一种大转台定角度旋转机构的设计与研究

贾萍萍，张慧军，段青鹏，赵乃辉，王 芳

（太原风华信息装备股份有限公司，山西太原030024）

一种大转台定角度旋转机构的设计与研究

贾萍萍，张慧军，段青鹏，赵乃辉，王 芳

（太原风华信息装备股份有限公司，山西太原030024）

结合全自动水胶贴合机的研制项目，对其大转台定角度旋转机构进行设计和研究。首先，对设备水胶贴合机各部件进行简要说明，对大转台定角度旋转机构设计存在的问题做了介绍；其次，对大转台定角度旋转机构存在问题的原因进行分析，并根据分析结果改进设计；最后，对改进设计后大转台定角度旋转机构利用光学测厚等方式进行测量，实际应用证明该改进设计结构稳定可靠，可长期使用。

全自动水胶贴合机；大转台定角度旋转机构；设计改进

ZDT-2C水胶贴合机为在线式全自动贴合设备，是用水胶或光学胶将显示面板、触摸屏、保护玻璃以无缝隙的方式完全粘贴在一起的一种全自动在线式设备［1］。设备使用人工进行上料，通过多部机械手配合实现点胶、测厚以及自动下料功能，通过PLC实现对设备整个运行过程进行控制，并预留与下游设备进行对接接口。设备自动化程度高，节约人力成本，提高生产效率。

在触摸屏贴合工艺中，主要有两种贴合方式，一种是OCA胶带，另一种是水胶工艺。OCA工艺，采用OCA（Optical clear Adhesive）光学透明胶带或无基材光学胶带进行贴合，简单地说，就是采用高透光性的双面胶带进行贴合［2］。水胶工艺，使用液态光学透明胶贴合透明光学元件，利用波长250～400 nm的紫外线照射液态光学透明胶使其固化，进行贴合。

目前，国内外贴合机针对上述两种贴合工艺，主要分为以下两类：固态OCA贴合机和水胶贴合机，而固态OCA工艺需要二次贴合，主要又有网板和真空两种贴合方法。而依据设备自动化程度的高低分类，又可以分为手动、半自动和全自动三种。我部自主研发的ZDT-2C是一种全自动水胶贴合机，如图1所示。

图1 ZDT-2C水胶贴合机结构示意图

该设备为双工位旋转工作机构，设备由转台旋转机构、点胶系统、上下平台贴合系统、测厚系统和外包框架等组成。其中转台旋转结构由摆缸、同步带传动部分、轴环等部分构成，该装置为大转台定角度旋转机构，通过PLC控制摆缸旋转，实现双工位之间的切换。

转台旋转机构即一种大转台定角度旋转机构，其实现了设备在运行过程中双工位之间的平稳旋转的功能，且具有角度自由选择，定位精度高，成本相对较低，设备运转稳定、振动小等优点。

1　　转台旋转机构的设计

为了提高设备工作效率，设备采用了双工位切换的方式，而双工位之间的切换是通过转台的平稳旋转实现的，如图2所示。该机构要求将一个达170 kg、直径1.1 m的圆形台板（含负载）在4 s内平稳旋转180°，且每次旋转到位后，相应位置的径向跳动不超过50 μm。周而复始，保证生产节拍控制在24 s之内。

图2旋转机构示意图

目前，市场上大转台定角度旋转机构多采用DD电动机直连或者角度分割器实现。其中DD电动机具有定位精度高、控制简单等优点，但是DD电动机相对成本较高；而角度分割器只能实现角度等分，角度自由控制方面会受到限制，且其需要的安装空间也较大，成本虽然比DD电动机低，但是也相对比较贵。考虑到项目资金紧张，因此采用一种全新的设计实现上述需求，旋转气缸加上轴环的方式实现转台旋转和双工位之间的切换，这种设计能够保证在降低设备成本的同时也保证旋转的定位精度，设备实际成本控制在原预算成本的60%。但在实际使用过程中存在以下问题：

（1）转台要求在4 s内平稳旋转180°，转台旋转很快，导致转台在到位之后不能立即停止，会产生反弹，并且在停止时会产生很大冲击，设备振动明显，测厚传感器的精度也由于振动而不能保证；

（2）在旋转到位后，同一个工位不同频次测厚传感器9点测厚的数据波动很大。

2　　转台旋转机构的问题分析

2.1设备振动明显原因分析

先对当前设备旋转机构进行分析，如图3所示。旋转气缸通过同步带轮驱动整个转台转动，由于旋转气缸本身没有定位功能，因此用定位块和限位块配合使用实现旋转的精确定位，并在限位块上安装有液压缓冲器和定位螺钉，液压缓冲器抵消转台在转动停止后惯性带来的冲击，定位螺钉实现精准定位。但在实际使用过程中发现虽然有液压缓冲器抵消冲击力，但是设备本身还是会有很大振动，对测量精度影响很大。

设备整体之所以振动明显，是由于重载高速旋转的物体在较短的时间内忽然停止，整个物体由于巨大惯性根本停不下来。虽然有液压缓冲器，但由于液压缓冲器规格选择不合适，不能抵消旋转造成的巨大冲击。

图3转台旋转定位示意图

将转台的所有零件和转台看作一个整体，

转台的转动惯量I=mr2/2=25.7 kg/m2

又启动力矩M=Iα，其中角加速度α=2.6 rad/s-2

所以启动力矩M=66.8 N·m，又选取的SMC旋转气缸在压力达到0.5 MPa时输出力矩为74.3 N·m ＞66.8 N·m，所以选取的旋转气缸是合适的。

计算转台旋转停止时的冲击能量E，冲击能量E由惯性本身带来的冲击E1和旋转气缸持续给力带来的冲击能量E2构成

液压缓冲器选择MISUMI MAKC2530，每次能够吸收的最大能量是88.2 J。

而实际冲击能量E=Iω2/2=82.2 J，按照计算结果选取的缓冲器是能够吸收实际造成的冲击能量，但是由于没有足够的余量，缓冲器不能起到缓慢平稳减速的效果，仍会对设备本体上安装的限位块造成很大冲击，造成设备振动。

2.2测厚数据不稳定原因分析

在转台旋转到位后，发现同一个工位不同频次测厚传感器9点测厚的数据波动很大，并且数据还会存在一直不能稳定下来的现象。经过分析是由于转台旋转机构本身的加工误差、外购件自身的误差和机械装配误差累积起来造成的圆盘径向跳动，并且由于外购件轴环本身在旋转时是在一定误差范围内进行波动，造成每次转台在旋转到位后，测厚传感器测出来的数据也不太稳定。

查阅资料，测厚传感器其本身特性其实是允许转台的平面度只要在一定的范围内就可以测量精准的，测厚传感器其自带误差补偿功能，这个误差范围只要在5 μm以内就可以。查阅资料，发现选取的THK轴环RU445系列其本身的径向跳动误差达到了25 μm，换算到具体的测厚位置，测厚点的径向跳动误差X=25×500/270=46.3 μm，与测厚传感器其本身允许的测量误差范围相差甚远。

又经过查阅THK资料得知，如果精度达到5 μm的话，需要将轴环的精度提高到UPS级别，这个级别的轴环价格比当前P5精度价格高很多，不符合项目的实际要求。因此，在此处考虑轴环只是作为一个支撑和旋转机构，保证转台在旋转过程中平稳转动。至于测厚精度的保证和实现，则考虑用其它测量和计算手段实现。

3　　转台旋转机构设计改进

3.1设备振动改善

从以上分析可知，设备振动的改善可以从以下两种方式改进：

（1）选择合适的液压缓冲器，并采用双保险，对称使用两个液压缓冲器吸收能量，留出足够的余量保证液压缓冲器能够吸收高速旋转造成的冲击。并配合细牙螺钉，进行机械的硬限位，满足设备需要的定位精度。如图3所示，每一个旋转方向都分别有两个液压缓冲器和两个定位螺钉，转台的往复运动就由这些液压缓冲器吸收冲击的能量，使得设备振动变小。

（2）利用气压变化，减小旋转过程中的气缸驱动力，减慢转台的旋转速度。利用高低压气路的切换，使得气缸整体的输出力减小；并配合使用光电传感器，在适当的位置从高压气路切换到低压气路，减慢整个转台旋转的速度，减小冲击。

如图4和图5所示，是高低压气路切换气路图和光电传感器切换位置图。首先经过过滤和高压调压阀调压后的高压气体直接经过两位三通阀1进入三位五通阀2，给转台旋转气缸供气旋转；并在经过气压切换感应传感器1后，两位三通阀1换向，由经过低压调压阀调压过的气体进入三位五通阀2给转台旋转气缸供气旋转，转台由于气缸驱动力减小，速度减慢，由惯性和这个减小的力维持转台一直走到转台的精确位置。之所以气缸要持续给力，是因为转台旋转经过传感器后，转台虽然由于惯性可以走到接近精确位置，但是液压缓冲器本身其实对转台还有一个回弹，气缸不持续输出力就会导致转台回弹。

图4高低压气路切换气路图

图5传感器安装位置图

3.2测厚数据不稳定改善

对于测厚数据不稳定，采用如下方式进行改进：

（1）保证机加件和外购件和装配的误差在允许的范围之内，装配后的旋转的径向跳动保证在50 μm以内。

（2）改变测厚的方法。即在测量玻璃时选择了相对测量的测量办法。每次测量前都选择工作转台上的一个点作为基准点，把9个实测点的数值都与这个基准点作差值计算，就可以得到玻璃的实际厚度，而不是与预先测量好的一个基准点位置作对比。在上述差值比较的基础上，去掉由于测厚仪器不稳定可能造成的偏差最大和最小的两个数值，剩下点再取平均值作为最终的结果，即玻璃的实际厚度。表1是同一片玻璃使用旧测量方法和新测量方法测量结果的对比。

表1　同一片玻璃不同比较方法测厚数据对比mm

按照旧的测量方法得出玻璃的实际厚度是2.104 mm，新测量方法玻璃实际厚度是2.081 mm，而与客户给出的具体玻璃尺寸范围2.08 mm相比，新测量方法的结果更贴近玻璃实际尺寸。又经过计算旧测量方法的标准差是0.051，而新测量方法的标准差是0.008，说明新测量方法使得测厚的数据更稳定，数据的稳定也会进一步保证测量值更贴近实际值，从而保证了实际的测量精度。因此，新的测量办法实际是可以解决测厚数据不稳定这个问题的。

4　　结束语

本文通过对转台旋转机构进行设计和研究，对转台旋转机构实际使用过程中存在的问题进行分析总结，并提出问题的解决办法。经过客户长时间的使用，设备在旋转停止时不会再发生明显振动，并且测厚的数据也能够保持稳定，说明设备改进方案很好的解决了之前存在的问题，提高了设备的稳定性和可靠性。

［1］ 孙红飚，赵乃辉.从全贴合技术发展分析触控面板市场发展趋势［J］.电子工业专用设备，2013，42（6）：45-49.

［2］ 段青鹏，刘永立，赵乃辉.电容式触摸屏点胶贴合技术与设备研究［J］.电子工业专用设备，2014，43（5）：26-30.

Design and Research of The Rotating Mechanism with Large Turntable and Fixed Angle

JIA Pingping，ZHANG Huijun，DUAN Qingpeng，ZHAO Naihui，WANG Fang
（Taiyuan Feng Hua Information-Equipment CO.，LTD.，Taiyuan 030024，China）

Combined with the research project of automatic water glue laminating machine，I designed and studied its rotating mechanism with large turntable and fixed angle.First，the paper describes briefly the components of the device water glue laminating machine，and introduces the problems that have existed in designing the rotating mechanism with large turntable and fixed angle.Secondly，the paper analyses the causes of problems with the rotating mechanism and introduce the improved design through the analysis results.Finally，the paper introduces measurement with the improved design using an optical thickness and other ways.The final application shows that the improved design of the structure is stable and reliable for long-term use.

Automatic water glue laminating machine；A rotating mechanism with large turntable fixed angle；Design Improvement

TP215

B

1004-4507（2016）06-0055-05

贾萍萍（1987-），男，毕业于北京理工大学，工程师，现主要从事平板显示设备的研制开发。

张慧军（1984-），男，毕业于西安理工大学，工程师，现主要从事平板显示设备的研制开发。

段青鹏（1980-），男，毕业于中北大学，高级工程师，现主要从事平板显示设备的研制开发。

赵乃辉（1983-），男，毕业于太原科技大学，工程师，现主要从事平板显示设备的研制开发。

王 芳（1990-），女，毕业于中国矿业大学，工程师，现主要从事平板显示设备的研制开发。

2016-05-03