《自動(dòng)撕防爆膜設(shè)備結(jié)構(gòu)分析及三維建模仿真研究》11000字（論文）

PAGEI自動(dòng)撕防爆膜設(shè)備結(jié)構(gòu)分析及三維建模仿真研究摘要在電子產(chǎn)品領(lǐng)域，很多產(chǎn)品在生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)倪^程中都會(huì)貼附有防爆保護(hù)膜，防止屏幕在運(yùn)輸?shù)倪^程中出現(xiàn)破損，比如顯示器屏幕和機(jī)床的控制面板等。所以，在后續(xù)的生產(chǎn)加工過程中，首要的目標(biāo)便是將這些保護(hù)膜去除。目前大多數(shù)企業(yè)選取的撕膜方案，仍然是通過人工來撕膜，而人工撕膜的生產(chǎn)效率較低，生產(chǎn)成本較高。針對(duì)企業(yè)在生產(chǎn)過程中存在的這種問題，本文設(shè)計(jì)了一款自動(dòng)撕防爆膜設(shè)備，使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾輪實(shí)現(xiàn)自動(dòng)撕膜的功能。本文通過設(shè)計(jì)自動(dòng)撕膜流程，從結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)性等角度最終確定自動(dòng)撕防爆膜設(shè)備的方案。設(shè)計(jì)了設(shè)備底部型材支架、設(shè)備真空吸附工作臺(tái)、直線進(jìn)給機(jī)構(gòu)、撕膜滾軸、氣壓驅(qū)動(dòng)的第一壓緊滾軸和第二壓緊滾軸、氣壓控制的豎直方向進(jìn)給機(jī)構(gòu)，完成了導(dǎo)軌、電機(jī)、同步帶輪、氣缸等的選型設(shè)計(jì)，并且使用SolidWorks完成了自動(dòng)撕防爆膜設(shè)備的三維建模，確定了撕防爆膜設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)，并使用ANSYSWorkBench對(duì)設(shè)備底部支架進(jìn)行靜力學(xué)分析驗(yàn)證，最終完成撕防爆膜設(shè)備的設(shè)計(jì)。本課題的研究可以實(shí)現(xiàn)液晶屏防爆膜的快速撕除，可以幫助企業(yè)提高防爆膜的去除效率，有效的降低生產(chǎn)成本，提高撕膜的質(zhì)量和效率。關(guān)鍵詞：防爆膜；自動(dòng)撕膜；撕膜設(shè)備；滾軸撕膜目錄TOC\o"1-3"\h\u摘要 II目錄 IV第1章緒論 11.1課題的研究背景及意義 11.1.1課題研究背景 11.1.2課題研究意義 11.2撕膜存在的問題及解決方法 21.2.1撕膜過程存在的問題 21.2.2解決方法 21.3論文研究的主要內(nèi)容 2第2章自動(dòng)撕防爆膜設(shè)備設(shè)計(jì) 42.1自動(dòng)撕防爆膜設(shè)備的需求分析 42.1.1撕膜對(duì)象 42.1.2功能需求 42.2自動(dòng)撕防爆膜設(shè)備規(guī)劃 42.2.1撕防爆膜方案選擇 42.2.2撕防爆膜設(shè)備流程設(shè)計(jì) 52.3撕防爆膜設(shè)備總體方案設(shè)計(jì) 52.4撕膜機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 62.5本章小結(jié) 9第3章傳動(dòng)機(jī)構(gòu)選型計(jì)算 103.1撕膜機(jī)構(gòu)選型設(shè)計(jì) 103.1.1撕膜傳動(dòng)電機(jī)選型 103.1.2同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì) 113.2氣缸與導(dǎo)軌選型設(shè)計(jì) 133.2.1氣缸選型 133.2.2縱向?qū)к夁x型 153.2.3工作臺(tái)導(dǎo)軌選型 153.3本章小結(jié) 17第4章有限元分析 184.1有限元分析流程 184.2設(shè)備支架有限元分析 184.3撕膜滾軸有限元分析 204.4本章小結(jié) 22第5章總結(jié)與展望 235.1總結(jié) 235.2展望 23參考文獻(xiàn) 24PAGE2第1章緒論1.1課題的研究背景及意義1.1.1課題研究背景當(dāng)前液晶面板的發(fā)展非常迅速，這也要求液晶設(shè)備技術(shù)工藝達(dá)到更高的水平。觸控面板是液晶面板所有的元件中不可缺少的重要的一部分，它的主要功能就是通過觸頭等傳感器接受輸入信號(hào)。當(dāng)用戶觸摸了液晶屏幕上的相應(yīng)觸頭時(shí)，屏幕的反饋系統(tǒng)就會(huì)通過已經(jīng)編寫完成的相應(yīng)程序去完成相應(yīng)的功能，通過這一功能，就可以以取代以前的機(jī)械式按鈕面板，還可并通過液晶顯示畫面產(chǎn)生動(dòng)人的影音效果。在電子產(chǎn)品領(lǐng)域，很多產(chǎn)品上都會(huì)貼附有保護(hù)膜（如圖1.1所示），比如顯示器屏幕和機(jī)床的控制面板等，如此，在后續(xù)的加工或維護(hù)時(shí)，需要將這些保護(hù)膜去除，只能采用傳統(tǒng)的人工方式。人工的除膜只能讓工人先通過小刀等銳器將膜和面板主體分開，再用人力撕扯保護(hù)膜，進(jìn)而將膜和面板分離，如此，不僅工人容易受傷，而且人工成本巨大且除膜效果還不是很好。市面上雖然有各種各樣的除膜機(jī)，但這些除膜機(jī)一般都是針對(duì)各自的產(chǎn)品設(shè)計(jì)的，面對(duì)其他產(chǎn)品的除膜需求，單單一種除膜機(jī)很難滿足多類產(chǎn)品的需求。撕膜是貼合的上游工序，是觸控面板在與光學(xué)膠進(jìn)行貼合前的一道工序。觸控面板在出廠時(shí)會(huì)附著一層黏性保護(hù)膜來保護(hù)觸控面板，確保觸控面板與光學(xué)膠貼合前避免劃傷與臟污。圖1.1帶防爆膜屏幕目前，受設(shè)備成本和撕膜工藝技術(shù)的限制，國內(nèi)絕大多數(shù)的企業(yè)還是采用以人力純手工撕膜為主的生產(chǎn)方式。1.1.2課題研究意義目前，液晶屏幕設(shè)備已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我們生活的方方面面。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2021年，全球液晶屏幕出貨數(shù)量達(dá)到數(shù)十億片，而且每年還在以較高的增長(zhǎng)速度快速增加。相信隨著數(shù)字化時(shí)代的到來，液晶屏幕的使用量在未來幾年還將有大幅度的增長(zhǎng)。隨著屏幕使用數(shù)量的快速增長(zhǎng)，使用人工純手工去除屏幕保護(hù)膜的方式越來越不能滿足時(shí)代發(fā)展的需要。主要有兩方面的原因：人工去除保護(hù)膜的效率較低。如果要增加產(chǎn)量，必須要增加相應(yīng)的工人。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，人工成本也在快速攀升，人力密集型勞動(dòng)需要逐漸向自動(dòng)化方向轉(zhuǎn)型來適應(yīng)社會(huì)人力成本的增長(zhǎng)。國內(nèi)對(duì)撕膜設(shè)備的研究起步較晚，目前市面上的相關(guān)設(shè)備從功能性和穩(wěn)定性等方面都處于初級(jí)階段。進(jìn)口設(shè)備雖然使用效果好，但是成本較高，所以研發(fā)性能更強(qiáng)的國產(chǎn)撕膜機(jī)迫在眉睫。撕膜機(jī)的主要的功能是要在保證產(chǎn)品不會(huì)產(chǎn)生形變的情況下撕去觸控面板表層的防爆膜。目前，市場(chǎng)上存在的比較先進(jìn)自動(dòng)撕膜設(shè)備的實(shí)現(xiàn)方案，是通過將已經(jīng)處理好一個(gè)角的帶防爆膜的面板放置于真空平臺(tái)之上，然后通過機(jī)械爪夾緊一角，通過工作臺(tái)和機(jī)械手的相對(duì)運(yùn)動(dòng)完成撕膜的整個(gè)過程，本文的方案則是通過卷軸進(jìn)行撕膜的另一種方案。1.2撕膜存在的問題及解決方法1.2.1撕膜過程存在的問題人工撕膜效率較低，如果要增加產(chǎn)量，必須要增加相應(yīng)的工人，人工成本會(huì)快速攀升。而且人工撕膜過程中容易導(dǎo)致膠殘留在屏幕上，影響后續(xù)工序的正常進(jìn)行，所以需要有熟練經(jīng)驗(yàn)的工人進(jìn)行操作。目前市面上的撕膜設(shè)備普遍采用膠帶撕膜,易撕貼撕膜等方式將膜撕下，也會(huì)在屏幕上殘留膠痕，而且由于撕膜過程受力不均勻，非常容易導(dǎo)致液晶屏受損。1.2.2解決方法針對(duì)撕膜后，液晶屏表面殘留膠痕的問題，本文在液晶屏底部增加加熱模塊，使撕膜的過程保持在一定溫度的條件下，就可以使膠軟化，避免膠粘的太緊，而殘留膠痕。由于使用膠帶撕膜和易撕貼撕膜可能存在撕膜過程受力不均勻的問題，所以本文采用滾輪撕膜，通過氣缸來控制撕膜的力度，實(shí)現(xiàn)最佳撕膜效果。1.3論文研究的主要內(nèi)容在對(duì)工廠關(guān)于自動(dòng)撕膜的需求進(jìn)行了大量調(diào)查并且研究了大量相關(guān)方面的文獻(xiàn)后，本文將通過以下幾方面說明自動(dòng)撕防爆膜設(shè)備的設(shè)計(jì)過程：調(diào)研企業(yè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)需求。包括企業(yè)要求的撕膜效率、撕膜尺寸等；撕膜設(shè)備運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、總體方案設(shè)計(jì)。規(guī)劃撕膜運(yùn)動(dòng)方案、壓緊運(yùn)動(dòng)方案、液晶屏固定方案等；撕膜傳動(dòng)部件設(shè)計(jì)和選型。包括撕膜滾軸設(shè)計(jì)、同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)、電機(jī)選型；防爆膜壓緊裝置設(shè)計(jì)和選型。包括壓緊軸設(shè)計(jì)、傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)、真空加熱平臺(tái)設(shè)計(jì)、氣缸選型等；使用有限元分析軟件workbench對(duì)撕膜設(shè)備底部支架進(jìn)行有限元分析校核。第2章自動(dòng)撕防爆膜設(shè)備設(shè)計(jì)本章重點(diǎn)是針對(duì)企業(yè)關(guān)于自動(dòng)撕膜設(shè)備的需求，進(jìn)行自動(dòng)撕防爆膜設(shè)備的整體分析和具體分析，并提出設(shè)計(jì)要求和方案。2.1自動(dòng)撕防爆膜設(shè)備的需求分析2.1.1撕膜對(duì)象在生產(chǎn)過程中，遇到已經(jīng)貼好防爆膜的不合格顯示屏，現(xiàn)在需要將防爆膜去除。在去除防爆膜的過程中，需注意以下兩點(diǎn)，顯示屏需放在加熱平臺(tái)上，撕膜過程中，有助于減少防爆膜中的膠和顯示屏的沾附；撕膜過程速度需慢且平穩(wěn)一些，可有效減少撕開后膠殘留在顯示屏上；目前人工撕膜+除膠效率最快大概在一小時(shí)12片左右，人工撕膜占一半時(shí)間；現(xiàn)需求是用機(jī)器替代人工撕膜。2.1.2功能需求人工把防爆膜撕開一個(gè)角并貼上膠紙定型，將撕開膜一角的玻璃放置可拆卸真空板上并完全覆蓋住真空開孔區(qū)域，按下啟動(dòng)鍵，真空加熱機(jī)構(gòu)開始抽真空，吸住玻璃，卷膜機(jī)構(gòu)下降并夾緊防爆膜末端，卷膜機(jī)構(gòu)再壓住玻璃，靠卷膜轉(zhuǎn)動(dòng)，使防爆膜撕開的同時(shí)，下方真空加熱機(jī)構(gòu)靠摩擦力，帶動(dòng)玻璃一起往前送，直到撕膜完成，按下完成鍵，人工將防爆膜取走，人工將撕好膜的玻璃取出，設(shè)備復(fù)位，完成一個(gè)工作周期。針對(duì)帶IC的產(chǎn)品，使用前需要先更換對(duì)應(yīng)產(chǎn)品的可拆卸真空板，操作時(shí)需將產(chǎn)品FPC位置置于真空板上開槽處。設(shè)備使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)卷膜，可降低人工卷膜過程中，用力不均勻?qū)е虏糠帜z沾附在玻璃上的情況，減少后續(xù)工人除膠的工作量。根據(jù)所需撕膜的屏幕尺寸，真空加熱平臺(tái)大小的尺寸建議為400×300mm。由于撕膜工藝存在不確定性，所以要求撕膜滾軸速度可調(diào)。2.2自動(dòng)撕防爆膜設(shè)備規(guī)劃2.2.1撕防爆膜方案選擇根據(jù)調(diào)研，目前液晶類產(chǎn)品的撕膜方式主要有膠帶撕膜,易撕貼撕膜、滾軸撕膜等方式，由于膠帶撕膜和易撕貼撕膜都是將膜直接通過固定的力撕下，無法調(diào)節(jié)撕膜時(shí)候力度的大小，很難實(shí)現(xiàn)最佳的撕膜狀態(tài)。而滾軸撕膜的方法是通過撕膜滾軸和壓緊軸將膜拉出，可以通過氣缸氣壓的大小實(shí)現(xiàn)撕膜力度的調(diào)整，方便工藝的調(diào)整。所以本文選用滾軸撕膜的方式設(shè)計(jì)自動(dòng)撕防爆膜設(shè)備。2.2.2撕防爆膜設(shè)備流程設(shè)計(jì)撕防爆膜設(shè)備的核心關(guān)鍵在于規(guī)劃撕膜的流程，開始設(shè)計(jì)前，必須要規(guī)劃撕膜的方法和整個(gè)撕膜的流程。（1）設(shè)備啟動(dòng)，真空加熱機(jī)構(gòu)開始加熱，卷輥機(jī)構(gòu)上升，壓輥松開。（2）人工將真空加熱平臺(tái)拉出，將撕開膜一角的玻璃放置可拆卸真空板上并完全覆蓋住真空開孔區(qū)域，確認(rèn)無誤后按下啟動(dòng)鍵，真空加熱機(jī)構(gòu)開始抽真空，吸住玻璃，卷輥機(jī)構(gòu)下降，再次按下啟動(dòng)鍵確認(rèn)，壓輥啟動(dòng)，將膜夾在壓輥與卷輥之間，卷輥開始轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)備開始運(yùn)行撕膜過程，卷膜機(jī)構(gòu)撕膜的同時(shí)，下方玻璃由于摩擦力，會(huì)帶動(dòng)真空加熱平臺(tái)往前走，實(shí)現(xiàn)撕膜（該過程可根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品的撕膜情況，調(diào)整速度參數(shù)，減少膠殘留在玻璃上，從而減少后續(xù)除膠的工作量），撕膜完成后，真空斷開，人工分別取走防爆膜和玻璃，設(shè)備復(fù)位，完成一個(gè)工作周期。（3）該機(jī)構(gòu)真空加熱平臺(tái)膜固定塊兩端做了兩個(gè)軌道，高度高于玻璃厚度，由于壓輥壓膜不能完全保證膜和卷輥緊貼，故拉膜前期，膜和玻璃之間的粘力比較小的情況下，靠壓輥和卷輥所產(chǎn)生的拉力，驅(qū)動(dòng)真空加熱機(jī)構(gòu)前行，默認(rèn)走一段距離后，卷輥慢慢壓住玻璃，由卷輥和玻璃之間的摩擦力及壓輥壓住膜的拉力，兩個(gè)力共同作用，驅(qū)動(dòng)真空加熱平臺(tái)前行。（4）針對(duì)帶IC的產(chǎn)品，使用前需要先更換對(duì)應(yīng)產(chǎn)品的可拆卸真空板，操作時(shí)需將產(chǎn)品的FPC位置置于真空板上開槽處，再進(jìn)行撕膜流程。圖2.1撕膜設(shè)備總體規(guī)劃2.3撕防爆膜設(shè)備總體方案設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際使用需求，設(shè)計(jì)自動(dòng)撕防爆膜裝置主要包括底部支架、屏幕傳送裝置和撕膜機(jī)構(gòu)，如下圖所示。底部支架采用鋁型材進(jìn)行拼接，不僅可以實(shí)現(xiàn)快速搭建，而且成本較低；傳送機(jī)構(gòu)包括工作平臺(tái)和水平傳送導(dǎo)軌，其中工作平臺(tái)可沿水平導(dǎo)軌方向滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)液晶屏幕的撕膜進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。撕膜機(jī)構(gòu)包括撕膜滾軸、撕膜傳動(dòng)電機(jī)、同步帶帶動(dòng)系統(tǒng)、第一壓緊組件、第二壓緊組件和升降板，其中撕膜電機(jī)通過同步帶傳動(dòng)連接撕膜滾軸，第一壓緊組件通過氣缸的作用將防爆膜牢牢的壓緊到撕膜滾軸上、第二壓緊組件用于將已經(jīng)被撕膜的面板壓緊于傳送平臺(tái)上，升降板通過直線軸承與所述垂直導(dǎo)軌滑動(dòng)連接，進(jìn)而通過升降氣缸驅(qū)動(dòng)撕膜機(jī)構(gòu)沿垂直導(dǎo)軌做上下運(yùn)動(dòng)。圖2.2撕防爆膜設(shè)備總體結(jié)構(gòu)2.4撕膜機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)撕膜機(jī)構(gòu)是整個(gè)設(shè)備中最為核心的部分，也是整個(gè)設(shè)備中的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如圖2.3所示，撕膜機(jī)構(gòu)由撕膜滾軸、撕膜電機(jī)、第一壓緊組件、第二壓緊組件和升降板組成。撕膜電機(jī)主要用于驅(qū)動(dòng)撕膜滾軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)撕膜。為了使整體結(jié)構(gòu)保持緊湊，將電機(jī)安裝在設(shè)備閑置的空間，選擇使用同步帶進(jìn)行傳動(dòng)，將動(dòng)力傳遞給撕膜滾軸，帶動(dòng)撕膜滾軸旋轉(zhuǎn)。為了使撕膜滾軸可以有效的將防爆膜撕開，避免撕膜過程中出現(xiàn)打滑等現(xiàn)象，選擇在撕膜滾軸表面包裹有一層硅膠皮套，增加撕膜滾軸表面的摩擦力。圖2.3滾軸撕膜機(jī)構(gòu)圖2.4撕膜滾軸第一壓緊組件包括第一壓緊滾軸和驅(qū)動(dòng)臂，驅(qū)動(dòng)臂驅(qū)動(dòng)所述第一壓緊滾軸擺動(dòng)靠近撕膜滾軸（如圖2.5和2.6所示），進(jìn)而將由人工剝離開的部分膜夾緊于所述第一壓緊滾軸和撕膜滾軸之間并進(jìn)行撕膜，撕膜滾軸轉(zhuǎn)動(dòng)將膜卷起，使剝離后的膜貼附在撕膜滾軸上，并帶動(dòng)傳送平臺(tái)向前滑動(dòng)；圖2.5第一壓緊組件正面圖2.6第一壓緊組件背面第二壓緊組件包括第二壓緊滾軸、升降臂，升降臂固定于水平臺(tái)面上（如圖2.7所示），升降臂可驅(qū)動(dòng)第二壓緊滾軸沿豎直方向的光杠導(dǎo)軌做上下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)將第二壓緊滾軸壓緊于面板已經(jīng)撕膜的部分，防止已經(jīng)撕膜的面板部分發(fā)生翹曲，影響撕膜效果。圖2.7第二壓緊裝置為了實(shí)現(xiàn)撕防爆膜設(shè)備可以適應(yīng)不同厚度的液晶屏產(chǎn)品，同時(shí)可以根據(jù)實(shí)際撕膜情況，便于調(diào)整撕膜滾軸位置，實(shí)現(xiàn)最佳撕膜效果。將撕膜滾軸、第一壓緊組件、第二壓緊組件全部與升降板連接，升降板可以通過直線軸承沿垂直軌道做上下運(yùn)動(dòng)，最后，由頂部的氣缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)撕膜滾軸與工作臺(tái)距離的自動(dòng)調(diào)節(jié)。圖2.8縱向移動(dòng)裝置撕膜過程中，液晶屏幕的固定也是非常重要的，如果采用機(jī)械方式進(jìn)行固定，不僅需要增加額外的夾具，裝夾的過程也需要耗費(fèi)大量的工時(shí)，撕膜的效率無法得到有效的提升。本文選擇使用真空吸附的方式固定液晶屏，免去了裝夾屏幕的時(shí)間。由于防爆膜與液晶屏幕之間存在膠水，不同的液晶屏，撕膜的難易程度與膠水粘接的量有直接關(guān)系，為了減少膠水粘接帶來的影響，本文選擇對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行加熱，膠水受熱之后，膠水會(huì)軟化，使撕膜的過程更加省力。設(shè)計(jì)的傳送平臺(tái)如圖2.9所示，上方設(shè)有若干呈方陣排列的矩形墊片，每個(gè)矩形墊片都可以單獨(dú)拆卸，針對(duì)帶IC的產(chǎn)品，使用前需要先拆掉產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的矩形墊片，操作時(shí)需將產(chǎn)品的FPC位置置于拆除的矩形墊片處，再進(jìn)行撕膜流程。傳送平臺(tái)下方裝有單獨(dú)的加熱裝置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)工作平臺(tái)的加熱。中間部分矩形墊片上方設(shè)有透氣孔，透氣孔通過工作臺(tái)與外部負(fù)壓裝置導(dǎo)通。撕膜過程中，只需要將液晶屏等需要撕膜的屏幕放置到透氣孔上方，完全將透氣孔蓋住，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)真空吸附，非常方便快捷。圖2.9真空加熱工作臺(tái)圖2.10工作臺(tái)剖面圖2.5本章小結(jié)本章描述了自動(dòng)撕防爆膜設(shè)備的功能需求，并且根據(jù)需求，制定了設(shè)備的工作流程，詳細(xì)解釋了設(shè)備各組成部分的功能。根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，制作了設(shè)備的整體設(shè)計(jì)圖紙。給出了撕膜機(jī)構(gòu)、第一壓緊裝置、第二壓緊裝置、氣動(dòng)升降平臺(tái)、真空加熱工作臺(tái)的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案。第3章傳動(dòng)機(jī)構(gòu)選型計(jì)算3.1撕膜機(jī)構(gòu)選型設(shè)計(jì)3.1.1撕膜傳動(dòng)電機(jī)選型目前，三相異步電機(jī)、伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)是工業(yè)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)中的主要電機(jī)。三相異步電機(jī)在非精確控制以及固定轉(zhuǎn)速場(chǎng)合起著重要作用。交流伺服電機(jī)在全數(shù)字式伺服系統(tǒng)出現(xiàn)后也越來越多地應(yīng)用在數(shù)字控制系統(tǒng)中。步進(jìn)電機(jī)是一種開環(huán)控制的系統(tǒng)，伴隨著數(shù)字控制系統(tǒng)的誕生，和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有本質(zhì)聯(lián)系的步進(jìn)電機(jī)在國內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛。在數(shù)字控制技術(shù)不斷發(fā)展的大環(huán)境下,為適應(yīng)新的趨勢(shì)，步進(jìn)電機(jī)(如圖3.2所示)或全數(shù)字式交流伺服電機(jī)(如圖3.1所示)在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用不斷增多。盡管兩種電機(jī)在控制方式上有許多相似之處，比如脈沖串和方向信號(hào),但是依然存在諸多差異，例如在使用性能和應(yīng)用場(chǎng)合上的差異相當(dāng)顯著。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的電機(jī)。每當(dāng)電機(jī)接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子就會(huì)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度或者前進(jìn)一步，輸入的脈沖數(shù)越多，電機(jī)輸出的位移量就會(huì)越大，脈沖頻率越高，轉(zhuǎn)速也會(huì)越快。伺服電機(jī)是一種將電壓轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的電機(jī)。伺服電機(jī)的速度和位置都可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且調(diào)節(jié)的精度非常高。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速會(huì)隨著接收到的信號(hào)的變化而快速變化，因此，伺服電機(jī)在控制系統(tǒng)中往往會(huì)作為執(zhí)行元件而存在。圖3.1伺服電機(jī)圖3.2步進(jìn)電機(jī)異步電機(jī)是一種通過旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流相互作用來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的電機(jī)。異步電機(jī)本身的轉(zhuǎn)速是固定的，所以異步電機(jī)常用于固定轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合，也可以配合變頻器實(shí)現(xiàn)調(diào)速的功能。本文設(shè)計(jì)的撕防爆膜設(shè)備需要實(shí)現(xiàn)撕膜轉(zhuǎn)軸可調(diào)速，但是對(duì)速度的精度要求較低，綜合考慮成本因素，由于步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的價(jià)格較高，所以我們選擇異步電機(jī)作為撕防爆膜設(shè)備的傳動(dòng)電機(jī)，同時(shí)使用變頻器進(jìn)行調(diào)速，通過較低的成本實(shí)現(xiàn)調(diào)速傳動(dòng)的功能。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，給定撕膜轉(zhuǎn)軸的最大轉(zhuǎn)速為5r/min。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，撕膜電機(jī)所需的最小轉(zhuǎn)矩為7N·m。由于所需轉(zhuǎn)速較低，所以需要通過減速器進(jìn)行減速，然后通過變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)的速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)撕膜轉(zhuǎn)軸速度的調(diào)節(jié)。綜上所述，初選臺(tái)創(chuàng)GR直角減速電機(jī)TCGR90-R-250C-120M。電機(jī)功率120W，該系列電機(jī)集成了減速器，減速比250，減速器允許負(fù)載轉(zhuǎn)矩：44N.m。同時(shí)，該系列電機(jī)自帶調(diào)速功能，完全滿足設(shè)計(jì)需要。圖3.3GR減速電機(jī)該系列電機(jī)采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有體積小、安裝靈活、節(jié)省空間、效率高、輸出扭矩大、啟動(dòng)平穩(wěn)、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。3.1.2同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)同步帶傳動(dòng)是由一根周外表設(shè)有等間距齒的環(huán)形帶和具有相應(yīng)齒的帶輪組成，它是綜合了帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)各自優(yōu)點(diǎn)的新型帶傳動(dòng)，運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶齒與帶輪的齒槽相嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，如圖3.4所示。圖3.4同步帶傳動(dòng)同步帶傳動(dòng)主要具有以下優(yōu)點(diǎn)（1）傳動(dòng)比準(zhǔn)確，因?yàn)橥綆鲃?dòng)的帶節(jié)距恒定，傳送帶能夠和帶輪正確的嚙合，所以沒有滑動(dòng)誤差，并且同步帶傳動(dòng)傳動(dòng)過程穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生較大的噪音；（2）傳動(dòng)比大，最高可以允許1:10的傳動(dòng)比并且最高可允許40m/s的線速度；（3）傳動(dòng)效率高，并且同步帶傳動(dòng)不需要進(jìn)行潤滑操作，也不會(huì)產(chǎn)生污染，所以可工作在環(huán)境不太好的場(chǎng)合和對(duì)污染要求很高的場(chǎng)合，同時(shí)，同步帶傳動(dòng)具有很緊湊的結(jié)構(gòu)，適合在多軸傳動(dòng)中工。；撕防爆膜設(shè)備中，由于結(jié)構(gòu)比較緊湊，所以需要通過傳動(dòng)裝置將動(dòng)力傳動(dòng)到撕膜轉(zhuǎn)軸上，所以本文選擇使用傳動(dòng)比為1的同步帶進(jìn)行傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳遞。（1）同步帶的設(shè)計(jì)功率Pd式中：——工況系數(shù)，查表可得P——傳遞的功率，單位：kW（2）圓弧齒同步帶選型較小的節(jié)距能夠提高帶的柔性和嚙合齒數(shù)，所以為了使傳動(dòng)過程更加平穩(wěn)，應(yīng)該選擇較小的節(jié)距；對(duì)模數(shù)制的m也盡可能選取較小值。通過設(shè)計(jì)功率和帶輪速度查詢圖3.5，選得5M圓弧齒同步帶。圖3.5同步帶模數(shù)選擇（3）選擇傳動(dòng)比i=1，帶輪齒數(shù)；（4）帶輪節(jié)圓直徑；（5）根據(jù)結(jié)構(gòu)布局，選擇同步帶傳動(dòng)的中心距；采用同步帶進(jìn)行傳動(dòng)時(shí)，同步帶的傳動(dòng)能力和壽命以及軸的壓力都和帶的張緊情況有很大的關(guān)系，為了使同步帶在安裝使用的過程中，同步帶有可調(diào)節(jié)的張緊力，同時(shí)又能不增加結(jié)構(gòu)的體積，本文將電機(jī)的固定孔位設(shè)計(jì)為槽孔，如圖3.6所示。實(shí)際安裝時(shí)，可以通過微調(diào)電機(jī)的安裝位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)同步帶的張緊。圖3.6同步帶張緊3.2氣缸與導(dǎo)軌選型設(shè)計(jì)3.2.1氣缸選型在工程應(yīng)用中，與電機(jī)驅(qū)動(dòng)相比，氣缸驅(qū)動(dòng)不僅成本低，而且可以根據(jù)實(shí)際運(yùn)動(dòng)需要直接布置，驅(qū)動(dòng)方式簡(jiǎn)單，能夠保證驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)時(shí)間的簡(jiǎn)單可靠。與液壓驅(qū)動(dòng)相比，氣缸驅(qū)動(dòng)不會(huì)出現(xiàn)漏油的問題，能夠保持設(shè)備的持久清潔，不會(huì)污染環(huán)境。在實(shí)際生產(chǎn)中，有很多種類型的氣缸可供選擇，例如單作用式氣缸、雙作以及特殊類型氣缸等。在選擇氣缸類型的時(shí)候，需要根據(jù)相應(yīng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)備的需求進(jìn)行綜合分析，以此作為前提條件。隨后，依據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)所受負(fù)載、外界空氣壓力、實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作等因素，來選取氣缸缸徑的尺寸以及氣缸最大行程，最后綜合選取氣缸的型號(hào)。本文主要有三處使用了氣缸作為動(dòng)力裝置，分別是縱向移動(dòng)氣缸、第一壓緊裝置氣缸、第二壓緊裝置氣缸，如圖3.7所示。圖3.7氣缸布局（1）縱向移動(dòng)氣缸選型縱向移動(dòng)氣缸主要實(shí)現(xiàn)帶動(dòng)整個(gè)撕膜裝置上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)撕膜滾軸接近或者遠(yuǎn)離液晶屏的作用。所以氣缸收到的力主要來自整個(gè)裝置自身的重力，整個(gè)縱向移動(dòng)裝置的重量可以通過SolidWorks軟件自帶的評(píng)估功能進(jìn)行估算。氣缸軸向負(fù)載力式中，m——整個(gè)縱向移動(dòng)裝置的重量，取15kg。氣缸的平均速度式中，S——?dú)飧椎男谐?，單位：mm；T——行程時(shí)間，單位：s。依據(jù)氣缸運(yùn)動(dòng)時(shí)的平均速度以及氣缸所受負(fù)載條件，能夠計(jì)算出氣缸的負(fù)載率，下表給出了氣缸負(fù)載率與氣缸運(yùn)行速度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。氣缸平均速度v負(fù)載率選擇氣缸的行程為30mm，氣缸伸縮時(shí)間為0.5s，伸縮氣缸的平均速度取90mm/s，氣缸負(fù)載率為65%，由氣缸理論輸出力計(jì)算公式：據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，選擇氣缸的型號(hào)為CDQSB25-30DM-M9B，如圖3.8所示。圖3.8縱向移動(dòng)氣缸圖3.9第一壓緊裝置氣缸（2）第一壓緊裝置氣缸選型第一壓緊裝置的氣缸主要作用是通過氣缸的作用將第一壓緊軸壓向撕膜滾軸，實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶屏防爆膜的壓緊。采用與縱向移動(dòng)氣缸選型相同的計(jì)算流程。選擇氣缸的型號(hào)為CDJ2D-16-15Z-M9BS，如圖3.9所示。（3）第二壓緊裝置氣缸選型第二壓緊裝置的氣缸主要作用是帶動(dòng)第二壓緊軸在豎直方向內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)第二壓緊軸對(duì)已經(jīng)撕膜的液晶屏幕的壓緊，防止撕膜過程中將屏幕帶起，影響撕膜效果。采用與縱向移動(dòng)氣缸選型相同的計(jì)算流程。選擇氣缸的型號(hào)為CDJ2B16-15Z-A。3.2.2縱向?qū)к夁x型由于縱向?qū)к墐H具有導(dǎo)向作用，綜合考慮成本因素，選擇光杠作為縱向移動(dòng)的導(dǎo)軌，光杠直徑。同時(shí)選擇相應(yīng)的帶法蘭的直線軸承（如圖3.10所示），將整個(gè)縱向移動(dòng)的裝置固定到直線軸承上，通過氣缸的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行移動(dòng)。圖3.10直線軸承3.2.3工作臺(tái)導(dǎo)軌選型直線導(dǎo)軌的工作原理，就是通過滾珠在導(dǎo)軌和滑塊之間的滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，使得平臺(tái)可以在導(dǎo)軌上做線性運(yùn)動(dòng)，并且運(yùn)動(dòng)的精度很高，如圖3.11所示。滾動(dòng)導(dǎo)引的摩擦系數(shù)是滑動(dòng)導(dǎo)引的1/50。因?yàn)槟Σ料禂?shù)的減小，所以通過更小的力就可以完成起動(dòng)，并且也可以產(chǎn)生更少的無效位移，因此就可以實(shí)現(xiàn)更高的進(jìn)給精度和定位精度。又因?yàn)榛瑝K和導(dǎo)軌之間通過束制結(jié)構(gòu)連接，所以直線導(dǎo)軌可以在同一時(shí)間承受多個(gè)方向的負(fù)荷。因此，基于滾動(dòng)導(dǎo)引的以上優(yōu)點(diǎn)，相較于滑動(dòng)導(dǎo)引，如果想要設(shè)備達(dá)到更好的精度和性能，工作臺(tái)應(yīng)當(dāng)選擇以直線導(dǎo)軌配合滾珠絲杠進(jìn)行工作。圖3.11直線導(dǎo)軌選擇導(dǎo)軌的第一步就是要確定公稱尺寸。公稱尺寸的確定在工程中通常都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行初步選定。在確定了公稱尺寸之后，再結(jié)合具體的條件（如速度，行程等），具體地計(jì)算負(fù)載的大小。在計(jì)算出了負(fù)載的大小后，再通過公式計(jì)算出導(dǎo)軌的額定壽命。如果計(jì)算得到的額定壽命不小于預(yù)期的使用壽命，那么這個(gè)公稱尺寸的導(dǎo)軌就符合設(shè)計(jì)要求，如果計(jì)算得到的額定壽命小于預(yù)期的使用壽命，則需要選擇更大的公稱直徑進(jìn)行重新選型計(jì)算。直線導(dǎo)軌的公稱尺寸包括導(dǎo)軌和滑塊的尺寸，由于它們是成套使用的，所以導(dǎo)軌和滑塊都是按相同的公稱尺寸配套供應(yīng)的。負(fù)載越大，導(dǎo)軌所需要的公稱尺寸也相應(yīng)越大。導(dǎo)軌長(zhǎng)度是根據(jù)負(fù)載的運(yùn)動(dòng)行程來選擇設(shè)計(jì)的，負(fù)載運(yùn)動(dòng)行程越大，所要求的導(dǎo)軌長(zhǎng)度越長(zhǎng)。一般是在確定負(fù)載需要的運(yùn)動(dòng)行程后再選擇導(dǎo)軌的長(zhǎng)度，但導(dǎo)軌的長(zhǎng)度值也不是任意決定的，只能在制造商的長(zhǎng)度系列中進(jìn)行選擇。導(dǎo)軌長(zhǎng)度L=nF+2G式中：F—導(dǎo)軌上的螺釘孔中心距，單位：mm；n—導(dǎo)軌上螺釘孔最小中心距的數(shù)量；G—導(dǎo)軌兩端距第一個(gè)螺釘孔的距離，單位：mm。計(jì)算得到導(dǎo)軌的長(zhǎng)度L=520mm根據(jù)下表初選導(dǎo)軌型號(hào)為HGH15CA滑塊主要承受平臺(tái)的重量G由于靜安全系數(shù)遠(yuǎn)大于許用的靜安全系數(shù)，所以導(dǎo)軌和滑塊的承載力可以滿足要求。3.3本章小結(jié)本章對(duì)自動(dòng)撕防爆膜設(shè)備中用到的電機(jī)、減速器、同步帶、氣缸、導(dǎo)軌等部件進(jìn)行了詳細(xì)選型計(jì)算，并給出了選型計(jì)算的結(jié)果。第4章有限元分析4.1有限元分析流程在整個(gè)撕防爆膜設(shè)備中，設(shè)備底部支架受到的載荷最大，所以要重點(diǎn)分析撕防爆膜底部支架的受力情況。撕防爆膜設(shè)備底部支架的設(shè)計(jì)既要保證結(jié)構(gòu)能夠承受負(fù)載，還要通過分析選擇截面尺寸較小的鋁型材。這樣不僅可以減小設(shè)備的整體重量，還可以減少設(shè)備的制造成本。本文選用ANSYSWorkbench2020對(duì)撕防爆膜設(shè)備底部框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，主要的分析流程如圖4.1所示，撕防爆膜設(shè)備底部框架主要選擇的是標(biāo)準(zhǔn)鋁型材進(jìn)行搭建，使用的材料為6061-T651，材料屬性如下表所示。圖4.1Workbench有限元分析流程材料密度kg·m-3彈性模量GPa泊松比6061-T651275068.90.334.2設(shè)備支架有限元分析本文使用ANSYSWorkbench對(duì)撕防爆膜設(shè)備底部支架進(jìn)行靜力學(xué)分析，具體分析過程如下：（1）建立模型。本文已經(jīng)完成了撕防爆膜設(shè)備底部支架的設(shè)計(jì)，采用分析進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)證。因?yàn)槟Ｐ偷牡菇牵瑘A角等部分不影響分析結(jié)果，所以需要通過預(yù)處理去除這些部分，提高分析過程的效率。（2）選擇分析類型。在Workbench主界面選擇靜力學(xué)分析模塊進(jìn)行分析。（3）定義材料屬性。撕防爆膜設(shè)備底部支架的材料設(shè)置為6061-T651。（4）劃分網(wǎng)格。本文選取10節(jié)點(diǎn)四面體單元進(jìn)行劃分，共劃分得86080個(gè)節(jié)點(diǎn)，12160個(gè)單元。使用Workbench自帶的網(wǎng)格檢測(cè)功能ElementQuality對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果平均值為0.51，這個(gè)值的范圍一般為0~1，0表示最差，1表示最好，0.51屬于中等網(wǎng)格質(zhì)量。（5）施加載荷和約束。由于撕防爆膜設(shè)備的底部支架四個(gè)角在實(shí)際工作時(shí)，是通過四個(gè)橡膠支腳進(jìn)行支撐，整個(gè)設(shè)備是通過一塊板放在了支架上方，所以此處在設(shè)備底部支架的四個(gè)角設(shè)置固定約束（Fixedsupport），在設(shè)備底部支架的上方設(shè)置均勻壓力5.3Mpa，如下圖所示。（6）設(shè)置求解項(xiàng)并求解。選定總變形、等效應(yīng)力和等效應(yīng)變作為求解項(xiàng)，求解結(jié)果分別如圖下圖所示。圖4.2網(wǎng)格劃分圖4.3施加約束與載荷圖4.4底部支架總變形圖4.5底部支架等效應(yīng)力從有限元分析結(jié)果的等效應(yīng)力云圖可以看出，底部支架的四根縱向鋁型材收到的應(yīng)力最大，最大應(yīng)力為7.8MPa，遠(yuǎn)低于材料6061-T651的許用應(yīng)力124MPa。從總變形云圖可以看出，底部支架在極限受力情況下的最大變形為0.06mm，完全可以滿足使用需要。4.3撕膜滾軸有限元分析采用與設(shè)備支架分析同樣的流程，對(duì)撕膜滾軸進(jìn)行分析。首先對(duì)撕膜滾軸進(jìn)行簡(jiǎn)化，去除撕膜滾軸不影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的的倒角和圓角。然后設(shè)置材料為45鋼，選取10節(jié)點(diǎn)四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖4.6所示，共劃分得20952個(gè)節(jié)點(diǎn)，12856個(gè)單元。使用Workbench自帶的網(wǎng)格檢測(cè)功能ElementQuality對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果平均值為0.8。由于撕膜滾軸工作時(shí)，主要承受第一壓緊裝置對(duì)它的壓力和軸承的支撐，模擬撕膜的實(shí)際過程，對(duì)撕膜滾軸施加100N的壓力，然后在軸承固定處施加三個(gè)方向的位移約束，求解撕膜滾軸的總變形、等效應(yīng)變和等效應(yīng)力，分別如圖4.7、4.8、4.9所示。圖4.6撕膜滾軸網(wǎng)格劃分圖4.7撕膜滾軸總變形圖4.8撕膜滾軸等效應(yīng)力圖4.9撕膜滾軸等效應(yīng)變分析結(jié)果顯示，撕膜滾軸在極限受力情況下，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在軸承固定位置，大小為29Mpa，遠(yuǎn)低于材料的許用應(yīng)力。最大變形為0.12mm，可以滿足使用要求。4.4本章小結(jié)本章對(duì)自動(dòng)撕防爆膜設(shè)備的重要受力零件進(jìn)行了靜態(tài)有限元分析，有限元分析的結(jié)果是設(shè)備支架和撕膜滾軸所受到的最大等效應(yīng)力都遠(yuǎn)低于材料的許用應(yīng)力，符合使用要求。PAGE2第5章總結(jié)與展