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(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、智能手機(jī)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(jià)格昂貴，對(duì)其切割技術(shù)要求很高。目前國內(nèi)大多數(shù)廠家對(duì)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(dòng)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(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)簡單，制造費(fèi)用低，生產(chǎn)率高。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)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(jì)設(shè)備應(yīng)遵循以下設(shè)計(jì)原則：

①高度自動(dòng)化，操作簡單，工作效率高；

②設(shè)備制造、安裝及維護(hù)成本低；

③機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(jī)械機(jī)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

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

1.3 機(jī)械機(jī)構(gòu)工作原理

圖1 光學(xué)玻璃切割機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

上升機(jī)構(gòu)將倉料托板上的條狀光學(xué)玻璃抬起，取料機(jī)構(gòu)對(duì)條狀光學(xué)玻璃進(jìn)行夾取，姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)進(jìn)行條狀玻璃翻轉(zhuǎn)，調(diào)整成水平狀態(tài)，然后側(cè)壓機(jī)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(jī)構(gòu)完成精準(zhǔn)進(jìn)料，最后由切割機(jī)構(gòu)完成條狀玻璃切割。

2 設(shè)備主要機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 上升機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

將擺放在倉料托板上的條狀玻璃順序抓取進(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)示意圖如圖2所示。

2.2 取料機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

取料機(jī)構(gòu)的作用是把上升機(jī)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(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)抓取座向固定的抓取爪方向移動(dòng)，抓取座與抓取爪距離變小，進(jìn)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(yùn)動(dòng)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(huì)被氣缸沖擊損壞。取料機(jī)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖2 上升機(jī)構(gòu)示意圖

圖3 取料機(jī)構(gòu)示意圖

2.3 姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在上升機(jī)構(gòu)中為了實(shí)現(xiàn)玻璃條在自重力作用下移動(dòng)到上升塊上方位置進(jìn)行自動(dòng)上料功能，設(shè)計(jì)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(jī)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(jìn)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(jī)構(gòu)示意圖如圖4所示。

姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)的動(dòng)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(gè)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(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，連接桿兩端通過鍵聯(lián)接與抓取機(jī)構(gòu)相連，保證姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)隨著連接桿轉(zhuǎn)動(dòng)。取料機(jī)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(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)臂繞著連接桿轉(zhuǎn)動(dòng)，連接桿帶動(dòng)抓取機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整玻璃條成水平姿態(tài)。

2.4 側(cè)壓機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

側(cè)壓機(jī)構(gòu)組成：成平行狀態(tài)的兩個(gè)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(jī)構(gòu)鉸鏈連接板通過滑塊與側(cè)壓導(dǎo)軌滑動(dòng)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(jī)構(gòu)鉸鏈連接板固定連接。側(cè)壓機(jī)構(gòu)的功能是：將姿態(tài)調(diào)整機(jī)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(zhǔn)送料做好準(zhǔn)備。側(cè)壓機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)示意圖

圖5 側(cè)壓機(jī)構(gòu)示意圖

2.5 進(jìn)給機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

進(jìn)給機(jī)構(gòu)是光學(xué)玻璃切割機(jī)的核心機(jī)構(gòu)。進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(jìn)給機(jī)構(gòu)的進(jìn)給距離要精準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。因此，送料機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)選用伺服電機(jī)，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(jìn)行精準(zhǔn)傳動(dòng)。

送料機(jī)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(dòng)線軌、伺服電機(jī)、減速器等。進(jìn)給機(jī)構(gòu)的示意圖如圖6所示。

2.6 切割機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖6 進(jìn)給機(jī)構(gòu)示意圖

切割機(jī)構(gòu)是光學(xué)玻璃切割機(jī)的核心機(jī)構(gòu)。光學(xué)玻璃條由送料機(jī)構(gòu)送到送料導(dǎo)向座上，由視覺機(jī)器人控制系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)重進(jìn)行切割，切割機(jī)構(gòu)在伺服電機(jī)的控制下進(jìn)行切割進(jìn)給，切割過程中，傳感器和刀具同時(shí)接觸到光學(xué)玻璃，當(dāng)光學(xué)玻璃切斷時(shí)，傳感器在壓縮彈簧力的作用下復(fù)位，同時(shí)向控制系統(tǒng)發(fā)送停止、及反轉(zhuǎn)信號(hào)，伺服電機(jī)停止進(jìn)給并反轉(zhuǎn)帶動(dòng)滑動(dòng)基板回退至初始位置，準(zhǔn)備進(jìn)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(shí)應(yīng)精準(zhǔn)控制刀具的徑向方向與進(jìn)刀方向的平行度，及進(jìn)刀方向與玻璃條的垂直度。

切割機(jī)構(gòu)是由切割電機(jī)、刀盤、十字滑臺(tái)及進(jìn)給電機(jī)組成。切割的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)進(jìn)刀和退刀是通過一個(gè)立式滑動(dòng)基板連接到立式底座上，立式滑動(dòng)基板的動(dòng)力元件是一個(gè)伺服電機(jī)，通過滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)刀盤電機(jī)上下運(yùn)動(dòng)。立式底座與水平滑動(dòng)基板固定連接，水平滑動(dòng)基板通過線軌與底座連接，伺服電機(jī)通過減速器與滾珠絲杠連接驅(qū)動(dòng)平滑動(dòng)基板左右運(yùn)動(dòng)。最終帶動(dòng)切割刀盤能夠?qū)崿F(xiàn)上下、水平方向上往復(fù)移動(dòng)切割。切割機(jī)構(gòu)的示意圖如圖7所示。

圖7 切割機(jī)構(gòu)示意圖

3 樣機(jī)效果試驗(yàn)驗(yàn)證

運(yùn)用UG軟件對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)建模設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行數(shù)字裝配及運(yùn)動(dòng)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(gè)零件加工工藝，完成零件制造、裝配工作。經(jīng)過對(duì)設(shè)備的調(diào)試，驗(yàn)證了整個(gè)機(jī)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(yùn)動(dòng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)順暢、無干涉，符合設(shè)計(jì)要求。樣機(jī)如圖8所示。

圖8 樣機(jī)

4 結(jié)論

本文在條形光學(xué)玻璃實(shí)際切割加工的過程分析基礎(chǔ)上，針對(duì)當(dāng)前切割方式，即人工憑經(jīng)驗(yàn)對(duì)光學(xué)玻璃計(jì)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(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及工廠實(shí)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(jī)設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)條狀光學(xué)玻璃的自動(dòng)切割。

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