劉明　王金良

摘 要 根據(jù)消費電子領(lǐng)域客戶提出的加工工藝要求，設(shè)計一種全自動的數(shù)控玻璃鉆孔機床，采用兩軸聯(lián)動的數(shù)控十字工作臺，用數(shù)控系統(tǒng)控制，裝有四套氣動夾具，相對應(yīng)的配有四套高轉(zhuǎn)速的速技能動力頭，一次可同時加工四個零件。用數(shù)控裝置和伺服系統(tǒng)驅(qū)動，實現(xiàn)高精度自動化加工。

關(guān)鍵詞 玻璃鉆孔機;數(shù)控十字滑臺;速技能動力頭;數(shù)控裝置和伺服系統(tǒng)

中圖分類號： TG527 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.02.033

0 前言

數(shù)控玻璃鉆孔機床是一種用于消費電子領(lǐng)域超薄玻璃的鉆孔加工機床;隨著電子消費市場的高速發(fā)展，更多的LED顯示屏和觸摸屏采用了玻璃材料，數(shù)控玻璃鉆孔機床的市場需求也越來越大。

消費電子領(lǐng)域的特點是產(chǎn)品生產(chǎn)批量大、品種多、更新?lián)Q代周期短，對加工超薄玻璃的鉆孔加工機床提出了高速度、高精度、快節(jié)拍和調(diào)整方便的工藝要求。該數(shù)控玻璃鉆孔機床具有體積小、加工精度高、加工速度快、生產(chǎn)效率高、操作調(diào)整方便等特點。由于超薄玻璃的特別容易破碎，因而在鉆孔加工時，對動力頭的轉(zhuǎn)速、進給速度的控制、鉆頭的選擇、夾緊力的大小等等都有較高的要求。

1 機床結(jié)構(gòu)與工藝過程

根據(jù)消費電子領(lǐng)域客戶提出的加工工藝要求，設(shè)計一種全自動的數(shù)控玻璃鉆孔機床（見圖1），數(shù)控玻璃鉆孔機床由床身底座、數(shù)控電控裝置、動力頭支架、速技能動力頭、操作站、數(shù)控十字工作臺、夾具、氣路系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)等部件組成。現(xiàn)就其主要部分進行分別說明。

1.1 數(shù)控十字工作臺

1.伺服電機 2.Y方向傳動電機座 3.同步帶 4.同步帶輪 5.滾珠絲桿及螺母 6.工作臺臺板 7.軸承座

我們結(jié)合數(shù)控加工技術(shù)，研制了一種X-Y數(shù)控十字工作臺立式玻璃鉆孔加工設(shè)備。將工作臺設(shè)計成可X-Y二坐標的、可高速聯(lián)動的工作臺，用高精度滾珠絲杠和精密直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)（見圖2和圖3），用數(shù)控裝置和伺服系統(tǒng)驅(qū)動，工作時實現(xiàn)高精度、高速度運動;數(shù)控十字工作臺的臺面尺寸為1300mmX650mm，X軸行程為450mm，Y軸行程為300mm，采用上下雙層結(jié)構(gòu)，每一層采用有伺服電機和滾珠絲桿傳動機構(gòu)的精密直線導(dǎo)軌模塊，構(gòu)成了X-Y二坐標聯(lián)動的上下兩層的工作臺。每層為兩個相互平行的直線導(dǎo)軌模塊，兩層的直線導(dǎo)軌模塊間相互垂直。下層的Y向直線導(dǎo)軌模塊的底座與床身底座固定連接;上層的X向直線導(dǎo)軌模塊的底座與Y向直線導(dǎo)軌模塊的滑塊連接。在X向的上層工作臺面上安裝有四套氣動夾具;臺面采用鋁合金材料制造，表面氧化處理。

1.伺服電機 2.Y方向傳動電機座 3.同步帶 4.同步帶輪 5.滾珠絲桿及螺母 6.工作臺臺板 7.軸承座

1.2 速技能動力頭

數(shù)控玻璃鉆孔機床的動力頭安裝支架上平行裝有4套日本速技能公司生產(chǎn)的風(fēng)電式動力頭，其型號為ES3C-6030L，其工作轉(zhuǎn)速為3000rpm/min，主軸旋轉(zhuǎn)采用高速電機驅(qū)動，進給則采用氣動加液壓阻尼器來實現(xiàn)，而調(diào)整液壓阻尼器的阻尼大小可根據(jù)加工工藝要求來調(diào)節(jié)進給速度，方便可靠。

速技能動力頭具有以下特點：

1.2.1 高精度

該動力頭采用剛性主軸結(jié)構(gòu)，主軸軸承使用雙支承的精度高的向心推力球軸承，主軸的徑向跳動在0.003mm/130mm，軸向串動在0.002mm。

1.2.2 高剛性

采用軸向?qū)к壍淖詫?dǎo)向結(jié)構(gòu)，大幅度提高了整體的剛性，充分保證了孔加工的穩(wěn)定性。

1.2.3 高性能

主軸端部具有雙重密封結(jié)構(gòu)和便于靈活安裝和調(diào)整的圓形殼體，保證軸承的使用壽命，能滿足多樣化孔加工的要求。

1.3 夾具

在X向的上層工作臺面上安裝有四套氣動夾具用于裝夾被加工的玻璃零件（見圖4）。由于被加工零件材料為玻璃，因而采用聚氨酯材料作為其平面和側(cè)面定位元件，側(cè)面定位是X和Y方向一面固定，另一面用裝在微型氣缸前端的定位頭輕輕推緊，以保證定位可靠;夾緊時由氣缸推動傳動軸轉(zhuǎn)動，帶動2個壓板同步擺動可松開或夾緊工件;調(diào)節(jié)氣路系統(tǒng)的氣壓大小即可調(diào)節(jié)夾緊力的大小。

在夾具裝配過程中，必須要保證四套夾具中X和Y方向定位尺寸的一致性，在側(cè)面定位的X和Y方向的固定端配有可修磨的調(diào)整墊片，以方便尺寸的調(diào)整。

1.4 工藝過程

數(shù)控玻璃鉆孔機床的鉆孔加工工藝流程如下：

將加工的玻璃零件分別放置在四套夾具上，按下啟動按鈕，首先定位氣缸將零件精確定位后，兩側(cè)的夾緊氣缸將玻璃零件夾緊（夾緊力量適中），數(shù)控十字工作臺（臺板上裝有四套夾具）在兩軸數(shù)控系統(tǒng)（聯(lián)動）的驅(qū)動下從坐標原點快速移至第一個加工位置，四套速技能動力頭主軸啟動，同時，冷卻電磁閥打開并工作，并快速接近工件后由快進轉(zhuǎn)換為工進，第一工位加工結(jié)束后動力頭主軸快退至原位;數(shù)控十字工作臺在兩軸數(shù)控系統(tǒng)（聯(lián)動）的驅(qū)動下從坐標原點快速移至第二個加工位置，重復(fù)循環(huán)，直到四個孔全部加工完畢，冷卻電磁閥關(guān)閉并停止工作，數(shù)控十字工作臺退回原位，定位元件自動退回，壓板全部松開，加工全過程結(jié)束。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)加工零件的工藝設(shè)計要求，設(shè)計的控制系統(tǒng)功能框圖（如圖5所示），該框圖顯示了整個系統(tǒng)功能的主要電氣控制功能模塊及系統(tǒng)的組成部分。

2.1 伺服電機控制

本系統(tǒng)采用FANUC高速伺服電機控制位置;傳統(tǒng)的伺服電機基本上采用了更早的步進電機脈沖控制的方式，使用脈沖位置控制時該方式接收到1個脈沖，就會旋轉(zhuǎn)1個脈沖對應(yīng)的角度，從而實現(xiàn)位移，一般脈沖控制的的精度為10000/圈，如果傳動機構(gòu)的絲桿導(dǎo)程為10MM，每個脈沖當(dāng)量的精度為10mm/1000=0.001mm，為了更好配合數(shù)控系統(tǒng)的控制，本次系統(tǒng)設(shè)計伺服電機采用高速通信型伺服電機，通信速度>10M/S（1000000次/s），電機編碼器采用高精度23位編碼，即每一圈的有2的23次方的脈沖數(shù)（8388608）遠高于傳統(tǒng)增量式編碼器，X軸進給控制、Y軸進給控制，經(jīng)過數(shù)控系統(tǒng)的插補算法，實現(xiàn)X軸和Y軸伺服電機的插補運動，系統(tǒng)定位是通過G00指令快速定位鉆孔位置。

2.2 主軸電機控制

通過四個接觸器來分別控制四個三相異步電機，實現(xiàn)主軸啟動和停止。

2.3 FANUC系統(tǒng)

本次采用的FANUC系統(tǒng)主要由以下五部分組成：儲存器（RAM）、驅(qū)動器、運算器（CPU）、輸入設(shè)備（INPUT）、輸出設(shè)備（OUTPUT）。運算器（CPU）的主要作用就是負責(zé)執(zhí)行計算機的指令，是處理和運算信息的重要部件。而驅(qū)動器是有序列的執(zhí)行計算機內(nèi)各部件的程序。儲存器（RAM）的主要作用是存放程序、運算結(jié)果、參與運算這三方面。輸出設(shè)備是將這些信息的處理結(jié)果進行輸出。輸入設(shè)備中所輸入的信息包含了圖形、數(shù)字、聲音等主要是將原始的數(shù)據(jù)輸入并對這些數(shù)據(jù)進行處理。本專用機床采用了FANUC數(shù)控系統(tǒng)的操作面板，采用高性能的數(shù)控系統(tǒng)進行控制，包括玻璃的長寬高、打孔位置，打孔數(shù)量等，控制精度（脈沖當(dāng)量）：0.001-0.002MM，定位進給速度：10米/min，實現(xiàn)玻璃鉆孔加工的高度自動化控制，消除人工定位產(chǎn)生的加工誤差，有效的減輕工人的勞動強度。

2.4 開關(guān)量

包含輸入輸出，輸入包括進給電機軸的零點檢測信號，極限位置信號玻璃的檢測信號，夾具位置信號，電機啟停信號，安全距離檢測信號等，輸出信號包括氣缸的動作，水路的控制和一些安全繼電器的控制等。

2.5 夾具夾緊壓力控制

本專機需要對機床夾具壓力進行控制，壓力過大容易壓碎玻璃，壓力過小則夾不緊玻璃，而且在加工過程中需要保持壓力的穩(wěn)定，防止加工過程中壓力過大過小，造成加工玻璃零件的損壞。為了實現(xiàn)壓力的精確控制，本次氣動系統(tǒng)采用SMC ITV-2050-312L電氣比例閥控制氣壓，可實現(xiàn)0.01Bar高精度壓力控制;數(shù)控系統(tǒng)通過模擬量0-20mA信號輸出給氣動比例閥，閥體內(nèi)自帶有PID控制算法，可以精確穩(wěn)定的控制氣壓的大小，而且閥體內(nèi)自帶有壓力傳感器，可同時將當(dāng)前的實際氣壓大小通過模擬量信號傳回數(shù)控系統(tǒng)（CNC），以便數(shù)控系統(tǒng)對氣壓進行監(jiān)控。

2.6 編碼器

用于反饋數(shù)控十字工作臺的軸向位置信息。

2.7 抗干擾設(shè)計

在工業(yè)現(xiàn)場工作的控制設(shè)備必須考慮到現(xiàn)場干擾影響，特別是對于數(shù)控系統(tǒng)控制的設(shè)備，需具備低電壓，高頻率的工作能力，抗干擾設(shè)計分為硬件抗干擾和軟件抗干擾設(shè)計。

2.7.1 硬件抗干擾設(shè)計

硬件抗干擾設(shè)計很重要，特別對于含有380V高壓的應(yīng)用場合，是減小干擾的重要手段。其中包括電氣安裝時的接地設(shè)計，濾波電容，光電耦合，外加屏蔽金屬電纜等措施，在通信電纜（通信線，編碼器線）均采用帶有屏蔽層的雙絞線，說有的輸入輸出均有光電耦合，繼電器隔離輸出的方式輸出。

2.7.2 軟件抗干擾設(shè)計

為防止系統(tǒng)崩潰，軟件方面主要采用看門狗的技術(shù)方式，通過不停的喂狗來判斷系統(tǒng)的運行狀況。

3 結(jié)束語

基于數(shù)控玻璃鉆孔機床的工藝流程，對數(shù)控玻璃鉆孔機床結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進行了相關(guān)研究，用數(shù)控系統(tǒng)對十字工作臺進行控制，使得該機床具有運行響應(yīng)速度快、定位準確可靠、穩(wěn)定性好、生產(chǎn)效率高、操作方便等特點。該設(shè)備已批量投入生產(chǎn)，已在多家企業(yè)投入應(yīng)用，加工質(zhì)量和性能指標完全滿足LED顯示屏玻璃加工的工藝要求，完全替代進口設(shè)備。

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