一種大轉(zhuǎn)臺定角度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計與研究

賈萍萍，張慧軍，段青鵬，趙乃輝，王 芳

（太原風(fēng)華信息裝備股份有限公司，山西太原030024）

一種大轉(zhuǎn)臺定角度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計與研究

賈萍萍，張慧軍，段青鵬，趙乃輝，王 芳

（太原風(fēng)華信息裝備股份有限公司，山西太原030024）

結(jié)合全自動水膠貼合機(jī)的研制項目，對其大轉(zhuǎn)臺定角度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計和研究。首先，對設(shè)備水膠貼合機(jī)各部件進(jìn)行簡要說明，對大轉(zhuǎn)臺定角度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計存在的問題做了介紹；其次，對大轉(zhuǎn)臺定角度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)存在問題的原因進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果改進(jìn)設(shè)計；最后，對改進(jìn)設(shè)計后大轉(zhuǎn)臺定角度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)利用光學(xué)測厚等方式進(jìn)行測量，實際應(yīng)用證明該改進(jìn)設(shè)計結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，可長期使用。

全自動水膠貼合機(jī)；大轉(zhuǎn)臺定角度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；設(shè)計改進(jìn)

ZDT-2C水膠貼合機(jī)為在線式全自動貼合設(shè)備，是用水膠或光學(xué)膠將顯示面板、觸摸屏、保護(hù)玻璃以無縫隙的方式完全粘貼在一起的一種全自動在線式設(shè)備［1］。設(shè)備使用人工進(jìn)行上料，通過多部機(jī)械手配合實現(xiàn)點膠、測厚以及自動下料功能，通過PLC實現(xiàn)對設(shè)備整個運(yùn)行過程進(jìn)行控制，并預(yù)留與下游設(shè)備進(jìn)行對接接口。設(shè)備自動化程度高，節(jié)約人力成本，提高生產(chǎn)效率。

在觸摸屏貼合工藝中，主要有兩種貼合方式，一種是OCA膠帶，另一種是水膠工藝。OCA工藝，采用OCA（Optical clear Adhesive）光學(xué)透明膠帶或無基材光學(xué)膠帶進(jìn)行貼合，簡單地說，就是采用高透光性的雙面膠帶進(jìn)行貼合［2］。水膠工藝，使用液態(tài)光學(xué)透明膠貼合透明光學(xué)元件，利用波長250～400 nm的紫外線照射液態(tài)光學(xué)透明膠使其固化，進(jìn)行貼合。

目前，國內(nèi)外貼合機(jī)針對上述兩種貼合工藝，主要分為以下兩類：固態(tài)OCA貼合機(jī)和水膠貼合機(jī)，而固態(tài)OCA工藝需要二次貼合，主要又有網(wǎng)板和真空兩種貼合方法。而依據(jù)設(shè)備自動化程度的高低分類，又可以分為手動、半自動和全自動三種。我部自主研發(fā)的ZDT-2C是一種全自動水膠貼合機(jī)，如圖1所示。

圖1 ZDT-2C水膠貼合機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

該設(shè)備為雙工位旋轉(zhuǎn)工作機(jī)構(gòu)，設(shè)備由轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、點膠系統(tǒng)、上下平臺貼合系統(tǒng)、測厚系統(tǒng)和外包框架等組成。其中轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)由擺缸、同步帶傳動部分、軸環(huán)等部分構(gòu)成，該裝置為大轉(zhuǎn)臺定角度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，通過PLC控制擺缸旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)雙工位之間的切換。

轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)即一種大轉(zhuǎn)臺定角度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其實現(xiàn)了設(shè)備在運(yùn)行過程中雙工位之間的平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)的功能，且具有角度自由選擇，定位精度高，成本相對較低，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定、振動小等優(yōu)點。

1　　轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計

為了提高設(shè)備工作效率，設(shè)備采用了雙工位切換的方式，而雙工位之間的切換是通過轉(zhuǎn)臺的平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)的，如圖2所示。該機(jī)構(gòu)要求將一個達(dá)170 kg、直徑1.1 m的圓形臺板（含負(fù)載）在4 s內(nèi)平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)180°，且每次旋轉(zhuǎn)到位后，相應(yīng)位置的徑向跳動不超過50 μm。周而復(fù)始，保證生產(chǎn)節(jié)拍控制在24 s之內(nèi)。

圖2旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖

目前，市場上大轉(zhuǎn)臺定角度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)多采用DD電動機(jī)直連或者角度分割器實現(xiàn)。其中DD電動機(jī)具有定位精度高、控制簡單等優(yōu)點，但是DD電動機(jī)相對成本較高；而角度分割器只能實現(xiàn)角度等分，角度自由控制方面會受到限制，且其需要的安裝空間也較大，成本雖然比DD電動機(jī)低，但是也相對比較貴?？紤]到項目資金緊張，因此采用一種全新的設(shè)計實現(xiàn)上述需求，旋轉(zhuǎn)氣缸加上軸環(huán)的方式實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)和雙工位之間的切換，這種設(shè)計能夠保證在降低設(shè)備成本的同時也保證旋轉(zhuǎn)的定位精度，設(shè)備實際成本控制在原預(yù)算成本的60%。但在實際使用過程中存在以下問題：

（1）轉(zhuǎn)臺要求在4 s內(nèi)平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)180°，轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)很快，導(dǎo)致轉(zhuǎn)臺在到位之后不能立即停止，會產(chǎn)生反彈，并且在停止時會產(chǎn)生很大沖擊，設(shè)備振動明顯，測厚傳感器的精度也由于振動而不能保證；

（2）在旋轉(zhuǎn)到位后，同一個工位不同頻次測厚傳感器9點測厚的數(shù)據(jù)波動很大。

2　　轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的問題分析

2.1設(shè)備振動明顯原因分析

先對當(dāng)前設(shè)備旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，如圖3所示。旋轉(zhuǎn)氣缸通過同步帶輪驅(qū)動整個轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動，由于旋轉(zhuǎn)氣缸本身沒有定位功能，因此用定位塊和限位塊配合使用實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的精確定位，并在限位塊上安裝有液壓緩沖器和定位螺釘，液壓緩沖器抵消轉(zhuǎn)臺在轉(zhuǎn)動停止后慣性帶來的沖擊，定位螺釘實現(xiàn)精準(zhǔn)定位。但在實際使用過程中發(fā)現(xiàn)雖然有液壓緩沖器抵消沖擊力，但是設(shè)備本身還是會有很大振動，對測量精度影響很大。

設(shè)備整體之所以振動明顯，是由于重載高速旋轉(zhuǎn)的物體在較短的時間內(nèi)忽然停止，整個物體由于巨大慣性根本停不下來。雖然有液壓緩沖器，但由于液壓緩沖器規(guī)格選擇不合適，不能抵消旋轉(zhuǎn)造成的巨大沖擊。

圖3轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)定位示意圖

將轉(zhuǎn)臺的所有零件和轉(zhuǎn)臺看作一個整體，

轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動慣量I=mr2/2=25.7 kg/m2

又啟動力矩M=Iα，其中角加速度α=2.6 rad/s-2

所以啟動力矩M=66.8 N·m，又選取的SMC旋轉(zhuǎn)氣缸在壓力達(dá)到0.5 MPa時輸出力矩為74.3 N·m ＞66.8 N·m，所以選取的旋轉(zhuǎn)氣缸是合適的。

計算轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)停止時的沖擊能量E，沖擊能量E由慣性本身帶來的沖擊E1和旋轉(zhuǎn)氣缸持續(xù)給力帶來的沖擊能量E2構(gòu)成

液壓緩沖器選擇MISUMI MAKC2530，每次能夠吸收的最大能量是88.2 J。

而實際沖擊能量E=Iω2/2=82.2 J，按照計算結(jié)果選取的緩沖器是能夠吸收實際造成的沖擊能量，但是由于沒有足夠的余量，緩沖器不能起到緩慢平穩(wěn)減速的效果，仍會對設(shè)備本體上安裝的限位塊造成很大沖擊，造成設(shè)備振動。

2.2測厚數(shù)據(jù)不穩(wěn)定原因分析

在轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)到位后，發(fā)現(xiàn)同一個工位不同頻次測厚傳感器9點測厚的數(shù)據(jù)波動很大，并且數(shù)據(jù)還會存在一直不能穩(wěn)定下來的現(xiàn)象。經(jīng)過分析是由于轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)本身的加工誤差、外購件自身的誤差和機(jī)械裝配誤差累積起來造成的圓盤徑向跳動，并且由于外購件軸環(huán)本身在旋轉(zhuǎn)時是在一定誤差范圍內(nèi)進(jìn)行波動，造成每次轉(zhuǎn)臺在旋轉(zhuǎn)到位后，測厚傳感器測出來的數(shù)據(jù)也不太穩(wěn)定。

查閱資料，測厚傳感器其本身特性其實是允許轉(zhuǎn)臺的平面度只要在一定的范圍內(nèi)就可以測量精準(zhǔn)的，測厚傳感器其自帶誤差補(bǔ)償功能，這個誤差范圍只要在5 μm以內(nèi)就可以。查閱資料，發(fā)現(xiàn)選取的THK軸環(huán)RU445系列其本身的徑向跳動誤差達(dá)到了25 μm，換算到具體的測厚位置，測厚點的徑向跳動誤差X=25×500/270=46.3 μm，與測厚傳感器其本身允許的測量誤差范圍相差甚遠(yuǎn)。

又經(jīng)過查閱THK資料得知，如果精度達(dá)到5 μm的話，需要將軸環(huán)的精度提高到UPS級別，這個級別的軸環(huán)價格比當(dāng)前P5精度價格高很多，不符合項目的實際要求。因此，在此處考慮軸環(huán)只是作為一個支撐和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，保證轉(zhuǎn)臺在旋轉(zhuǎn)過程中平穩(wěn)轉(zhuǎn)動。至于測厚精度的保證和實現(xiàn)，則考慮用其它測量和計算手段實現(xiàn)。

3　　轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計改進(jìn)

3.1設(shè)備振動改善

從以上分析可知，設(shè)備振動的改善可以從以下兩種方式改進(jìn)：

（1）選擇合適的液壓緩沖器，并采用雙保險，對稱使用兩個液壓緩沖器吸收能量，留出足夠的余量保證液壓緩沖器能夠吸收高速旋轉(zhuǎn)造成的沖擊。并配合細(xì)牙螺釘，進(jìn)行機(jī)械的硬限位，滿足設(shè)備需要的定位精度。如圖3所示，每一個旋轉(zhuǎn)方向都分別有兩個液壓緩沖器和兩個定位螺釘，轉(zhuǎn)臺的往復(fù)運(yùn)動就由這些液壓緩沖器吸收沖擊的能量，使得設(shè)備振動變小。

（2）利用氣壓變化，減小旋轉(zhuǎn)過程中的氣缸驅(qū)動力，減慢轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)速度。利用高低壓氣路的切換，使得氣缸整體的輸出力減?。徊⑴浜鲜褂霉怆妭鞲衅?，在適當(dāng)?shù)奈恢脧母邏簹饴非袚Q到低壓氣路，減慢整個轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)的速度，減小沖擊。

如圖4和圖5所示，是高低壓氣路切換氣路圖和光電傳感器切換位置圖。首先經(jīng)過過濾和高壓調(diào)壓閥調(diào)壓后的高壓氣體直接經(jīng)過兩位三通閥1進(jìn)入三位五通閥2，給轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)氣缸供氣旋轉(zhuǎn)；并在經(jīng)過氣壓切換感應(yīng)傳感器1后，兩位三通閥1換向，由經(jīng)過低壓調(diào)壓閥調(diào)壓過的氣體進(jìn)入三位五通閥2給轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)氣缸供氣旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)臺由于氣缸驅(qū)動力減小，速度減慢，由慣性和這個減小的力維持轉(zhuǎn)臺一直走到轉(zhuǎn)臺的精確位置。之所以氣缸要持續(xù)給力，是因為轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)經(jīng)過傳感器后，轉(zhuǎn)臺雖然由于慣性可以走到接近精確位置，但是液壓緩沖器本身其實對轉(zhuǎn)臺還有一個回彈，氣缸不持續(xù)輸出力就會導(dǎo)致轉(zhuǎn)臺回彈。

圖4高低壓氣路切換氣路圖

圖5傳感器安裝位置圖

3.2測厚數(shù)據(jù)不穩(wěn)定改善

對于測厚數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，采用如下方式進(jìn)行改進(jìn)：

（1）保證機(jī)加件和外購件和裝配的誤差在允許的范圍之內(nèi)，裝配后的旋轉(zhuǎn)的徑向跳動保證在50 μm以內(nèi)。

（2）改變測厚的方法。即在測量玻璃時選擇了相對測量的測量辦法。每次測量前都選擇工作轉(zhuǎn)臺上的一個點作為基準(zhǔn)點，把9個實測點的數(shù)值都與這個基準(zhǔn)點作差值計算，就可以得到玻璃的實際厚度，而不是與預(yù)先測量好的一個基準(zhǔn)點位置作對比。在上述差值比較的基礎(chǔ)上，去掉由于測厚儀器不穩(wěn)定可能造成的偏差最大和最小的兩個數(shù)值，剩下點再取平均值作為最終的結(jié)果，即玻璃的實際厚度。表1是同一片玻璃使用舊測量方法和新測量方法測量結(jié)果的對比。

表1　同一片玻璃不同比較方法測厚數(shù)據(jù)對比mm

按照舊的測量方法得出玻璃的實際厚度是2.104 mm，新測量方法玻璃實際厚度是2.081 mm，而與客戶給出的具體玻璃尺寸范圍2.08 mm相比，新測量方法的結(jié)果更貼近玻璃實際尺寸。又經(jīng)過計算舊測量方法的標(biāo)準(zhǔn)差是0.051，而新測量方法的標(biāo)準(zhǔn)差是0.008，說明新測量方法使得測厚的數(shù)據(jù)更穩(wěn)定，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定也會進(jìn)一步保證測量值更貼近實際值，從而保證了實際的測量精度。因此，新的測量辦法實際是可以解決測厚數(shù)據(jù)不穩(wěn)定這個問題的。

4　　結(jié)束語

本文通過對轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計和研究，對轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實際使用過程中存在的問題進(jìn)行分析總結(jié)，并提出問題的解決辦法。經(jīng)過客戶長時間的使用，設(shè)備在旋轉(zhuǎn)停止時不會再發(fā)生明顯振動，并且測厚的數(shù)據(jù)也能夠保持穩(wěn)定，說明設(shè)備改進(jìn)方案很好的解決了之前存在的問題，提高了設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。

［1］ 孫紅飚，趙乃輝.從全貼合技術(shù)發(fā)展分析觸控面板市場發(fā)展趨勢［J］.電子工業(yè)專用設(shè)備，2013，42（6）：45-49.

［2］ 段青鵬，劉永立，趙乃輝.電容式觸摸屏點膠貼合技術(shù)與設(shè)備研究［J］.電子工業(yè)專用設(shè)備，2014，43（5）：26-30.

Design and Research of The Rotating Mechanism with Large Turntable and Fixed Angle

JIA Pingping，ZHANG Huijun，DUAN Qingpeng，ZHAO Naihui，WANG Fang
（Taiyuan Feng Hua Information-Equipment CO.，LTD.，Taiyuan 030024，China）

Combined with the research project of automatic water glue laminating machine，I designed and studied its rotating mechanism with large turntable and fixed angle.First，the paper describes briefly the components of the device water glue laminating machine，and introduces the problems that have existed in designing the rotating mechanism with large turntable and fixed angle.Secondly，the paper analyses the causes of problems with the rotating mechanism and introduce the improved design through the analysis results.Finally，the paper introduces measurement with the improved design using an optical thickness and other ways.The final application shows that the improved design of the structure is stable and reliable for long-term use.

Automatic water glue laminating machine；A rotating mechanism with large turntable fixed angle；Design Improvement

TP215

B

1004-4507（2016）06-0055-05

賈萍萍（1987-），男，畢業(yè)于北京理工大學(xué)，工程師，現(xiàn)主要從事平板顯示設(shè)備的研制開發(fā)。

張慧軍（1984-），男，畢業(yè)于西安理工大學(xué)，工程師，現(xiàn)主要從事平板顯示設(shè)備的研制開發(fā)。

段青鵬（1980-），男，畢業(yè)于中北大學(xué)，高級工程師，現(xiàn)主要從事平板顯示設(shè)備的研制開發(fā)。

趙乃輝（1983-），男，畢業(yè)于太原科技大學(xué)，工程師，現(xiàn)主要從事平板顯示設(shè)備的研制開發(fā)。

王 芳（1990-），女，畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)，工程師，現(xiàn)主要從事平板顯示設(shè)備的研制開發(fā)。

2016-05-03