全自動立式雙面玻璃覆膜機的設計

李正生，付浩，劉贛華，陳紹俊，陳喜來，陳麗君

(九江職業技術學院，江西九江 332007)

0 引言

在玻璃深加工中，玻璃覆膜機是使用較為廣泛的一種裝置，主要用于各類型玻璃表面的覆膜，以保障玻璃出廠后的清潔和防止表面被劃傷，從而提升玻璃的品質與形象。

當前，市場上的玻璃覆膜機多為半自動粗放型設備，存在以下幾方面的問題。一是在玻璃覆膜的過程中，主要由人工抬運或者半自動化設備上下玻璃片，沒有玻璃的自動夾持和上下片功能，導致上下玻璃片既耗時又耗力，而且危險性大、破損率高。二是同一臺設備只能對相同尺寸及規格的玻璃進行單面覆膜，不能實現玻璃的雙面覆膜；對不同尺寸規格的玻璃覆膜，需采用不同型號的覆膜設備。三是只能通過手工方式對覆膜玻璃周邊的薄膜進行裁剪與切割，不但勞動強度大、裁剪精度低，而且容易造成玻璃破損。四是自動化、智能化程度不高，無法與智能制造系統形成對接，實現與其他設備連線使用。因此，針對現有玻璃覆膜設備存在的問題，亟需研發一款能夠實現玻璃自動上下片、自動設置覆膜裁剪尺寸、自動化集成度高、適應性強的玻璃覆膜裝置，以適應玻璃加工行業快速發展的需求。

1 整機結構設計

1.1 提出設計思路

針對現有玻璃覆膜設備不能進行多尺寸多規格玻璃雙面貼膜、人工上下玻璃片效率低、破損率高和自動化程度低等問題，設計由立式機架結構代替傳統的臥式機架結構，實現玻璃雙面覆膜并與生產線的上下游工序對接；設計玻璃厚度與高度控制裝置，實現對不同尺寸規格玻璃的覆膜；設計薄膜切割機構，實現薄膜精準裁剪與切割；采取上片機械手抓取玻璃片并傳輸到覆膜機進行雙面覆膜與裁剪切割，然后再傳輸到下片機械手平臺，通過下片機械手抓取并堆放好覆膜玻璃的方式，實現玻璃覆膜的自動化生產。

1.2 整機方案設計

本款全自動立式雙面玻璃覆膜機主要由自動上片機械手、自動覆膜機、自動下片機械手以及控制系統組成(如圖1所示)。

圖1 整機結構示意圖

(1)玻璃上下片機械手的設計。玻璃上下片機械手主要承擔玻璃抓取、堆放和傳輸功能，它由機械抓取手組件和傳輸段組件兩部分組成(如圖2所示)。

圖2 自動上下片機械手示意圖

機械抓取手采用抽屜式2級機械結構，最小距離實現倍數行程，1級行走穿梭在2級里面，2級穿梭在本體里面，1、2級采用氣缸直驅，通過拉線編碼器把數據信息傳遞給PLC，實現精準控制。伸縮臂采用四連桿機械結構，執行元件同樣采取氣缸加拉線編碼器，可以實現X軸、Z軸聯動，最終通過4個軸聯動來實現玻璃抓取堆放功能。機械抓取手結構如圖3所示。

1.本體組件 2.級行走組件 3.級行走組件4.角度氣缸 5.四連桿伸縮氣缸 6.真空吸盤圖3 機械抓取手結構示意圖

(2)自動覆膜機結構的設計。覆膜機機架采用立式結構，由多根橫向梁和縱向梁焊接而成。與傳輸平臺相配合，覆膜機橫向整合了傳輸組件和薄膜固定組件，縱向固定了切割刀頭組件。傳輸組件通過電機驅動鏈輪控制橡膠傳輸滾筒，調節玻璃厚度尺寸；通過蝸桿控制機架升降，調節玻璃高度尺寸；正反兩面都設計安裝了有一定錐度的薄膜定位頭，負責對玻璃兩面同時覆膜，實現一機多用。機架切割刀頭組件包括薄膜切割刀輪組和刀輪移動導軌機構，通過伺服電機和氣缸協同作用，控制橫豎合金刀片運動，實現薄膜尺寸雙面精準裁剪與切割。圖4所示的為本覆膜機的結構圖。

1.機架 2.傳輸組件 3.橡膠滾筒 4.薄膜定位頭 5.切割刀頭圖4 覆膜機結構示意圖

(3)薄膜切割機構的設計。薄膜切割機構為本款全自動立式雙面玻璃覆膜機的核心部件，主要由立式機架、伺服電機、主動同步帶輪、正面切割刀輪組和移動導軌、同步帶驅動機構、背面切割刀輪組及移動導軌、從動同步帶輪等部件組成(如圖5所示)。

1.立式機架 2.伺服電機 3.正面切割刀輪組 4.正面切割刀輪組移動導軌 5.同步帶驅動軸 6.主動同步帶輪 7.同步帶8.背面切割刀輪組 9.背面切割刀輪組移動導軌 10.從動同步帶輪圖5 薄膜切割機構示意圖

其中，主動同步帶輪和從動同步帶輪分別設置在立式機架的上下兩端，伺服電機驅動同步帶輪驅動軸，從而帶動主動同步帶輪轉動。薄膜切割刀輪組(如圖3所示)包括正面切割刀輪組和背面切割刀輪組，其兩端分別固定在兩根同步帶上。工作時主動同步帶輪通過同步帶牽引正面切割刀輪組和背面切割刀輪組同時切割薄膜，極大提高了薄膜裁剪與切割的加工效率。刀輪組移動導軌用于刀輪組移動支撐和導向，包括正面切割刀輪組移動導軌和背面切割刀輪組移動導軌。正面切割刀輪組和背面切割刀輪組的另一端分別安裝在正面切割刀輪組移動導軌和背面切割刀輪組移動導軌的滑塊上。機構采用了圓形刀輪，切割薄膜時與玻璃表面滾動摩擦，不會劃傷玻璃，相比傳統的人工刀片切割方式，可以大大節約成本。

圖6 薄膜切割刀輪組結構示意圖

2 整機控制系統的設計

為提高玻璃覆膜機的自動化與智能化程度，本款全自動立式雙面玻璃覆膜機采用西門子S7-200CPU226型號的PLC控制器，負責對整機中的伺服電機系統和氣動部件進行控制：通過各類型傳感器以獲取加工數據，然后通過PLC數據采集網關把獲取的加工數據上傳到部署在阿里云的MES系統中，實現加工數據的實時監測，再通過液晶觸摸屏實現人機數據的交換，控制設備的啟停、玻璃覆膜加工尺寸、設備傳輸速度和加工計數等參數，實現設備的自動化運動。

3 全自動立式雙面玻璃覆膜機的創新點

全自動立式雙面玻璃覆膜機與傳統的玻璃覆膜機相比具有以下創新點。

實現一機多用，提高設備的利用率。采用立式機架組件代替傳統的臥式機架組件，一方面可以實現和生產線的上下游工序對接，極大地節省了設備的占地空間；另一方面可以實現玻璃雙面覆膜及對薄膜實行自動切割。將薄膜定位頭與橡膠滾動固定在機架上，通過電機調節加工范圍，解決了在同一臺設備上對不同尺寸、規格玻璃實現覆膜問題。

薄膜裁剪與切割加工精度高，提高產品完好率。設計薄膜切割刀輪組和刀輪移動導軌機構，通過同步帶牽引正面切割刀輪組和背面切割刀輪組上的圓形刀輪實現對玻璃雙面薄膜的切割，通過伺服電機和氣缸協同控制橫、豎兩刀的運動，精確切割薄膜，控制覆膜后玻璃預留邊距，解決了傳統手工切割薄膜裁剪精度低、易造成玻璃破損問題。

設計玻璃上下片機械手承擔玻璃抓取、堆放和傳輸功能，與傳統人工操作相比降低了勞動強度，提高了安全性，實現了無人工上下玻璃片。

智能化程度高，可拓展性強。優化傳統PLC邏輯算法，對PLC外加物聯網模塊，使其可以將工作代碼傳送給遠程系統，再通過分析代碼對所加工的玻璃產品參數進行智能化采集并反饋給后續工序，實現數據的信息化智能化。采用可觸摸人機操作系統，可全自動化操作整機。預留端口可以對接MES智能制造執行系統，實現玻璃產業的智能制造和柔性生產制造。