基于XC轴联动的蓝宝石玻璃加工专用机床的研制.pdf

设计与研究 D e s ig n a n d R e s e a r c h 基于 XC轴联动 的蓝 宝石玻璃加工专用机床的研 制 木 王小东① 王天 雷② ①广东科杰机械 自动化有限公司， 广东 江门5 2 9 0 3 0 ； ②五邑大学信息工程学院， 广东 江门5 2 9 0 2 0 摘要介绍了蓝宝石材质盖板玻璃的 j p - r - 方法、 X C运动轴的构成和刀具运动轨迹。建立专用机床的运动 学模型， 分析研究了数控系统的运动规划和速度处理。设计 的专用机床采用 XC联动实现 了磨边 抛光工艺 ， 满足了蓝宝石盖板玻璃加工的需求。专机在实际应用中减少 了不 良品率 。 提高 了生产 率， 取得了良好的效果。 关键词蓝宝石J j n - r ； 专用机床 ； X C联动 ； 运动规划 ； 速度处理 中图分类号 T H1 6 1 文献标识码 A De v e l o p me n t o f s p e c i a l p u r p o s e ma c h i n e o f s a p p h i r e g l a s s p r o c e s s i n g b a s e d o n XC a x i s W ANG Xi a o d o n g ① ． W ANG Ti a n l e i ② G u a n g d o n g K e j i e Ma c h i n e r y A u t o m a t i o n C o ． ， L t d ． ， J i a n g me n 5 2 9 0 3 0 ， C HN； ②C o l l e g e o f I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g ， Wu y i U n i v e r s i t y ， J i a n g m e n 5 2 9 0 2 0 ， C H N Ab s t r a c t Th e pr o c e s s i n g me t h o d o f s a pp h i r e ma t e r i a l c o v e r g l a s s a n d t h e t o o l p a t h o f XC mo t i o n a x i s a r e i n t r o du c e d． T he k i n e ma t i c s mo d e l o f s p e c i a l p u r po s e ma c h i n e i s e s t a b l i s h e d，mo t i o n p l a nn i n g a n d s p e e d pr o c e s s i n g o f CNC s y s t e m a r e s t ud i e d． Th e s pe c i a l ma c h i n e a d o p t i n g XC l i n k a g e r e a l i z e s g r i n d i n g p o l i s h i n g p r o c e s s ，s a t i s fie s t h e r e qu i r e me n t s o f s a p p h i r e ma t e r i a l c o v e r g l a s s p r o c e s s i n g ．I n p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n， t he ma c h i n e r e d u c e s t h e r a t e o f n o np e r f o r mi n g p r o d u c t s ，i mp r o v e s p r o d u c t i v i t y，a c h i e v e s we l l r e s u l t s ． Ke y wo r dss a p ph i r e p r o c e s s i n g；s p e c i a l p u r p o s e ma c h i n e；XC l i n k a g e；mo t i o n p l a n n i n g；S p e e d p r o c e s s i n g 自 i P h o n e系列 手机和 i P a d平板 电脑系列产 品问 世以来 ， 投射式电容触控技术己开始应用于各种 电子 产品中 I 2 } 。蓝宝石材质作为触控面板模组表层的盖 板玻璃 也称 c o v e r l e n s 或 c o v e r g l a s s 也逐步应用 到高端 ， 新式电子产 品中 如图 1 。对蓝宝石盖板外 廓的磨边 、 抛光加工是极为重要的工序之一 。 1 蓝 宝石玻璃盖板加 工方 法分析 最新款式 的手机触摸盖板材质从康宁玻璃升级为 人造蓝宝石 ， 其硬度仅次于金刚石达莫 氏9级 ， 加工 难度加大。传统的加工方法是采用 X Y轴联动插补模 式进行加工。在主轴上装夹直径大约为 1 0 m m 的陶 瓷结合剂金刚石指形砂轮 砂轮棒 ， 转速高达 1 8 0 0 0 r ／ m i n ， 沿着盖板玻璃 的外边缘进行磨削 ， 实现成形加 工。在盖板材质升级为蓝宝石材质后 ， 该方法加工存 在效率低 单片工时超过 3 0 m i n ， 刀具损耗大 约 3～ 5片更换一个砂轮棒 的问题 ， 大幅增加 了制造成本。 同时， 因材质变化在应用小直径砂轮棒加工时， 易造成 广东省重大科 技专项 资助项 目 2 0 1 0 A 0 8 0 4 0 1 0 0 3 崩裂、 崩边 、 振纹等加工 品质问题 ， 良品率大幅下 降。 此外 ， 因盖板玻璃尺寸的增大 从 4英寸到 4 ． 7 、 5 ． 5英 寸， 甚至 1 0英寸以上 ， 如果再沿用直线的 XY插补加 工方式 ， 要求机床各个轴的行 程要加大 ， 一方面增加 了设备 生产商的制造难度 和制造成 本。另一方面 ， 因机床 占地面 积的增加 ， 也不利于设备应用 企业大量采购 、 安放及 使用。 基于以上 因素 ， 对专机加工方 法及结构 的设想为 1 采用 X C联动加工 ， 将蓝 宝石材质 盖板玻璃 固定 在工作 台上 的 c轴转台上 ， 通过直线轴 轴 和旋转轴 C轴 的插 补运动实 现 加工。 2 主轴上 装夹 直 径 1 0 0 m m左右 的盘形砂轮， 图1 i p h o n e 5盖板玻璃 加工转速 6 0 0 0 r ／ rai n ， 砂轮切 削线 速度提高 ， 加 工效 率提升显著 单片工时缩短至 1 2 rai n 。 3 大幅提高 砂轮盘寿命 平均砂轮盘可完成 1 2 0片 ， 降低 了加工 成本 。 4 以客户需求为出发点 ， 减小机床 占地面积 ， 降低设备制造成本 ， 专机采用 X C联动加工形式 ， 结构 紧凑 ， 利于大规模采购 ， 集中安放及生产的要求 。 2 蓝 宝石盖板玻璃加 工专机构成 2 ． 1 专机的配置 本文设计的 XC联动盖板玻璃加工机床结构见 图 2 。为了确保 X C联动加工的品质要求 ， 机床 轴采用 日本安川 S G MJ V一 0 8 A D E 6 S型电动机 ， 电动机采用 2 0 位编码器 ， 配合 5 m m螺距丝杠 ， 1 mlT l 可对应 2 0 9 7 1 5 个脉冲信号 ， 反馈精度高。旋转轴 c轴采用安川 S G - MC S一1 0 C 3 C型 I b电动机 ， 该 电动机 为永磁 同步直 驱式 ， 输 出力矩平稳 ， 无反向间隙影响 ， 旋转角度 1 。 对 应 2 9 1 2个脉冲信号 ， 角度定位准确 ， 该配置确保 X C 联动执行机构的精度要求 。数控系统采用企业 自主研 发的基于嵌入式 Wi n d o w s的开放式数控系统 ， 结合客 户的生产工艺需求 ， 对系统软件功能进行了定制开发 ， 确保专机设备的系统控制需求得以实现。 具 图2■ 联动O GS 玻璃加工机床结构 2 ． 2 X C轴联 动的结构 5轴联动 运动可分 为摆头 式和 双转 台式 两种模 式。设计 的专机结构属于简化的转台式结构 。即在双 转台结构 如图 3所示 的基础上 ， 省去了直线运动轴 D e s ig n Q n d R e s e Q fc h 设计与研究 l ， 轴和摆动轴 A轴 ， 形成相对简化 的 X Z C轴机床 ， 支 持 X C轴联 动功能。X C联 动方式 在机构 的优 点是 1 可减少机床必要的操作空间和 占地面积； 2 减少 制造难度和成本 ； 3 可使用较大直径盘形砂轮加工 ， 提高磨削工作线速度 。 图3 双转台机 床结构 3 X C联动运动规划及速度处理 由图 2所示的机床构成和图 1工件轮廓可知 ， 盖 板玻璃加工采用 X C联 动模式 ， 该结构是在 5轴联动 基础上 ， 省去 y轴和另一 回转轴的运动模式。为了满 足其加工工艺要求 ， 保证工件加工效率与精度， 首先基 于完整的4一c双转 台形 式构建机 床 的运 动学模 型 如图4所示 ， 并通过模型简化设计 ， 最终获得 X C轴 的运动模型。文中还对 X C轴联动运动规划及速度处 理进行研究和仿真 ， 确保联动加工过程 中的轮廓精度 以及进给速度的平顺性。模型 的参数 符 号 及参数 说明见表 1 。 AC双转 台形式 的机床结构 中， 设 定 A轴为定 轴，C轴为动轴。在 机床加工时， 刀具坐标 系和工件 坐标系是重合的。即刀心点位于工件坐标系原点 ， 齐 次坐标为 0 ， 0 ， 0， 1 T o刀轴矢 量在工件 坐标系 中表 示为 0 ， 0 ， 1 ， 0 T O在初始状态下 ， 工件坐标系和刀具 坐标系是平行的。根据运动学理论 ， 机床 的运动链 可 描述为 机床坐标系经过定轴的旋转一再经过动轴的 旋转一得到机床坐标系和工件坐标系的变换关系。反 之 ， 可得工件坐标系和刀具坐标系的关系 。 表 1 运动学模型 中参数说明 参数 符号 参数说明 参数 符号 参数说明 L x ， L y， T 工件坐标系原点到动轴旋转中心的矢量 O t Xt ． Y t ． Z t 刀具坐标 系 V x ， V y， v n T 动轴旋转中心到定轴旋转中心的矢量 Q x ， Q y ， Q z 工件 坐标 系下 刀心点 的位置 、口、 C 旋转轴的类型 ， 即需要知道哪个定轴和动轴 i J， k 工件 坐标 系下刀轴矢量 从工件 坐标 系变换到 刀具坐标系时 ， X， Y， Z， A， 曰和 C轴的 O w X w - Y w Z w 工件坐标系 P x P y P z b C 运动量 9 3