自动精密玻璃切割机

加嘶年11月 第15卷第4期 中央民族大学学报(自然科学版) JournaloftheCUN(NatllmlSciencesEdition) Nov．2006 V01．15No．4 自动精密玻璃切割机的设计 李 敏 (中央民族大学物理与电子工程学院，北京100∞1) ■曩： 本文重点介绍液晶产品生产线上不可缺少的基础设备——精密玻璃切割机的设计，包括切割机的 工作原理、切割机部分关键部件的结构特点、切割机所能达到的精度等． 美■诩：切割机；玻璃；滚动丝杠；精度 中圈分类号：。IH．39 文献标识码：A 文章编号：l∞5．8036(2006)04．037m04 1 引 言 随着液晶产业的不断发展，液晶加工设备的需求显得愈发重要．自动精密玻璃切割机是液晶生产线 上不可缺少的基础设备，用它可将大块基板切割成任何需要的尺寸．由于它也可用于切割太阳能电池基 板、医用玻璃基板及其他电子玻璃，因此也适用于电子玻璃行业，这是一个高精度、高技术的机电一体化 设备．我国国内液晶行业起步比较晚，直至上个世纪末国内还没有一个厂家能够生产出像样的此类设 备，许多玻璃行业或靠传统的手工划线、或依赖进口国外设备．手工划线效率很低，不能满足液晶行业迅 速发展的需要；当时国外虽然已有日本、美国等国生产这种产品，但进口设备不仅价格昂贵，还要受国外 的技术制约．为了适应行业发展的需要，在清华大学液晶中心的支持下，受国内若干液晶行业厂家的委 托。笔者以原北京天达机电技术公司为依托，于1995年开始合作研制rIS—l型切割机，当时仅用8个月 的时问就研制并成功生产出了该产品，其性能和精度完全符合国际水平．纵观近10年来国内生产的类 似设备。许多都是在笔者原始设计的基础上进行改进的，本设计不仅解决了生产上的难题，也为国家节 约了大量外汇． 下面就自动精密玻璃切割机的工作原理、关键部件的结构特点以及切割机所能达到的设计精度进 行一些介绍与分析． 2 切割机的工作原理 自动精密玻璃切割机的工作原理是先将被切割的玻璃采用真空吸附法固定在机器的工作台上，这 种固定方法既牢固又能保证玻璃基板不易变形和损坏，考虑到液晶基板的规格尺寸，工作台还设置了不 同的分区．带有金刚石刀轮的切割头靠程序控制分别沿x向和Y向移动，对基板进行切割，最初设计时 机器的控制部分是用CNC(computernumbercontr01)控制，后来又改用更先进的PLC(pmgmmlogiccontml) 收稿日期：2006．05．02 作者简介：李敏(1960一)。女(汉族)，北京市人，中央民族大学物理与电字工程学院高级工程师 万方数据 第4期 李敏：自动精密玻璃切割机的设计 可编程逻辑控制器控制．驱动部分采用了先进的交流伺服电机(图1)，切割头Y向移动是靠Y向电机带 动Y向精密滚珠丝杠旋转，再由与丝杠配套的丝母带动刀桥沿Y向导轨作直线运动，同时切割头可在 刀桥上沿x向移动，它是靠x向电机带动x向丝杠，再由丝母带动切割头沿x向导轨作直线运动实现 的．选用的伺服电机码盘有2000线／圈，而丝杠导程为10mm，因此分辨率可达lo／2000=O．005mm=5肛， 也就是说，机器的位移精度很高．PLC还用来控制电磁阀，再由电磁阀控制切割头，使刀轮自动进行90。 旋转和抬／落刀，从而可方便地对液晶等玻璃面进行切割，，因为采用的都是滚动丝杠和滚动导轨，尽管 切割头运动速度较快，但整个机器动作灵活且噪音较小．为了能够切割到基板的准确位置，该设备除了 在工作台上设有定位销对基板粗略定位外，还采用了ccD摄像头对基板上的标记进行精确对位，为了 方便CCD对部件的对位调整，还专门设计了摄像部分的调整装置，使切割对线精度更高．为满足用户的 不同需要，通过PLc控制，切割玻璃时本机还设定了手动和自动两种形式，从而使操作更加便利． 图1切割机的俯视结构 Fig．1Lookdown8tnlcture0fmachineofinci8inggl聃s 3 切割机关键部件的结构特点 3．1滚动丝杠的特点及选择 滚动丝杠是在螺杆和螺母之间装入一定量的等直径滚珠，使滑动摩擦变为滚动摩擦的传动，它具有 以下特点：(1)传动效率高，一般可达90％以上，约为滑动螺旋传动效率的3倍．(2)经调整预紧后，可得 到无间隙传动，因而具有较高的定位精度和轴向刚度．(3)磨损小、寿命长、维修简单． 丝杠两端的支撑方式通常有以下几种：固定一自由式、固定一支撑式、固定一固定式．考虑在机床中 切割机属于高精度、中等回转速度的设备，因此，本设计选用的是一端固定，一端支撑的方式． 由于随着滚珠螺杆转数的提高，逐渐接近螺杆的固定振动频率，会发生共振而不能继续转动，因此 一定要在共振点(1临界速度)以下使用，为了既能提高行进速度，又不用使电机速度很高，需要选用大导 程的丝杠，设定导程P=10mm，但这种丝杠要保证精度在直径d<20mm时很难制造，且制造成本将成倍 上升，从切割机的结构考虑，亦不可选用过粗的丝杠，因此，所选择的丝杠直径应为d=20mm． 确定了丝杠尺寸后，就要验算滚珠丝杠在使用条件下，在轴向被施加最大压缩负荷时，丝杠是否能 不发生挫曲变形；为提高丝杠的定位精度，要计算其刚性；为提高丝杠的使用寿命，要计算其强度等．经 过各种验算后⋯，证明所选滚动丝杠的规格尺寸完全符合切割机的性能要求． 万方数据 中央民族大学!学报(自然科学版) 第15卷 3．2导轨的结构特点 由于切割机对运动的灵活性要求较高，滑动导轨不容易满足要求，～般的滚动导轨也不易达到要 求，因此选择了图2所示的滚动轴承导轨．这种导轨的特点是摩擦系数小，运动平稳，轻便、灵活，运动所 需功率小，摩擦发热少，磨损小，因而能长期保持良好的移动定位精度，同时润滑简单12j．由于x向跨距 大，所以Y向要用两套导轨滑车系统，x向用一套导轨滑车系统，每个滑车上都带有12个滚动轴承，如 图2布局，分别起支撑和导向等不同作用．这种导轨形式看似复杂，但调整方便．同时还可以使轴承适当 预紧，以保证运动的平稳性．这种结构还可对导轨精度进行定期人工调节补偿．另外，考虑对导轨清洁的 要求，笔者在设计中加入了防尘刮板，用以随时刮掉导轨上的粉尘． 幽2切割机的主机结构 Fig．2nleelevationofmachineofincisingglas8 3．3摄像调整装置的功能特点 为使机器上的ccD摄像系统瞄准对线方便，特别设计了摄像调整装置，对这部分的要求是结构简 单、尺寸小巧，尽管这样，但功能并不能少，它能在x、Y向大行程范围粗调整摄像系统的位置，以便适应 不同规格尺寸的玻璃基板，z向的粗调没有必要，因为已由仪器结构确定了摄像头大致的工作距离．为 保证对线定位精度，光有粗调是绝对不够的，因此在x、Y、z三个方向还设计了精调机构，z向精调主要 是为适应不同厚度的玻璃基板而设计的。精调机构分别用千分螺杆(x、Y向)和齿轮齿条(z向)来调节 位置，精调行程范围都在20mm左右，并且在任意位置都能牢固的锁紧． 4 切割机所能达到的设计精度 切割机的精度主要是指所切割刻线的间距误差，对刻线间距有直接影响的误差有：导轨 (1)导轨与丝杠不平行造成的误差：(如图3)它引起的误差DB是二次误差，且调整 时我们很容易调到Bc=o．03mm，因此其值可以忽略． (2)丝杠累计误差：查样本得所选c，级丝杠累汁代表导程误差△。=±o．02lmm，由 于本机有消空程。因此丝杠游隙误差可不汁． (3)导轨直线度误差可以做到0．01．．．．△。=±0．005mm (4)电器部分误差：电器部分最多可差一个分辨率0．005√．△。=±0．0025InIn 对刻线间距有间接影响的误差包括： (1)导轨滚动轴承误差：D级1000095为5肛’．．．△婶轴=±0．0025nlm (2)丝杠支撑轴承误差：D级202为7ft(外圆径跳)’．．．△鲐轴=±0．0035mm (3)切割头刀轮本身具有自动找正功能，因此它的安装误差可忽略． 以上误差中，直接影响项按系统误差处理，间接影响项按偶然误差处理．则 图3误差汁算 Fig3 (：al(-ulalio“ 万方数据 第4期 李敏：自动精密玻璃切割机的设计 373 定位误差：阮=±f侄§塾±熊塑 ～ 2 +△地+△导+△电1一±。．。32mm 总切割精度<液晶生产厂家提出的±0．04mm的要求．对实际各台出厂产品检验证实误差均符合要 求． 另外还应考察x、Y两方向刻线垂直性误差：此项为x、Y两方向导轨的垂直性，要求±0．02-nm／ 200mm，相当于900±20．63”，因此两方向导轨需调整在900±20．63”以内，这项并不难调． 设计中对切割机的一些影响精度和安全性的关键件也都作了相应的强度验算，像横梁的挠度n]、偏 心轴的刚度、缓冲器的选型等． 笔者数年前设计的这种切割机业已受到广大用户的青睐，并打开了市场销路，但它的结构和性能仍 在不断改进之中，期待有更加优秀的设计面世． 参考文献： [1]刘鸿文．材料力学[M]．jE京：人民教育出版社，1999． [2]天津大学精仪系精密机械教研室．精密机械零件()[M]．北京：人民教育出版社，1980 TheDesignofAutomaticPreciseMachine0fIncisingGlass LIMin (唰^E鲈∥朋”协Ⅱ蒯E如“M啦en驴，艘“昭，cent巾fUni钾瑚蚵如rⅣn￡i帆nZn泌，＆咖昭10008l，∞iw) Abst髓ct：Thisarticleintmducedthepmlogue，workprinciple，structurechamcteristicofsomekeypart， pre(：isionoftheequipment．AutomaticPrecisionmachineofInciseGlassisindispensableinproductline ofLiquidCrystal． Keywords：incisingmachine；dass；rollscrew；precision [责任编辑：杨 玉] 斗0斗窜蚌辜■搴斗窜斗辜牛尽耳宰斗台斗窜斗辜斗e牛辜斗辜斗窜斗窜斗窜斗皇斗辜}辜斗辜斗辜斗辜牛窜斗枣碍e斗辜斗0斗e斗宰斗e斗e斗辜茸皋斗e斗辜斗窜斗e斗e斗e斗窜斗e斗e耳尽)．窜牛搴斗窜 ．|· ·· ．资料+ ·· ·◆ 世界步入飓风频发周期 肆虐中国东部沿海地区的“泰利”、险让美国南部沿海城市新奥尔良消失的“卡特里娜”、曾经横扫中国东南的“麦 莎”、盘旋在大西洋沿岸窥视美国佛州的“奥菲莉娅”，这些拥有美丽名字的飓风和台风，让中国和美国两个热带风暴主要 影响地区连续遭受到严重的损失． 2004年以前，美国排名在前lo位的飓风损失中有4次就发生在2004年，分别是“珍妮”69亿美元、“佛兰西斯”89亿 美元、“伊凡”142亿美元、“查理”150亿美元．今年接着又是创纪录的飓风“蒂特里娜”，科学家称在过去的10年里，飓风的 数量达到了创纪录的水平．许多研究者认为，飓风频繁出现这一情况还会再持续20年或更长的时间．他们相信飓风周期 的长短可能与大西洋洋流中的盐分和温度变化有关．当洋流中的热量和盐分循环较强的时候，北大西洋就变得温暖，并 且会有更多的飓风诞生，这种循环的周期大约是40一60年． 万方数据 自动精密玻璃切割机的设计 作者： 李敏， LI Min 作者单位： 中央民族大学,物理与电子工程学院,北京,100081 刊名： 中央民族大学学报（自然科学版） 英文刊名： JOURNAL OF THE CENTRAL UNIVERSITY FOR NATIONALITIES (NATURAL SCIENCES EDITION) 年，卷(期)： 2006，15(4) 引用次数： 0次 参考文献(2条) 1.刘鸿文 材料力学 1999 2.天津大学精仪系精密机械教研室 精密机械零件 1980 相似文献(9条) 1.学位论文 陈慧娥 玻璃切割机运动控制器软件设计 2007 玻璃是一种重要的建筑和装饰材料，被广泛应用于楼宇外墙、室内装潢、汽车、家具、工艺品等领域。玻璃切割是玻璃深加工的一个重要工序。目 前，国内玻璃切割系统的设计、制造、生产与国外产品相比在功能、精度、速度、可靠性和外观等方面都存在很大差距，相当一部份企业采用国外的控 制器，缺乏自主开发产品。因此，国内玻璃切割设备大部分都依靠进口。 课题研究的玻璃切割机运动控制器就是针对目前行业的需求，应运而生 。本文针对玻璃切割机的性能要求，开发出应用在控制台上的运动控制软件，该软件运行在工控机上，再配合前台控制器，伺服电机等周边设备，从而 实现玻璃切割机运动控制的功能。能将用户的平面设计图直接调入运动控制器进行加工，成型，大大降低制造玻璃的劳动强度，提高生产效率和玻璃产 品的质量。具有高速、高效、智能化程度高和安全可靠等特点。这套运动控制软件简单实用，对用户而言既可以降低使用成本，又可以满足使用要求 ，符合国内市场的需求。 对玻璃切割机运动控制器软件实现的关键技术进行深入的比较和剖析，选择了最合适的并给出了详细的说明，形成 控制软件的设计方案。根据前台控制器和运动控制器间的通讯需求，设计通讯程序模块，实现半双工硬件流控制，中断式串口通讯。根据玻璃切割机的 机械结构，分析玻璃切割机运动控制的控制对象、控制任务以及控制要求，提出并实现了S型加减速的速度控制方式，保证了系统工作的平稳性；提出并 实现预处理机制，提高了控制器的效率和切割的连续性；提出并实现平行转刀机制，克服刀轮机械特性造成的轨迹误差。 为了调试和测试的方便 ，专门设计了软件测试程序模块——显示模块和键盘测试程序，并以此为工具对软件进行了功能测试。最后对本课题工作进行了总结，并对玻璃切割机 的应用和发展趋势进行了展望。 2.学位论文 魏林 数控玻璃切割机上位机软件的研究与开发 2007 玻璃由于其透明、透光、反射、多彩、光亮的特性，已经作为一种重要的建筑、装饰材料被广泛地应用在各个领域，市场潜力十分巨大。但是，国 内玻璃加工行业技术相对落后，自动玻璃切割系统多依赖于进口，价格昂贵，维修费用高，周期长而且很难考虑到我国用户的特殊要求。因此，自主开 发自动玻璃切割系统具有重要的现实意义，它将大大增强国内玻璃机械生产厂家的国际竞争力。 上位机软件是玻璃切割机数控系统的重要组成部 分，本文首先结合玻璃切割需求，对软件进行了总体设计，接着对图形编排系统中所涉及的主要技术问题进行讨论，包括异型玻璃产品图形数据的导入 ，自动优化编排，交互式图形编排，图形数据的存储方式。其中，结合玻璃切割的工艺特点，提出了一种启发式矩形排样方法，能有效提高原料利用率 和排样速度。同时，阐述了玻璃图形形成加工路径算法，分析了影响玻璃切割质量的主要因素。在总结与控制器通信任务的基础上，制定通信，实 现了下传加工文件，实时加工路径仿真等通信功能。接着介绍了实践成果玻璃切割机上位机软件的用户界面和操作方法。最后，针对玻璃加工行业的特 点，提出了逆向工程在玻璃切割机中的几种应用方案，并分析其优缺点和适用范围。 3.期刊论文 陈慧娥.言勇华.魏林.CHEN Hui-e.YAN Yong-hua.WEI Lin 玻璃切割机的运动控制器 -机械设计与制造 2007(2) 首先介绍了玻璃切割机的研究背景,机械结构,控制总体结构.讨论的玻璃切割机运动控制器设计是针对这些结构的处理机制.主要讨论玻璃切割机控 制过程中,切割点信息采用的数据结构;切割点信息的预处理的必要性及具体的预处理机制;轨迹插补中采用的加减速控制的具体要求,S型曲线加减速的算 法;以及随动轴Z轴(即刀轮方向)的控制要点及在控制中的一些特殊要求,如:平行转刀等,并就平行转刀的概念,和控制条件进行了具体描述. 4.期刊论文 李少辉 PLC在玻璃切割机中的应用 -广西轻工业2009,25(6) 介绍了使用PLC控制玻璃切割机的方法:通过BCD数字开关输入设定的时间值、速度值及角度值,经过PLC的计算,把带有速度、角度信息的脉冲列传送 到步进电机驱动器,再驱动步进电机按设定的速度和角度对玻璃进行加工. 5.期刊论文 黄迎辉.HUANG Ying-hui 基于运动控制卡的玻璃自动切割机控制系统 -机械工程师2008(6) 采用DMC-1842运动控制卡开发了一种玻璃自动切割机控制系统,文中介绍了该系统的基本功能、硬件结构和软件设计,针对该切割机加工范围大、惯 性大、动态精度要求高的特点,研究了一种适应型PID控制算法.系统运行结果表明,控制效果和精度达到企业用户的要求,且运行稳定. 6.期刊论文 王磊.张广明.邱春玲.WANG Lei.ZHANG Guangming.QIU Chunling 基于Profibus的玻璃切割机控制系统 设计 -低压电器2008(7) 设计了一种基于Profibus的玻璃切割机控制系统.该系统由运动控制器、工控机、伺服电机及输入/输出模块组成,各部分通过Profibus总线实现通信 .介绍了系统硬件结构及各部分的功能,给出了软件流程.现场调试表明,该系统在功能、性能和控制精度上已接近国外同类产品. 7.期刊论文 王玫.WANG Mei 玻璃自动切割机图形编辑软件的设计 -南京工程学院学报（自然科学版）2003,1(4) 介绍玻璃自动切割机控制系统软件的主要功能,切割图形的不同输入方法,以及切割图形编辑模块的开发技术.调试与应用实践表明,该软件具有功能 强、界面友好、运行可靠及开放性好等特点. 8.期刊论文 孟正大.郝立.戴先中 开放式玻璃自动切割机计算机控制系统 -电气传动2003,33(3) 文章介绍一种自行研制的玻璃自动切割机开放式计算机控制系统,并针对该切割机加工范围大、惯性大、动态精度要求高等特点,研究了一种智能适 应型PID控制算法.现场测试表明,该系统在功能、性能和控制精度上达到或接近国外同类产品的先进水平,在系统硬件和软件的开放性上优于国外产品.文 中详细介绍了该计算机控制系统的功能、系统设计、控制算法及其调试结果. 9.期刊论文 孟正大.郝立.戴先中 开放式玻璃自动切割机计算机控制系统设计 -测控技术2002,21(12) 介绍了一种玻璃自动切割机开放式计算机控制系统及其设计方法,提出了一种开放结构系统参考模型和相应的硬软件结构.实践表明,该系统在功能、 性能和控制精度上达到或接近国外同类产品的先进水平,在系统硬件和软件的开放性上优于国外产品. 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_zymzdxxb-zrkxb200604017.aspx 下载时间：2009年10月9日