基于智慧工廠解決方案的顯示屏玻璃制程智能生產線設計

朱永波，徐利君

（1.湖南宇環智能裝備有限公司，長沙410100；2.湖南機電職業技術學院，長沙410151）

0 引言

隨著信息技術與先進制造技術的高速發展，我國智能制造裝備的發展迅速，以新型傳感器、智能控制系統、工業機器人、自動化成套生產線為代表的智能制造裝備產業體系初步形成，一批具有知識產權的重大智能制造裝備實現突破，本項目以玻璃顯示屏的研磨拋光為重點研究內容并逐步拓展到整個手機顯示屏行業，引入工業4.0 的概念，并運用物聯網、大數據、云計算等先進技術，最終實現數控裝備行業智能化、信息化、無人化的升級和突破[1]。目前興起的玻璃研磨拋光制程其工作環境差，勞動強度大，且玻璃易碎的特點也容易出現危險事故，這些特點迫使產業裝備升級并最終實現無人化。

目前智能手機顯示屏行業欣欣向榮，玻璃的特性決定了必須通過研磨拋光才能達到產品的精度，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間。目前各生產廠家都是單工藝集中加工，帶來物流轉運的時間和人力成本巨大，通過集中各工序的智能化生產線可以解決這個難題[2]。

1 產品特性分析

高端手機顯示屏通常采用康寧玻璃，其產品具有以下幾種特點：薄，成品0.6 mm 厚左右；脆，強化后的應力值在600 MPa 左右；硬，表面莫氏硬度達到8H；難加工，最后精加工去除量0.01 mm，精拋時間約為20 min；精度高，表面光潔度達到10 nm。一般玻璃從毛坯到成品的總去除量為0.3 mm 左右，所有整個過程耗時較長，為了提高生產效率，一般需要選用不同的加工設備組合來保證。由于手機玻璃的用量較大，故設備需求用量也非常大，屬于勞動密集型產業。將傳統的單工序集中生產方式改為多工序集中的生產單元，加入自動化和信息化，形成智慧生產的模式可以大大提高生產效率和節約人力成本。

2 加工工藝

在與用戶反復交流和現場的工藝驗證后，根據材料特性和加工精度及加工效率的匹配，選用合適的加工設備；再根據設備的特性和加工精度進一步進行工藝分解，確定選用精密磨削和精密拋光作為主要加工手段，輔助以自動化設備，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。

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備（圖1、圖2），上下砂輪采用高耐磨性樹脂砂粒皮，送料轉盤連續送料，根據檢測數據可以進行數據反饋，砂輪自動補償，可以達到高效生產的效果。

圖1 粗精磨設備圖

圖2 設備和檢測數據交互

2.2 精拋雙平面

采用立式雙面研磨拋光機（圖3），其結構分為上盤、下盤、太陽輪及內齒圈分開控制，系統采用全閉環控制，可以時時壓力監控和調整，龍門結構可以承受超大壓力，三級過濾系統有效分離雜質，避免二次劃傷。

圖3 精拋光設備

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，由于其中介質是粉末狀，呆干涸后會凝固在玻璃表面難以去除，所以及時清洗對產品的質量至關重要。本工序采用風刀型玻璃自動清洗機（圖4），分為冷水清洗、毛刷清洗、熱水清洗、風刀吹干、熱風烘烤等工序。最大程度保證前一工序的殘留液不留到下一工序，保證產品質量。

圖4 清洗烘干設備

2.4 加工尺寸在線檢測

磨削精度保證是加工重要的環節，由于砂輪是消耗品，需要通過補償來保證精度，傳統方式是采用計時和計件的方式來進行補償。本設計采用高精密雙探頭的形式來進行在線檢測（圖5），時時補償的方式，可以大大提高產品的合格率。

圖5 檢測補償示意圖

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線”系統解決方案的需求，需要達到如下技術要求。（1）設備可連續性加工，根據儲料箱的容量，定時補充和收走產品，設備會根據生產狀況可自動提示上料和收料。加工數量會自動記錄并保存在系統，并通過網絡可同步上傳至云端服務器。（2）通過CCD 視覺系統對產品外觀進行檢測，可檢測劃傷及崩邊等缺陷并通過趨勢判斷提示設備可能需要進行砂輪的修整。檢測到玻璃破碎時可以及時警報。（3）設備加工參數及檢測數據可在線實時監控，可診斷調整，并可輸出可以全程管理。（4）設備可實現自動化上下料，留有與清洗制程無縫連接口，帶有與相。關系統的連接端口，為未來新增功能提供鏈接接口。（5）設備產線可控可管，具備實現智能化生產車間的條件[3]。

圖8 拋光制程工藝簡圖

4 控制系統設計

對生產流程的管理進行數字化升級，生產的整個過程進行可視化管理和監控，系統的智能部件和設備通過網絡連為一體，應用基于研磨拋光生產線的MES 系統，以可編程邏輯控制器PLC 作為過程狀態和工藝、質量參數采集的基本單元，以工業現場總線和以太網構建基本網絡，將生產現場的信息進行集中整合，控制層主要負責生產過程中的自動控制和數據采集及初步分析，貫穿于整個生產制造環節及存儲等環節[4]。如圖9，產品的生產過程全部通過網絡傳到企業的管理系統，實現每件產品從來料到成品的可追溯性，MES 系統通過ERP 系統傳輸來的訂單信息，將需要準備的各種物料通過網絡傳輸各個部門和單元，覆蓋生產計劃優化、滾動調度、實時數據庫、數據校正、成本控制、庫存管理自動化、在線調優和優化控制、質量控制，實現生產計劃優化、滾動調度、實時數據庫、數據校正、庫存管理自動化、質量控制[5]。主要要求如下：（1）具備自動化+數字網絡化云端技術控制；（2）設備參數及檢測數據實時在線監控及調整、輸出；（3）具備實現自動上下料、無縫連接清洗制程、智能化無人生產、相關系統端口及新增智能功能接口；（4）具備智能化生產車間可控可管條件。

圖9 系統控制簡圖

5 結束語

“基于智能工廠解決方案的顯示屏研磨拋光制程智能生產線”緊密結合磨削機床的生產工藝，以無人和安全生產為設計理念，利用智能傳感器、機器智能識別系統、機器人、智能專用設備、在線檢測系統等智能部件，實現機器人自動上下料、自動磨削及各工序的信號交互與設備聯動，具有從原料到磨削成品全自動輸出等一系列功能。智慧工廠、智能化生產線是未來產業升級、結構調整不以人的意志為轉移的大趨勢。機器代替人工換來的高效、高質量的產品優勢，為企業轉型升級帶來了新的機遇和挑戰[6]。