一種CO2自動清潔設備設計

黃軍營，廖新明，鄭 博

（日本電產三協電子（東莞）有限公司，廣東東莞 523325）

0 引言

現有光學防抖馬達部品的清潔一般采用人工清潔的方式來進行清潔作業，此作業方式工作效率低，勞動強度大，人工成本高，且人工作業時難于保證清潔的品質，且清潔光學防抖馬達部品所需要采用的液態二氧化碳清潔噴頭的管子屬于易損品，經常挪動噴頭易將管子損壞，因此有必要予以改進。又隨著手機市場的蓬勃發展，相關產業鏈的競爭也是越發激烈，光學防抖馬達作為手機中重要的組成部分，如何保證其生產質量，并提高生產效率一直以來都是追求的目標。通過以往經驗發現人工清潔工序存在著清潔效果不理想，效率低下的現象。針對上述現象設計研發了光學防抖馬達自動清潔設備，采用自動化清潔方式來代替人工清潔，不僅保證了產品的品質，同時也大大提升了生產的效率。

為此，本文從如何實現自動清潔出發，探究光學防抖馬達的清潔自動化的創新成果。

1 光學防抖馬達自動清潔方案

光學防抖[1]馬達的自動清潔就是以提升產品品質、提高生產效率和減少工人勞動強度為目標，實現無人化自動清潔。

本方案采用CO2高壓噴流清洗方式，利用固定式噴頭和馬達放置板自動移動實現自動清洗，同時考慮整體的清潔時間及清潔的質量，對程序進行優化，合理的調整自動移動的方式，確保馬達放置板上的每一個部品都能得到良好的清潔效果。

1.1 設備整體

光學防抖馬達自動清潔機主要由3 個部分組成：機械臂機構、高壓噴流控制箱、供氣設備。如圖1所示。

圖1 光學防抖馬達自動清潔機

1.2 自動清潔工藝困難點

（1） CO2氣體的狀態是影響清潔效果的重要因素之一，為了針對多種異物附著情況，選取一種最合理的CO2氣體的狀態，而CO2氣體又分為固態、液態、氣態3種常見狀態，以及固液共存、氣液共存、固氣液共存等其他非正常狀態，這就需要通過資料調查，并進行大量實驗來確定CO2的狀態。

（2）空氣清潔噴頭[2]的選型。因噴頭形狀直接影響最終的清潔效果，所以本次實驗設計了3 種空氣清潔碰頭：圓型空氣清潔噴頭、十字型空氣清潔噴頭、一字型空氣清潔噴頭。通過實際清潔情況來選擇最合適的噴頭。

（3）機臺的效率。因本設備為自動清潔機構，對機臺的清潔效率要求高，如何通過調整機械結構及內部程序提高效率也是調機的難點，其主要難點在于如何在確保清潔效果的前提下，盡可能縮短空氣清潔的時間。

（4）機臺的實用性。作為自動化設備，其實用性也是判定的重要標準之一，實用性主要表現在機臺操作的方式是否簡便，機臺清潔的效率是否滿足產品的生產，機臺發生故障后，接觸故障的方式是否簡便等。

2 自動清潔機重要機構

2.1 密閉作業臺

為了確保清潔效果，防止清潔過程中有異物附著，同時提高清潔的效率，設計了密閉的清潔作業臺，通過鋁型材和亞克力板進行搭建，為了提高生產作業性，在作業臺窗口處設計了自動升降門，每次清潔結束后，升降門都會自動打開，作業人員更換部品放置板，再摁下啟動鍵，升降門自動關閉，進行清潔。作業臺如圖2所示。

圖2 自動清潔機作業臺

自動清潔機工作臺的底部還設有吸氣裝置，通過外部的吸塵裝置，將空氣清潔過程中產生的異物進行吸附，從底部的通道吸到機臺外部。這樣就大大保證了工作臺內部的清潔環境，防止因工作臺內部異物飛濺造成對產品的二次污染，從而提升了機臺的清潔質量。

2.2 空氣清潔結構

空氣清潔結構的主要構成為高壓噴流[3]控制箱，空氣清潔噴頭，供氣設備組成，其中供氣設備主要的作用是提供所使用的CO2氣體，高壓噴流控制箱控制CO2氣體的狀態。空氣清潔噴頭則控制了噴出氣體的軌跡。

（1）供氣設備

供氣設備[4]為了實現不間斷供氣，預先配套補給4瓶CO2滿瓶氣體，通過單向高壓閥、氣壓感應器、電磁閥、加熱墊、重量計及高壓管道與控制系統結合，實現在維持恒溫恒壓供氣的同時，也能進行正常的氣瓶補給更換，達到不間斷供氣效果，保障CO2高壓噴流清洗品質。

正常情況下，通過控制面板可以對瓶內的氣體量進行追蹤，瓶內的氣體量達到標準是，控制面板上顯示的氣瓶為綠色，當4瓶CO2氣體罐內出現氣體不足時，通過控制面板的實時監控，會顯示氣瓶的顏色為紅色，這時就需要人工進行氣體瓶的更換，而設備會停止使用紅色的氣體罐中的氣體。當4瓶CO2氣體都不達標時，控制面板會發出報警，同時停止設備的運行，直到作業人員重新更換滿狀態的氣瓶，再解除報警，才能使機臺正常啟動，裝置如圖3所示。

圖3 供氣設備

（2）高壓噴流控制箱

為了使供氣設備提供的CO2氣體的狀態變為可控，所以在清潔機構與供氣設備中間追加高壓噴流控制箱，通過高壓噴流控制箱來控制CO2氣體的溫度及壓強。同時高壓噴流控制箱還可以對供氣設備輸送過來的CO2氣體進行清潔過濾，保證了設備清潔度，提高了自身的清潔效率。

高壓噴流控制箱設備正面由電源開關、溫度監控調節器、氣壓表、氣壓調節器等組件組成，可以通過溫度監控調節器進行對氣體溫度實時操控，通過觀察氣壓表的氣壓值，對氣壓調節器進行調節，確保高壓噴流控制箱中的氣體氣壓符合機臺要求。

（3）空氣清潔噴頭

空氣清潔噴頭是本設計中重要的一環，經過高壓噴流控制箱處理過的CO2氣體[5]通過清潔噴頭直接對部品進行吹氣清潔，清潔噴頭的作用為增加CO2氣體的壓強，并控制CO2氣體噴出時的形狀，本次設計了3種空氣清潔噴頭，頭部鏤空狀態為十字型、圓型和一字型，通過試作時的實驗來選取最佳的清潔噴頭。

2.3 部品放置板及移動機構

（1）部品放置板

部品放置板由底板和頂部蓋板構成，使用時先將部品放置于底板上，然后將頂部蓋板蓋在底板上，確保部品在清潔的過程中不會從放置板中脫落。

部品放置板因考慮到對部品清潔效果的影響，底板在每個放置部品位置的下方進行了鏤空處理，而頂部的蓋板在部品的正上方處由兩根細棒進行定位，這樣設計的目的就是盡可能地增加清潔氣體與部品的接觸面積，接觸面積越大，清潔的效率越好，而頂部的細幫正好放置在馬達的中間處，從而最大程度的保證部品不會在清潔過程中脫落。部品放置板如圖4所示。

圖4 部品放置板

（2）移動機構

移動機構由JANOME 機械手[6]和部品放置板的定位機構組成。定位機構鎖附在JANOME 機械手上，定位機構的底板也進行了鏤空處理。定位機構與部品放置板是相互配合的關系，可將部品放置板垂直放進定位機構的凹槽內，使部品放置板被固定。移動機構如圖5所示。

圖5 搬運機構

使用時將裝好部品的部品放置板放在定位機構行，通過程序控制機械手帶動部品放置板進行移動，使每個部品都能被清潔機構所清潔到。

3 控制系統

控制系統由JANOME 機械手自帶程序及控制器組成，其中JANOME 機械手采用的是JC-3 型號的機械手，可對高壓噴流控制箱的信號進行接收處理，并控制空氣碰頭的噴氣開關，同時兼顧機械手的運行。

設備操作分手動模式和自動模式，在手動模式下運用控制器可對程序中的各個步驟進行逐一的運行，通過觀察清潔氣體對部品的清潔情況，對機械手的運行程序進行修正，確保整體的清潔效果。當機械手運行程序確定后，將手動模式改為自動模式進行生產。自動模式下，控制器[7]存在3種操作方式：開始，急停，復位。按下急停后，需要復位后再次開始生產。

4 設備測試及解決的關鍵技術

4.1 設備運行測試

自動清潔機的實際測試步驟：（1）打開儲存干冰的儲氣罐閥門；（2）打開電路和氣路開關；（3）通過JANOME 控制器將設備調到自動模式，將部品放置板放入，啟動開始；（4）清潔完成后取出部品放置板；（5）將取出部品進行外觀檢查，記錄實驗結果；（6）經過多次檢證后，選取出清潔效果最佳的氣壓，并關閉儲氣罐閥門及電路，氣路開關。

在測試的過程中，主要檢測的是機臺動作是否合理，相關設備的參數是否設定的正確，清潔后的產品是否符合標準等幾個重要檢測點。

4.2 解決的關鍵技術

本項目在實施過程中主要解決了以下關鍵點：

（1）深入探究CO2高壓顆粒噴流清洗原理[8]，CO2清潔基本過程是一個絕熱節流膨脹過程。臨界點下，壓力加壓到臨界點以上可將CO2氣體液化，進一步使之固化。故選擇適當初始狀態操作。根據J-T 效應可產生氣、液、固三相噴射流。在噴射到固體表面的那一剎那，CO2噴射的成分同時包含了固體顆粒、液體以及氣體流等。不同的成分可以發生不同的機制，以達到移除固態表面微粒的功效。

（2）針對清潔噴頭的檢證，圓型清潔噴頭為治具中間開圓孔的噴頭，因清潔要求，清潔氣體需全覆蓋整個部品，則圓形噴頭的直徑與部品長度近乎相同，使得圓形噴頭所噴出的氣體氣壓不足[9]，清潔效果不佳。而十字形噴頭相較于圓形噴頭，治具表面的鏤空面積有所減小，清潔氣體的氣壓得到保證，但是在清潔過程中從十字孔內噴出的氣體方向算亂，無法集中，對部品的清潔效果不好。經過了多次試驗發現一字型的清潔碰頭的噴出的氣體氣壓更高，清潔部品的效果更好。所以選用一字型的清潔噴頭。

（3）在實驗過程中發現多次清潔后，清潔效果不理想，原因為經過幾次清潔之后，清潔臺內部空氣中含有異物[10]，造成了對部品的二次污染，為防止這一現象發生，在密閉作業臺下方追加空氣吸收機構，確保被吹落的異物直接被吸收走，不會造成二次異物附著現象，同時在清潔臺底部鋪上了膠紙，使清潔下來的異物吸附在下方膠紙上，這樣就防止了清潔臺內的空氣含有異物現象了。

（4）部品放置板的結構為兩排部品，每排放置10個，針對部品的排列方式，及一字型清潔噴頭[11]噴射面狀氣體的特點設計了針對性的機械手運行程序，采用“匚”字形的運行軌跡，既保證了清潔氣體能全面覆蓋部品，又大大節約了整體的清潔時間，提高了作業銜接性和工作效率。

5 結束語

本文所設計的CO2自動清潔設備，包括機架以及設于機架上的清洗工作臺，清洗工作臺設有清洗噴頭和固定支架，清洗噴頭設于固定支架懸空于清洗工作臺，清洗噴頭下方設有部品放料板，清洗工作臺設有驅動機構，驅動機構驅動部品放料板在清洗工作臺內移動；在清洗工作臺上固定設有清洗噴頭，在清洗噴頭下方設有部品放料板，通過驅動機構驅動部品放料板在清洗工作臺上移動，通過清洗噴頭對部品放料板上的部品進行全方位清洗，在保證清潔品質的同時對噴頭的管子進行保護。通過本設備設計開發，解決了光學防抖馬達清潔過程中遇到的生產效率瓶頸問題，實現了光學防抖馬達清潔的自動化，同時降低了生產成本，使產品的生產效率提高。增強了自身的市場競爭力，同時也為電子制造行業的智能化添磚加瓦。