超大超薄柔性面板测量机气动系统设计.pdf

液 压 气 动 与 霉p 封 ／2 0 1 5- F- - 3 1 S 0 1 期 d o i l O ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 0 1 ． 0 0 8 超大超薄柔性面板测量机气动系统设计 许宝文 ， 陈 珂 四川大学 制造科学与工程学院 ， 四川 成都6 1 0 0 6 5 摘 要 针对超大超薄柔性面板生产并线的机器视觉测量工艺需求 ， 提出了一种机械臂协同操控的气动系统功能设计方案； 研究应用 了气动系统的隔离分组优化方法， 实现了系统对大小面板切换的自适应柔性化控制需求； 在此基础上 ， 设计了系统工作原理和控制逻 辑流程 ， 对系统关键控制指标进行了参数计算 ； 并研究提出了操控过程中局部失效与故障情况下的系统安全控制方式。最后通过原 型机的工况仿真测试试验， 验证了气动系统的工艺功能与安全可靠性。 关键词 超大超薄柔性面板测量机； 气动系统 ； 方案设计； 参数计算 中图分类号 T H1 3 8 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 O 1 0 0 3 0 0 4 Pn e u ma t i c S y s t e m De s i g n f o r Ul t r a ． t h i n Gl a s s Pa n e l Me a s u r i n g M a c hi n e XU Bao we n， CHEN Ke S c h o o l o f Ma n u f a c t u r i n gS c i e n c e E n g i n e e r i n g ， S i c h u a nUn i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 6 5 ， C h ma Ab s t r a c t Di r e c t e d a g a i n s t t h e p r o c e s s r e q u i r e m e n t s o f M a c h i n e v i s i o n me a s u r e me n t f o r t h e Ul t r a t h i n Gl a s s P a n e l p r o d u c t i o n ， a s e t o f p n e u - ma t i c s y s t e m wa s d e s i g n e d ， wh i c h Co o p e r a t e d me c h an i c a l a l ／ n o f Ul tr a - t h i n g l a s s p a n e l me a s u r i n g i n s t r u me n t ． An a d a p t i v e fle x i b i l i t y c o n - t r o l me tho d t o me e t d e man d for p an e l s i z e wa s p r o p o s e d ． On t hi s b asi s ， p n e u ma t i c s y s t e m’ S o p e r a t i o n a l p ri n c i p l e an d c o n tro l l o g i c p r o c e s s wa s wo r k e d o u t ． T h e k e y p a r a me t e r s o f s y s t e m c o n t r o l we r e c o mp u t e d ， an d s a f e ty p a t t e r n wa s d e v i s e d ， u n d e r the c o n d i t i o n tha t c o n tro l s y s - t e m’ S p a r t l o s e s e ffi c a c y o r h i t c h e s ． F i n a l l y , a ft e r t h e p r o t o t y p e t e s t ， the p r o c e s s f u n c t i o n and t h e s a f e ty r e l i a b i l i t y o f t h e p n e um a t i c s y s t e m we r ev e ri fie d ． K e y wo r d s Ul tra - thi ng l a s s p a n e l me asu r i n gm a c h ine ； p n e u ma t i c s y s t e m ； s c h e med e s i gn ； p a r a me t e rc a l c u l a t i o n O 引言 液 晶玻璃 面板现 已在 电子信息 、 光通讯 、 光 电子 、 信息存储、 宇航、 微电子及生命科学领域中得到广泛的 基金项目 四川省科技支撑计划重点项目资助 2 O 1 4 G Z 0 0 1 6 收稿 日期 2 0 1 4 0 6 0 6 作 者简 介 许宝文 1 9 8 8 一 ， 男 ， 四川南充人 ， 硕士研究生 ， 研究方 向是 数 控工具磨床及测量设备研发。 应用 ， 随着 电子产 品的不断更新换代 ， 对液 晶面板尺寸 与数量 的需求持续增 长n 。研发与液晶面板生产并线 的视觉检测设备 ， 成为其产量 、 质量进一步提高的重要 环 节 。 目前 ， 液 晶玻 璃 面 板 尺 寸可 达 1 8 0 0 m m 1 5 0 0 m m， 单片玻璃厚度从 0 ． 7 m m 、 0 ．6 3 m m逐步薄化为 0 ．5 m m 、 0 ．4 m m甚至0 ． 3 m m以下口 。如何能安全可靠高 效地取放和移运大尺寸、 高柔度、 易碎的液晶面板 ， 就 成为制约并线视觉检测设备实现与否的关键 。 电控变量柱塞泵。联合仿真充分发挥了两款软件各自 的特点， 使得仿真模型更加贴近实际系统。仿真结果 表 明， 闭环电控变量泵在实现恒压力 、 恒 流量和恒功率 的常规控制模式之外 ， 还 可以根据设定 的输人参数进 行动态响应， 完成对输入曲线的跟随， 极大提高了液压 变量泵 的控制灵活性。 参考文献 [ 1 】 文哲． 轴向柱塞泵的变量控制方法与特性研究【 D ] ． 杭州 浙 江大学， 2 0 1 I ． [ 2 ] 张斌， 徐兵， 杨华勇， 杨强， 罗德刚． 基于虚拟样机技术的数字 式柱塞泵控制特性研究[ J ] ． 浙江大学学报工学版， 2 0 1 0 ， 1 1 -7． [ 3 ] Z h a n g B i n ， X u b i n ， X i a C h u n l i n ， Y a n g Hu a y o n g ． Mo d e l i n g 3 0 a n d S i mu l a t i o n o n Ax i a l P i s t o n P u mp B a s e d o n Vi r t u a l P rot o t y p e T e c h n o l o g y [ J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r - i n g ， 2 0 0 9 ， 1 8 4 9 0 ． [ 4 】 P e r r y Y． L i ，C a s s i e Y ． L i a n d T h o m a s R ． C h a s e ． S o f t w a r e E n a b l e d V a r i a b l e D i s p l a c e m e n t P u m p s [ R ] ． O r l a n d o I n t e rna t i o n al Me c h a n i c al En g i n e e rin g C o n g r e s s a n d Ex p o s i t i o n ， 2 0 0 5 ． [ 5 ] C h u Mi n t H w e i ， K a n g Y u a n ， C h e n Y i w e i ， C h a n g Y e o n P u n ， T h e S wa s h P l a t e An g l e Co n t r o l o f a Va r i ab l e Di s p l a c e me n t P u m p w i th a n E l e c t r o h y d r a u l i c P r o p o rt i o n al V a l v e [ J ] ， Ma t e r i a l s S c i e n c e F o r u m ， 2 0 0 8 ， 1 ． [ 6 】 黄鸣辉 ， 王国志 ， 吴文海 ， 等． 电液比例变量柱塞泵闭环系 统压力特性仿真[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 7 ， 3 2 4 2 7 ． [ 7 】 张际． 基于高速开关阀的数字控制轴向变量柱塞泵研究 【 D ] ． 贵阳 贵州大学 ， 2 0 0 9 ． Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 1 ． 2 0 1 5 气动系统以压缩空气为工作介质进行能量和信号传 递 ， 是实现各种生产控制、 自动控制 的重要手段之一p 。 与传统机械 、 电液传动控制相 比， 具有清洁无污染、 经济 实惠 、 结构 的良好适应性以及维护简单等优点 ， 已被广 泛应用于工业控制的各个领域 ， 代替大量人工劳动 。 因此本文提 出设计一套基于机械臂协同操控 的气动 系 统 ， 来满足对大尺寸液 晶面板取放和移运过程 自动控 制的严苛约束。 1 气动系统工艺需求与功能分析 1 ． 1气动系统工艺需求分析 面板测量机结构 由机架 、 大理石平 台和机械臂组 成如图 1 所示。其测量工艺需求 机械臂移动定位到面 板上方 ， 定位面板 中心并抓取面板移动到大理石平 台 上， 使面板各边分别校正到相邻刀口标尺， 多路检测相 机模组同时移动 ， 利用机器视觉多工位精确测量面板 尺寸和角度 ， 获得面板各边直线度和缺陷 的质检数据 信息 ， 工序完后机械臂移动面板至下道工序。 图 1 面板测量 机工艺结构示意 1 ． 2 功能原理设计 大理石平 台和面板取放动作 由气动系统负压 回路 和负压破坏 回路来完成 ， 机械臂的提升采用垂 直安装 的气缸动作实现。 整个气动 系统分 为三条支路 ， 气 动系统原 理如 图 2 机械臂支路、 大理石支路和气缸支路 ， 在机械臂支路 和大理石支路都需正负气压交替实现面板取放。大理 石腔体共分为中间大腔体和两边各一个小腔体 ， 以适 应大小面板吸附的通用性要求 。 大理石平台负压回路通过负压传感器实现对气源 和大理石腔体内压力数据采集 ， 完成对大理石平台吸 附工作状况 的实时监控 ； 负压破坏 回路通过正压的引 入完成平台对玻璃面板的释放动作。负压回路和负压 破坏 回路通过三通换 向电磁 阀实现大理石腔体 的状态 切换来实现大理石平台对面板 的吸附与释放动作 。 面板取放负压回路也采用负压传感器来实时采集 吸盘支路负压压力数据cs ， 然后通过调节电一 气比例阀 来 实现负压压力 的实 时调节 ， 实现机械臂吸盘对不 同 面板吸附压力及其稳定性的要求。通过电磁阀控制负 压 回路的通断来实现面板取放功能。负压破坏 回路中 正压气体经过调速节流阀 控制流速大小 ， 调节面板释 放动作 的快慢节拍 。 卜吸嘴2 一 真空过滤器 3 一 真空辅助阀 4 一 压力 开关 5 一 负压气源 6 一 正压气源 7 一 真空减压阀8 一 三联件 9 一 真空罐 1 O 一 电磁阀 A ～ H 1 1 - 速度控制 阀1 2 一 排气消音器 1 3 一 电一 气比例阀 1 4 一 气缸 图2 气 动系统原理 图 机械臂上下移动则通过 电一 气 比例 阀的调节实现 气缸动作速度的控制 。 1 ． 3气动系统控制方案设计优化 结构方案 中设计 了两种不 同规格的可拆卸机械吸 盘架 ， 大面板检测使用大吸盘架， 小面板检测时更换为 小吸盘架 ， 以满足大小 面板 的互换检测 。但大小机械 吸盘架的更换增 加了劳动强度 ， 其操作步骤也较为繁 琐 ， 影响了生产节拍 。 因此， 进一步采用分组方法对气路系统进行优化 设计 ， 将吸盘分为6 组， 每组 6 个吸嘴， 中间4 组为吸取 小面板 区域 ， 增加两条支路共 6 路则为大面板区域 ， 基 于柔性面板受力均匀化需求 ， 吸嘴在距离面板边缘 5 0 mm的区域 内均匀布点 如图 3 所示 。并对 1 、 6 组和 2 ～ 5 组 吸嘴分别用不 同电磁 阀控制 ， 每组加装负压逻辑 阀使其在吸附时相对独立 ， 通过对吸嘴分组的控制来 适 应 大小 面板 的切 换 ， 实 现 了设备 自适 应柔 性化 的 设计 。 ／ ⋯ ⋯ l ● 一一一一 ● 一 一● I ⋯L 一 _ I ⋯ - i一 ‘ I 一 ． J⋯ l 一 一 1 1 i 2 3 4 5 6 t ● - ● r ● r l _ 1 3 0 0 一 ． 。 一 1 8 0 0 。 。 一 图 3 吸嘴布点分组图 3 1 液 压 气 动 与 甚 封 ／2O 1 5年 第 0 1期 基于柔性化方案设计气路控制逻辑如下 1 吸盘吸附 负压气源5 打开， 电磁阀c 上电接通 吸取小玻璃时c 无动作 ， 机械臂吸附大玻璃， 电磁阀 H上 电接通 ， 机械臂上升 ， 横梁移动到位 ， 电磁 阀H断 电复位， 机械臂下移到位。 2 吸盘释放与大理石平台吸附 电磁阀A、 B上电 切换 ， 吸盘通入正压 释放玻 璃 ， 电磁 阀E、 F 、 G上 电切 换， 大理石腔体负压吸附 吸取小玻璃时电磁阀E 、 G不 上电 ， 只需大理石 中间腔体吸附 ， 磁阀H上 电接通 ， 机 械臂上升 ， 设备视觉检测开始。 3 大理石平台释放与吸盘移送 检测结束 电磁阀 H断电复位 ， 机械臂下移 ， 电磁阀D上电打开 ， E、 F 、 G断 电切换 ， 大理腔体释放玻璃 ， 电磁 阀 B断 电切换 ， 机械 臂吸取玻璃 ， 电磁阀 H上 电 ， 机械臂上移 ， 横梁移动运 走玻璃到小车上方 ， 电池阀 H断电复位 ， 机械臂下移到 位， 电磁阀A、 B 上电切换 ， 机械臂放下玻璃， 电磁阀A 断电关 闭， 检测动作完成 。 2 气动系统关键参数设计计算 2 ． 1提升气缸参数计算 机械臂和玻璃总重量 G 8 4 0 N， 机械臂提升高度 3 0 0 ～ 4 0 0 m m。气缸垂直动作， 速度 4 [ 9 1 t 取值 6 。 按大玻璃计算吸嘴总体 吸吊力 W t Gi 6x 50 3 0 0N 单个吸嘴需满足的吸吊力 W -- -w8 ．3 N n 3 4 吸嘴直径确定 ，- o ． 1 P 5 ／ √ 舞 引 6 3 一 选取标准吸嘴直径 D 2 0 mm 按小玻璃尺寸校验安全系数 Wl o ． 1 p 0 4 01 2 ． 5 6 N 校验安全系数 ￡ 8 ． 8 f 6 ■一 一 ～ 。 故吸取小玻璃时安全 。 2 ． 3真空罐参数计算 当吸嘴安全 系数 t 4时视为玻璃掉落 的临界点 ， 吸嘴直径 2 0 m m， 由公式 2 ～ 5 计算得 临界压力值约 为一 1 7 ． 8 k P a ， 正常工作压力 为一 4 0 k P a ， 设计 断电后吸盘 保持时间3 0 s ， 吸盘支路共有泄漏点2 3 0 个 ， 每个泄漏点 等效泄漏量 为 l O c c ／ s 约为 1 0 m L ／ s ， 计算 出所需真 空罐 容积为 3 ． 1 L ， 选择标准型号容积 5 L 。 2 ． 4 耗气量计算 气缸最 大行 程 4 0 0 mm， 单 程时间 t 5 s ， 取容 积 系数叼 O ．9 t ； 气动系统管路等效为外径d l l O m m内 径 t h 6 ． 5 m m的聚氨酯软管 长度 L 2 3 m， 反应时 间 t l 2 s ， 大理石腔体总容积V 1 3 ．4 L ， 正常工作压力p l 1 0 1 4 0 6 1 k P a ， 面板释放时压力p o 1 0 1 k P a ， 反应时间h 5 s 。 气缸耗气量 Q ,r r D -一d 2 H． 0 ． 2 4 9 L ／ s 7 斗 气管耗气量 Q 2 - P o - p , T r d L0 ． 2 5 L ／ s 8 大理石耗气量 Q ， 1 ． 7 5 7 L ／ s 9 pi t 2 压缩空气消耗总量 QQ 。 Q Q 3 1 3 5 ． 3 6 L ／ mi n 由2 ． 3 节可知 ， 负压吸附节点处泄漏量 Q 2 3 0 1 0 mL ／ s 2 ． 3 L ／ s 空吸附抽气量 Q Q 2 Q ， Q 2 5 8 L ／ mi n 1 O 3 气动系统安全与故障诊断设计 1 不 同厚度规格面板 的混流生产 ， 要求吸附负压 值能相应调整控制， 以在满足安全吸附力的同时， 吸嘴 处与大气压力差不会造成对面板的损坏 。系统在负压