數控玻璃鉆孔機床結構和控制系統設計

劉明　王金良

摘 要 根據消費電子領域客戶提出的加工工藝要求，設計一種全自動的數控玻璃鉆孔機床，采用兩軸聯動的數控十字工作臺，用數控系統控制，裝有四套氣動夾具，相對應的配有四套高轉速的速技能動力頭，一次可同時加工四個零件。用數控裝置和伺服系統驅動，實現高精度自動化加工。

關鍵詞 玻璃鉆孔機;數控十字滑臺;速技能動力頭;數控裝置和伺服系統

中圖分類號： TG527 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.02.033

0 前言

數控玻璃鉆孔機床是一種用于消費電子領域超薄玻璃的鉆孔加工機床;隨著電子消費市場的高速發展，更多的LED顯示屏和觸摸屏采用了玻璃材料，數控玻璃鉆孔機床的市場需求也越來越大。

消費電子領域的特點是產品生產批量大、品種多、更新換代周期短，對加工超薄玻璃的鉆孔加工機床提出了高速度、高精度、快節拍和調整方便的工藝要求。該數控玻璃鉆孔機床具有體積小、加工精度高、加工速度快、生產效率高、操作調整方便等特點。由于超薄玻璃的特別容易破碎，因而在鉆孔加工時，對動力頭的轉速、進給速度的控制、鉆頭的選擇、夾緊力的大小等等都有較高的要求。

1 機床結構與工藝過程

根據消費電子領域客戶提出的加工工藝要求，設計一種全自動的數控玻璃鉆孔機床（見圖1），數控玻璃鉆孔機床由床身底座、數控電控裝置、動力頭支架、速技能動力頭、操作站、數控十字工作臺、夾具、氣路系統及冷卻系統等部件組成。現就其主要部分進行分別說明。

1.1 數控十字工作臺

1.伺服電機 2.Y方向傳動電機座 3.同步帶 4.同步帶輪 5.滾珠絲桿及螺母 6.工作臺臺板 7.軸承座

我們結合數控加工技術，研制了一種X-Y數控十字工作臺立式玻璃鉆孔加工設備。將工作臺設計成可X-Y二坐標的、可高速聯動的工作臺，用高精度滾珠絲杠和精密直線導軌結構（見圖2和圖3），用數控裝置和伺服系統驅動，工作時實現高精度、高速度運動;數控十字工作臺的臺面尺寸為1300mmX650mm，X軸行程為450mm，Y軸行程為300mm，采用上下雙層結構，每一層采用有伺服電機和滾珠絲桿傳動機構的精密直線導軌模塊，構成了X-Y二坐標聯動的上下兩層的工作臺。每層為兩個相互平行的直線導軌模塊，兩層的直線導軌模塊間相互垂直。下層的Y向直線導軌模塊的底座與床身底座固定連接;上層的X向直線導軌模塊的底座與Y向直線導軌模塊的滑塊連接。在X向的上層工作臺面上安裝有四套氣動夾具;臺面采用鋁合金材料制造，表面氧化處理。

1.伺服電機 2.Y方向傳動電機座 3.同步帶 4.同步帶輪 5.滾珠絲桿及螺母 6.工作臺臺板 7.軸承座

1.2 速技能動力頭

數控玻璃鉆孔機床的動力頭安裝支架上平行裝有4套日本速技能公司生產的風電式動力頭，其型號為ES3C-6030L，其工作轉速為3000rpm/min，主軸旋轉采用高速電機驅動，進給則采用氣動加液壓阻尼器來實現，而調整液壓阻尼器的阻尼大小可根據加工工藝要求來調節進給速度，方便可靠。

速技能動力頭具有以下特點：

1.2.1 高精度

該動力頭采用剛性主軸結構，主軸軸承使用雙支承的精度高的向心推力球軸承，主軸的徑向跳動在0.003mm/130mm，軸向串動在0.002mm。

1.2.2 高剛性

采用軸向導軌的自導向結構，大幅度提高了整體的剛性，充分保證了孔加工的穩定性。

1.2.3 高性能

主軸端部具有雙重密封結構和便于靈活安裝和調整的圓形殼體，保證軸承的使用壽命，能滿足多樣化孔加工的要求。

1.3 夾具

在X向的上層工作臺面上安裝有四套氣動夾具用于裝夾被加工的玻璃零件（見圖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面定位元件，側面定位是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;夾緊時由氣缸推動傳動軸轉動，帶動2個壓板同步擺動可松開或夾緊工件;調節氣路系統的氣壓大小即可調節夾緊力的大小。

在夾具裝配過程中，必須要保證四套夾具中X和Y方向定位尺寸的一致性，在側面定位的X和Y方向的固定端配有可修磨的調整墊片，以方便尺寸的調整。

1.4 工藝過程

數控玻璃鉆孔機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，按下啟動按鈕，首先定位氣缸將零件精確定位后，兩側的夾緊氣缸將玻璃零件夾緊（夾緊力量適中），數控十字工作臺（臺板上裝有四套夾具）在兩軸數控系統（聯動）的驅動下從坐標原點快速移至第一個加工位置，四套速技能動力頭主軸啟動，同時，冷卻電磁閥打開并工作，并快速接近工件后由快進轉換為工進，第一工位加工結束后動力頭主軸快退至原位;數控十字工作臺在兩軸數控系統（聯動）的驅動下從坐標原點快速移至第二個加工位置，重復循環，直到四個孔全部加工完畢，冷卻電磁閥關閉并停止工作，數控十字工作臺退回原位，定位元件自動退回，壓板全部松開，加工全過程結束。

2 控制系統設計

根據加工零件的工藝設計要求，設計的控制系統功能框圖（如圖5所示），該框圖顯示了整個系統功能的主要電氣控制功能模塊及系統的組成部分。

2.1 伺服電機控制

本系統采用FANUC高速伺服電機控制位置;傳統的伺服電機基本上采用了更早的步進電機脈沖控制的方式，使用脈沖位置控制時該方式接收到1個脈沖，就會旋轉1個脈沖對應的角度，從而實現位移，一般脈沖控制的的精度為10000/圈，如果傳動機構的絲桿導程為10MM，每個脈沖當量的精度為10mm/1000=0.001mm，為了更好配合數控系統的控制，本次系統設計伺服電機采用高速通信型伺服電機，通信速度>10M/S（1000000次/s），電機編碼器采用高精度23位編碼，即每一圈的有2的23次方的脈沖數（8388608）遠高于傳統增量式編碼器，X軸進給控制、Y軸進給控制，經過數控系統的插補算法，實現X軸和Y軸伺服電機的插補運動，系統定位是通過G00指令快速定位鉆孔位置。

2.2 主軸電機控制

通過四個接觸器來分別控制四個三相異步電機，實現主軸啟動和停止。

2.3 FANUC系統

本次采用的FANUC系統主要由以下五部分組成：儲存器（RAM）、驅動器、運算器（CPU）、輸入設備（INPUT）、輸出設備（OUTPUT）。運算器（CPU）的主要作用就是負責執行計算機的指令，是處理和運算信息的重要部件。而驅動器是有序列的執行計算機內各部件的程序。儲存器（RAM）的主要作用是存放程序、運算結果、參與運算這三方面。輸出設備是將這些信息的處理結果進行輸出。輸入設備中所輸入的信息包含了圖形、數字、聲音等主要是將原始的數據輸入并對這些數據進行處理。本專用機床采用了FANUC數控系統的操作面板，采用高性能的數控系統進行控制，包括玻璃的長寬高、打孔位置，打孔數量等，控制精度（脈沖當量）：0.001-0.002MM，定位進給速度：10米/min，實現玻璃鉆孔加工的高度自動化控制，消除人工定位產生的加工誤差，有效的減輕工人的勞動強度。

2.4 開關量

包含輸入輸出，輸入包括進給電機軸的零點檢測信號，極限位置信號玻璃的檢測信號，夾具位置信號，電機啟停信號，安全距離檢測信號等，輸出信號包括氣缸的動作，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

本專機需要對機床夾具壓力進行控制，壓力過大容易壓碎玻璃，壓力過小則夾不緊玻璃，而且在加工過程中需要保持壓力的穩定，防止加工過程中壓力過大過小，造成加工玻璃零件的損壞。為了實現壓力的精確控制，本次氣動系統采用SMC ITV-2050-312L電氣比例閥控制氣壓，可實現0.01Bar高精度壓力控制;數控系統通過模擬量0-20mA信號輸出給氣動比例閥，閥體內自帶有PID控制算法，可以精確穩定的控制氣壓的大小，而且閥體內自帶有壓力傳感器，可同時將當前的實際氣壓大小通過模擬量信號傳回數控系統（CNC），以便數控系統對氣壓進行監控。

2.6 編碼器

用于反饋數控十字工作臺的軸向位置信息。

2.7 抗干擾設計

在工業現場工作的控制設備必須考慮到現場干擾影響，特別是對于數控系統控制的設備，需具備低電壓，高頻率的工作能力，抗干擾設計分為硬件抗干擾和軟件抗干擾設計。

2.7.1 硬件抗干擾設計

硬件抗干擾設計很重要，特別對于含有380V高壓的應用場合，是減小干擾的重要手段。其中包括電氣安裝時的接地設計，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 軟件抗干擾設計

為防止系統崩潰，軟件方面主要采用看門狗的技術方式，通過不停的喂狗來判斷系統的運行狀況。

3 結束語

基于數控玻璃鉆孔機床的工藝流程，對數控玻璃鉆孔機床結構和控制系統進行了相關研究，用數控系統對十字工作臺進行控制，使得該機床具有運行響應速度快、定位準確可靠、穩定性好、生產效率高、操作方便等特點。該設備已批量投入生產，已在多家企業投入應用，加工質量和性能指標完全滿足LED顯示屏玻璃加工的工藝要求，完全替代進口設備。

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