1 系統(tǒng)概述
1.1 真空灌膠的原理
真空灌膠系統(tǒng)[1]是在普通灌膠機的基礎(chǔ)上，通過控制真空泵的抽吸，使密封設(shè)備內(nèi)的氣壓達到生產(chǎn)產(chǎn)品所設(shè)定的負壓值，然后開始灌膠，在灌膠的過程中進行分步灌膠，即不斷的泄壓注膠再泄壓再注膠，這個過程可以把注入到產(chǎn)品里的膠水氣泡都擠壓出來，從而實現(xiàn)真空環(huán)境下灌膠的方案。
1.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計思想
控制器設(shè)計的硬件思路為根據(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，將無法實現(xiàn)真空灌膠。真空泵的選型時，通過對工藝要求達到的真空度、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，以此實現(xiàn)真空的工藝指標[2]。
在生產(chǎn)過程中真空泵以及真空閥和泄壓閥協(xié)同工作，實現(xiàn)真空灌注的環(huán)境。當產(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，使得真空達到設(shè)定值，實現(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是基于工控機的軟PLC。軟PLC是使用PC作為硬件支撐平臺，利用軟件實現(xiàn)硬PLC的功能，也就是將PC開放性和PLC的可靠性等優(yōu)點結(jié)合在一起。同時，軟PLC 綜合了計算機和 PLC的開關(guān)量控制、模擬量控制、數(shù)學運算、網(wǎng)絡(luò)通訊和PID調(diào)節(jié)等功能，通過一個多任務(wù)內(nèi)核，提供強大的指令集，快速而準確的掃描周期、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
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)控制計算機，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)的實現(xiàn)?；诔杀镜目紤]，所以會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PLC, 也不需要單獨在灌膠系統(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)更容易實現(xiàn)，使用起來更加方便。
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
為了設(shè)計成本和真空功能的實現(xiàn)，選擇了輸入和輸出混合的端子模塊，來實現(xiàn)抽真空閥、快泄壓閥、慢泄壓閥、門開關(guān)氣缸的動作和門開關(guān)傳感器的信號的采集等等。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
2.3.1 真空控制系統(tǒng)的程序設(shè)計
在實現(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)定好的真空值對設(shè)備內(nèi)部進行抽真空，當真空達到設(shè)定值的范圍內(nèi)，可以對產(chǎn)品進行灌膠，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
在整個自動化灌膠過程中，在真空值控制是慣性滯后比較大的對象且真空值的穩(wěn)定性非常重要，會大大影響了產(chǎn)品不得灌裝效果以及產(chǎn)品質(zhì)量。如果實際的真空值超出設(shè)定的范圍值，那么灌膠系統(tǒng)會立刻停止灌膠，且認為這些灌膠產(chǎn)品是壞件，會極大程度上影響產(chǎn)品的合格率和生產(chǎn)效率，這樣無法實現(xiàn)真空灌膠的優(yōu)勢。為了實現(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)包含的標準功能，這樣可以大大節(jié)省實現(xiàn)系統(tǒng)的時間成本，而且標準的功能已經(jīng)過較長時間的驗證，可靠性和穩(wěn)定性相對比較完善。 這里PID功能的表達式為：
實現(xiàn)PID控制功能的程序模塊為：
IFBVacuum_PID(
ACTUAL:=LREAL_TO_REAL(i_lrCurrentVacuumValue),//當前真空值
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,//復位
Y=>rVacuumValue//真空值
LIMITS_ACTIVE=>xlimitactive//監(jiān)控上下限窗口值
OVERFLOW=>xoverflow)// 數(shù)值過大溢出
在生產(chǎn)和實際使用過程中，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)實際情況隨時對文件進行讀寫操作，這樣可以更好地發(fā)揮PID對真空控制的調(diào)節(jié)作用。
2.3.2 真空控制系統(tǒng)的界面設(shè)計
為了便于使用和維護，設(shè)計了真空控制系統(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)試包括手動調(diào)試和自動調(diào)試。手動調(diào)試對真空控制系統(tǒng)中的單個子功能進行點動測試，而自動測試則是確保所有的程序按照軟件執(zhí)行。若在調(diào)試的過程中發(fā)現(xiàn)問題，可以及時修改和完善程序。
2.4.2 性能測試
為了驗證真空控制系統(tǒng)的可行性，對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。通過下表，可以看到，真空壞境下灌膠的產(chǎn)品氣泡只有15%，遠遠低于正常大氣壓下的75%， 說明灌膠過程中的氣泡問題被明顯改善了，所以此真空控制系統(tǒng)的可以滿足工藝要求。
表1 灌裝效果對比
3 結(jié)語
針對電子零件產(chǎn)品在正常氣壓下灌膠氣泡較多的問題，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)計了真空部分的控制系統(tǒng)，并使用PID控制來實現(xiàn)。該真空控制系統(tǒng)可以保證產(chǎn)品固化以后的質(zhì)量，且促進灌膠產(chǎn)品的新發(fā)展。
