光學鏡片自動涂墨技術

文 陳玉磊 孫波 方濤 石忠亮 徐宛

光學玻璃是光電技術產(chǎn)業(yè)的基礎和重要組成部分，特別是新世紀以來，隨著光學與電子信息科學、新材料科學的不斷融合，作為光電子基礎材料的光學玻璃在光傳輸、光儲存和光電顯示三大領域的應用更是突飛猛進，成為社會信息化尤其是光電信息技術發(fā)展的基礎條件之一。光學玻璃可用于制造光學儀器中的透鏡、棱鏡、反射鏡及窗口等，由光學玻璃構成的部件是光學儀器中的關鍵性元件。

光學玻璃是通過對光的折射進行成像的重要部件，一般用于相機鏡頭、攝像機鏡頭、顯微鏡和安防鏡頭等光學設備上，在光學玻璃的加工過程中，為了提高光學鏡片的品質，加強鏡片對邊緣光線以及反射光的吸收，降低光學系統(tǒng)的雜散光系數(shù)，同時使鏡片外觀更協(xié)調、美觀，現(xiàn)有的光學鏡片一般在非透光面上進行涂墨操作，即對光學鏡片的邊緣進行涂墨。

現(xiàn)有的涂墨工序一般為人工完成，人工涂墨存在諸多不足，例如：操作效率低下，在進行大批量涂墨操作的時候需要多人進行同時工作，人力成本較高；產(chǎn)品的一致性不好，由于涂墨操作需要操作人員具備一定的操作技巧和熟練程度，而不同的操作人員之間存在著差異，使得不同的操作人員完成的涂墨操作從涂墨量，到涂墨位置及操作速度均不相同，所以往往會造成同一批次的產(chǎn)品中一致性的差異；不利于人員的身體健康，由于油墨是一種揮發(fā)性物質，對人體有害，長時間從事此類工作會對人員的健康造成不良影響。為了避免上述問題，現(xiàn)在市面上出現(xiàn)了一些自動涂墨機，通過機械設備來進行涂墨操作，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，提高了加工生產(chǎn)效率。

目前市場自動涂墨機分半自動涂墨機和自動涂墨機兩種。相對于傳統(tǒng)涂墨機，半自動涂墨機（圖1）通過提升定位治具和設備轉軸的同軸度，提高了鏡片的定位效率和定位精度，轉軸跳動可達到0．05mm以內，操作也較為便捷，但仍需要人工控制設備的運行以及鏡片取放和涂墨的動作，而且定位的精度也依賴于治具的加工精度，以及治具與設備轉軸的配合程度。

工作時，將待涂墨的鏡片用真空吸管吸附，并放置于涂墨治具上，踩送（?。┝险婵漳_踏開關，放置鏡片。真空腳踏開關有兩個，開關1的作用是打開真空吸附，并使主軸旋轉，開關2的作用是關閉主軸的旋轉，并停止真空吸附。涂墨完成后的鏡片同樣由真空吸管取放。整個涂墨過程仍依賴于人工，并且加工不同規(guī)格的鏡片需要更換與之配套的定位套環(huán)，因此在使用效果和工作效能方面仍有許多不足之處。

圖1 半自動涂墨機

圖2 全自動涂墨機

圖3 全自動涂墨機工作過程

主要的機械結構包括：機架、操作平臺、鏡片托盤、X-Y取料結構、涂墨機器人、供墨機構、鏡片放置門、電腦、待加工鏡片區(qū)域、縱向機械手、橫向機械手、吸盤、旋轉軸、涂墨頭、供墨機、墨杯、擠墨杯。

全自動涂墨機主要是依靠涂墨機器人來對鏡片進行涂墨，簡要的工作過程如圖3所示：

1．按照工藝要求配比墨料，將墨料放入墨杯內，并調整好進墨量。

2．啟動控制電腦，進入操作畫面。并確認所有的氣動部件在初始化狀態(tài)，即表示氣動部件狀態(tài)的字體全為黃色，按鈕全為紅色。如果不是點擊相應的按鈕進行回歸原點操作。

3．設計涂墨軌跡并將畫好的軌跡存入存儲盤中。將存儲盤插入電腦后并調用。調整吸嘴和夾爪的位置，然后放鏡片校正后，觀察吸附旋轉有無跳動。無跳動手動移動涂墨頭確定加工開始位置并設定刮墨和等待位置，然后試涂，根據(jù)試涂的效果調整涂墨參數(shù)。

4．托盤的設定：點擊“托盤設定”這一按鈕，拖動機械手到未涂托盤位置，確定開始位置，用類似的方式確定“最后位置輸入”、“放置位置輸入”、“已涂吸嘴加工輸入”保存數(shù)據(jù)。最后輸入X、Y的數(shù)量。如果需要較小的移動量，可以打開電機，然后輸入對應軸的速度來進行微調。

8) 多任務并行、分組操作：解決多組并行操作任務的相互閉鎖問題。當前模擬預演操作只要不與當前的操作設備交叉重疊，即可操作。

5．完成所有的設定后，點擊“開始”就可以進行作業(yè)了，在加工過程中，如果需要對涂墨效果進行簡要的修改，可以通過外徑補償或者深度補償來對溢墨進行調整。

6．X、Y軸機械手交換取走涂好的鏡片并放入待涂鏡片，把涂墨好的鏡片取回放到X、Y軸下方已涂好的放置盤內。

從手工到智能，全自動涂墨機已展示出其優(yōu)勢，但作為集成化設備，對操作人員技能也有很高的要求，既要熟練掌握設備程序的設置調整，對光學鏡片涂墨質量的關鍵點也要有深入認識。接下來對以上兩方面做簡單的介紹。

設備使用過程中的關注點：

1．軌跡設計遵循由繁到簡、逐步優(yōu)化的原則，先根據(jù)鏡片形狀和手工作業(yè)習慣，設定初步的軌跡，然后根據(jù)試涂效果微調，并不斷縮小調整的位移精度，直至試涂鏡片滿足技術要求；

2．加工過程的穩(wěn)定性受涂墨頭安裝方法以及參數(shù)設置合理性的影響，不合理的參數(shù)既影響加工品質，又增加調機次數(shù)，影響加工效率；

3．墨層的厚度和均勻性受供墨時間、速度、主軸轉速，以及涂料配比、涂墨速度等因素的影響；

4．涂料的種類、配比根據(jù)產(chǎn)品技術需求設定，不同情況下相關的加工參數(shù)也需要做出相應的調整。

涂墨后的鏡片在確保墨外觀、厚度的基礎上，墨層結合力必須滿足不同客戶的各項差異化要求。

墨層結合力測定的意義

無論是作為裝飾、防腐還是作為提升其機械或者光學性能，均應該能夠牢固的依附在基體上，要求基體與墨層之間的結合力高。這是墨層的一個非常重要的基本性能指標。

墨層結合力的定義

墨層與被涂物表面結合在一起的牢固程度，即為墨層結合力，這種結合力是由涂料中聚合物的極性基團與被涂物表面的極性基相互作用而形成的。被涂物表面有污染或水分，涂料本身有較大的收縮應力，聚合物在固化過程中相互交聯(lián)而使極性基的數(shù)量減少等，這些均是墨層結合力下降的因素。

光學玻璃涂層結合力常用的方法是使用有機溶劑擦拭、超聲波清洗、3M膠帶粘拉等，而其中要求較為苛刻的，就是百格測試。

百格測試一般而言是測試對象在經(jīng)過涂裝之后測試其附著度的方法，按要求用百格刀均勻劃出一定規(guī)格尺寸的方格，通過評定方格內涂膜的完整程度來評定附著程度，以“級”表示，不僅適用于實驗室，也可用于各種條件下的生產(chǎn)現(xiàn)場。按照日本工業(yè)標準(JIS)分為1～5級，級數(shù)越高，要求越嚴格，當客戶規(guī)范當中要求是第5級時，表示完全不能有脫落。

百格刀一刀口寬度一般為10mm～12mm，劃格時，每1mm～1．2mm為間隔， 基本步驟為：

1．將試驗鏡片放置在有足夠硬度的平板上。

2．手持劃格器的手柄，使百格刀垂直于試片的平面。

3．以均勻壓力，平穩(wěn)不顫動的手法以20～50mm/s的切割速度割劃。

4．將試片旋轉90°，在所割劃的切口上重復以上操作，以使形成格陣圖形。

5．用軟毛刷刷格陣圖形的兩邊對角線輕輕地向后5次，向前5次的刷試驗鏡片。

6．試驗至少在試驗鏡片的三個不同位置上完成，如果三個位置的試驗結果不同，應在多于三個位置上重復實驗，同時記錄全部結果。

7．如需更換百格刀，可用螺絲刀將刀體上兩個螺絲旋松，換上所用的刀，把刀刃口部位貼向手柄一側，將螺絲旋緊。

并且，百格刀劃下去的時候應該割到見到底材，不可只割在涂料上，否則測試便不成立。當百格刀劃完之后，還必須用膠帶測試會不會脫落，首先，膠帶貼于百格位置，以手指壓下將膠帶緊密貼附，再以瞬間的力道將膠帶撕起，目視素材上的涂料是否有脫落現(xiàn)象此外，膠帶并非隨便一種都可以，以J標準而言，是必須指定廠牌與型號的。例如3M的Transparent Tape600此種膠帶寬度為3/4inch，長度有1296nch和2592inch兩種。具體評價結果見下表。

隨著機器人的高效性、穩(wěn)定性、精準性逐漸被認可，工業(yè)機器人經(jīng)濟性愈發(fā)明顯，而且在勞動力成本逐年上升的情況下，自動化對體力勞動者的替代作用也在日漸顯現(xiàn)。光學自動涂墨機發(fā)自于玻璃制造行業(yè)，興起于玻璃制造行業(yè)，在實用中發(fā)展改進，技術日趨成熟，已成功引領玻璃制造中局部工序的自動化。