手機(jī)屏幕異形激光切割設(shè)備的設(shè)計(jì)

□ 楊補(bǔ)全 □ 趙先鋒 □ 史紅燕 □ 胡 波 □ 丁井虎

貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 貴陽 550025

1 設(shè)計(jì)背景

激光切割成為了21世紀(jì)重要的加工技術(shù),代替了傳統(tǒng)的切割方式,具有加工成本低、效率高、切割質(zhì)量好等優(yōu)勢,已廣泛用于機(jī)械制造與加工行業(yè)。激光加工主要技術(shù)包括激光切割、激光焊接、表面改性、激光打標(biāo)、激光鉆孔、微加工、光化學(xué)沉積、立體光刻、激光刻蝕等。激光切割技術(shù)應(yīng)用于金屬和非金屬材料的切削加工中,可縮短加工時(shí)間,提高加工質(zhì)量。從二十世紀(jì)七十年代出現(xiàn)沒有屏幕的手機(jī)開始,到如今的大尺寸觸屏手機(jī),手機(jī)屏幕越來越成為影響手機(jī)發(fā)展的重要因素。手機(jī)屏幕的異形切割包括對(duì)屏幕進(jìn)行圓角切割、U形開槽切割、45°角切割,將激光切割技術(shù)應(yīng)用于手機(jī)屏幕的異形切割可以避免傳統(tǒng)加工方式中需要多次調(diào)換加工工位的問題,同時(shí)能打磨切割邊緣,對(duì)于提升加工效率和加工質(zhì)量具有重要的意義。

手機(jī)屏幕的顯著特點(diǎn)是硬脆性,這給加工帶來了很大的麻煩,不僅要求加工質(zhì)量可靠、外觀完整,還要求加工效率高。激光切割在保證裂紋可控的基礎(chǔ)上提高了產(chǎn)品加工質(zhì)量。傳統(tǒng)的手機(jī)屏幕切割方式采用硬質(zhì)合金或金剛石刀具進(jìn)行加工處理,未加工成型的手機(jī)屏幕先被金剛石刀尖或硬質(zhì)合金砂輪在屏幕的表面產(chǎn)生一條裂紋,再用機(jī)械手段將屏幕沿著裂紋線分離開,這種傳統(tǒng)的加工方式具有效率低,加工裂紋方向可控性差,且對(duì)于手機(jī)屏幕帶來的損傷是不可逆的。通過傳統(tǒng)手機(jī)屏幕的切割方式,想要同時(shí)解決切割質(zhì)量和效率問題較困難,而激光切割技術(shù)的發(fā)展為這一問題帶來了解決方案。

針對(duì)上述手機(jī)屏幕切割存在的問題,筆者設(shè)計(jì)了手機(jī)屏幕異形切割設(shè)備,該設(shè)備集手機(jī)屏幕異形切割和磨邊為一體,減少了手機(jī)屏幕加工工序調(diào)換的煩瑣過程,通過激光切割技術(shù)提升了手機(jī)屏幕切割質(zhì)量和效率。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

手機(jī)屏幕異形激光切割設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,由激光升降和磨削升降機(jī)構(gòu)、工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)、激光切割及磨削定位夾緊機(jī)構(gòu)及機(jī)架組成。激光升降和磨削升降機(jī)構(gòu)主要包括升降驅(qū)動(dòng)電機(jī)、滑動(dòng)導(dǎo)軌Ⅰ、滑塊Ⅰ、絲桿Ⅰ、支撐底板Ⅰ,該部分可以完成對(duì)激光切割前期的激光對(duì)焦準(zhǔn)備和磨削加工時(shí)磨削部分對(duì)工作臺(tái)的距離調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)Z軸方向調(diào)節(jié)。工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)由工作臺(tái)、滑動(dòng)導(dǎo)軌Ⅱ、絲桿Ⅱ、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、滑塊Ⅱ、工作臺(tái)支撐板Ⅰ、Ⅱ組成,可為工作臺(tái)提供X軸、Y軸兩個(gè)方向的平移,通過X軸方向和Y軸方向的控制則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)手機(jī)屏幕的圓角切割、U形開槽等異形切割。激光切割及磨削定位夾緊機(jī)構(gòu)由真空吸附盤、定位塊,以及定位塊緊固螺栓組成,固定于工作臺(tái)上,如圖2所示,可實(shí)現(xiàn)未加工手機(jī)屏幕的定位和夾緊功能。

▲圖1 手機(jī)屏幕異形激光切割設(shè)備總體結(jié)構(gòu)▲圖2 激光切割及磨削定位夾緊機(jī)構(gòu)

手機(jī)屏幕異形激光切割設(shè)備工作時(shí),由激光切割及磨削定位夾緊機(jī)構(gòu)對(duì)未加工的手機(jī)屏幕進(jìn)行定位和夾緊,通過真空吸附盤四邊螺釘連接固定于設(shè)備工作臺(tái)上,通過工作臺(tái)底部驅(qū)動(dòng)電機(jī)和絲桿Ⅰ實(shí)現(xiàn)X軸方向的平移,同樣通過工作臺(tái)支撐板Ⅱ底部連接的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)Y軸方向的平移。通過X軸、Y軸兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng),可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)屏幕圓角、U形開槽等異形切割,激光切割和磨削部分可固定于支撐底板Ⅰ上。為了實(shí)現(xiàn)激光對(duì)焦和磨削升降調(diào)節(jié),在設(shè)備臂上裝載了四條滑動(dòng)導(dǎo)軌,通過升降驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制升降。

3 工作驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇計(jì)算

驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為設(shè)計(jì)中的重要部分之一,對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇直接關(guān)系到加工手機(jī)屏幕的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效應(yīng),所以筆者對(duì)工作臺(tái)下驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行了計(jì)算。根據(jù)設(shè)備工作條件,伺服電機(jī)可以通過制造商提供的基本類型進(jìn)行選擇,筆者選擇MINAS A5系列大型MSME 5AZG1S型,功率為4 kW,額定扭矩為12.7 N·m,額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min,電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JM為14.2×10-4kg·m2,工作臺(tái)、激光切割及磨削定位夾緊機(jī)構(gòu)和待加工手機(jī)屏幕總質(zhì)量m為1 500 kg,以下將工作臺(tái)、激光切割及磨削定位夾緊機(jī)構(gòu)和待加工手機(jī)屏幕三個(gè)部分稱為移動(dòng)部件。由工作臺(tái)進(jìn)給速度為100 mm/s,可得絲桿導(dǎo)程Ph不小于2 mm,筆者選用SBN 2806-5型絲桿,導(dǎo)程Ph為6 mm,底紋半徑r為14 mm。已知絲桿螺母副的預(yù)緊力Fp為530.187 N,計(jì)算絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1:

J1=mr2/2=0.147 kg·m2

折算到電機(jī)軸上移動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J2為:

移動(dòng)部件和絲桿在電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL為:

JL=J1+J2=0.148 4 kg·m2

電機(jī)軸上產(chǎn)生的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J為:

J=JM+JL=0.149 82 kg·m2

移動(dòng)部件及滑塊在滑動(dòng)導(dǎo)軌上滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力,取滑動(dòng)摩擦因數(shù)ε為0.004 8,產(chǎn)生的摩擦力F為:

F=εmg+nf=90.56 N

式中:g為重力加速度,取9.8 m/s2;n為滑塊數(shù)量,為4;f為導(dǎo)軌對(duì)每個(gè)滑塊的阻力,為5 N。

則移動(dòng)部件及滑塊在滑動(dòng)導(dǎo)軌上產(chǎn)生的摩擦扭矩Tp為:

式中:η為絲桿螺母副的效率,取0.9。

絲桿預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦扭矩TD為:

工作臺(tái)進(jìn)給速度v為100 mm/s,對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為750 r/min,加速度a為40 mm/s2,則工作臺(tái)速度從0升到100 mm/s所需的時(shí)間t為:

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速從0升至750 r/min時(shí),可計(jì)算出加速過程產(chǎn)生的扭矩Tj為:

式中:n2為工作臺(tái)速度達(dá)到100 mm/s2時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速;n1為電機(jī)初始轉(zhuǎn)速。

由此可得在電機(jī)軸上產(chǎn)生的總扭矩Tm為:

Tm=Tp+TD+Tj=5.511 N·m<12.7 N·m

所選擇電機(jī)額定扭矩大于電機(jī)工作時(shí)的總扭矩。

4 設(shè)備環(huán)境與經(jīng)濟(jì)性分析

手機(jī)屏幕異形激光切割設(shè)備使用過程中,始終堅(jiān)持以綠色工業(yè)發(fā)展為導(dǎo)向。在加工方式上采用激光切割的方式,這種加工方式相對(duì)于其它加工方式的優(yōu)點(diǎn)有加工效率高、浪費(fèi)原料少、產(chǎn)生噪聲小、排放污染小。雖然切割加工采用激光技術(shù)價(jià)格相對(duì)較貴,但加工質(zhì)量可靠,加工效率大幅度提高,且異型激光切割設(shè)備在一定程度上具有結(jié)構(gòu)簡單,便于維護(hù),避免了使用液壓傳動(dòng)等方式,節(jié)省了資源消耗。

手機(jī)屏幕異形激光切割設(shè)備的零件組成比例見表1。

表1 手機(jī)屏幕異形激光切割設(shè)備零件組成比例

通過上述初步計(jì)算,外購件和標(biāo)準(zhǔn)件所占總零件百分比為72.6%,對(duì)于后期的維護(hù)和管理而言具有很大益處。

手機(jī)屏幕異形激光切割設(shè)備除了基本的標(biāo)準(zhǔn)件及外購件以外,還有一些零件設(shè)備需要自行設(shè)計(jì),不同的材料,以及不同的設(shè)計(jì)方案所消耗的成本不同,估算這一設(shè)備制造成本,見表2。

表2 手機(jī)屏幕異形激光切割設(shè)備制造成本 萬元

5 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)的手機(jī)屏幕異形激光切割設(shè)備集手機(jī)屏幕異形切割和磨邊為一體。實(shí)現(xiàn)手機(jī)屏幕的圓角、U形開槽等異形切割的同時(shí),能夠?qū)η懈钔瓿珊箐h利的屏幕邊緣進(jìn)行打磨,解決了傳統(tǒng)手機(jī)屏幕加工需要在不同工位切割和磨邊的問題,避免了在加工工位之間切換對(duì)手機(jī)屏幕造成的不可逆損害,發(fā)揮了激光切割技術(shù)的優(yōu)勢。手機(jī)屏幕異形激光切割設(shè)備的設(shè)計(jì)可以減少手機(jī)屏幕加工過程的煩瑣工序,具有實(shí)用價(jià)值。