基于XC 轴联动的蓝宝石玻璃加工专用机床的研制＊*

王小东 王天雷

(①广东科杰机械自动化有限公司，广东 江门529030;②五邑大学信息工程学院，广东 江门529020)

自iPhone 系列手机和iPad 平板电脑系列产品问世以来，投射式电容触控技术己开始应用于各种电子产品中［1－2］。蓝宝石材质作为触控面板模组表层的盖板玻璃(也称cover－lens 或cover－glass)也逐步应用到高端，新式电子产品中(如图1)。对蓝宝石盖板外廓的磨边、抛光加工是极为重要的工序之一［3－4］。崩裂、崩边、振纹等加工品质问题，良品率大幅下降。此外，因盖板玻璃尺寸的增大(从4 英寸到4.7、5.5 英寸，甚至10 英寸以上)，如果再沿用直线的XY 插补加工方式，要求机床各个轴的行程要加大，一方面增加了设备生产商的制造难度和制造成本。另一方面，因机床占地面积的增加，也不利于设备应用企业大量采购、安放及使用。基于以上因素，对专机加工方法及结构的设想为:(1)采用XC 联动加工，将蓝宝石材质盖板玻璃固定在工作台上的C 轴转台上，通过直线轴X 轴和旋转轴C 轴的插补运动实现加工。(2)主轴上装夹直径100 mm 左右的盘形砂轮，

1 蓝宝石玻璃盖板加工方法分析

最新款式的手机触摸盖板材质从康宁玻璃升级为人造蓝宝石，其硬度仅次于金刚石达莫氏9 级［5］，加工难度加大。传统的加工方法是采用XY 轴联动插补模式进行加工。在主轴上装夹直径大约为10 mm 的陶瓷结合剂金刚石指形砂轮(砂轮棒)，转速高达18 000 r/min，沿着盖板玻璃的外边缘进行磨削，实现成形加工。在盖板材质升级为蓝宝石材质后，该方法加工存在效率低(单片工时超过30 min)，刀具损耗大(约3 ～5 片更换一个砂轮棒)的问题，大幅增加了制造成本。同时，因材质变化在应用小直径砂轮棒加工时，易造成加工转速6 000 r/min，砂轮切削线速度提高，加工效率提升显著(单片工时缩短至12 min)。(3)大幅提高砂轮盘寿命(平均砂轮盘可完成120 片)，降低了加工成本。(4)以客户需求为出发点，减小机床占地面积，降低设备制造成本，专机采用XC 联动加工形式，结构紧凑，利于大规模采购，集中安放及生产的要求。

2 蓝宝石盖板玻璃加工专机构成

2.1 专机的配置

本文设计的XC 联动盖板玻璃加工机床结构见图2。为了确保XC 联动加工的品质要求，机床X 轴采用日本安川SGMJV－08ADE6S 型电动机，电动机采用20位编码器，配合5 mm 螺距丝杠，1 mm 可对应209 715个脉冲信号，反馈精度高。旋转轴C 轴采用安川SGMCS－10C3C 型DD 电动机，该电动机为永磁同步直驱式，输出力矩平稳，无反向间隙影响，旋转角度1°对应2 912 个脉冲信号，角度定位准确，该配置确保XC联动执行机构的精度要求。数控系统采用企业自主研发的基于嵌入式Windows 的开放式数控系统，结合客户的生产工艺需求，对系统软件功能进行了定制开发，确保专机设备的系统控制需求得以实现。

2.2 XC 轴联动的结构

5 轴联动运动可分为摆头式和双转台式两种模式。设计的专机结构属于简化的转台式结构。即在双转台结构(如图3 所示)的基础上，省去了直线运动轴Y 轴和摆动轴A 轴，形成相对简化的XZC 轴机床，支持XC 轴联动功能。XC 联动方式在机构的优点是:(1)可减少机床必要的操作空间和占地面积;(2)减少制造难度和成本;(3)可使用较大直径盘形砂轮加工，提高磨削工作线速度。

3 XC 联动运动规划及速度处理

由图2 所示的机床构成和图1 工件轮廓可知，盖板玻璃加工采用XC 联动模式，该结构是在5 轴联动基础上，省去Y 轴和另一回转轴的运动模式。为了满足其加工工艺要求，保证工件加工效率与精度，首先基于完整的A － C 双转台形式构建机床的运动学模型(如图4 所示)，并通过模型简化设计，最终获得XC 轴的运动模型。文中还对XC 轴联动运动规划及速度处理进行研究和仿真，确保联动加工过程中的轮廓精度以及进给速度的平顺性。模型的参数(符号)及参数说明见表1。

A－C 双转台形式的机床结构中，设定A 轴为定轴，C 轴为动轴。在机床加工时，刀具坐标系和工件坐标系是重合的。即刀心点位于工件坐标系原点，齐次坐标为(0，0，0，1)T。刀轴矢量在工件坐标系中表示为(0，0，1，0)T。在初始状态下，工件坐标系和刀具坐标系是平行的。根据运动学理论，机床的运动链可描述为:机床坐标系经过定轴的旋转→再经过动轴的旋转→得到机床坐标系和工件坐标系的变换关系。反之，可得工件坐标系和刀具坐标系的关系［6－7］。

表1 运动学模型中参数说明

刀具坐标系在工件坐标系下的初始位置为已知，工件坐标系到刀具坐标系的变换矩阵为:

式中:Rp和Rs分别为定轴和动轴旋转矩阵。根据模型示意图4，按照上面的坐标转换流程，经过C 轴、A轴旋转和3 个平动轴的平移，刀具由初始位置运动到工件坐标系下的位置即刀心点(Qx，Qy，Qz)和刀轴矢量(i，j，k)。

变换矩阵计算如下:Twt =T(rx，ry，rz)R(z，－c)T(px，py，pz)R(x，－a)T(x，y，z)，从而可以得到两个坐标系下的相互关系:

这样在已知刀位文件的情况下，可以得到5 个轴的运动量。首先求得2 个旋转轴的旋转角度。

在解出a 和c 的情况下，x、y 和z 可得:

因为在2 个旋转轴不转动的情况下，要满足方程两边平衡。但x、y、z 不是平动轴的最终的运动量，所以有如下式子成立。

可以看出Tx，Ty，Tz才是平动轴的最终的平移量。Tx，Ty，Tz求解如下:

结合本项目试验的机床实际构成，将上述算式中的Y 轴，Z 轴，A 轴设定为零，就得到了简化的XC 轴联动运动模型，其轴坐标和工件坐标系下的坐标转换关系如下:

式中，x、c 为轴坐标;x'、y'为工件坐标系下的坐标。结合本文专机机床构成，基于嵌入式Windows 平台自主研发的数控系统中，加载工件刀路程序，利用系统所具有的Tuining 调试仿真器，对盖板玻璃加工轨迹，轴位移，轴速度分量，合成速度等进行运算及仿真处理，相应数据及曲线如图5 ～10 所示。

图5 是盖板玻璃在工件坐标系下的轨迹。基于XC 联动结构，X 轴采用负向行程移动方式，C 轴进行正向顺时针旋转方式，通过数控系统的XC 插补分解获得X 轴位移轨迹(如图6 所示)和C 轴位移轨迹(如图7 所示)。因为盖板玻璃为长方形规格，短边位移量对应图6 中6 ～9 s 刻度位置。

表2 传统XY 联动机床与XC 联动专床的几个指标的对比

数控系统在确保加工工件轮廓精度的前提下，通过速度规划算法和加减速控制算法，对各轴的速度进行运算处理，得到各轴的速度分量。图8 为X 轴分速度，由图示可知，X 轴0 速位置，即电动机反向点，对应盖板玻璃直边的中点位置，其加速度(速度曲线斜率)一致，避免反向振动及冲击出现，确保加工品质。图10 为C 轴分速度，速度曲线峰值同启动速度差值非常小(5 个纵坐标值)，使得DD 转台的速度变化量较小。XC 联动合成速度如图10 所示，速度波动较小，整机运行平稳。

4 加工效果及结果分析

本文对蓝宝石盖板玻璃外形进行磨边、倒角和抛光，听筒窗和Home 孔加工由其他工序完成，如图1 所示。为了确保加工的尺寸精度和玻璃边缘加工质量，采用UG 软件绘制盖板玻璃三维模型，出具高精度加工代码，作为数控系统加工时的刀路轨迹，确保工件的加工尺寸精度。

专机研制后，通过实验验证及客户的量产统计，该工艺的生产效率从传统XY 插补方式的35 min/件提高到12 min/件。砂轮寿命大幅提高，由每个指形砂轮加工3 ～4 片工件提高到每个指形砂轮加工120 片，减少换刀时间、降低刀具成本。此外，经多次加工试验与工艺参数的优化，解决了XY 联动传统的加工时，工件易出现的崩裂、崩边、楞痕或振纹等现象。量产后，良品率提高了近13%，单工序良品率达到95%以上的厂级标准。加工品质问题描写及说明如图11 所示。与传统XY 联动机床加工的对比见表2。

5 结语

(1)通过对五轴联动运动学模型的分析与推导，对XC 轴联动加工的运动的轨迹规划，合成速度和各轴分速度的处理等方面进行了详细的分析，为专机的研制提供了保证。

(2)研制的专机采用XC 联动使X 轴的行程得到大幅的减少，专机结构紧凑，减少必要的操作空间和占地面积。

(3)针对XC 轴联动专用机床设计的加工工艺，采用较大直径盘形砂轮加工，提高加工效率，降低加工成本，大幅提高良产率。

(4)设计的专用机床采用XC 联动实现磨边抛光工艺，满足了蓝宝石材质盖板玻璃加工的需求，在实际应用中取得了良好的效果。

［1］吕明，吕延.触摸屏的技术现状、发展趋势及市场前景［J］. 机床电器，2012 (3):4 －7.

［2］林麟. ITO Film 应用于投射式电容触控面板的趋势分析［J］. 现代显示，2011(10):22 －24.

［3］王承遇，陶瑛. 玻璃表面处理技术［M］. 北京:化学工业出版社，2004.

［4］韩俊昭. 玻璃成型加工控制系统关键技术研究［D］. 杭州:浙江理工大学，2013.

［5］赵之雯，牛新环，檀柏梅，等. 蓝宝石衬底材料CMP 抛光工艺研究［J］. 微纳电子技术，2006 (1):16 －19.

［6］何耀雄，徐起贺，周艳红.任意结构数控机床机构运动学建模与求解［J］.机械工程学报，2002，38(10):31 －36.

［7］何志伟，严隽薇，张浩.数控加工过程建模和仿真的研究与应用［J］.组合机床与自动化加工技术，2004(3):5 －7.