基于智慧工廠解決方案的顯示屏玻璃制程智能生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

朱永波，徐利君

（1.湖南宇環(huán)智能裝備有限公司，長(zhǎng)沙410100；2.湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)沙410151）

0 引言

隨著信息技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)的高速發(fā)展，我國(guó)智能制造裝備的發(fā)展迅速，以新型傳感器、智能控制系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)化成套生產(chǎn)線為代表的智能制造裝備產(chǎn)業(yè)體系初步形成，一批具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重大智能制造裝備實(shí)現(xiàn)突破，本項(xiàng)目以玻璃顯示屏的研磨拋光為重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容并逐步拓展到整個(gè)手機(jī)顯示屏行業(yè)，引入工業(yè)4.0 的概念，并運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)控裝備行業(yè)智能化、信息化、無人化的升級(jí)和突破[1]。目前興起的玻璃研磨拋光制程其工作環(huán)境差，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且玻璃易碎的特點(diǎn)也容易出現(xiàn)危險(xiǎn)事故，這些特點(diǎn)迫使產(chǎn)業(yè)裝備升級(jí)并最終實(shí)現(xiàn)無人化。

目前智能手機(jī)顯示屏行業(yè)欣欣向榮，玻璃的特性決定了必須通過研磨拋光才能達(dá)到產(chǎn)品的精度，但單純的拋光效率及其低下，通過多年的探索和研究以及和用戶的深入交流，提出了磨削的工藝制程，大大縮短了精拋光的時(shí)間。目前各生產(chǎn)廠家都是單工藝集中加工，帶來物流轉(zhuǎn)運(yùn)的時(shí)間和人力成本巨大，通過集中各工序的智能化生產(chǎn)線可以解決這個(gè)難題[2]。

1 產(chǎn)品特性分析

高端手機(jī)顯示屏通常采用康寧玻璃，其產(chǎn)品具有以下幾種特點(diǎn)：薄，成品0.6 mm 厚左右；脆，強(qiáng)化后的應(yīng)力值在600 MPa 左右；硬，表面莫氏硬度達(dá)到8H；難加工，最后精加工去除量0.01 mm，精拋時(shí)間約為20 min；精度高，表面光潔度達(dá)到10 nm。一般玻璃從毛坯到成品的總?cè)コ繛?.3 mm 左右，所有整個(gè)過程耗時(shí)較長(zhǎng)，為了提高生產(chǎn)效率，一般需要選用不同的加工設(shè)備組合來保證。由于手機(jī)玻璃的用量較大，故設(shè)備需求用量也非常大，屬于勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)。將傳統(tǒng)的單工序集中生產(chǎn)方式改為多工序集中的生產(chǎn)單元，加入自動(dòng)化和信息化，形成智慧生產(chǎn)的模式可以大大提高生產(chǎn)效率和節(jié)約人力成本。

2 加工工藝

在與用戶反復(fù)交流和現(xiàn)場(chǎng)的工藝驗(yàn)證后，根據(jù)材料特性和加工精度及加工效率的匹配，選用合適的加工設(shè)備；再根據(jù)設(shè)備的特性和加工精度進(jìn)一步進(jìn)行工藝分解，確定選用精密磨削和精密拋光作為主要加工手段，輔助以自動(dòng)化設(shè)備，其確定主要工藝路流程有：（1）粗磨雙平面0.18 mm；（2）精磨雙平面0.1 mm；（3）精拋雙面0.02 mm；（4）清洗磨削和拋光的殘留液；（5）玻璃表面烘干；（6）加工尺寸厚度在線檢測(cè)。

2.1 粗精磨雙平面

粗磨合精磨均采用立式雙端面磨床作為加工設(shè)備（圖1、圖2），上下砂輪采用高耐磨性樹脂砂粒皮，送料轉(zhuǎn)盤連續(xù)送料，根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)反饋，砂輪自動(dòng)補(bǔ)償，可以達(dá)到高效生產(chǎn)的效果。

圖1 粗精磨設(shè)備圖

圖2 設(shè)備和檢測(cè)數(shù)據(jù)交互

2.2 精拋雙平面

采用立式雙面研磨拋光機(jī)（圖3），其結(jié)構(gòu)分為上盤、下盤、太陽(yáng)輪及內(nèi)齒圈分開控制，系統(tǒng)采用全閉環(huán)控制，可以時(shí)時(shí)壓力監(jiān)控和調(diào)整，龍門結(jié)構(gòu)可以承受超大壓力，三級(jí)過濾系統(tǒng)有效分離雜質(zhì)，避免二次劃傷。

圖3 精拋光設(shè)備

2.3 磨削液清洗和烘干

無論是磨削還是拋光都需要磨削液和拋光液作為加工介質(zhì)，由于其中介質(zhì)是粉末狀，呆干涸后會(huì)凝固在玻璃表面難以去除，所以及時(shí)清洗對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量至關(guān)重要。本工序采用風(fēng)刀型玻璃自動(dòng)清洗機(jī)（圖4），分為冷水清洗、毛刷清洗、熱水清洗、風(fēng)刀吹干、熱風(fēng)烘烤等工序。最大程度保證前一工序的殘留液不留到下一工序，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

圖4 清洗烘干設(shè)備

2.4 加工尺寸在線檢測(cè)

磨削精度保證是加工重要的環(huán)節(jié)，由于砂輪是消耗品，需要通過補(bǔ)償來保證精度，傳統(tǒng)方式是采用計(jì)時(shí)和計(jì)件的方式來進(jìn)行補(bǔ)償。本設(shè)計(jì)采用高精密雙探頭的形式來進(jìn)行在線檢測(cè)（圖5），時(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)姆绞剑梢源蟠筇岣弋a(chǎn)品的合格率。

圖5 檢測(cè)補(bǔ)償示意圖

3 加工工藝流程

如圖6、圖7 和圖8 所示，通過主要加工工藝的研究，用戶提出了“基于智能工廠解決方案的顯示屏研磨拋光制程智能生產(chǎn)線”系統(tǒng)解決方案的需求，需要達(dá)到如下技術(shù)要求。（1）設(shè)備可連續(xù)性加工，根據(jù)儲(chǔ)料箱的容量，定時(shí)補(bǔ)充和收走產(chǎn)品，設(shè)備會(huì)根據(jù)生產(chǎn)狀況可自動(dòng)提示上料和收料。加工數(shù)量會(huì)自動(dòng)記錄并保存在系統(tǒng)，并通過網(wǎng)絡(luò)可同步上傳至云端服務(wù)器。（2）通過CCD 視覺系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品外觀進(jìn)行檢測(cè)，可檢測(cè)劃傷及崩邊等缺陷并通過趨勢(shì)判斷提示設(shè)備可能需要進(jìn)行砂輪的修整。檢測(cè)到玻璃破碎時(shí)可以及時(shí)警報(bào)。（3）設(shè)備加工參數(shù)及檢測(cè)數(shù)據(jù)可在線實(shí)時(shí)監(jiān)控，可診斷調(diào)整，并可輸出可以全程管理。（4）設(shè)備可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化上下料，留有與清洗制程無縫連接口，帶有與相。關(guān)系統(tǒng)的連接端口，為未來新增功能提供鏈接接口。（5）設(shè)備產(chǎn)線可控可管，具備實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)車間的條件[3]。

圖8 拋光制程工藝簡(jiǎn)圖

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)生產(chǎn)流程的管理進(jìn)行數(shù)字化升級(jí)，生產(chǎn)的整個(gè)過程進(jìn)行可視化管理和監(jiān)控，系統(tǒng)的智能部件和設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)連為一體，應(yīng)用基于研磨拋光生產(chǎn)線的MES 系統(tǒng)，以可編程邏輯控制器PLC 作為過程狀態(tài)和工藝、質(zhì)量參數(shù)采集的基本單元，以工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線和以太網(wǎng)構(gòu)建基本網(wǎng)絡(luò)，將生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的信息進(jìn)行集中整合，控制層主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)過程中的自動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集及初步分析，貫穿于整個(gè)生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)及存儲(chǔ)等環(huán)節(jié)[4]。如圖9，產(chǎn)品的生產(chǎn)過程全部通過網(wǎng)絡(luò)傳到企業(yè)的管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)每件產(chǎn)品從來料到成品的可追溯性，MES 系統(tǒng)通過ERP 系統(tǒng)傳輸來的訂單信息，將需要準(zhǔn)備的各種物料通過網(wǎng)絡(luò)傳輸各個(gè)部門和單元，覆蓋生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化、滾動(dòng)調(diào)度、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)校正、成本控制、庫(kù)存管理自動(dòng)化、在線調(diào)優(yōu)和優(yōu)化控制、質(zhì)量控制，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化、滾動(dòng)調(diào)度、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)校正、庫(kù)存管理自動(dòng)化、質(zhì)量控制[5]。主要要求如下：（1）具備自動(dòng)化+數(shù)字網(wǎng)絡(luò)化云端技術(shù)控制；（2）設(shè)備參數(shù)及檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)控及調(diào)整、輸出；（3）具備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料、無縫連接清洗制程、智能化無人生產(chǎn)、相關(guān)系統(tǒng)端口及新增智能功能接口；（4）具備智能化生產(chǎn)車間可控可管條件。

圖9 系統(tǒng)控制簡(jiǎn)圖

5 結(jié)束語

“基于智能工廠解決方案的顯示屏研磨拋光制程智能生產(chǎn)線”緊密結(jié)合磨削機(jī)床的生產(chǎn)工藝，以無人和安全生產(chǎn)為設(shè)計(jì)理念，利用智能傳感器、機(jī)器智能識(shí)別系統(tǒng)、機(jī)器人、智能專用設(shè)備、在線檢測(cè)系統(tǒng)等智能部件，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)上下料、自動(dòng)磨削及各工序的信號(hào)交互與設(shè)備聯(lián)動(dòng)，具有從原料到磨削成品全自動(dòng)輸出等一系列功能。智慧工廠、智能化生產(chǎn)線是未來產(chǎn)業(yè)升級(jí)、結(jié)構(gòu)調(diào)整不以人的意志為轉(zhuǎn)移的大趨勢(shì)。機(jī)器代替人工換來的高效、高質(zhì)量的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)，為企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)[6]。