李海泉，王濤

（中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原030024）

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LCD玻璃切割機伺服驅(qū)動機構(gòu)的設計算法

李海泉，王濤

（中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原030024）

摘要：闡述了LCD玻璃切割機中伺服驅(qū)動機構(gòu)對加工精度的重要性，并針對y向進給運動給出了一種伺服驅(qū)動機構(gòu)的設計算法，對以后類似伺服驅(qū)動機構(gòu)的設計計算具有積極的指導作用。

關鍵詞：LCD玻璃切割機；精度；伺服驅(qū)動；設計算法

LCD玻璃切割機是液晶顯示器生產(chǎn)過程中的關鍵設備，其主要功能是對尚未灌晶的大塊玻璃進行上料固定、視覺識別和劃線切割等，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玻璃切割機主要由切割工作平臺的y向運動機構(gòu)、刀座組件的x向運動機構(gòu)、切割刀頭的z向運動機構(gòu)等組成，采用工控機控制機、電、氣的動作，完成液晶玻璃的精確切割。設備結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　LCD玻璃切割機

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，技術難度越來越大，切割設備不斷更新?lián)Q代，對切割精度的要求也越來越高；產(chǎn)品的切割精度及良品率成為玻璃切割設備的核心競爭指標。LCD玻璃切割機的加工精度主要由運動系統(tǒng)加以視覺識別定位控制，而運動系統(tǒng)主要采用伺服電機、滾珠絲杠、直線導軌驅(qū)動。因此，對各級伺服驅(qū)動機構(gòu)進行設計計算非常有必要。

本文以LCD玻璃切割機工作平臺的y向進給運動為例，進行伺服驅(qū)動機構(gòu)的設計計算。工作平臺的y向進給運動采用伺服電機驅(qū)動滾珠絲杠和直線導軌，運動方式為水平。根據(jù)客戶的工藝要求設計機構(gòu)，運動精度為±0.01 mm，最大速度為0.5 m/s，y向進給運動系統(tǒng)負載質(zhì)量為350 kg，由機構(gòu)的行程可知滾珠絲杠的長度為1 451 mm。LCD玻璃切割機工作平臺的y向伺服驅(qū)動機構(gòu)，主要包括伺服電機、聯(lián)軸器、滾珠絲杠副和直線導軌，結(jié)構(gòu)如圖2所示。伺服驅(qū)動機構(gòu)各部件選用的合適與否直接關系到其運動性能和定位精度，因此對各部件進行準確的設計計算是設計整套伺服驅(qū)動機構(gòu)的關鍵。

圖2　工作平臺的y向伺服驅(qū)動機構(gòu)

1　滾珠絲杠的選型設計

滾珠絲杠的選型主要是確定精度、類型和支撐方式，計算直徑、導程、行程長度，驗算轉(zhuǎn)速、負荷和剛性，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)運動精度選擇C5級的THK精密滾珠絲杠，導程精度：300 mm±0.023 mm，軸向間隙為GT。配合視覺系統(tǒng)的識別定位，執(zhí)行運動補償，使重復定位精度達到±0.01 mm。

1.2絲杠軸支撐方式的確定

絲杠的行程為1 200 mm，運動速度為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絲杠導程的確定

電機與絲杠通過聯(lián)軸器連接，機構(gòu)的運動速度為0.5 m/s，考慮到負載的轉(zhuǎn)動慣量比較大，選用中慣量的伺服電機，其額定轉(zhuǎn)速為2000 r/min，計算導程：

因此，要想實現(xiàn)機構(gòu)的運動速度，應選PB≥15 mm，選擇導程為20 mm。

1.4絲杠直徑的計算

查閱THK選型手冊，THK精密滾珠絲杠軸徑與導程的標準組合，如表1所示。

表1　THK精密滾珠絲杠軸徑與導程的標準組合

一般而言，滾珠絲杠副的長徑比在60以下是安全范圍，過長會產(chǎn)生絲杠因自重下垂，撓度過大，運行時產(chǎn)生振顫現(xiàn)象。

式中，l為絲杠的長度

dB為絲杠的軸徑

預選絲杠軸徑為25 mm、32 mm或36 mm。

1.5容許轉(zhuǎn)速的計算

最高轉(zhuǎn)速：

由絲杠軸的軸徑?jīng)Q定的危險速度：

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)不同軸徑計算相應的轉(zhuǎn)速，結(jié)果如表2。

表2　THK精密滾珠絲杠轉(zhuǎn)速與軸徑的計算

根據(jù)最高轉(zhuǎn)速不能超過絲杠軸的危險速度及DN值容許轉(zhuǎn)速，且絲杠軸的危險速度不能超過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容許軸向負荷的計算

運轉(zhuǎn)模式，如圖3：

圖3　滾珠絲杠的速度分布圖

加速時間：t1=0.2 s

勻速時間：t2=0.8 s

減速時間：t3=0.2 s

運轉(zhuǎn)周期：t=2 s

最大軸向負荷的計算：

最大軸向負荷：

式中，μ為導軌摩擦系數(shù)

m為負載的質(zhì)量

絲杠軸的挫曲載荷的計算：

式中，η2為與安裝方式相關的系數(shù)

絲杠軸的容許拉伸壓縮負荷：

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和導程20 mm，查閱THK造型手冊，選擇無預壓螺母BNK2520-3.6 ZZ。

驗算螺母的容許軸向負荷：

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絲杠型號的確定

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

查閱THK選型手冊，所選絲杠的軸向剛性K 為360 N/μm，計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，對絲杠定位精度的影響較小，可忽略不計。

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　伺服電機的選型設計

伺服電機的選型主要是根據(jù)機構(gòu)、運轉(zhuǎn)模式計算負載的最大轉(zhuǎn)動慣量、轉(zhuǎn)矩及所需的功率、轉(zhuǎn)速等；并校驗負載的有效轉(zhuǎn)矩要小于電機的額定轉(zhuǎn)矩、負載的最大加速轉(zhuǎn)矩要小于電機的瞬時最大轉(zhuǎn)矩、負載的加速功率要小于電機的額定功率、負載的最大轉(zhuǎn)速要小于電機的額定轉(zhuǎn)速、折算到電機軸上的負載總慣量要小于電機允許的安全慣量，根據(jù)以上條件選擇合適的伺服電機。

2.1滾珠絲杠的質(zhì)量

式中，ρ為絲杠的材質(zhì)密度

2.2負載轉(zhuǎn)動慣量

直線運動部件的慣量：

滾珠絲杠的慣量：

聯(lián)軸器的慣量：

折算到電機軸上的負載轉(zhuǎn)動慣量：

2.3電機旋轉(zhuǎn)速度

2.4負載轉(zhuǎn)矩

式中，f為摩擦系數(shù)，

η為機械效率

2.5負載加速功率

2.6確定電機

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

最后確認加速轉(zhuǎn)矩：

確認所選電機安全可靠。

3　導軌的選型

導軌的選擇主要考慮精度和類型，根據(jù)機構(gòu)確定軌長，根據(jù)負載及安裝條件確定軌寬，最后驗算其工作壽命。LCD玻璃切割機的y向進給伺服驅(qū)動機構(gòu)選擇球保持器型LM滾動導軌，這種導軌由于鋼球間無相互摩擦，具有磨損小、油脂保持性好、噪音低、使用壽命長的優(yōu)點。

每個滑塊上的負載：

選用導軌：SHS25C-1780LH

計算導軌壽命：

式中，

C——導軌的基本動額定載荷

ls——導軌的行程長度

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、對中性等要求，另外聯(lián)軸器還應具有過載安全保護以及一定的緩沖減震性能。LCD玻璃切割機的y向進給伺服驅(qū)動機構(gòu)選用高強度強力鋁合金材質(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)時風切聲較小，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玻璃切割機工作平臺的y向進給運動機構(gòu)為例，給出了一種伺服驅(qū)動機構(gòu)的設計計算方法。在實踐使用中，LCD玻璃切割機的驅(qū)動機構(gòu)運行性能穩(wěn)定，體現(xiàn)了設計計算的可靠性。此設計算法對相關伺服驅(qū)動機構(gòu)的設計具有一定的參考意義，有利于提高設計的合理性。

參考文獻：

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［5］成大先.機械設計手冊［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2004.

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：TN605

文獻標識碼：B

文章編號：1004-4507（2016）05-0020-05

收稿日期：2016-03-31