手机屏幕异形激光切割设备的设计

□ 杨补全 □ 赵先锋 □ 史红燕 □ 胡 波 □ 丁井虎

贵州大学 机械工程学院 贵阳 550025

1 设计背景

激光切割成为了21世纪重要的加工技术,代替了传统的切割方式,具有加工成本低、效率高、切割质量好等优势,已广泛用于机械制造与加工行业。激光加工主要技术包括激光切割、激光焊接、表面改性、激光打标、激光钻孔、微加工、光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等。激光切割技术应用于金属和非金属材料的切削加工中,可缩短加工时间,提高加工质量。从二十世纪七十年代出现没有屏幕的手机开始,到如今的大尺寸触屏手机,手机屏幕越来越成为影响手机发展的重要因素。手机屏幕的异形切割包括对屏幕进行圆角切割、U形开槽切割、45°角切割,将激光切割技术应用于手机屏幕的异形切割可以避免传统加工方式中需要多次调换加工工位的问题,同时能打磨切割边缘,对于提升加工效率和加工质量具有重要的意义。

手机屏幕的显著特点是硬脆性,这给加工带来了很大的麻烦,不仅要求加工质量可靠、外观完整,还要求加工效率高。激光切割在保证裂纹可控的基础上提高了产品加工质量。传统的手机屏幕切割方式采用硬质合金或金刚石刀具进行加工处理,未加工成型的手机屏幕先被金刚石刀尖或硬质合金砂轮在屏幕的表面产生一条裂纹,再用机械手段将屏幕沿着裂纹线分离开,这种传统的加工方式具有效率低,加工裂纹方向可控性差,且对于手机屏幕带来的损伤是不可逆的。通过传统手机屏幕的切割方式,想要同时解决切割质量和效率问题较困难,而激光切割技术的发展为这一问题带来了解决方案。

针对上述手机屏幕切割存在的问题,笔者设计了手机屏幕异形切割设备,该设备集手机屏幕异形切割和磨边为一体,减少了手机屏幕加工工序调换的烦琐过程,通过激光切割技术提升了手机屏幕切割质量和效率。

2 结构设计

手机屏幕异形激光切割设备的总体结构如图1所示,由激光升降和磨削升降机构、工作台运动进给机构、激光切割及磨削定位夹紧机构及机架组成。激光升降和磨削升降机构主要包括升降驱动电机、滑动导轨Ⅰ、滑块Ⅰ、丝杆Ⅰ、支撑底板Ⅰ,该部分可以完成对激光切割前期的激光对焦准备和磨削加工时磨削部分对工作台的距离调节,实现Z轴方向调节。工作台运动进给机构由工作台、滑动导轨Ⅱ、丝杆Ⅱ、驱动电机、滑块Ⅱ、工作台支撑板Ⅰ、Ⅱ组成,可为工作台提供X轴、Y轴两个方向的平移,通过X轴方向和Y轴方向的控制则可以实现对手机屏幕的圆角切割、U形开槽等异形切割。激光切割及磨削定位夹紧机构由真空吸附盘、定位块,以及定位块紧固螺栓组成,固定于工作台上,如图2所示,可实现未加工手机屏幕的定位和夹紧功能。

▲图1 手机屏幕异形激光切割设备总体结构▲图2 激光切割及磨削定位夹紧机构

手机屏幕异形激光切割设备工作时,由激光切割及磨削定位夹紧机构对未加工的手机屏幕进行定位和夹紧,通过真空吸附盘四边螺钉连接固定于设备工作台上,通过工作台底部驱动电机和丝杆Ⅰ实现X轴方向的平移,同样通过工作台支撑板Ⅱ底部连接的驱动实现Y轴方向的平移。通过X轴、Y轴两个方向的运动,可以实现手机屏幕圆角、U形开槽等异形切割,激光切割和磨削部分可固定于支撑底板Ⅰ上。为了实现激光对焦和磨削升降调节,在设备臂上装载了四条滑动导轨,通过升降驱动电机控制升降。

3 工作驱动电机选择计算

驱动电机作为设计中的重要部分之一,对驱动电机的选择直接关系到加工手机屏幕的质量和经济效应,所以笔者对工作台下驱动电机进行了计算。根据设备工作条件,伺服电机可以通过制造商提供的基本类型进行选择,笔者选择MINAS A5系列大型MSME 5AZG1S型,功率为4 kW,额定扭矩为12.7 N·m,额定转速为3 000 r/min,电机转动惯量JM为14.2×10-4kg·m2,工作台、激光切割及磨削定位夹紧机构和待加工手机屏幕总质量m为1 500 kg,以下将工作台、激光切割及磨削定位夹紧机构和待加工手机屏幕三个部分称为移动部件。由工作台进给速度为100 mm/s,可得丝杆导程Ph不小于2 mm,笔者选用SBN 2806-5型丝杆,导程Ph为6 mm,底纹半径r为14 mm。已知丝杆螺母副的预紧力Fp为530.187 N,计算丝杆的转动惯量J1:

J1=mr2/2=0.147 kg·m2

折算到电机轴上移动部件的转动惯量J2为:

移动部件和丝杆在电机轴上的转动惯量JL为:

JL=J1+J2=0.148 4 kg·m2

电机轴上产生的总转动惯量J为:

J=JM+JL=0.149 82 kg·m2

移动部件及滑块在滑动导轨上滑动时产生的摩擦力,取滑动摩擦因数ε为0.004 8,产生的摩擦力F为:

F=εmg+nf=90.56 N

式中:g为重力加速度,取9.8 m/s2;n为滑块数量,为4;f为导轨对每个滑块的阻力,为5 N。

则移动部件及滑块在滑动导轨上产生的摩擦扭矩Tp为:

式中:η为丝杆螺母副的效率,取0.9。

丝杆预紧力产生的摩擦扭矩TD为:

工作台进给速度v为100 mm/s,对应电机转速为750 r/min,加速度a为40 mm/s2,则工作台速度从0升到100 mm/s所需的时间t为:

当电机转速从0升至750 r/min时,可计算出加速过程产生的扭矩Tj为:

式中:n2为工作台速度达到100 mm/s2时的电机转速;n1为电机初始转速。

由此可得在电机轴上产生的总扭矩Tm为:

Tm=Tp+TD+Tj=5.511 N·m<12.7 N·m

所选择电机额定扭矩大于电机工作时的总扭矩。

4 设备环境与经济性分析

手机屏幕异形激光切割设备使用过程中,始终坚持以绿色工业发展为导向。在加工方式上采用激光切割的方式,这种加工方式相对于其它加工方式的优点有加工效率高、浪费原料少、产生噪声小、排放污染小。虽然切割加工采用激光技术价格相对较贵,但加工质量可靠,加工效率大幅度提高,且异型激光切割设备在一定程度上具有结构简单,便于维护,避免了使用液压传动等方式,节省了资源消耗。

手机屏幕异形激光切割设备的零件组成比例见表1。

表1 手机屏幕异形激光切割设备零件组成比例

通过上述初步计算,外购件和标准件所占总零件百分比为72.6%,对于后期的维护和管理而言具有很大益处。

手机屏幕异形激光切割设备除了基本的标准件及外购件以外,还有一些零件设备需要自行设计,不同的材料,以及不同的设计方案所消耗的成本不同,估算这一设备制造成本,见表2。

表2 手机屏幕异形激光切割设备制造成本 万元

5 结束语

笔者设计的手机屏幕异形激光切割设备集手机屏幕异形切割和磨边为一体。实现手机屏幕的圆角、U形开槽等异形切割的同时,能够对切割完成后锋利的屏幕边缘进行打磨,解决了传统手机屏幕加工需要在不同工位切割和磨边的问题,避免了在加工工位之间切换对手机屏幕造成的不可逆损害,发挥了激光切割技术的优势。手机屏幕异形激光切割设备的设计可以减少手机屏幕加工过程的烦琐工序,具有实用价值。