空泵，還有控制真空抽吸的閥，以及泄壓是的控制閥等。其中真空泵的選型尤為關(guān)鍵，如果真空泵選型不對(duì)，將無(wú)法實(shí)現(xiàn)真空灌膠。真空泵的選型時(shí)，通過(guò)對(duì)工藝要求達(dá)到的真空度、抽氣速率和真空泵的噪音等因素的考量，為真空灌膠系統(tǒng)選擇合適的真空泵，以此實(shí)現(xiàn)真空的工藝指標(biāo)[2]。

在生產(chǎn)過(guò)程中真空泵以及真空閥和泄壓閥協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)真空灌注的環(huán)境。當(dāng)產(chǎn)品被放置在密封的設(shè)備內(nèi)，抽真空的閥打開，真空泵開始抽吸，按照產(chǎn)品的工藝參數(shù)設(shè)置，使得真空達(dá)到設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)真空注膠。

2 基于軟PLC的控制系統(tǒng)的組成和軟件

2.1 軟PLC簡(jiǎn)介

基于成本考慮，選擇灌膠系統(tǒng)的控制器作為真空控制系統(tǒng)的控制器。主控制器上安裝的 TwinCAT軟件。TwinCAT是基于工控機(jī)的軟PLC。軟PLC是使用PC作為硬件支撐平臺(tái)，利用軟件實(shí)現(xiàn)硬PLC的功能，也就是將PC開放性和PLC的可靠性等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起。同時(shí)，軟PLC 綜合了計(jì)算機(jī)和 PLC的開關(guān)量控制、模擬量控制、數(shù)學(xué)運(yùn)算、網(wǎng)絡(luò)通訊和PID調(diào)節(jié)等功能，通過(guò)一個(gè)多任務(wù)內(nèi)核，提供強(qiáng)大的指令集，快速而準(zhǔn)確的掃描周期、可靠的操作和可連接各種I/O系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)的開放式結(jié)構(gòu)。

2.2 真空控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 真空控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

真空灌裝系統(tǒng)主要由兩個(gè)部分組成灌裝部分和真空部分，控制器選擇安裝軟PLC的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，由于真空灌裝系統(tǒng)是在大氣壓灌裝系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出的新的工藝要求，所以本文主要討論真空控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。基于成本的考慮，所以會(huì)將真空的硬件配置組合在灌裝系統(tǒng)中，這樣就可以和灌膠系統(tǒng)共用一個(gè)PLC, 也不需要單獨(dú)在灌膠系統(tǒng)和真空系統(tǒng)中配置通訊接口，這樣的配置方式使得真空控制系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)，使用起來(lái)更加方便。

真空控制系統(tǒng)的選用的硬件都是支持EtherCAT通訊的模塊，與灌膠控制系統(tǒng)的通訊方式一致，模塊包括包括總線耦合器、輸入輸出混合模塊、模擬量輸入模塊等，可以直接添加到灌膠系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)中。真空控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖 1 真空控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 真空控制系統(tǒng)的電氣設(shè)計(jì)

為了設(shè)計(jì)成本和真空功能的實(shí)現(xiàn)，選擇了輸入和輸出混合的端子模塊，來(lái)實(shí)現(xiàn)抽真空閥、快泄壓閥、慢泄壓閥、門開關(guān)氣缸的動(dòng)作和門開關(guān)傳感器的信號(hào)的采集等等。真空控制系統(tǒng)的電氣原理如圖2所示。

2.3 真空控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 真空控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

在實(shí)現(xiàn)真空控制系統(tǒng)的工藝要求和控制策略的前提下，由于真空控制系統(tǒng)是屬于在灌裝控制系統(tǒng)中的一部分，在工件放入后將門關(guān)上以保證設(shè)備密閉，按照已經(jīng)設(shè)定好的真空值對(duì)設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行抽真空，當(dāng)真空達(dá)到設(shè)定值的范圍內(nèi)，可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行灌膠，為了滿足產(chǎn)品內(nèi)沒有氣泡，需要邊灌膠邊泄壓。具體的控制流程如圖3所示。

圖3 控制程序流程圖

在整個(gè)自動(dòng)化灌膠過(guò)程中，在真空值控制是慣性滯后比較大的對(duì)象且真空值的穩(wěn)定性非常重要，會(huì)大大影響了產(chǎn)品不得灌裝效果以及產(chǎn)品質(zhì)量。如果實(shí)際的真空值超出設(shè)定的范圍值，那么灌膠系統(tǒng)會(huì)立刻停止灌膠，且認(rèn)為這些灌膠產(chǎn)品是壞件，會(huì)極大程度上影響產(chǎn)品的合格率和生產(chǎn)效率，這樣無(wú)法實(shí)現(xiàn)真空灌膠的優(yōu)勢(shì)。為了實(shí)現(xiàn)真空系統(tǒng)控制的較好的品質(zhì)和較高的穩(wěn)態(tài)精度，在此選擇了算法不復(fù)雜且可靠性高的PID[2]控制方式。這里的PID控制是軟PLC中已經(jīng)包含的標(biāo)準(zhǔn)功能，這樣可以大大節(jié)省實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的時(shí)間成本，而且標(biāo)準(zhǔn)的功能已經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的驗(yàn)證，可靠性和穩(wěn)定性相對(duì)比較完善。 這里PID功能的表達(dá)式為：

實(shí)現(xiàn)PID控制功能的程序模塊為：

IFBVacuum_PID(

ACTUAL:=LREAL_TO_REAL(i_lrCurrentVacuumValue),//當(dāng)前真空值

SET_POINT:=rVacuumValue Setpoint,//真空設(shè)定值

KP:=rKP,//PID調(diào)節(jié)的比例參數(shù)

TN:=rTN,//PID調(diào)節(jié)的積分參數(shù)

TV:=rTV,//PID調(diào)節(jié)的微分參數(shù)

Y_MIN:= DINT_TO_REAL(i_diMin Vacuum),//真空值下限

Y_MAX:= DINT_TO_REAL(i_diMax Vacuum),//真空值上限

RESET:=xRESET,//復(fù)位

Y=>rVacuumValue//真空值

LIMITS_ACTIVE=>xlimitactive//監(jiān)控上下限窗口值

OVERFLOW=>xoverflow)// 數(shù)值過(guò)大溢出

在生產(chǎn)和實(shí)際使用過(guò)程中，為了便于PID參數(shù)的調(diào)節(jié)和其他相關(guān)變量的設(shè)定修改，將這些變量存放在XML中，操作人員可以根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)對(duì)文件進(jìn)行讀寫操作，這樣可以更好地發(fā)揮PID對(duì)真空控制的調(diào)節(jié)作用。

2.3.2 真空控制系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)

為了便于使用和維護(hù)，設(shè)計(jì)了真空控制系統(tǒng)的界面，如圖4所示。

圖4 真空控制界面

2.4 控制系統(tǒng)的調(diào)試與性能測(cè)試

2.4.1 系統(tǒng)調(diào)試

控制系統(tǒng)的調(diào)試分為硬件的檢查和軟件調(diào)試。 硬件的檢查包括電氣元件的正確安裝、接線正確等。 軟件的調(diào)試包括手動(dòng)調(diào)試和自動(dòng)調(diào)試。手動(dòng)調(diào)試對(duì)真空控制系統(tǒng)中的單個(gè)子功能進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)測(cè)試，而自動(dòng)測(cè)試則是確保所有的程序按照軟件執(zhí)行。若在調(diào)試的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，可以及時(shí)修改和完善程序。

2.4.2 性能測(cè)試

為了驗(yàn)證真空控制系統(tǒng)的可行性，對(duì)比正常大氣壓下灌膠和真空環(huán)境下灌膠的效果，在相同的溫度、濕度的環(huán)境下，各生產(chǎn)20件產(chǎn)品，效果分析如表1。通過(guò)下表，可以看到，真空壞境下灌膠的產(chǎn)品氣泡只有15%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于正常大氣壓下的75%， 說(shuō)明灌膠過(guò)程中的氣泡問(wèn)題被明顯改善了，所以此真空控制系統(tǒng)的可以滿足工藝要求。

表1 灌裝效果對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)電子零件產(chǎn)品在正常氣壓下灌膠氣泡較多的問(wèn)題，提出了在線式真空灌膠的控制系統(tǒng)。由于灌膠系統(tǒng)是真空灌膠控制系統(tǒng)的前提，所以本文只設(shè)計(jì)了真空部分的控制系統(tǒng)，并使用PID控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。該真空控制系統(tǒng)可以保證產(chǎn)品固化以后的質(zhì)量，且促進(jìn)灌膠產(chǎn)品的新發(fā)展。