李海泉，王濤

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西太原030024）

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LCD玻璃切割機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)算法

李海泉，王濤

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西太原030024）

摘要：闡述了LCD玻璃切割機(jī)中伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)加工精度的重要性，并針對(duì)y向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)給出了一種伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)算法，對(duì)以后類似伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算具有積極的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：LCD玻璃切割機(jī)；精度；伺服驅(qū)動(dòng)；設(shè)計(jì)算法

LCD玻璃切割機(jī)是液晶顯示器生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵設(shè)備，其主要功能是對(duì)尚未灌晶的大塊玻璃進(jìn)行上料固定、視覺識(shí)別和劃線切割等，使之成為最終產(chǎn)品顯示面板大小的單體液晶玻璃［1，2］。LCD玻璃切割機(jī)主要由切割工作平臺(tái)的y向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、刀座組件的x向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、切割刀頭的z向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成，采用工控機(jī)控制機(jī)、電、氣的動(dòng)作，完成液晶玻璃的精確切割。設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　LCD玻璃切割機(jī)

隨著液晶產(chǎn)品逐漸向大尺寸、薄型化、曲線窄邊框的方向發(fā)展，技術(shù)難度越來(lái)越大，切割設(shè)備不斷更新?lián)Q代，對(duì)切割精度的要求也越來(lái)越高；產(chǎn)品的切割精度及良品率成為玻璃切割設(shè)備的核心競(jìng)爭(zhēng)指標(biāo)。LCD玻璃切割機(jī)的加工精度主要由運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)加以視覺識(shí)別定位控制，而運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主要采用伺服電機(jī)、滾珠絲杠、直線導(dǎo)軌驅(qū)動(dòng)。因此，對(duì)各級(jí)伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算非常有必要。

本文以LCD玻璃切割機(jī)工作平臺(tái)的y向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)為例，進(jìn)行伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算。工作平臺(tái)的y向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌，運(yùn)動(dòng)方式為水平。根據(jù)客戶的工藝要求設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)精度為±0.01 mm，最大速度為0.5 m/s，y向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載質(zhì)量為350 kg，由機(jī)構(gòu)的行程可知滾珠絲杠的長(zhǎng)度為1 451 mm。LCD玻璃切割機(jī)工作平臺(tái)的y向伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要包括伺服電機(jī)、聯(lián)軸器、滾珠絲杠副和直線導(dǎo)軌，結(jié)構(gòu)如圖2所示。伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)各部件選用的合適與否直接關(guān)系到其運(yùn)動(dòng)性能和定位精度，因此對(duì)各部件進(jìn)行準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)計(jì)算是設(shè)計(jì)整套伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵。

圖2　工作平臺(tái)的y向伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

1　滾珠絲杠的選型設(shè)計(jì)

滾珠絲杠的選型主要是確定精度、類型和支撐方式，計(jì)算直徑、導(dǎo)程、行程長(zhǎng)度，驗(yàn)算轉(zhuǎn)速、負(fù)荷和剛性，并據(jù)此選擇合適的絲杠以及配套的螺母、固定座和支撐座。

1.1絲杠精度的確定

根據(jù)運(yùn)動(dòng)精度選擇C5級(jí)的THK精密滾珠絲杠，導(dǎo)程精度：300 mm±0.023 mm，軸向間隙為GT。配合視覺系統(tǒng)的識(shí)別定位，執(zhí)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，使重復(fù)定位精度達(dá)到±0.01 mm。

1.2絲杠軸支撐方式的確定

絲杠的行程為1 200 mm，運(yùn)動(dòng)速度為0.5 m/s，屬于高速使用，可以選擇固定-支撐或固定-固定的方式。但由于固定-固定的方式結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且部件精度和組裝精度要求較高，因此，選用固定-支撐的方式。

1.3絲杠導(dǎo)程的確定

電機(jī)與絲杠通過(guò)聯(lián)軸器連接，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度為0.5 m/s，考慮到負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比較大，選用中慣量的伺服電機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速為2000 r/min，計(jì)算導(dǎo)程：

因此，要想實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度，應(yīng)選PB≥15 mm，選擇導(dǎo)程為20 mm。

1.4絲杠直徑的計(jì)算

查閱THK選型手冊(cè)，THK精密滾珠絲杠軸徑與導(dǎo)程的標(biāo)準(zhǔn)組合，如表1所示。

表1　THK精密滾珠絲杠軸徑與導(dǎo)程的標(biāo)準(zhǔn)組合

一般而言，滾珠絲杠副的長(zhǎng)徑比在60以下是安全范圍，過(guò)長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生絲杠因自重下垂，撓度過(guò)大，運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生振顫現(xiàn)象。

式中，l為絲杠的長(zhǎng)度

dB為絲杠的軸徑

預(yù)選絲杠軸徑為25 mm、32 mm或36 mm。

1.5容許轉(zhuǎn)速的計(jì)算

最高轉(zhuǎn)速：

由絲杠軸的軸徑?jīng)Q定的危險(xiǎn)速度：

由DN值決定的容許轉(zhuǎn)速：

式中，v為絲杠的最大工作轉(zhuǎn)速

λ2為固定—支撐安裝方式的相關(guān)系數(shù)

d1為絲杠軸溝槽谷徑，也叫螺紋小徑

lb為安裝間距，根據(jù)絲杠長(zhǎng)度1 451 mm推算

D為絲杠副鋼球中心直徑

根據(jù)不同軸徑計(jì)算相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，結(jié)果如表2。

表2　THK精密滾珠絲杠轉(zhuǎn)速與軸徑的計(jì)算

根據(jù)最高轉(zhuǎn)速不能超過(guò)絲杠軸的危險(xiǎn)速度及DN值容許轉(zhuǎn)速，且絲杠軸的危險(xiǎn)速度不能超過(guò)DN值容許轉(zhuǎn)速的條件，綜合考慮，選擇絲紅軸的外徑為25 mm。

1.6容許軸向負(fù)荷的計(jì)算

運(yùn)轉(zhuǎn)模式，如圖3：

圖3　滾珠絲杠的速度分布圖

加速時(shí)間：t1=0.2 s

勻速時(shí)間：t2=0.8 s

減速時(shí)間：t3=0.2 s

運(yùn)轉(zhuǎn)周期：t=2 s

最大軸向負(fù)荷的計(jì)算：

最大軸向負(fù)荷：

式中，μ為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)

m為負(fù)載的質(zhì)量

絲杠軸的挫曲載荷的計(jì)算：

式中，η2為與安裝方式相關(guān)的系數(shù)

絲杠軸的容許拉伸壓縮負(fù)荷：

由上可知，絲杠軸的最大軸向載荷小于其挫曲載荷和容許拉伸壓縮負(fù)荷，使用安全可靠。

1.7螺母的選擇

根據(jù)絲杠外徑25 mm和導(dǎo)程20 mm，查閱THK造型手冊(cè)，選擇無(wú)預(yù)壓螺母BNK2520-3.6 ZZ。

驗(yàn)算螺母的容許軸向負(fù)荷：

式中，C0a為基本靜額定載荷

fs為靜態(tài)安全系數(shù)

由F3>Fa可知，選用螺母安全。

1.8絲杠型號(hào)的確定

綜合以上計(jì)算，選擇THK高精度滾珠絲杠，型號(hào)：BNK2520-3.6GT+1451LC5YM 1.9絲杠剛性的校核

查閱THK選型手冊(cè)，所選絲杠的軸向剛性K 為360 N/μm，計(jì)算由絲杠軸向剛性引起的定位誤差δ。

δ=Fa/K=885.3/360=2.46 μm<±0.01 mm

由絲杠軸向間隙引起的定位誤差，對(duì)絲杠定位精度的影響較小，可忽略不計(jì)。

2.0固定座和支撐座的選用

固定座選用EK20，支撐座選用EF20。

2　伺服電機(jī)的選型設(shè)計(jì)

伺服電機(jī)的選型主要是根據(jù)機(jī)構(gòu)、運(yùn)轉(zhuǎn)模式計(jì)算負(fù)載的最大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、轉(zhuǎn)矩及所需的功率、轉(zhuǎn)速等；并校驗(yàn)負(fù)載的有效轉(zhuǎn)矩要小于電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩、負(fù)載的最大加速轉(zhuǎn)矩要小于電機(jī)的瞬時(shí)最大轉(zhuǎn)矩、負(fù)載的加速功率要小于電機(jī)的額定功率、負(fù)載的最大轉(zhuǎn)速要小于電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速、折算到電機(jī)軸上的負(fù)載總慣量要小于電機(jī)允許的安全慣量，根據(jù)以上條件選擇合適的伺服電機(jī)。

2.1滾珠絲杠的質(zhì)量

式中，ρ為絲杠的材質(zhì)密度

2.2負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

直線運(yùn)動(dòng)部件的慣量：

滾珠絲杠的慣量：

聯(lián)軸器的慣量：

折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

2.3電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度

2.4負(fù)載轉(zhuǎn)矩

式中，f為摩擦系數(shù)，

η為機(jī)械效率

2.5負(fù)載加速功率

2.6確定電機(jī)

綜合以上計(jì)算，預(yù)選松下MDME AC200V A5系列1 kW中慣量電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，額定轉(zhuǎn)矩為4.77 N·m，電機(jī)瞬時(shí)最大轉(zhuǎn)矩為14.3 N·m，額定慣量為4.6×10-4kg·m2。校驗(yàn)如下：

最后確認(rèn)加速轉(zhuǎn)矩：

確認(rèn)所選電機(jī)安全可靠。

3　導(dǎo)軌的選型

導(dǎo)軌的選擇主要考慮精度和類型，根據(jù)機(jī)構(gòu)確定軌長(zhǎng)，根據(jù)負(fù)載及安裝條件確定軌寬，最后驗(yàn)算其工作壽命。LCD玻璃切割機(jī)的y向進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)選擇球保持器型LM滾動(dòng)導(dǎo)軌，這種導(dǎo)軌由于鋼球間無(wú)相互摩擦，具有磨損小、油脂保持性好、噪音低、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。

每個(gè)滑塊上的負(fù)載：

選用導(dǎo)軌：SHS25C-1780LH

計(jì)算導(dǎo)軌壽命：

式中，

C——導(dǎo)軌的基本動(dòng)額定載荷

ls——導(dǎo)軌的行程長(zhǎng)度

4　聯(lián)軸器的選擇

聯(lián)軸器選擇主要考慮允許轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、對(duì)中性等要求，另外聯(lián)軸器還應(yīng)具有過(guò)載安全保護(hù)以及一定的緩沖減震性能。LCD玻璃切割機(jī)的y向進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)選用高強(qiáng)度強(qiáng)力鋁合金材質(zhì)的雙板簧式聯(lián)軸器，扭轉(zhuǎn)剛性較好，外形尺寸緊湊，旋轉(zhuǎn)慣量小。而且，外圍和端面平整，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)風(fēng)切聲較小，可低噪音高速旋轉(zhuǎn)。

根據(jù)聯(lián)軸器的允許轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和安裝精度選用三木撓性聯(lián)軸器SFC-050DA2-15B-22B。

5　結(jié)　論

本文以LCD玻璃切割機(jī)工作平臺(tái)的y向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為例，給出了一種伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。在實(shí)踐使用中，LCD玻璃切割機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行性能穩(wěn)定，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)計(jì)算的可靠性。此設(shè)計(jì)算法對(duì)相關(guān)伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有一定的參考意義，有利于提高設(shè)計(jì)的合理性。

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A Design Algorithm about Servo Drive System of LCD Glass Incising Machine

LI Haiquan，WANG Tao
（The 2ndResearch Institute of CETC,Taiyuan 030024,China）

Abstract:The paper presents the importance of servo drive system of the LCD glass incising machine in machining accuracy. In particular, A design algorithm about servo drive system was put forward in Y-feed direction, which provides active guidance for the design and calculation of similar servo drive system.

Keywords:LCD glass incising machine；Accuracy；Servo drive；Design algorithm

中圖分類號(hào)：TN605

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-4507（2016）05-0020-05

收稿日期：2016-03-31