數(shù)控玻璃鉆孔機(jī)床結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉明　王金良

摘 要 根據(jù)消費(fèi)電子領(lǐng)域客戶(hù)提出的加工工藝要求，設(shè)計(jì)一種全自動(dòng)的數(shù)控玻璃鉆孔機(jī)床，采用兩軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控十字工作臺(tái)，用數(shù)控系統(tǒng)控制，裝有四套氣動(dòng)夾具，相對(duì)應(yīng)的配有四套高轉(zhuǎn)速的速技能動(dòng)力頭，一次可同時(shí)加工四個(gè)零件。用數(shù)控裝置和伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)化加工。

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

中圖分類(lèi)號(hào)： TG527 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.02.033

0 前言

數(shù)控玻璃鉆孔機(jī)床是一種用于消費(fèi)電子領(lǐng)域超薄玻璃的鉆孔加工機(jī)床;隨著電子消費(fèi)市場(chǎng)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(jī)床的市場(chǎng)需求也越來(lái)越大。

消費(fèi)電子領(lǐng)域的特點(diǎn)是產(chǎn)品生產(chǎn)批量大、品種多、更新?lián)Q代周期短，對(duì)加工超薄玻璃的鉆孔加工機(jī)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(jī)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(diǎn)。由于超薄玻璃的特別容易破碎，因而在鉆孔加工時(shí)，對(duì)動(dòng)力頭的轉(zhuǎn)速、進(jìn)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(jī)床結(jié)構(gòu)與工藝過(guò)程

根據(jù)消費(fèi)電子領(lǐng)域客戶(hù)提出的加工工藝要求，設(shè)計(jì)一種全自動(dòng)的數(shù)控玻璃鉆孔機(jī)床（見(jiàn)圖1），數(shù)控玻璃鉆孔機(jī)床由床身底座、數(shù)控電控裝置、動(dòng)力頭支架、速技能動(dòng)力頭、操作站、數(shù)控十字工作臺(tái)、夾具、氣路系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)等部件組成?，F(xiàn)就其主要部分進(jìn)行分別說(shuō)明。

1.1 數(shù)控十字工作臺(tái)

1.伺服電機(jī) 2.Y方向傳動(dòng)電機(jī)座 3.同步帶 4.同步帶輪 5.滾珠絲桿及螺母 6.工作臺(tái)臺(tái)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(tái)立式玻璃鉆孔加工設(shè)備。將工作臺(tái)設(shè)計(jì)成可X-Y二坐標(biāo)的、可高速聯(lián)動(dòng)的工作臺(tái)，用高精度滾珠絲杠和精密直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2和圖3），用數(shù)控裝置和伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，工作時(shí)實(shí)現(xiàn)高精度、高速度運(yùn)動(dòng);數(shù)控十字工作臺(tái)的臺(tái)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(jī)和滾珠絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的精密直線導(dǎo)軌模塊，構(gòu)成了X-Y二坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的上下兩層的工作臺(tái)。每層為兩個(gè)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(tái)面上安裝有四套氣動(dòng)夾具;臺(tái)面采用鋁合金材料制造，表面氧化處理。

1.伺服電機(jī) 2.Y方向傳動(dòng)電機(jī)座 3.同步帶 4.同步帶輪 5.滾珠絲桿及螺母 6.工作臺(tái)臺(tái)板 7.軸承座

1.2 速技能動(dòng)力頭

數(shù)控玻璃鉆孔機(jī)床的動(dòng)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(dòng)力頭，其型號(hào)為ES3C-6030L，其工作轉(zhuǎn)速為3000rpm/min，主軸旋轉(zhuǎn)采用高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)給則采用氣動(dòng)加液壓阻尼器來(lái)實(shí)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(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)給速度，方便可靠。

速技能動(dòng)力頭具有以下特點(diǎn)：

1.2.1 高精度

該動(dòng)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(dòng)在0.003mm/130mm，軸向串動(dòng)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(mǎn)足多樣化孔加工的要求。

1.3 夾具

在X向的上層工作臺(tái)面上安裝有四套氣動(dòng)夾具用于裝夾被加工的玻璃零件（見(jiàn)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(shí)由氣缸推動(dòng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)2個(gè)壓板同步擺動(dòng)可松開(kāi)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(guò)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(guò)程

數(shù)控玻璃鉆孔機(jī)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(dòng)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(tái)（臺(tái)板上裝有四套夾具）在兩軸數(shù)控系統(tǒng)（聯(lián)動(dòng)）的驅(qū)動(dòng)下從坐標(biāo)原點(diǎn)快速移至第一個(gè)加工位置，四套速技能動(dòng)力頭主軸啟動(dòng)，同時(shí)，冷卻電磁閥打開(kāi)并工作，并快速接近工件后由快進(jìn)轉(zhuǎn)換為工進(jìn)，第一工位加工結(jié)束后動(dòng)力頭主軸快退至原位;數(shù)控十字工作臺(tái)在兩軸數(shù)控系統(tǒng)（聯(lián)動(dòng)）的驅(qū)動(dòng)下從坐標(biāo)原點(diǎn)快速移至第二個(gè)加工位置，重復(fù)循環(huán)，直到四個(gè)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(tái)退回原位，定位元件自動(dòng)退回，壓板全部松開(kāi)，加工全過(guò)程結(jié)束。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)加工零件的工藝設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)功能框圖（如圖5所示），該框圖顯示了整個(gè)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(jī)控制

本系統(tǒng)采用FANUC高速伺服電機(jī)控制位置;傳統(tǒng)的伺服電機(jī)基本上采用了更早的步進(jìn)電機(jī)脈沖控制的方式，使用脈沖位置控制時(shí)該方式接收到1個(gè)脈沖，就會(huì)旋轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移，一般脈沖控制的的精度為10000/圈，如果傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的絲桿導(dǎo)程為10MM，每個(gè)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(jì)伺服電機(jī)采用高速通信型伺服電機(jī)，通信速度>10M/S（1000000次/s），電機(jī)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(yuǎn)高于傳統(tǒng)增量式編碼器，X軸進(jìn)給控制、Y軸進(jìn)給控制，經(jīng)過(guò)數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)算法，實(shí)現(xiàn)X軸和Y軸伺服電機(jī)的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)定位是通過(guò)G00指令快速定位鉆孔位置。

2.2 主軸電機(jī)控制

通過(guò)四個(gè)接觸器來(lái)分別控制四個(gè)三相異步電機(jī)，實(shí)現(xiàn)主軸啟動(dòng)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(chǔ)存器（RAM）、驅(qū)動(dòng)器、運(yùn)算器（CPU）、輸入設(shè)備（INPUT）、輸出設(shè)備（OUTPUT）。運(yùn)算器（CPU）的主要作用就是負(fù)責(zé)執(zhí)行計(jì)算機(jī)的指令，是處理和運(yùn)算信息的重要部件。而驅(qū)動(dòng)器是有序列的執(zhí)行計(jì)算機(jī)內(nèi)各部件的程序。儲(chǔ)存器（RAM）的主要作用是存放程序、運(yùn)算結(jié)果、參與運(yùn)算這三方面。輸出設(shè)備是將這些信息的處理結(jié)果進(jìn)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(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。本專(zhuān)用機(jī)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(jìn)行控制，包括玻璃的長(zhǎng)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(jìn)給速度：10米/min，實(shí)現(xiàn)玻璃鉆孔加工的高度自動(dòng)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(dòng)強(qiáng)度。

2.4 開(kāi)關(guān)量

包含輸入輸出，輸入包括進(jìn)給電機(jī)軸的零點(diǎn)檢測(cè)信號(hào)，極限位置信號(hào)玻璃的檢測(cè)信號(hào)，夾具位置信號(hào)，電機(jī)啟停信號(hào)，安全距離檢測(cè)信號(hào)等，輸出信號(hào)包括氣缸的動(dòng)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(zhuān)機(jī)需要對(duì)機(jī)床夾具壓力進(jìn)行控制，壓力過(guò)大容易壓碎玻璃，壓力過(guò)小則夾不緊玻璃，而且在加工過(guò)程中需要保持壓力的穩(wěn)定，防止加工過(guò)程中壓力過(guò)大過(guò)小，造成加工玻璃零件的損壞。為了實(shí)現(xiàn)壓力的精確控制，本次氣動(dòng)系統(tǒng)采用SMC ITV-2050-312L電氣比例閥控制氣壓，可實(shí)現(xiàn)0.01Bar高精度壓力控制;數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)模擬量0-20mA信號(hào)輸出給氣動(dòng)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(shí)將當(dāng)前的實(shí)際氣壓大小通過(guò)模擬量信號(hào)傳回?cái)?shù)控系統(tǒng)（CNC），以便數(shù)控系統(tǒng)對(duì)氣壓進(jìn)行監(jiān)控。

2.6 編碼器

用于反饋數(shù)控十字工作臺(tái)的軸向位置信息。

2.7 抗干擾設(shè)計(jì)

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)工作的控制設(shè)備必須考慮到現(xiàn)場(chǎng)干擾影響，特別是對(duì)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(jì)分為硬件抗干擾和軟件抗干擾設(shè)計(jì)。

2.7.1 硬件抗干擾設(shè)計(jì)

硬件抗干擾設(shè)計(jì)很重要，特別對(duì)于含有380V高壓的應(yīng)用場(chǎng)合，是減小干擾的重要手段。其中包括電氣安裝時(shí)的接地設(shè)計(jì)，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(shuō)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(jì)

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

3 結(jié)束語(yǔ)

基于數(shù)控玻璃鉆孔機(jī)床的工藝流程，對(duì)數(shù)控玻璃鉆孔機(jī)床結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)研究，用數(shù)控系統(tǒng)對(duì)十字工作臺(tái)進(jìn)行控制，使得該機(jī)床具有運(yùn)行響應(yīng)速度快、定位準(zhǔn)確可靠、穩(wěn)定性好、生產(chǎn)效率高、操作方便等特點(diǎn)。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(biāo)完全滿(mǎn)足LED顯示屏玻璃加工的工藝要求，完全替代進(jìn)口設(shè)備。

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