全自動(dòng)立式雙面玻璃覆膜機(jī)的設(shè)計(jì)

李正生，付浩，劉贛華，陳紹俊，陳喜來(lái)，陳麗君

(九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西九江 332007)

0 引言

在玻璃深加工中，玻璃覆膜機(jī)是使用較為廣泛的一種裝置，主要用于各類(lèi)型玻璃表面的覆膜，以保障玻璃出廠(chǎng)后的清潔和防止表面被劃傷，從而提升玻璃的品質(zhì)與形象。

當(dāng)前，市場(chǎng)上的玻璃覆膜機(jī)多為半自動(dòng)粗放型設(shè)備，存在以下幾方面的問(wèn)題。一是在玻璃覆膜的過(guò)程中，主要由人工抬運(yùn)或者半自動(dòng)化設(shè)備上下玻璃片，沒(méi)有玻璃的自動(dòng)夾持和上下片功能，導(dǎo)致上下玻璃片既耗時(shí)又耗力，而且危險(xiǎn)性大、破損率高。二是同一臺(tái)設(shè)備只能對(duì)相同尺寸及規(guī)格的玻璃進(jìn)行單面覆膜，不能實(shí)現(xiàn)玻璃的雙面覆膜；對(duì)不同尺寸規(guī)格的玻璃覆膜，需采用不同型號(hào)的覆膜設(shè)備。三是只能通過(guò)手工方式對(duì)覆膜玻璃周邊的薄膜進(jìn)行裁剪與切割，不但勞動(dòng)強(qiáng)度大、裁剪精度低，而且容易造成玻璃破損。四是自動(dòng)化、智能化程度不高，無(wú)法與智能制造系統(tǒng)形成對(duì)接，實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備連線(xiàn)使用。因此，針對(duì)現(xiàn)有玻璃覆膜設(shè)備存在的問(wèn)題，亟需研發(fā)一款能夠?qū)崿F(xiàn)玻璃自動(dòng)上下片、自動(dòng)設(shè)置覆膜裁剪尺寸、自動(dòng)化集成度高、適應(yīng)性強(qiáng)的玻璃覆膜裝置，以適應(yīng)玻璃加工行業(yè)快速發(fā)展的需求。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 提出設(shè)計(jì)思路

針對(duì)現(xiàn)有玻璃覆膜設(shè)備不能進(jìn)行多尺寸多規(guī)格玻璃雙面貼膜、人工上下玻璃片效率低、破損率高和自動(dòng)化程度低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)由立式機(jī)架結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的臥式機(jī)架結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)玻璃雙面覆膜并與生產(chǎn)線(xiàn)的上下游工序?qū)?；設(shè)計(jì)玻璃厚度與高度控制裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同尺寸規(guī)格玻璃的覆膜；設(shè)計(jì)薄膜切割機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)薄膜精準(zhǔn)裁剪與切割；采取上片機(jī)械手抓取玻璃片并傳輸?shù)礁材C(jī)進(jìn)行雙面覆膜與裁剪切割，然后再傳輸?shù)较缕瑱C(jī)械手平臺(tái)，通過(guò)下片機(jī)械手抓取并堆放好覆膜玻璃的方式，實(shí)現(xiàn)玻璃覆膜的自動(dòng)化生產(chǎn)。

1.2 整機(jī)方案設(shè)計(jì)

本款全自動(dòng)立式雙面玻璃覆膜機(jī)主要由自動(dòng)上片機(jī)械手、自動(dòng)覆膜機(jī)、自動(dòng)下片機(jī)械手以及控制系統(tǒng)組成(如圖1所示)。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

(1)玻璃上下片機(jī)械手的設(shè)計(jì)。玻璃上下片機(jī)械手主要承擔(dān)玻璃抓取、堆放和傳輸功能，它由機(jī)械抓取手組件和傳輸段組件兩部分組成(如圖2所示)。

圖2 自動(dòng)上下片機(jī)械手示意圖

機(jī)械抓取手采用抽屜式2級(jí)機(jī)械結(jié)構(gòu)，最小距離實(shí)現(xiàn)倍數(shù)行程，1級(jí)行走穿梭在2級(jí)里面，2級(jí)穿梭在本體里面，1、2級(jí)采用氣缸直驅(qū)，通過(guò)拉線(xiàn)編碼器把數(shù)據(jù)信息傳遞給PLC，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。伸縮臂采用四連桿機(jī)械結(jié)構(gòu)，執(zhí)行元件同樣采取氣缸加拉線(xiàn)編碼器，可以實(shí)現(xiàn)X軸、Z軸聯(lián)動(dòng)，最終通過(guò)4個(gè)軸聯(lián)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)玻璃抓取堆放功能。機(jī)械抓取手結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.本體組件 2.級(jí)行走組件 3.級(jí)行走組件4.角度氣缸 5.四連桿伸縮氣缸 6.真空吸盤(pán)圖3 機(jī)械抓取手結(jié)構(gòu)示意圖

(2)自動(dòng)覆膜機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。覆膜機(jī)機(jī)架采用立式結(jié)構(gòu)，由多根橫向梁和縱向梁焊接而成。與傳輸平臺(tái)相配合，覆膜機(jī)橫向整合了傳輸組件和薄膜固定組件，縱向固定了切割刀頭組件。傳輸組件通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪控制橡膠傳輸滾筒，調(diào)節(jié)玻璃厚度尺寸；通過(guò)蝸桿控制機(jī)架升降，調(diào)節(jié)玻璃高度尺寸；正反兩面都設(shè)計(jì)安裝了有一定錐度的薄膜定位頭，負(fù)責(zé)對(duì)玻璃兩面同時(shí)覆膜，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。機(jī)架切割刀頭組件包括薄膜切割刀輪組和刀輪移動(dòng)導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)，通過(guò)伺服電機(jī)和氣缸協(xié)同作用，控制橫豎合金刀片運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)薄膜尺寸雙面精準(zhǔn)裁剪與切割。圖4所示的為本覆膜機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。

1.機(jī)架 2.傳輸組件 3.橡膠滾筒 4.薄膜定位頭 5.切割刀頭圖4 覆膜機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

(3)薄膜切割機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。薄膜切割機(jī)構(gòu)為本款全自動(dòng)立式雙面玻璃覆膜機(jī)的核心部件，主要由立式機(jī)架、伺服電機(jī)、主動(dòng)同步帶輪、正面切割刀輪組和移動(dòng)導(dǎo)軌、同步帶驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、背面切割刀輪組及移動(dòng)導(dǎo)軌、從動(dòng)同步帶輪等部件組成(如圖5所示)。

1.立式機(jī)架 2.伺服電機(jī) 3.正面切割刀輪組 4.正面切割刀輪組移動(dòng)導(dǎo)軌 5.同步帶驅(qū)動(dòng)軸 6.主動(dòng)同步帶輪 7.同步帶8.背面切割刀輪組 9.背面切割刀輪組移動(dòng)導(dǎo)軌 10.從動(dòng)同步帶輪圖5 薄膜切割機(jī)構(gòu)示意圖

其中，主動(dòng)同步帶輪和從動(dòng)同步帶輪分別設(shè)置在立式機(jī)架的上下兩端，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶輪驅(qū)動(dòng)軸，從而帶動(dòng)主動(dòng)同步帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)。薄膜切割刀輪組(如圖3所示)包括正面切割刀輪組和背面切割刀輪組，其兩端分別固定在兩根同步帶上。工作時(shí)主動(dòng)同步帶輪通過(guò)同步帶牽引正面切割刀輪組和背面切割刀輪組同時(shí)切割薄膜，極大提高了薄膜裁剪與切割的加工效率。刀輪組移動(dòng)導(dǎo)軌用于刀輪組移動(dòng)支撐和導(dǎo)向，包括正面切割刀輪組移動(dòng)導(dǎo)軌和背面切割刀輪組移動(dòng)導(dǎo)軌。正面切割刀輪組和背面切割刀輪組的另一端分別安裝在正面切割刀輪組移動(dòng)導(dǎo)軌和背面切割刀輪組移動(dòng)導(dǎo)軌的滑塊上。機(jī)構(gòu)采用了圓形刀輪，切割薄膜時(shí)與玻璃表面滾動(dòng)摩擦，不會(huì)劃傷玻璃，相比傳統(tǒng)的人工刀片切割方式，可以大大節(jié)約成本。

圖6 薄膜切割刀輪組結(jié)構(gòu)示意圖

2 整機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為提高玻璃覆膜機(jī)的自動(dòng)化與智能化程度，本款全自動(dòng)立式雙面玻璃覆膜機(jī)采用西門(mén)子S7-200CPU226型號(hào)的PLC控制器，負(fù)責(zé)對(duì)整機(jī)中的伺服電機(jī)系統(tǒng)和氣動(dòng)部件進(jìn)行控制：通過(guò)各類(lèi)型傳感器以獲取加工數(shù)據(jù)，然后通過(guò)PLC數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)把獲取的加工數(shù)據(jù)上傳到部署在阿里云的MES系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)加工數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，再通過(guò)液晶觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)數(shù)據(jù)的交換，控制設(shè)備的啟停、玻璃覆膜加工尺寸、設(shè)備傳輸速度和加工計(jì)數(shù)等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)。

3 全自動(dòng)立式雙面玻璃覆膜機(jī)的創(chuàng)新點(diǎn)

全自動(dòng)立式雙面玻璃覆膜機(jī)與傳統(tǒng)的玻璃覆膜機(jī)相比具有以下創(chuàng)新點(diǎn)。

實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，提高設(shè)備的利用率。采用立式機(jī)架組件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的臥式機(jī)架組件，一方面可以實(shí)現(xiàn)和生產(chǎn)線(xiàn)的上下游工序?qū)樱瑯O大地節(jié)省了設(shè)備的占地空間；另一方面可以實(shí)現(xiàn)玻璃雙面覆膜及對(duì)薄膜實(shí)行自動(dòng)切割。將薄膜定位頭與橡膠滾動(dòng)固定在機(jī)架上，通過(guò)電機(jī)調(diào)節(jié)加工范圍，解決了在同一臺(tái)設(shè)備上對(duì)不同尺寸、規(guī)格玻璃實(shí)現(xiàn)覆膜問(wèn)題。

薄膜裁剪與切割加工精度高，提高產(chǎn)品完好率。設(shè)計(jì)薄膜切割刀輪組和刀輪移動(dòng)導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)，通過(guò)同步帶牽引正面切割刀輪組和背面切割刀輪組上的圓形刀輪實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃雙面薄膜的切割，通過(guò)伺服電機(jī)和氣缸協(xié)同控制橫、豎兩刀的運(yùn)動(dòng)，精確切割薄膜，控制覆膜后玻璃預(yù)留邊距，解決了傳統(tǒng)手工切割薄膜裁剪精度低、易造成玻璃破損問(wèn)題。

設(shè)計(jì)玻璃上下片機(jī)械手承擔(dān)玻璃抓取、堆放和傳輸功能，與傳統(tǒng)人工操作相比降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了安全性，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人工上下玻璃片。

智能化程度高，可拓展性強(qiáng)。優(yōu)化傳統(tǒng)PLC邏輯算法，對(duì)PLC外加物聯(lián)網(wǎng)模塊，使其可以將工作代碼傳送給遠(yuǎn)程系統(tǒng)，再通過(guò)分析代碼對(duì)所加工的玻璃產(chǎn)品參數(shù)進(jìn)行智能化采集并反饋給后續(xù)工序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的信息化智能化。采用可觸摸人機(jī)操作系統(tǒng)，可全自動(dòng)化操作整機(jī)。預(yù)留端口可以對(duì)接MES智能制造執(zhí)行系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)玻璃產(chǎn)業(yè)的智能制造和柔性生產(chǎn)制造。