光學(xué)鏡片自動(dòng)涂墨技術(shù)

文 陳玉磊 孫波 方濤 石忠亮 徐宛

光學(xué)玻璃是光電技術(shù)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)和重要組成部分，特別是新世紀(jì)以來(lái)，隨著光學(xué)與電子信息科學(xué)、新材料科學(xué)的不斷融合，作為光電子基礎(chǔ)材料的光學(xué)玻璃在光傳輸、光儲(chǔ)存和光電顯示三大領(lǐng)域的應(yīng)用更是突飛猛進(jìn)，成為社會(huì)信息化尤其是光電信息技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)條件之一。光學(xué)玻璃可用于制造光學(xué)儀器中的透鏡、棱鏡、反射鏡及窗口等，由光學(xué)玻璃構(gòu)成的部件是光學(xué)儀器中的關(guān)鍵性元件。

光學(xué)玻璃是通過(guò)對(duì)光的折射進(jìn)行成像的重要部件，一般用于相機(jī)鏡頭、攝像機(jī)鏡頭、顯微鏡和安防鏡頭等光學(xué)設(shè)備上，在光學(xué)玻璃的加工過(guò)程中，為了提高光學(xué)鏡片的品質(zhì)，加強(qiáng)鏡片對(duì)邊緣光線以及反射光的吸收，降低光學(xué)系統(tǒng)的雜散光系數(shù)，同時(shí)使鏡片外觀更協(xié)調(diào)、美觀，現(xiàn)有的光學(xué)鏡片一般在非透光面上進(jìn)行涂墨操作，即對(duì)光學(xué)鏡片的邊緣進(jìn)行涂墨。

現(xiàn)有的涂墨工序一般為人工完成，人工涂墨存在諸多不足，例如：操作效率低下，在進(jìn)行大批量涂墨操作的時(shí)候需要多人進(jìn)行同時(shí)工作，人力成本較高；產(chǎn)品的一致性不好，由于涂墨操作需要操作人員具備一定的操作技巧和熟練程度，而不同的操作人員之間存在著差異，使得不同的操作人員完成的涂墨操作從涂墨量，到涂墨位置及操作速度均不相同，所以往往會(huì)造成同一批次的產(chǎn)品中一致性的差異；不利于人員的身體健康，由于油墨是一種揮發(fā)性物質(zhì)，對(duì)人體有害，長(zhǎng)時(shí)間從事此類工作會(huì)對(duì)人員的健康造成不良影響。為了避免上述問(wèn)題，現(xiàn)在市面上出現(xiàn)了一些自動(dòng)涂墨機(jī)，通過(guò)機(jī)械設(shè)備來(lái)進(jìn)行涂墨操作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，提高了加工生產(chǎn)效率。

目前市場(chǎng)自動(dòng)涂墨機(jī)分半自動(dòng)涂墨機(jī)和自動(dòng)涂墨機(jī)兩種。相對(duì)于傳統(tǒng)涂墨機(jī)，半自動(dòng)涂墨機(jī)（圖1）通過(guò)提升定位治具和設(shè)備轉(zhuǎn)軸的同軸度，提高了鏡片的定位效率和定位精度，轉(zhuǎn)軸跳動(dòng)可達(dá)到0．05mm以內(nèi)，操作也較為便捷，但仍需要人工控制設(shè)備的運(yùn)行以及鏡片取放和涂墨的動(dòng)作，而且定位的精度也依賴于治具的加工精度，以及治具與設(shè)備轉(zhuǎn)軸的配合程度。

工作時(shí)，將待涂墨的鏡片用真空吸管吸附，并放置于涂墨治具上，踩送（取）料真空腳踏開(kāi)關(guān)，放置鏡片。真空腳踏開(kāi)關(guān)有兩個(gè)，開(kāi)關(guān)1的作用是打開(kāi)真空吸附，并使主軸旋轉(zhuǎn)，開(kāi)關(guān)2的作用是關(guān)閉主軸的旋轉(zhuǎn)，并停止真空吸附。涂墨完成后的鏡片同樣由真空吸管取放。整個(gè)涂墨過(guò)程仍依賴于人工，并且加工不同規(guī)格的鏡片需要更換與之配套的定位套環(huán)，因此在使用效果和工作效能方面仍有許多不足之處。

圖1 半自動(dòng)涂墨機(jī)

圖2 全自動(dòng)涂墨機(jī)

圖3 全自動(dòng)涂墨機(jī)工作過(guò)程

主要的機(jī)械結(jié)構(gòu)包括：機(jī)架、操作平臺(tái)、鏡片托盤(pán)、X-Y取料結(jié)構(gòu)、涂墨機(jī)器人、供墨機(jī)構(gòu)、鏡片放置門(mén)、電腦、待加工鏡片區(qū)域、縱向機(jī)械手、橫向機(jī)械手、吸盤(pán)、旋轉(zhuǎn)軸、涂墨頭、供墨機(jī)、墨杯、擠墨杯。

全自動(dòng)涂墨機(jī)主要是依靠涂墨機(jī)器人來(lái)對(duì)鏡片進(jìn)行涂墨，簡(jiǎn)要的工作過(guò)程如圖3所示：

1．按照工藝要求配比墨料，將墨料放入墨杯內(nèi)，并調(diào)整好進(jìn)墨量。

2．啟動(dòng)控制電腦，進(jìn)入操作畫(huà)面。并確認(rèn)所有的氣動(dòng)部件在初始化狀態(tài)，即表示氣動(dòng)部件狀態(tài)的字體全為黃色，按鈕全為紅色。如果不是點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕進(jìn)行回歸原點(diǎn)操作。

3．設(shè)計(jì)涂墨軌跡并將畫(huà)好的軌跡存入存儲(chǔ)盤(pán)中。將存儲(chǔ)盤(pán)插入電腦后并調(diào)用。調(diào)整吸嘴和夾爪的位置，然后放鏡片校正后，觀察吸附旋轉(zhuǎn)有無(wú)跳動(dòng)。無(wú)跳動(dòng)手動(dòng)移動(dòng)涂墨頭確定加工開(kāi)始位置并設(shè)定刮墨和等待位置，然后試涂，根據(jù)試涂的效果調(diào)整涂墨參數(shù)。

4．托盤(pán)的設(shè)定：點(diǎn)擊“托盤(pán)設(shè)定”這一按鈕，拖動(dòng)機(jī)械手到未涂托盤(pán)位置，確定開(kāi)始位置，用類似的方式確定“最后位置輸入”、“放置位置輸入”、“已涂吸嘴加工輸入”保存數(shù)據(jù)。最后輸入X、Y的數(shù)量。如果需要較小的移動(dòng)量，可以打開(kāi)電機(jī)，然后輸入對(duì)應(yīng)軸的速度來(lái)進(jìn)行微調(diào)。

8) 多任務(wù)并行、分組操作：解決多組并行操作任務(wù)的相互閉鎖問(wèn)題。當(dāng)前模擬預(yù)演操作只要不與當(dāng)前的操作設(shè)備交叉重疊，即可操作。

5．完成所有的設(shè)定后，點(diǎn)擊“開(kāi)始”就可以進(jìn)行作業(yè)了，在加工過(guò)程中，如果需要對(duì)涂墨效果進(jìn)行簡(jiǎn)要的修改，可以通過(guò)外徑補(bǔ)償或者深度補(bǔ)償來(lái)對(duì)溢墨進(jìn)行調(diào)整。

6．X、Y軸機(jī)械手交換取走涂好的鏡片并放入待涂鏡片，把涂墨好的鏡片取回放到X、Y軸下方已涂好的放置盤(pán)內(nèi)。

從手工到智能，全自動(dòng)涂墨機(jī)已展示出其優(yōu)勢(shì)，但作為集成化設(shè)備，對(duì)操作人員技能也有很高的要求，既要熟練掌握設(shè)備程序的設(shè)置調(diào)整，對(duì)光學(xué)鏡片涂墨質(zhì)量的關(guān)鍵點(diǎn)也要有深入認(rèn)識(shí)。接下來(lái)對(duì)以上兩方面做簡(jiǎn)單的介紹。

設(shè)備使用過(guò)程中的關(guān)注點(diǎn)：

1．軌跡設(shè)計(jì)遵循由繁到簡(jiǎn)、逐步優(yōu)化的原則，先根據(jù)鏡片形狀和手工作業(yè)習(xí)慣，設(shè)定初步的軌跡，然后根據(jù)試涂效果微調(diào)，并不斷縮小調(diào)整的位移精度，直至試涂鏡片滿足技術(shù)要求；

2．加工過(guò)程的穩(wěn)定性受涂墨頭安裝方法以及參數(shù)設(shè)置合理性的影響，不合理的參數(shù)既影響加工品質(zhì)，又增加調(diào)機(jī)次數(shù)，影響加工效率；

3．墨層的厚度和均勻性受供墨時(shí)間、速度、主軸轉(zhuǎn)速，以及涂料配比、涂墨速度等因素的影響；

4．涂料的種類、配比根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)需求設(shè)定，不同情況下相關(guān)的加工參數(shù)也需要做出相應(yīng)的調(diào)整。

涂墨后的鏡片在確保墨外觀、厚度的基礎(chǔ)上，墨層結(jié)合力必須滿足不同客戶的各項(xiàng)差異化要求。

墨層結(jié)合力測(cè)定的意義

無(wú)論是作為裝飾、防腐還是作為提升其機(jī)械或者光學(xué)性能，均應(yīng)該能夠牢固的依附在基體上，要求基體與墨層之間的結(jié)合力高。這是墨層的一個(gè)非常重要的基本性能指標(biāo)。

墨層結(jié)合力的定義

墨層與被涂物表面結(jié)合在一起的牢固程度，即為墨層結(jié)合力，這種結(jié)合力是由涂料中聚合物的極性基團(tuán)與被涂物表面的極性基相互作用而形成的。被涂物表面有污染或水分，涂料本身有較大的收縮應(yīng)力，聚合物在固化過(guò)程中相互交聯(lián)而使極性基的數(shù)量減少等，這些均是墨層結(jié)合力下降的因素。

光學(xué)玻璃涂層結(jié)合力常用的方法是使用有機(jī)溶劑擦拭、超聲波清洗、3M膠帶粘拉等，而其中要求較為苛刻的，就是百格測(cè)試。

百格測(cè)試一般而言是測(cè)試對(duì)象在經(jīng)過(guò)涂裝之后測(cè)試其附著度的方法，按要求用百格刀均勻劃出一定規(guī)格尺寸的方格，通過(guò)評(píng)定方格內(nèi)涂膜的完整程度來(lái)評(píng)定附著程度，以“級(jí)”表示，不僅適用于實(shí)驗(yàn)室，也可用于各種條件下的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。按照日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JIS)分為1～5級(jí)，級(jí)數(shù)越高，要求越嚴(yán)格，當(dāng)客戶規(guī)范當(dāng)中要求是第5級(jí)時(shí)，表示完全不能有脫落。

百格刀一刀口寬度一般為10mm～12mm，劃格時(shí)，每1mm～1．2mm為間隔， 基本步驟為：

1．將試驗(yàn)鏡片放置在有足夠硬度的平板上。

2．手持劃格器的手柄，使百格刀垂直于試片的平面。

3．以均勻壓力，平穩(wěn)不顫動(dòng)的手法以20～50mm/s的切割速度割劃。

4．將試片旋轉(zhuǎn)90°，在所割劃的切口上重復(fù)以上操作，以使形成格陣圖形。

5．用軟毛刷刷格陣圖形的兩邊對(duì)角線輕輕地向后5次，向前5次的刷試驗(yàn)鏡片。

6．試驗(yàn)至少在試驗(yàn)鏡片的三個(gè)不同位置上完成，如果三個(gè)位置的試驗(yàn)結(jié)果不同，應(yīng)在多于三個(gè)位置上重復(fù)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)記錄全部結(jié)果。

7．如需更換百格刀，可用螺絲刀將刀體上兩個(gè)螺絲旋松，換上所用的刀，把刀刃口部位貼向手柄一側(cè)，將螺絲旋緊。

并且，百格刀劃下去的時(shí)候應(yīng)該割到見(jiàn)到底材，不可只割在涂料上，否則測(cè)試便不成立。當(dāng)百格刀劃完之后，還必須用膠帶測(cè)試會(huì)不會(huì)脫落，首先，膠帶貼于百格位置，以手指壓下將膠帶緊密貼附，再以瞬間的力道將膠帶撕起，目視素材上的涂料是否有脫落現(xiàn)象此外，膠帶并非隨便一種都可以，以J標(biāo)準(zhǔn)而言，是必須指定廠牌與型號(hào)的。例如3M的Transparent Tape600此種膠帶寬度為3/4inch，長(zhǎng)度有1296nch和2592inch兩種。具體評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)下表。

隨著機(jī)器人的高效性、穩(wěn)定性、精準(zhǔn)性逐漸被認(rèn)可，工業(yè)機(jī)器人經(jīng)濟(jì)性愈發(fā)明顯，而且在勞動(dòng)力成本逐年上升的情況下，自動(dòng)化對(duì)體力勞動(dòng)者的替代作用也在日漸顯現(xiàn)。光學(xué)自動(dòng)涂墨機(jī)發(fā)自于玻璃制造行業(yè)，興起于玻璃制造行業(yè)，在實(shí)用中發(fā)展改進(jìn)，技術(shù)日趨成熟，已成功引領(lǐng)玻璃制造中局部工序的自動(dòng)化。