Value Engineering
0引言
液晶显示面板的制造精度和制程尺寸成为社会关注的焦点，液晶显示玻璃基板作为液晶显示面板的最主要组成部分，有着巨大的发展前景[1]。随着液晶玻璃基板的尺寸不断增大，通过搬运机器人实现高效安全的自动化作业的研究还在摸索当中，相关领域尚处于空白阶段，这严重阻碍了液晶面板行业的发展。研制出动作高效，运行稳定的液晶玻璃基板搬运系统已成为该研究领域的当务之急[2]。
根据上述现状，为了实现企业快速、安全、有效的自动化生产，本文对企业液晶显示玻璃基板生产线进行了详细的应用型研究，并依此设计了一条以PLC为主要控制器，六轴多关节重载机器人与触摸屏为辅的自动化生产线。主要对控制系统的硬件结构进行了详细选型与设计，以及完成了生产线的软件设计与界面设计。经现场实践表明，该系统有效提升了液晶基板生产线的生产效率[3]。
1搬运系统整体方案设计
1.1系统总体设计
该控制系统以PLC作为主要控制器，使用计算机编写程序并传输到PLC中。使用触摸屏进行参数设置后，当PLC收到各个传感器的输入信号，通过横切机控制刀头来对物料进行切割。双机器人通过机器人
控制柜进行控制，来实现掰板和上板操作。使用触摸屏对控制系统的实时信息进行监视，方便操作人在系统运行过程中实时观察。
1.2系统工作流程
该系统为双机器人协作搬运系统，主要由横切机、机器人、传送带三部分组成，系统总体设计如图1所示，系统的整体结构图如图2所示。工作原理为：开始时，机器人收到PLC通过CC-LINK发送给机器人控制柜的信号；当掰板机器人到达指定位置，机械臂减速到接触玻璃基板；手臂吸附玻璃；横切机刀头切割，掰板机器人跟随下拉；机械臂完成掰板并继续下沉到指定位置；掰板机器人运送玻璃至交接位释放玻璃；掰板机器人回收手臂；上板机器人收到信号下行吸附玻璃；上板机器人运送玻璃到传送带指定位置，下行到指定位置真空吸盘释放玻璃；上板机器人回收手臂。若玻璃传送无障碍，则完成一次掰板搬运。机器人继续等待信号完成下一次掰板搬运，直到完成掰板搬运任务。
2机械臂结构设计
由于液晶玻璃基板的特殊性，在它的搬运过程中容易因各种原因停顿而导致的玻璃基板摔碎，且在实际生产中破碎后的玻璃基板碎片无法重新利用，导致良品率下降，所以需要对机器人的末端执行机构进行选型和设计。
液晶显示玻璃基板双机器人搬运系统设计
Design of Double Robot Handling System for LCD Glass Substrate
张世杰ZHANG Shi-jie；陈炜峰CHEN Wei-feng
（南京信息工程大学，南京210000）
（Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing210000，China）摘要：在液晶显示玻璃基板的实际生产中，由于玻璃基板易破碎，且良品率不足，提出了一种新的液晶显示玻璃基板双机器人搬运系统。针对玻璃基板实际生产线的工艺流程，在硬件和软件设计两个方面，分析了液晶显示玻璃基板双机器人搬运系统的构成和基本原理。采用PLC控制与工业机器人，实现掰板上板的自动作业。根据现场实际情况表明，玻璃基板搬运系统运行稳定，满足实际生产要求。
Abstract：In the actual production of liquid crystal display glass substrate,because the glass substrate is easily broken and the yield is insufficient,a new double robot handling system for liquid crystal display glass substrate is proposed.According to the technological process of the actual glass substrate production line,the composition and basic principle of the liquid crystal display glass substrate double robot handling system are analyzed from two aspects of hardware and software design.PLC control and industrial robot are adopted to realize the automatic operation of plate breaking.According to the actual situation,the glass substrate handling system runs stably and meets
the actual production requirements.
关键词：液晶玻璃基板；搬运系统；自动生产线
Key words：LCD substrate；handling system；automatic production line
中图分类号:TP242文献标识码:A文章编号:1006-4311（2022）36-099-03doi:10.3969/j.issn.1006-4311.2022.36.031
———————————————————————
作者简介：张世杰（1997-），男，江苏南京人，硕士，研究方向为工业机器人技术。
掰板机器人
上板机器人
交接位
吸盘
图2系统整体结构图
计算机触摸屏
电磁阀机器人末
端执行器
掰板机器人
控制器
其他设备上板机器人
控制器
机器人
示教器
各轴伺服
各轴伺服
图1系统总体设计图
·99·
价值工程
在液晶基板的生产中，对结净度的要求较高，细小的异物污染也会严重影响液晶基板品质。所以现代工业中常选用加工精度高的真空吸盘，真空吸盘有着结构稳定、更换简单、容易使用、不会产生污染等特点，且真空吸盘为橡胶材料制成，与液晶玻璃基板为柔性接触，对基板的保护作用较强，所以选用真空吸盘作为末端执行机构的执行装置。
工业上吸附玻璃时常采用风琴式吸盘，风琴式吸盘压缩行程适中，但建立真空简单、容易吸附，适用于对吸附力要求较低的上板机器人，确保与掰板机器人交接成功。而掰板机器人与上板机器人实际应用场景不同，所以对真空吸盘选择时需对两个机器人进行单独选择。掰板时需要确保玻璃快速安全的脱落，使用风琴式吸盘吸附力较小，容易出现掰板失败，掰板成功率较低，因此采用吸附力更强的唇式吸盘，唇式吸盘掰板成功率高，能有效提高掰板时成功率。
在其他机构的选型及设计上，提出了以下几个方法来提高良品率：掰板机器人的吸盘架采用了两个展板气缸，展板稳定；展板气缸展板力通过调压阀控制，方便调整展板张力；在此基础上采用下拉式吸
盘架，在掰板后能够实现快速脱离，防止发生顶板；采用集装式真空控制模块，减少安装空间；分组吸盘，全部采用真空发生器控制吸盘，保证吸附成功率；真空压力开关正面放置，顺序排布，方便观察。
3控制系统设计
在搬运过程中为了确保机械臂能够准确到达指定位置且快速高效的运行，液晶玻璃基板控制系统的设计成为了关键。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。在自动化控制方面，PLC有着操作简便、功能多样、运行可靠、反应快速等优点[4]。且液晶玻璃基板控制系统多应用于生产制造企业，因此设计时要充分考虑到整体装置的成本。综上考虑，液晶玻璃基板双机器人协作搬运控制系统采用PLC作为控制核心。
3.1硬件设计
液晶玻璃基板搬运系统硬件部分包含PLC、工业机器人、触摸屏等。根据液晶玻璃基板实际生产线的工艺流程，下面将对搬运系统的硬件进行选型。
由于本控制系统的I/O信号较多，所以这里采用三菱的Q系列Q26UDV作为主控制器，具有容量大、操作简单便捷、发生故障自动记录的特点，且作为高速类型CPU，它在进行数据记录时，可以在指定的期间将采集的数据全部保存，便于对采集的数据进行详细分析。
选择三菱GOT2000触摸屏，型号为GT2512-STBA。该触摸屏显示尺寸为12.1寸，分辨率为800×600，内存容量有存储器（ROM）32MB以及动作用存储器80MB，具有RS232和RS485串行接口以及多个以太网口。具有兼容性强、替换方便、功能多样等特点。
选择QJ71E71型号的以太网模块作为PLC与触摸屏的连接，CC-LINK模块采用QJ61BT11N型号作为信息交互，性能稳定。
双机器人均采用KR210R2700作为研究对象，该机器人适用范围广，支持PROFINET通讯协议，搭配控制器型号为KR C4。
3.2软件设计
液晶基板双机器人搬运系统的有效实现，是以计算机软件技术作为基础的。因此，对于液晶基板双机器人搬运控制系统，软件部分的设计是控制系统中最重要的一个环节，决定了液晶基板搬运机器人的智能化水平和实际应用效果。所以，为了有效优化液晶基板机器人的智能化和自动化控制水平，提高搬运机器人的整体性能，必须对相关软件系统进行科学合理的设计。液晶显示玻璃基板双机器人搬运系统以PLC作为核心，用来协调掰板机器人、上板机器人以及各种其他设备的运动关系，且负责接受系统每个设备的反馈信号。掰板上板机器人和其他设备通过PLC 单独控制，也能两两之间自由通信。使用触摸屏作为人机界面，可以实时通过触摸屏控制PLC，获取数据以及进行数据处理。
3.2.1人机界面设计
三菱GOT2000触摸屏能够实现多种类型的通讯，包括各种类型的PLC、仪表类、变频器以及其他通讯模块。用GOT2000触摸屏作为控制面板能够采集多种设备的数
据，实现多种设备之间的通讯；优化传统控制面板；必要时也能编程，简化PLC控制程序。这里通过三菱GOT2000触摸屏能控制和监视整个双机器人搬运系统。人机界面包括模式选择、设备选择、参数设置、运行状态、报警记录五个功能模块。模式选择包括自动模式与手动模式[5]。设备选择包括掰板机器人与上板机器人，该界面便于观察机器人具体运行状态，对吸盘架手动控制，以便对设备进行调试与检修。参数设置需要操作者根据现场实际需求，对相关设备的参数以及机器人的偏移量与伸缩量进行设置，以便满足企业要求。运行状态能够实时观测各个设备的速度压力等参数以及掰板搬运的基板玻璃数量，方便对各个设备实时运行状态的观察，以便提前发现机器的问题从而进行检修。报警记录能够记录作业过程中的错误信息并记录在触摸屏中[6]。利用GT Designer3设计的掰板机器人用户操作窗口如图3所示。
3.2.2PLC软件设计
PLC用的是三菱Q系列Q26UDV作为主控制器，故用GX Works2进行程序的编辑。PLC作为控制中心，不仅要对双机器人的掰板搬运做出控制，还需要对现场的其他
图3掰板机器人操作窗口
机器人状态机器人操作
机器人准备OK自动联机状态
自动不联机状态
机器人流程异常
机器人自动模式
机器人紧急停止
真空信号
跟随中
不联机状态
原点位
检修位
周期停止
检修停止请求
回原点位去检修位
机器人不使用
吸盘架手动控制
手动模式
展板气缸伸出
展板气缸缩回真空OFF
真空ON
启用备用真空展板开
掰板后展板上板
展板开
掰板
·100·
Value Engineering
设备以及设备之间的协调运动等做出控制。
PLC 程序的控制模式主要由自动模式和手动模式两种
组成。自动模式下设备启动后将循环运行直到出现故障。
手动模式下便于手动完成搬运、
测试及检修，操作方便[7]
。3.2.3工业机器人程序设计
KUKA 工业机器人采用全铝结构，
强度高、负载大。其核心控制器是一台电脑，
操作跟PC 一样，因此极易上手，通讯能力也更强。在保证速度的前提下，
KUKA 机器人的重复定位精度可以达到±0.06mm 。基于以上特征，
本系统选用KUKA 机器人作为掰板搬运机器人。双机器人型号
均为KUKA KR 210R2700六轴多关节重载机器人，该型
号机器人工作空间如图4所示。
KUKA 工业机器人内部集成RSI 通讯接口，KUKA 推
出的应用程序RobotSensorInterface 能够通过IO 系统或者
通过以太网实现机器人控制系统和外部传感器系统之间
的数据交换[8]，按照外部系统的节拍进行周期性的信号处理和分析，对机器人运动或程序运行进行控
制。机器人需要实现曲线平滑功能，以保证机器人不会出现抖动及加速度过大等情况，保证机器人带玻璃平顺运动。掰板机器人掰板后需要加速脱离，确保玻璃基板不会发生碰撞等原因而导致破碎。程序流程图如图5所示。
通过使用KUKA 机器人的仿真编程软件KUKASimPro 来进行离线编程以及仿真运行，
验证可行性和合理性。确认仿真无误后将程序导入机器人控制器中，通过机器人示教器对系统进行关键位置点的示教以及调整[9]，
实现机器人的掰板上板运动。最后通过与PLC 进行联动调试以及信号的交换，
从而完善机器人程序[10]。4系统测试
在液晶面板行业中，生产液晶玻璃基板需要一个快速
而又稳定的系统，好满足企业
对产量和时间的要求。因此对节拍时间的测试极为重要。节拍时间定义为一片玻璃基板从掰板机器人跟随下拉到上
板机器人回到起点所花费的
总时间。在现场实验中，
开始时，掰板上板机器人在各自起
始点等待，掰板机器人收到信号开始掰板，
完成后运送玻璃到达交接位，上板机器人接收信号拿到玻璃并搬运玻璃
基板至传送带指定位置。通过调试现场设备以及简化PLC 与机器人控制器的信号交互时间，车间实际节拍时间为35.7s ，
小于标准节拍时间（41s ），能够满足下游设备的生产节拍，
从而满足了工业生产需求，提高了企业生产效率[11]。
5结论
液晶显示玻璃基板作为液晶显示面板的最主要组成
部分，有着巨大的发展前景。本文基于液晶玻璃基板生产
线的工艺流程和工作原理，
完成了液晶玻璃基板双机器人协作搬运系统设计，
该系统以PLC 为主控制器，六轴多关节重载机器人与触摸屏为辅。
主要完成了掰板上板机器人末端执行机构的结构设计及优化以及PLC 软件的设计。
设计的末端执行机构减少了液晶玻璃基板生产的破损率，
提高了液晶面板制造行业生产效率。
参考文献:
[1]王阳，于涛.工业机器人自动分拣工作站设计[J].机械工程
与自动化，2022（05）：42-44，47.
[2]李玉刚，徐江潮，曹力宁，等.液晶显示面板自动断裂技术
的研究[J].机械管理开发，2021，36（07）：216-218，293.
[3]张彭朋.液晶玻璃基板搬运机械臂系统及控制研究[D].武汉科技大学，2019.
[4]王晓燕.基于PLC 的液晶玻璃基板自动上料控制系统[J].
兵器装备工程学报，2020，41（09）：176-181.
[5]马廷辉.草莓采摘机械臂精准化控制算法分析[J].农机化研究，2021，43（05）：23-27，34.
[6]秦辉，武杰，刘向勇.六轴机器人在大型玻璃基板自动上料中的应用[J].机械管理开发，2018，33（06）：187-189.
[7]徐伟豪，张武，左冠鹏，等.基于STM32的茶园灌溉远程控
制系统[J].江汉大学学报（自然科学版），2020，48（01）：73-80.[8]王佩蓓.工业机器人末端执行器抓取与移动功能的改进实
践[J].集成电路应用，2022，39（10）：196-197.[9]Guanhua Li,Wei Dong Zhu,Huiyue Dong,Yinglin Ke.Error
liyugangcompensation based on surface reconstruction for industrial robot on two-dimensional manifold[J].The Industrial Robot,2022,49(4).
[10]Hong Lianying,Liu Xujun,Zhan Huiwen,Han Feng.Use of
industrial robots and Chinese enterprises ’export quality upgrading:Evidence from China [J].The Journal of International Trade &Economic Development,2022,31(6).
[11]张彭朋，周敏.液晶基板生产线搬运控制系统设计[J].组合机床与自动化加工技术，2019（09）：111-113，123.图5程序流程图
结束Y N 执行结束执行轨迹并
补偿
计算位置误差连接机器人
初始化
坐标系变换实测位置开始图4KUKA KR 210R2700型机器人工作空间
-185°+185°·101·