智能型光學(xué)玻璃切割機機械機構(gòu)設(shè)計與實驗研究*

魏加爭

（中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東中山 528400）

0 引言

光學(xué)玻璃在數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機、智能手機等新興光電信息產(chǎn)品中有著廣泛的應(yīng)用。成品光學(xué)元件由企業(yè)根據(jù)市場技術(shù)要求，將分割成條狀的毛坯光學(xué)玻璃再切割成0.1～40 g的塊狀玻璃，通過壓鑄模工藝將塊狀玻璃壓鑄成所需的形狀。由于這些器件尺寸較小，加之光學(xué)玻璃本身價格昂貴，對其切割技術(shù)要求很高。目前國內(nèi)大多數(shù)廠家對光學(xué)玻璃的分塊切割主要是依靠人工操作，造成廢品率高、安全性低、效率低等問題，這些問題直接制約企業(yè)的快速發(fā)展。因此，光學(xué)玻璃塊狀自動切割裝備研制顯得尤為重要。

本研究提出了一種智能型光學(xué)玻璃切割機的機構(gòu)設(shè)計方案，結(jié)構(gòu)簡單，制造費用低，生產(chǎn)率高。

1 總體方案設(shè)計

1.1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

根據(jù)光學(xué)玻璃脆斷條件和切割技術(shù)要求，確保設(shè)備各功能機構(gòu)與光學(xué)玻璃加工工藝，協(xié)調(diào)、高效、穩(wěn)定工作。設(shè)計設(shè)備應(yīng)遵循以下設(shè)計原則：

①高度自動化，操作簡單，工作效率高；

②設(shè)備制造、安裝及維護成本低；

③機構(gòu)運動無干涉，故障率低；

④產(chǎn)品加工精度高，加工工藝性好。

1.2 機械機構(gòu)總體設(shè)計

本項目設(shè)計目標：將人工堆放在物料板上的條狀光學(xué)玻璃，自動完成取料、切割工作。由此將整個機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)分為取料機構(gòu)、送料機構(gòu)和切割機構(gòu)三大部分，為順利實現(xiàn)以上功能，又將取料機構(gòu)細分為舉升機構(gòu)、抓取機構(gòu)、姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)和側(cè)壓機構(gòu)。設(shè)備的整體機械機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.3 機械機構(gòu)工作原理

圖1 光學(xué)玻璃切割機結(jié)構(gòu)示意圖

上升機構(gòu)將倉料托板上的條狀光學(xué)玻璃抬起，取料機構(gòu)對條狀光學(xué)玻璃進行夾取，姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)進行條狀玻璃翻轉(zhuǎn)，調(diào)整成水平狀態(tài)，然后側(cè)壓機構(gòu)將條狀玻璃放置到送料導(dǎo)向基座上，在控制系統(tǒng)精確控制下由送料機構(gòu)完成精準進料，最后由切割機構(gòu)完成條狀玻璃切割。

2 設(shè)備主要機械機構(gòu)設(shè)計

2.1 上升機械機構(gòu)設(shè)計

將擺放在倉料托板上的條狀玻璃順序抓取進行切割，首先將碼放在傾斜物料托板上整齊的玻璃條分離。上升機構(gòu)執(zhí)行元件為氣缸，氣缸桿外伸上升塊將條狀玻璃抬起，取料機構(gòu)夾住，氣缸回退，傾斜倉料托板上的光學(xué)玻璃條在重力的作用下依次下滑到上升塊的上方位置，等待下一次循環(huán)上料。上升機構(gòu)示意圖如圖2所示。

2.2 取料機械機構(gòu)設(shè)計

取料機構(gòu)的作用是把上升機構(gòu)抬起的玻璃條抓住，當(dāng)被舉升的玻璃條位于抓取基座與抓取爪之間，抓取氣缸在控制系統(tǒng)的控制下伸出運動，帶動抓取座向固定的抓取爪方向移動，抓取座與抓取爪距離變小，進而將玻璃條抓??；抓取座與基座之間用燕尾槽結(jié)構(gòu)配合聯(lián)接，氣缸桿與燕尾滑塊螺紋聯(lián)結(jié)，保證了運動順暢平穩(wěn)，燕尾槽結(jié)構(gòu)保證了抓取座與抓取爪之間的角度保持90°，抓取座與抓取爪表面黏敷一層橡膠，確保玻璃條棱邊不會被氣缸沖擊損壞。取料機構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖2 上升機構(gòu)示意圖

圖3 取料機構(gòu)示意圖

2.3 姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)設(shè)計

在上升機構(gòu)中為了實現(xiàn)玻璃條在自重力作用下移動到上升塊上方位置進行自動上料功能，設(shè)計倉料托板與玻璃條放置導(dǎo)軌呈40°夾角，因此玻璃條被取料機構(gòu)抓取后不再是水平姿態(tài)而是傾斜的；所以需將條狀玻璃進行角度翻轉(zhuǎn)成水平姿態(tài)，再將玻璃條放到玻璃條送料軌道上。姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)示意圖如圖4所示。

姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)的動力元件是翻轉(zhuǎn)氣缸，翻轉(zhuǎn)氣缸通過氣缸基座與鉸鏈連接板固定，兩個鉸鏈連接板與連接板基座固定，翻轉(zhuǎn)臂與連接桿通過頂緊螺釘鎖止相對轉(zhuǎn)動，連接桿兩端通過鍵聯(lián)接與抓取機構(gòu)相連，保證姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)隨著連接桿轉(zhuǎn)動。取料機構(gòu)將玻璃條夾取，翻轉(zhuǎn)氣缸在控制系統(tǒng)的作用下，翻轉(zhuǎn)氣缸外伸，實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)臂繞著連接桿轉(zhuǎn)動，連接桿帶動抓取機構(gòu)轉(zhuǎn)動，調(diào)整玻璃條成水平姿態(tài)。

2.4 側(cè)壓機構(gòu)設(shè)計

側(cè)壓機構(gòu)組成：成平行狀態(tài)的兩個側(cè)壓導(dǎo)軌座與送料導(dǎo)向基座固定，側(cè)壓導(dǎo)軌安裝在側(cè)壓導(dǎo)軌座上，姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)鉸鏈連接板通過滑塊與側(cè)壓導(dǎo)軌滑動連接，側(cè)壓氣缸與側(cè)壓導(dǎo)軌座固定，側(cè)壓氣缸桿與姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)鉸鏈連接板固定連接。側(cè)壓機構(gòu)的功能是：將姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)調(diào)整至水平的玻璃條，從一側(cè)壓向送料導(dǎo)向座方向，將條狀玻璃穩(wěn)定在送料導(dǎo)向座上，為玻璃條精準送料做好準備。側(cè)壓機構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)示意圖

圖5 側(cè)壓機構(gòu)示意圖

2.5 進給機械機構(gòu)設(shè)計

進給機構(gòu)是光學(xué)玻璃切割機的核心機構(gòu)。進給機構(gòu)的設(shè)計精度高低直接影響著光學(xué)玻璃切割體積的精度大小，所以進給機構(gòu)的進給距離要精準，實現(xiàn)精準控制。因此，送料機構(gòu)的驅(qū)動選用伺服電機，通過同步帶與減速器連接，減速器與絲杠連接，在控制系統(tǒng)的控制下進行精準傳動。

送料機構(gòu)的主要組成包括：絲杠基座、送料導(dǎo)向座、送料塊、絲杠、滑動線軌、伺服電機、減速器等。進給機構(gòu)的示意圖如圖6所示。

2.6 切割機構(gòu)設(shè)計

圖6 進給機構(gòu)示意圖

切割機構(gòu)是光學(xué)玻璃切割機的核心機構(gòu)。光學(xué)玻璃條由送料機構(gòu)送到送料導(dǎo)向座上，由視覺機器人控制系統(tǒng)自動計重進行切割，切割機構(gòu)在伺服電機的控制下進行切割進給，切割過程中，傳感器和刀具同時接觸到光學(xué)玻璃，當(dāng)光學(xué)玻璃切斷時，傳感器在壓縮彈簧力的作用下復(fù)位，同時向控制系統(tǒng)發(fā)送停止、及反轉(zhuǎn)信號，伺服電機停止進給并反轉(zhuǎn)帶動滑動基板回退至初始位置，準備進行下一次光學(xué)玻璃送料。為了保證光學(xué)玻璃斷面的平整度，在設(shè)備結(jié)構(gòu)裝配時應(yīng)精準控制刀具的徑向方向與進刀方向的平行度，及進刀方向與玻璃條的垂直度。

切割機構(gòu)是由切割電機、刀盤、十字滑臺及進給電機組成。切割的進給運動進刀和退刀是通過一個立式滑動基板連接到立式底座上，立式滑動基板的動力元件是一個伺服電機，通過滾珠絲杠驅(qū)動實現(xiàn)刀盤電機上下運動。立式底座與水平滑動基板固定連接，水平滑動基板通過線軌與底座連接，伺服電機通過減速器與滾珠絲杠連接驅(qū)動平滑動基板左右運動。最終帶動切割刀盤能夠?qū)崿F(xiàn)上下、水平方向上往復(fù)移動切割。切割機構(gòu)的示意圖如圖7所示。

圖7 切割機構(gòu)示意圖

3 樣機效果試驗驗證

運用UG軟件對機械結(jié)構(gòu)建模設(shè)計完成后，進行數(shù)字裝配及運動仿真，并繪制零件圖、裝配圖。制定設(shè)備制造生產(chǎn)流程及各個零件加工工藝，完成零件制造、裝配工作。經(jīng)過對設(shè)備的調(diào)試，驗證了整個機構(gòu)的舉升、抓取、姿態(tài)調(diào)整、側(cè)壓、送料、切割等一系列運動動作，實現(xiàn)了機構(gòu)運動順暢、無干涉，符合設(shè)計要求。樣機如圖8所示。

圖8 樣機

4 結(jié)論

本文在條形光學(xué)玻璃實際切割加工的過程分析基礎(chǔ)上，針對當(dāng)前切割方式，即人工憑經(jīng)驗對光學(xué)玻璃計重并切割存在的誤差較大、效率較低且安全性較差等一系列問題，提出了一種新型光學(xué)玻璃切割機的機構(gòu)設(shè)計，并對其進行了實驗驗證及應(yīng)用。實驗結(jié)果及工廠實際使用表明，該設(shè)備具有高精度、高效率以及高安全性等特性，該光學(xué)玻璃切割機設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)條狀光學(xué)玻璃的自動切割。

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