【終稿全套】全自動玻璃直線磨邊機設計-含總裝配圖【含10張CAD圖紙+文檔】

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在水中利用高密度飛秒激光對玻璃表面進行加工 署光學科學和技術工程學院，德島大學，2-1 Minamijosanjima-cho, Tokushima 770-8506, 日本 收到： 11月13日2006/accepted ： 2007年1月29日 在線出版： 29march 2007 ? ?施普林格出版社2007年 摘要 在水中，利用飛秒激光微米大小的顛簸，形成了對玻璃表面的加工。形成凹凸表面的較廣泛的脈沖輻射參數，包括輻射能源和作用位置。凹凸表面，展示了各種各樣的形態(tài)及大小，其形成主要受有關參數的影響。使用一種液體，即重水，它會被分項和空化氣泡形成后回收，使我們能夠利用高空間密度制造表面的凹凸，這是堅實的涂層利用燒蝕不可能實現的。顛簸理想的安排，在一個玻璃表面是捏造的調整處理的時間間隔較泡沫失蹤的時間長，所產生的作用點是在飛秒激光脈沖附近的水/玻璃界面。 PACS 42.62.Cf; 42.70.Ce; 52.38.Mf; 78.47.+p; 79.20.Ds 1、引言 飛秒激光器是功能強大的工具，為微和納米結構的透明材料，因為它們可以處理高空間分辨率所造成的多光子吸收，并減少熱損傷，由于超短期的互動時間之間的激光脈沖和材料，以及各種物理現象造成的由特高強度的激光脈沖[ 1月11日]。飛秒激光加工正日益應用到發(fā)展的三維立體光學和射流裝置[ 7 ， 8 ， 10月14日] 。作為透明材料形態(tài)的處理，是關系到熱效應汽化和溶解，由于熱擴散，互動與熱汽柱底部，和一個在激光脈沖低能量密度的區(qū)域，這是高度敏感的不只是該制造材料的物理性質，而且也對激光輻照參數，如波長，脈寬，脈沖能量，數值孔徑的聚焦光束，和作用的位置。特別是，當一個飛秒激光脈沖的作用點是近表面的透明材料，不同的作用位置，在表面形貌引起了相當大的差異。 利用飛秒激光脈沖進行典型的表面形貌的玻璃處理的重點是，更改一腔一撞時玻璃從外到內的焦點位置的變化。腔周圍是一環(huán)形凸出和分散的碎片。其規(guī)模大小，碎片的數量也緊密的依賴于集中作用場。在玻璃內一碰到一個直徑從幾百個納米到幾個微米的，是由熔融玻璃表面與熔融玻璃產生的碎片，就會形成一個微型爆炸[ 15-20 ] 。由于一定范圍的協調中心位置和輻射脈沖能量，表面熔化和內部的微爆炸發(fā)生的同時和顛簸形成的空間十分狹窄。顛簸通常在規(guī)模和結構上展示出較小的變化。 在先前的研究，我們發(fā)現，一種透明的涂料涂到玻璃表面使其形成較輕微的凸點更廣泛的協調中心的立場與沒有涂料涂層的玻璃相比，當涂層厚度是不夠大于長度的焦點貨量時，可以使玻璃減少玻璃碎片的數量 [ 19 ， 21 ] 。此外，我們發(fā)現，當涂層厚度是少于長度的焦點量時，即當涂層表面燒蝕是由一個單一的激光脈沖的作用在透明涂層和玻璃邊境之間時，顛簸造成了比使用了厚厚的涂料超過了一定的范圍 [ 20 ] 。從這些調查，我們相信，涂層材料在燒蝕的焦點量的數量，取決于對涂層厚度，同時影響了等離子體時所產生的燒蝕涂層屏蔽效應。因此，規(guī)模和結構所形成的凸點是可以改變的。透明涂層的方法具有劣勢的空間密度的顛簸是有限的幾個微米，因為消融的透明涂料。為了實現可控制的高密度的凹凸，在對透明涂料進行飛秒激光加工的時候，在有可能的情況下使用液體對透明材料進行加工，因為液體分項和氣泡的形成后可以 循環(huán)使用。在水中制作復雜的結構對硅表面的飛秒激光加工已被證明[ 22-24 ] 。 在本文中，我們描述了在水形成高密度微米大小的顛簸飛秒激光加工技術。在第一節(jié) ，我們描述了實驗裝置和程序。在第三節(jié)，我們描述了實驗結果。我們調查了影響輻照參數的因素，包括能源和焦點的位置，形態(tài)及顛簸的大小。我們證明了，通過調整處理的時間間隔較在水/玻璃界面附近所產生的飛秒激光脈沖的泡沫的失蹤的時間長[ 25-28 ]，我們可以制造出對玻璃表面形成高密度的顛簸理想的結構。在第四節(jié)，我們總結了我們的研究。 2 實驗裝置和程序 實驗裝置由一個擴增飛秒激光和光學顯微鏡構成，如圖1所示。安裝使用和我們過去的工作是一樣的[ 19 ， 20 ] 。擴增的飛秒激光脈沖的產生與峰值波長800納米， 1年期? 150財政司司長，最大重復率1千赫。照射脈沖能量E在該樣本控制中性密度過濾器，并給出了該產品的能源測量之前，引入激光脈沖到光學顯微鏡（奧林巴斯， ix70 ）和透射光學顯微鏡，其中包括一名40 ×物鏡（數值孔徑，鈉= 0.65 ） 。透射顯微鏡是0.69 。在加工區(qū)下觀察一個慣常的負責電荷耦合器件（ CCD ）與幀速率30幀/秒傳感器轉換的影象。激光脈沖的焦距 z被定義為顯微鏡的射線沿光軸移動的距離。零位置（ z = 0 ）被定義為，形成了玻璃表面照射激光脈沖與附近的燒蝕閾值的能源結構位置。 樣本的結構如圖1所示。該樣本準備他們的目標，玻璃，窗戶玻璃為sandwiching水，和兩個間隔眼鏡，厚度130 μ m的如下。其中在乙醇和純凈水中受到超聲波清洗影響的4普通顯微鏡封面紙（松波）已經準備。他們是目鏡， sandwiching水，物鏡，和兩個間隔130 μ m的鏡片。聚甲基丙烯酸甲酯（聚甲基丙烯酸甲酯）與甲苯溶劑被用來形式的墻壁上的窗口玻璃。 經過充分蒸發(fā)溶劑間隔器的鏡片被拆除，并且形成一個由聚甲基丙烯酸甲酯的墻壁上的玻璃組成的邊長10 -15毫米的空間。水從一個小腔體內下降并且被加工的玻璃被含有少量的聚甲基丙烯酸甲酯的一種膠水固定在腔體上。在這個實驗中，用氘氧化氮（重水，以下簡稱僅僅作為“水” ），因為它的低線性吸收周圍的波長800納米。金國處理后，被加工的玻璃在腔體處被切除，并且經過超聲波在純凈水和乙醇中的清洗。加工區(qū)的表面結構被原子力顯微鏡觀察（ AFM ;數碼文書，直徑3000 ）。 3、實驗結論 圖2顯示了在水中處理的一系列機構，Z從-4.0到12.0 μ m的時，能量E是2.1 μ j. 數字第2 A和B顯示的AFM圖象及其相應的輪廓，其垂直范圍是± 500 nm左右。圖表2C和D顯示了利用傳輸光學顯微鏡觀察加工領域上方的影象。圖2e顯示直徑和高度的顛簸，獲得了從原子力顯微鏡的觀察，和從一個側面觀察長度的空白。形成玻璃表面凹凸較廣泛的Z 的范圍是從-4.0到8.0 μ m。伴隨著z的增加，高度和直徑的顛簸也增加。當z為6.0 μ m的時候，形成最大高度400 nm和直徑為3.6 μ m的凸起。當Z為8.0 μ m的時候，形成一個高度為50 nm的凸起。當z大于8.0 μ m的空隙，在玻璃內的玻璃表面上沒有形成任何結構。 凹坑的直徑隨著Z的增加而增加。當 z是4至12 μ m時，形成的凹坑直徑幾乎相等。經過詳細的觀察，在側視圖中顯示的圖2D中，我們發(fā)現孔洞有不同的灰度級時， z是介乎于6.0和8.0 μ m的。暗色調的空隙下，高顛簸在z = 3.0 μ m的和Z = 6.0 μ m的灰度比那些空洞完全在玻璃內形成的要大。我們預期的孔洞高凸點比其它處有較低的密度，因為一個內部的微爆炸使玻璃材料從作用點處飛散，形成坑洞，致使密度降低。 這顛簸的形成和在我們先前研究的玻璃在一個透明的聚合物涂層處理后的現象是一樣的。凸點的形成規(guī)律是在從玻璃表面由一個屏蔽效應所產生的等離子體消融聚合物和物理阻斷聚合物提供的物質的排放量的基礎上。在目前研究的一點不同是，在水中玻璃加工凸起的形成Z 在一定的范圍內，如圖3所示 。輻射光束參數幾乎和我們以前的實驗一樣（顯示于圖3在[ 19 ] ） 。輻照能量為E = 0.69 μ j. 當加工玻璃的聚合物涂層，凸點的形成時z是- 1.0至4.0 μ m的范圍內[ 20 ]，而當處理在水中進行時，凸起形成時， z是在-4.0至7.0 μ m的范圍內。主要差異的原因是水的物理性阻擋是弱于聚合物涂層。這是下一段進一步證明的結果，幾微焦耳以上的高脈沖能量進行結構加工。 圖4顯示的是在原子力顯微鏡觀察的當z = 0時，進行結構加工時的各種能量e的圖像。當E為0.17至6.9 μ J時，凸起形成，其結構隨著能量E急劇變化.當能量e增加至4.1 μ j時，凸起的直徑和高度也隨著增加. 當能量E為4.1 μ J時，凸起的直徑為5.1 μ m，高度為1.57 μ m。隨著能量E的增加，凸起的直徑和高度隨之減小。當e < 2.1 μ J時，有凸起的周圍邊緣有小碎片。然而，當e ≥ 2.1 μ J時，碎片圍繞著邊緣分布，并且碎片的數目隨著能量E的增加而增加。碎片分布的區(qū)域在圖4中用實線畫的區(qū)域表示。在水進行加工比應用聚合物涂層進行加工產生更多的碎在水中片散落在凸起的周圍。這就進一步證明了，水比聚合物涂層具有較弱的物理阻塞。大部分的碎片在水中利用超聲波清洗是不會被清除的。因此，玻璃材料碎片分散在液體狀態(tài)在玻璃/水界面上，使玻璃表面得以鞏固。 圖5顯示凸起高密度地分布在一條直線。線性安排的凸起表示了在空間激光脈沖照射的間隔小于單一的凸起的直徑。在這種情況下，當空間間隔D是設定為2.0 μ m的條件下E為3.5 μ j和Z為6.0 μ m時，形成一個直徑為3.6 μ m和高度56 nm的單一的凸起。通過掃描顯微鏡進行加工是為了使一個單一的脈沖照射在每一個位置的重復率r為1 Hz 。凸起的線性安排形狀由D來控制，如圖6a和b。當D是0.8 μ m時，凸起平穩(wěn)地形成一條線。當D是5.0 μ m的時候， 也就是說 ，當D是不夠大于凸點直徑時，凸起就形成了孤立的山峰。 在形成高密度的凸起時，除了考慮E和D外，還要慎重選擇 Z和R。在 Z = 6.0 μm, E = 2.1 μJ, D = 0.5 μm和 R = 1Hz的照射條件下，能夠順利的形成一條直線凸起，如圖6c所示。直線凸起的直徑和高度分別為4.2 μm 和60 nm。當在Z = 3.0 μm, E = 2.1 μJ, D =0.5 μm,和R = 1Hz的照射條件下，就會形成許多峰值亞微米大小的凸起。這個形狀不規(guī)則的結構是由一個前激光脈沖形成的單一的凸起被下一個激光脈沖摧毀所形成的，因為當作用點在玻璃表面附近時，高密度的能量會使消融玻璃表面，形成凸起。 形成高密度的凸起時，選擇重復率R也很重要。圖6e和F中顯示了通過顯微鏡觀察在R = 2和5hz 時進行結構加工得到的不同影象。其他條件（ z = 6.0 μ m，E= 2.1 μ J和D= 0.5 μ m ）一樣的情況下，那些實驗結果如圖6C所示。這種差異不僅取決于R，而且與在水/玻璃界面等離子體產生的氣泡消失的時間密切相關。 圖7 A-D顯示當E = 4.8 μ j和Z = 0.0 μ m時，通過CCD圖像傳感器觀察到的在水/玻璃界面泡沫產生。當泡沫的大小少于?10 μ s時[ 28 ] ，它不能一個普通的CCD圖像傳感器捕捉到。在圖7 A – C上只顯示了收縮泡沫的影象。在圖 7D中，顯示了激光加工結構的循環(huán)模式，因為它暫時沒有改變。觀察到氣泡產生的時間定義為t = 0時刻。氣泡失蹤的時間Td定義為氣泡產生到氣泡消失的時間間隔。因為使用30幀/秒的CCD圖像傳感器，時間分辨率的測量是33ms。圖7e中顯示了脈沖能量e引起的氣泡消失的時間Td的關系。我們知道氣泡主要由氣態(tài)氫，氧，和水汽組成。激光在氣泡內照射相當于激光照射的時候沒有水，而是在在空氣中直接照射。因此，當輻射的時間間隔小于氣泡消失的時間，抑制從玻璃表面排放的物質的物理屏蔽效應變?yōu)楹鼙∪?，第一個激光脈沖產生的凸起被第二激光脈沖摧毀，從而形成一個不規(guī)則結構。如圖6F所示，不規(guī)則的結構下形成的重復率5hz ，因為當E為2.1 μj時，Td小于 250ms。 4、結論 我們已證明了在水中用飛秒激光對玻璃表面加工凸起的形成。我們研究了輻射能量和飛秒激光脈沖的焦點對凸起形狀的影響。高密度的凸起的形成原因是照射激光脈沖到作用點之間的時間間隔小于一個單一凸起的直徑。形成良好的形式、高密度的凸起，選擇適當的參數是很重要的，包括加工時間間隔，照射能量，作用位置，以及空間的間隔。合理的安排高空間密度的凸起要求對玻璃表面進行加工處理的時間間隔比由飛秒激光脈沖水/玻璃界面加工時產生的氣泡消失的時間間隔更重要。 鳴謝 這項工作得到了創(chuàng)業(yè)企業(yè)孵化器實驗室，德島大學，旭硝子財團，村田科學基金會，科學和技術孵化計劃，日本科學技術廳先進科技的科技支持和贈款援助，和由教育部，文化，體育，科學和技術的科研所（B） ＃ 16360035的大力支持。 參考文獻 1 D. Du, X. Liu, G. Korn, J. Squier, G.Mourou, Appl. Phys. Lett. 64, 3071 (1994) 2 H. Kumagai, K. Midorikawa, K. Toyoda, S. Nakamura, T. Okamoto, M. Obara, Appl. Phys. Lett. 65, 1850 (1994) 3 B.C. Stuart, M.D. Feit, A.M. Rubenchik, B.W. Shore, M.D. Perry, Phys. Rev. Lett. 74, 2248 (1995) 4 D. von der Linde, H. Schüler, J. Opt. Soc. Am. B 13, 216 (1996) 5 H. Varel, D. Ashkenasi, A. Rosenfeld, R. Herrmann, F. Noack, E.E.B. Campbell, Appl. Phys. A 62, 293 (1996) 6 K.M. Davis, K. Miura, N. Sugimoto, K. Hirao, Opt. Lett. 21, 1729 (1996) 7 E.N. Glezer, M. Milosavljevic, L. Huang. R.J. Finlay, T.-H. Her, J.P. Callan, E. Mazur, Opt. Lett. 21, 2023 (1996) 8 E.N. Glezer, E. Mazur, Appl. Phys. Lett. 71, 882 (1997) 9 K. Miura, J. Qiu, H. Inouye, T. Mitsuyu, K. Hirao, Appl. Phys. Lett. 71, 3329 (1997) 10 Y. Kondo, T. Suzuki, H. Inouye, K. Miura, T. Mitsuyu, K. Hirao, Japan. J. Appl. Phys. 37, L94 (1998) 11 M. Watanabe, H. Sun, S. Juodkazis, T. Takahashi, S. Matsuo, Y. Suzuki, J. Nishii, H. Misawa, Japan. J. Appl. Phys. 37, L1527 (1998) 12 H.-B. Sun, Y. Xu, S. Matsuo, H. Misawa, Opt. Rev. 6, 396 (1999) 13 K. Yamada, W. Watanabe, Y. Li, K. Itoh, J. Nishii, Opt. Lett. 29, 1846 (2004) 14 K. Sugioka, Y. Cheng, K. Midorikawa, Appl. Phys. A 81, 1 (2005) 15 Z. Wu, H. Jiang, Z. Zhang, Q. Sun, H. Yang, Q. Gong, Opt. Express 10, 1244 (2002) 16 F. Korte, J. Serbin, J. Koch, A. Egbert, C. Fallnich, A. Ostendorf, B.N. Chichkov, Appl. Phys. A 77, 229 (2003) 17 E. Vanagas, I. Kudryashov, D. Tuzhilin. S. Juodkazis, S. Matsuo, H. Mi- sawa, Appl. Phys. Lett. 82, 2901 (2003) 18 Y. Hayasaki, H. Takagi, A. Takita, H. Yamamoto, N. Nishida, H. Mi- sawa, Japan. J. Appl. Phys. 43, 8089 (2004) 19 D. Kawamura, A. Takita, Y. Hayasaki, N. Nishida, Appl. Phys. A 82, 523 (2006) 20 D. Kawamura, A. Takita, Y. Hayasaki, N. Nishida, Appl. Phys. A 85,39 (2006) 21 Z.L. Li, T.T. Lin, P.M. Moran, Appl. Phys. A 81, 753 (2005) 22 K. Katayama, H. Yonekubo, T. Sawada, Appl. Phys. Lett. 82, 4244 (2003) 23 M.Y. Shen, C.H. Crouch, J.E. Carey, E. Mazur, Appl. Phys. Lett. 85, 5694 (2004) 24 H. Yonekubo, K. Katayama, T. Sawada, Appl. Phys. A 81, 843 (2005) 25 E.N. Glezer, C.B. Schaffer, N. Nishimura, E. Mazur, Opt. Lett. 22, 1817 (1997) 26 A. Vogel, J. Noack, K. Nahen, D. Theisen, S. Busch, U. Parlitz, D.X. Hammer, G.D. Noojin, B.A. Rockwell, R. Birngruber, Appl. Phys. B 68, 271 (1999) 27 E. Abraham, K. Minoshima, H. Matsumoto, Opt. Commun. 176, 441 (2000) 28 C.B. Schaffer, N. Nishimura, E.N. Glezer, A.M.-T. Kim, E. Mazur, Opt. Express 10, 196 (2002) 圖1實驗裝置和結構的范例。加工時間隔器的眼鏡被拆除。 圖2 （a）在原子力顯微鏡觀察下加工區(qū)域的圖像及（b）輪廓。輻射能量為2.1 μ j時，垂直范圍是± 500 nm左右。 （c）頂端和（d）光學顯微鏡觀察的那一面。 （e）與焦點位置相對應的凸起的直徑和高度，與玻璃間隔之間的長度。 圖3 當E=0.69 μ j時，凸起直徑和高度隨焦點的改變的變化。 圖4通過原子力顯微鏡觀察到的圖像，當（a）E = 0.69 μ J， （b）E= 2.8 μ J，（c）E= 4.1 μ J，（d）E= 4.8 μ J，（e）E = 5.5 μ J和（f）E = 6.9 μ j時。 （g）凸起的直徑和高度和碎片直徑隨照射能量的變化。 圖5當E = 3.5 μ J，z = 6.0 μ m， R = 1Hz，和D = 2.0 μ m時通過原子力顯微鏡觀察線性凸起。（a）及（b）是線性分布的凸起的基本結構。垂直方向的高度為± 250 nm和其橫向長度為60 μ m。 圖6各種條件下的表面結構。在相同的輻射能量為E = 2.1 μj的情況下。 （a）及（ b ） ， z = 6.0 μ m和R = 1hz，脈沖輻射的空間間隔分別為（a） D= 0.8 μ m和（ b ） D= 5.0 μ m。 （c）和（d）， R = 1 Hz和D = 0.5 μ m，焦點分別為（c） z= 6.0 μm（d） z= 3.0 μ m。在（e）和（f）中 ， z = 6.0 μ m和D = 0.5 μ m，重復率分別為（e）R= 2 Hz和（f）R= 5 Hz。原子力顯微鏡圖像8 × 8 平方微米。 圖7通過CCD圖像傳感器觀察氣泡水/玻璃界面的產生，當時間間隔（a）t= 2 / 30 ， （b） 8 / 30 ， （c） 12/30日，和（d） 13 /30 （e）氣泡消失時的脈沖能量。 三次測量的脈沖能量都用圓點表示。 學 院 機械工程學院 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 設計（論文）題目 玻璃磨邊機的設計 內容及要求： （1）了解國內現有該產品的情況及設計該課題的現實意義 （2）對現有玻璃磨邊機參觀，研究及其分析。 （3）對現有玻璃磨邊機的傳動機構改進設計分析其不足。 （4）擬訂改進設計方案。 （5）完成關鍵結構的設計文件，包括裝配工程圖和零件圖。 （6）完成畢業(yè)論文。 技術參數： 送料速度 0.5～4m/min 加工厚度 3～25mm 設計內容： 裝配圖 2張 設計說明書 1份 零件圖 3張 翻譯資料 1份 進度安排： 1～3周： （1）查找相關的資料，完成開題報告。 （2）熟練使用計算機輔助繪圖軟件。 4～8周： （1）完成玻璃磨邊機的傳動機構的設計。 9～12周： （1）對傳動機構的改進，最終完成設計。 （2）完成玻璃磨邊機傳動機構的裝配工程圖和零件圖。 （3）編寫畢業(yè)論文。 13～15周： （1）上繳畢業(yè)論文給導師，并完成相關的修改。 （2）打印論文和圖紙做好答辯的準備工作。 指導教師（簽字）： 年 月 日 學院院長（簽字）： 年 月 日 畢業(yè)設計（論文）任務書 1． 選擇蝸桿傳動類型 根據GB/T10085—1988的推薦，采用漸開線蝸桿（ZI）。 2、選擇材料 根據 3、按齒面接觸疲勞強度進行設計 根據閉式蝸桿傳動的設計準則，先按齒面接觸疲勞強度進行設計，再校核齒根彎曲疲勞強度。傳動中心距 1）、確定作用在蝸輪上的轉矩 按=2，估取效率=0.8，則 2）、確定載荷系數K 因工作載荷較穩(wěn)定，故取載荷分布不均勻系數=1；由表選取使用系數=1.15；由于轉速不高，沖擊不大，可取動載系數=1.05；則 K==1.15=1.21 3）確定彈性影響系數 因選用的是鑄錫磷青銅蝸輪和鋼蝸桿相配，故=160。 4）確定接觸系數 先假設蝸桿分度圓直徑和傳動的中心距a的比值=0.35，從圖中可查到=2.9 5）確定許用接觸應力[] 根據蝸輪材料為鑄錫磷青銅ZCuSn10Pl，金屬模鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度 >45HRC，可從表中查得蝸輪的基本許用應力=268MPa。 應力循環(huán)次數 壽命系數 則 6）計算中心距 取中心距200mm，因i=20，故查表取模數m=8mm，蝸桿分度圓直徑=80mm。這時=0.4，從圖中查得接觸系數=2.74，因為< ，因此以上結果可用。 4、蝸桿和蝸輪的主要參數和幾何尺寸 1）、蝸桿 軸向齒距==25.133mm，直徑系數=10，齒頂圓直徑=96mm；齒根圓直徑mm；分度圓導程角；蝸桿的軸向齒厚12.5664mm。 2）、蝸輪 蝸輪齒數=41；變位系數=-0.5； 驗算傳動比，這時傳動比誤差為=0.025=2.5%，是允許的。 蝸輪分度圓直徑 蝸輪喉圓直徑 蝸輪齒根圓直徑 蝸輪咽喉母圓半徑 5、校核齒根彎曲疲勞強度 當量齒數 根據，從圖中可查到齒形系數 螺旋角系數 許用彎曲應力 從表中查得由ZCuSn10Pl制造的蝸輪的基本許用彎曲應力。 壽命系數 彎曲強度是滿足的。 6、精度等級公差和表面粗糙度的確定 考慮到所設計的蝸桿傳動是動力傳動，屬于通用機械減速器，從GB/T 10089—1988圓柱蝸桿、蝸輪精度等級中選擇8級精度，側隙種類為f，標注為8f GB/T 10089—1988。然后查得要求的公差項目及表面粗糙度。 摘要 摘要 玻璃磨邊機是玻璃深加工必須的專用設備，其作用是根據需要將玻璃邊部磨 削成特定的形狀。本文論述了基于S7-226PLC實現的玻璃磨邊機設計。文章首先 介紹了玻璃磨邊機的現狀及其在設計中要實現的磨削花型。其磨削花型分別是: 磨直線斜邊、磨靠邊基本波浪邊、磨直線波浪邊、磨雙直線波浪邊、磨樹葉型波 浪邊、磨直線樹葉波浪邊。隨后介紹了玻璃磨邊機控制系統的設計情況。其硬件 設計采用S7-226PLC作為控制核心，加上相應的接口電路、通訊裝置和智能化軟 件設計，由其高速計數裝置并通過旋轉編碼器檢測電機轉速，通過PLC輸出控制 磨輪進給電機和磨輪旋轉電機進而控制磨削不同花型:PLC的程序完成了各種開 關量信號的采集，磨輪旋轉角度和磨輪進給參數的采集，磨輪旋轉角度和磨輪進 給參數的計算、輸出控制等功能，文章對其進行了分析。作者選用了PWS1711人 機界面對玻璃磨邊機進行實時監(jiān)視和參數設置，文章介紹了玻璃磨邊機人機界面 軟件設計，包括主畫面、磨直線斜邊子畫面、參數設置畫面、控制畫面、手動調 整畫面、調試畫面等。為進一步提高磨削精度，作者將原方案中控制磨輪進給的 普通電機改由伺服電機來完成，文章最后對其控制思想進行了討論，并給出了基 于PLC實現的模糊PID程序設計。 關鍵詞:PLC;玻璃磨邊機;人機界面:PID;磨輪 緒論 1緒論 1.，課題來源及意義 上世紀80年代隨著交通、建筑和旅游業(yè)的迅速發(fā)展，對深加工玻璃的需求越 來越多，使玻璃深加工行業(yè)得到了較快的發(fā)展，玻璃深加工的產量上升較快。大批 浮法玻璃生產線的建成投產，給玻璃深加工提供了優(yōu)質玻璃原片:建筑業(yè)、交通業(yè) 發(fā)展的加快和檔次的提高，為深加工玻璃的應用開辟了廣闊的市場;但是，由于玻 璃加工機械水平的影響，大部分玻璃深加工企業(yè)的生產能力并沒有充分發(fā)揮出來。 由于世界主要玻璃生產企業(yè)對平板玻璃以及其它品種的玻璃都在尋求新的利潤增 長點，產品創(chuàng)新、新工藝探索、降低成本、產生高附加值等己成為各大玻璃廠商 發(fā)展的目標。因此目前世界上5096-60%的平板玻璃原片均進行深加工后再上市， 浮法玻璃原片己不再風光，而是向功能型、實用型、裝飾型、安全型、環(huán)保型五 大方向的深加工玻璃發(fā)展，這是21世紀平板玻璃創(chuàng)新產品不容爭議的目標。近年 來，我國玻璃深加工企業(yè)發(fā)展很快，數量不斷增加，規(guī)模越來越大，玻璃磨邊機 作為玻璃深加工企業(yè)必須的專用設備，其市場需求也將越來越多。然而到目前為 止，國內玻璃磨邊設備還不很成熟，大多只適合單件加工，而不能應用于批量生 產線。大型玻璃深加工企業(yè)必須采用自動化程度高的智能玻璃磨邊機。 由于現階段國產玻璃磨邊機自動化程度較低，難以滿足玻璃深加工行業(yè)快速 發(fā)展的要求，因此安徽理工大學與方圓玻璃機械廠合作進行智能玻璃磨邊機研制。 1.2玻玻磨邊機的主要種類及特點 目前國內玻璃深加工企業(yè)使用較多的幾種玻璃磨邊機如下〔23 [4] [10] (l)單臂異形磨邊機(簡稱異形機或單臂機) 異形機的最大特點是用途廣泛，異形機既可以磨直邊，也可磨圓邊、鴨嘴邊， 還可磨斜邊;既可以磨圓形工件，也可磨橢圓及異形工件。在獨立吸盤上裝上靠 模，用異形機可以磨一些形狀不規(guī)則的工件。 (2)直線磨邊機 直線磨邊機的特點有三個:一是用途比較單一，只能磨各類直線邊;二是可 連續(xù)性磨削，生產效率較高:三是可磨削尺寸較大的平板玻璃。 直線磨邊機是各類磨邊機中品種、規(guī)格最多的磨邊機，按能磨削的直線邊的 不同，它又可分為如下三種: 1)直線磨邊機(簡稱直邊機) 直邊機只能磨削玻璃的平底邊及兩棱角，按磨頭數分，有三、五、八、九、 十、十三、十四磨頭等數種機型。一般來說，磨頭數越多，則磨削精度和生產效 率越高，相應地機器的價格也越高。而電腦控制的直邊機(一般磨頭數都在十或 十以上)價格更高。 近些年來，國內市場上又出現一種既可磨平底邊，又可磨45度底邊的兩用直 邊機，用量也比較多。另外還有可磨一組或兩組互成角度底邊的磨邊機，叫多級 磨邊機。這種機型磨頭較多，一般為計算機控制。 2)直線圓(簡稱圓邊機) 圓邊機可以磨削玻璃的圓邊、鴨嘴邊等，在家具、玻璃的加工中用的較多。 圓邊機也有三、五、六、七、八、九磨頭等數種機型。 3)直線斜邊機(簡稱斜邊機) 斜邊機一般用于磨削玻璃3-20度的斜邊?，F在，有的斜邊機也可磨削45 度的斜邊。斜邊機按磨頭數分，也有七、八、九、十、十一、十四磨頭等機型。 近些年來又出現一種能在玻璃斜邊上磨出各種波浪花紋的斜邊機，叫波浪斜邊機。 (3)靠模磨邊機(簡稱靠模機仿形機) 靠模機利用模板準確定位，可精確磨削圓形或異形玻璃的直邊、圓邊、鴨嘴 邊、斜邊等，這種磨邊機磨出的玻璃形狀準確，尺寸統一，生產效率較高。 使用靠模磨邊機需要制作專門的模板，當生產品種較多時，不但制作模板費 用較高，而且管理、更換模板也較麻煩，因此這種機型適用于生產品種不多，但 生產批量很大的玻璃加工。 (4)內圓磨邊機(簡稱內圓機) 內圓機的特點是結構簡單，價格低廉，但用途比較單一，主要適于加工圓周 邊(可以是正圓，也可是橢圓或異形圓)?，F國內有些廠生產的內圓機，擺臂較長， 使磨頭的擺動范圍加大。這種機型不但可磨內圓，也可兼磨外圓，又稱為內外圓 磨邊機。 (5)直線雙邊磨邊機(簡稱雙邊磨機) 雙邊磨機的特點是可同時磨削玻璃的兩條對邊，加工精度好，生產效率高， 適用于大批量的玻璃磨邊生產。 雙邊磨機按使用性能分有雙直邊磨邊機和雙圓邊磨邊機兩種，其中雙直邊磨 邊機用的較多。 雙邊磨機按磨削玻璃寬度的不同可分為中小型和大型兩種。最大磨削寬度在 兩米以下的稱為中、小型雙邊磨機，磨頭配置有四、六、八、十二磨頭等。最大 磨削寬度在兩米及兩米以上的稱為大型雙邊磨機，磨頭配置有十六、二十、二十 二磨頭等。大型雙邊磨機一般為電腦控制，自動化程度較高，適于磨削大尺寸平 板玻璃，但是，這種設備的價格比較昂貴。 (6)其他磨邊機及專用磨邊機 除以上介紹的磨邊機以外，還有一些結構簡單、用途單一的磨邊機，如倒角 機、小圓片機、拋光機等。另外還有一些專門加工某種產品的專用磨邊機，如汽 車后視鏡磨邊機、洗手盆磨邊機等。 1.3國內外發(fā)展與應用情況 目前玻璃磨邊機設備不少是進口的，進口磨邊機主要來自意大利生產，另外 還有來自韓國、美國、臺灣等地的磨邊機用的也較多〔日。進口機的質量、精度、 生產效率和使用壽命都要比國內機好，但進口機價格昂貴，一般為國內同類機價 格的3-10倍。玻璃磨邊機目前仍以進口設備為主，雖然國外這方面的技術和設備 都很成熟，在國際市場上也應用廣泛，但完全依賴進口設備的缺點也是明顯的， 首先進口設備價格昂貴，需花費大量的外匯;其次它的定貨周期、購買備品備件的 周期長，對正常生產造成一定的影響，特別是設備的控制軟件部分，由于保密性 強而無從深入了解，功能擴展性差，一旦出現問題就必須等國外的專家來維護和 調試，對正常生產有很大的影響，故研制和開發(fā)國產的智能玻璃磨邊機的重要性 是顯而易見的，不僅能夠提高玻璃加工技術水平和市場競爭力，而且隨著玻璃深 加工行業(yè)的迅猛發(fā)展，該設備的應用前景也是很廣闊的。 1.4本文的主要工作 玻璃磨邊機的作用是根據需要將玻璃邊部磨削成特定的形狀。其機械結構主 要由磨削進給系統和加工工作臺兩部分構成。加工工作臺上放置被加工的玻璃， 玻璃靠普通交流電機驅動在加工工作臺上移動，磨削砂輪的轉動也由普通交流電 機驅動.，磨削進給系統也采用普通交流電機驅動，用以控制磨削砂輪的運動軌跡， 以便將玻璃邊部磨削成不同的形狀。這也是應方圓玻璃機械有限公司的要求而設 計的方案，本文第3章與第5章對其進行了詳細介紹。為了進一步提高磨削精 度， 作者對上述方案進行了改進，將普通電機的工作改由伺服電機完成，本文第6章 給予了分析。本文主要工作包括: 玻璃磨邊機的總體設計 玻璃磨邊機的電氣控制部分硬件設計 可編程控制器的選型、模塊設計 旋轉編碼器及高速計數器分析 人機界面選型、設計 PLC與人機界面的程序設計 基于PLC的模糊PID設計等。 1.5本章小結 本章對課題的來源和意義、玻璃磨邊機的結構組成、玻璃磨邊機的主要種類 及特點、目前國內外應用情況、玻璃磨邊機的主要參數以及本文的主要工作等做 了簡要介紹。 本科畢業(yè)設計開題報告 課題名稱 玻璃磨邊機 一、課題來源及意義 上世紀80年代隨著交通、建筑和旅游業(yè)的迅速發(fā)展，對深加工玻璃的需求越來越多，使玻璃深加工行業(yè)得到了較快的發(fā)展，玻璃深加工的產量上升較快。大批浮法玻璃生產線的建成投產，給玻璃深加工提供了優(yōu)質玻璃原片:建筑業(yè)、交通業(yè)發(fā)展的加快和檔次的提高，為深加工玻璃的應用開辟了廣闊的市場;但是，由于玻璃加工機械水平的影響，大部分玻璃深加工企業(yè)的生產能力并沒有充分發(fā)揮出來。由于世界主要玻璃生產企業(yè)對平板玻璃以及其它品種的玻璃都在尋求新的利潤增長點，產品創(chuàng)新、新工藝探索、降低成本、產生高附加值等己成為各大玻璃廠商發(fā)展的目標。因此目前世界上50%-60%的平板玻璃原片均進行深加工后再上市，浮法玻璃原片己不再風光，而是向功能型、實用型、裝飾型、安全型、環(huán)保型五大方向的深加工玻璃發(fā)展，這是21世紀平板玻璃創(chuàng)新產品不容爭議的目標。近年來，在很多行業(yè)，特別是在建筑行業(yè)，對玻璃的需求增長很快同時對玻璃的加工質量和加工效率也有了很高的要求，傳統意義上的砂布磨邊己滿足不了生產工藝和建筑市場的要求，生產效率低，生產成本高。隨著工業(yè)的高速發(fā)展，我國玻璃深加工企業(yè)發(fā)展很快，數量不斷增加，規(guī)模越來越大，玻璃磨邊機作為玻璃深加工企業(yè)必須的專用設備，其市場需求也將越來越多。玻璃直線磨邊機可以通過粗磨、精磨、粗拋光、細拋光等工序一次可同時磨削平板玻璃的邊，該機用于磨削各種規(guī)格的平板玻璃。磨削玻璃的直線平底邊、垂直邊倒角及拋光可一次完成。產品完全能夠滿足生產節(jié)能、安全、環(huán)保玻璃的前處理要求和建筑市場對玻璃的要求，改善了傳統的玻璃磨邊方式，降低生產成本，提高加工精度和提高生產效率。 二、玻玻磨邊機的主要種類及特點 目前國內玻璃深加工企業(yè)使用較多的幾種玻璃磨邊機如下 1、單臂異形磨邊機(簡稱異形機或單臂機) 異形機的最大特點是用途廣泛，異形機既可以磨直邊，也可磨圓邊、鴨嘴邊，還可磨斜邊;既可以磨圓形工件，也可磨橢圓及異形工件。在獨立吸盤上裝上靠模，用異形機可以磨一些形狀不規(guī)則的工件。 2、直線磨邊機 直線磨邊機的特點有三個:一是用途比較單一，只能磨各類直線邊;二是可連續(xù)性磨削，生產效率較高:三是可磨削尺寸較大的平板玻璃。直線磨邊機是各類磨邊機中品種、規(guī)格最多的磨邊機，按能磨削的直線邊的不同，它又可分為如下三種: 1）直線磨邊機(簡稱直邊機) 直邊機只能磨削玻璃的平底邊及兩棱角，按磨頭數分，有三、五、八、九、十、十三、十四磨頭等數種機型。一般來說，磨頭數越多，則磨削精度和生產效率越高，相應地機器的價格也越高。而電腦控制的直邊機(一般磨頭數都在十或十以上)價格更高。 近些年來，國內市場上又出現一種既可磨平底邊，又可磨45度底邊的兩用直邊機，用量也比較多。另外還有可磨一組或兩組互成角度底邊的磨邊機，叫多級磨邊機。這種機型磨頭較多，一般為計算機控制。 2）直線圓(簡稱圓邊機) 圓邊機可以磨削玻璃的圓邊、鴨嘴邊等，在家具、玻璃的加工中用的較多。圓邊機也有三、五、六、七、八、九磨頭等數種機型。 3）直線斜邊機(簡稱斜邊機) 斜邊機一般用于磨削玻璃3-20度的斜邊?，F在，有的斜邊機也可磨削45度的斜邊。斜邊機按磨頭數分，也有七、八、九、十、十一、十四磨頭等機型。近些年來又出現一種能在玻璃斜邊上磨出各種波浪花紋的斜邊機，叫波浪斜邊機。 3、靠模磨邊機(簡稱靠模機仿形機) 靠模機利用模板準確定位，可精確磨削圓形或異形玻璃的直邊、圓邊、鴨嘴邊、斜邊等，這種磨邊機磨出的玻璃形狀準確，尺寸統一，生產效率較高。使用靠模磨邊機需要制作專門的模板，當生產品種較多時，不但制作模板費用較高，而且管理、更換模板也較麻煩，因此這種機型適用于生產品種不多，但生產批量很大的玻璃加工。 4、內圓磨邊機(簡稱內圓機) 內圓機的特點是結構簡單，價格低廉，但用途比較單一，主要適于加工圓周邊(可以是正圓，也可是橢圓或異形圓)。現國內有些廠生產的內圓機，擺臂較長，使磨頭的擺動范圍加大。這種機型不但可磨內圓，也可兼磨外圓，又稱為內外圓磨邊機。 5、直線雙邊磨邊機(簡稱雙邊磨機) 雙邊磨機的特點是可同時磨削玻璃的兩條對邊，加工精度好，生產效率高適用于大批量的玻璃磨邊生產。雙邊磨機按使用性能分有雙直邊磨邊機和雙圓邊磨邊機兩種，其中雙直邊磨邊機用的較多。雙邊磨機按磨削玻璃寬度的不同可分為中小型和大型兩種。最大磨削寬度在兩米以下的稱為中、小型雙邊磨機，磨頭配置有四、六、八、十二磨頭等。最大磨削寬度在兩米及兩米以上的稱為大型雙邊磨機，磨頭配置有十六、二十、二十二磨頭等。大型雙邊磨機一般為電腦控制，自動化程度較高，適于磨削大尺寸平板玻璃，但是，這種設備的價格比較昂貴。 6、其他磨邊機及專用磨邊機 除以上介紹的磨邊機以外，還有一些結構簡單、用途單一的磨邊機，如倒角機、小圓片機、拋光機等。另外還有一些專門加工某種產品的專用磨邊機，如汽車后視鏡磨邊機、洗手盆磨邊機等。 三、國內外發(fā)展與應用情況 自20世紀90年代以來，由于材料科學的重大創(chuàng)新和突破，人們利用納米材料技術、表面處理技術和復合雜化技術等高新技術開發(fā)出了各種環(huán)保節(jié)能型、環(huán)保型、智能型等新型深加工玻璃，賦予了玻璃新的機械、電氣、光學、化學等功能，增加了玻璃的使用效果，改善了人類的工作與生活環(huán)境。雖然我國深加工玻璃的生產技術在某些領域接近或達到國外先進國家水平，但是，深加工玻璃的整體生產技術與國外相比有很大差距，尚未形成規(guī)模的專業(yè)產品研究與生產線，某些產品的產業(yè)化仍是空白。 玻璃磨邊機設備國外在上世紀九十年代末期發(fā)展起來，目前比利時、意大利生產的磨邊機加工精度較高、生產效率高、操作方便，設備技術成熟，運行穩(wěn)定，可靠;我國已引進一些進口設備，每臺設備在80-90萬元以上，設備價格比較昂貴。我國從2001年以后才開始發(fā)展該項技術設備，目前存在的主要是玻璃的對角線誤差、玻璃加工尺寸精度問題.從調研情況來看磨邊機設備目前仍以進口設備為主，國產機上處于研制開發(fā)階段，其性能與進口設備相比仍有較大差距。隨著我國數控技術的發(fā)展，數控機床的應用，相信我們的設備完全可以替代進口設備，開發(fā)出能夠滿足國內建筑市場需求的設備。玻璃磨邊機這項技術國外在上世紀九十年代末期發(fā)展起來;但設備價格比較昂貴。而國產機尚處于起步階段.目前玻璃磨邊機設備不少是進口的，進口磨邊機主要來自意大利生產，另外還有來自韓國、美國、臺灣等地的磨邊機用的也較多。進口機的質量、精度、生產效率和使用壽命都要比國內機好，但進口機價格昂貴，一般為國內同類機價格的3-10倍。玻璃磨邊機目前仍以進口設備為主，雖然國外這方面的技術和設備都很成熟，在國際市場上也應用廣泛，但完全依賴進口設備的缺點也是明顯的，首先進口設備價格昂貴，需花費大量的外匯;其次它的定貨周期、購買備品備件的周期長，對正常生產造成一定的影響，特別是設備的控制軟件部分，由于保密性強而無從深入了解，功能擴展性差，一旦出現問題就必須等國外的專家來維護和調試，對正常生產有很大的影響，故研制和開發(fā)國產的智能玻璃磨邊機的重要性是顯而易見的，不僅能夠提高玻璃加工技術水平和市場競爭力，而且隨著玻璃深加工行業(yè)的迅猛發(fā)展，該設備的應用前景也是很廣闊的。 四、研究方案 玻璃磨邊機的作用是根據需要將玻璃邊部磨削成特定的形狀。其機械結構主要由磨削進給系統和加工工作臺兩部分構成。加工工作臺上放置被加工的玻璃，玻璃靠普通交流電機驅動在加工工作臺上移動，磨削砂輪的轉動也由普通交流電機驅動.，磨削進給系統也采用普通交流電機驅動，用以控制磨削砂輪的運動軌跡，以便將玻璃邊部磨削成不同的形狀。為了進一步提高磨削精度，將普通電機的工作改由伺服電機完成，解決加工玻璃厚度變化時，其夾持機構的調整問題，保證玻璃直線運行，不跑偏；完成對直邊的粗磨、半精磨、精磨;粗拋、半精拋、精拋、倒角精磨、拋光等工序一次完成。利用PLC通訊，使其運行狀態(tài)及各種故障報警顯示；系統具有自我診斷、報警功能，維護方便。 五、工作計劃 1-2周 調研，查資料，匯總資料 第2 周 計算總體尺寸 計算出總體尺寸，寫開題報告 3-4周 畫總裝圖 5-8周 畫零件圖 9-1周 撰寫論文 12 周 論文答辯 六、參考文獻 [1] 鞏云鵬，田萬祿主編 《機械設計課程設計》 東北大學出版社 [2] 張玉，劉平 《幾何量公差與測量技術》 東北大學出版1999 [3] 盧秉恒主編 《機械制造技術基礎》 機械工業(yè)出版社 [4] 王國良，楊晶編著 《信息資源檢索與利用》 兵器工業(yè)出版社 [5] 熊詩波，黃長藝主編 《機械工程測試技術基礎》機械工業(yè)出版社 [6] 濮良貴，紀名剛主編 《機械設計》 高等教育出版社 [7] 教育部組編 《畫法幾何及機械制圖》高等教育出版社， [8] 東北大學《機械零件設計手冊》編寫組 《機械零件設計手冊》（第三版）冶金工業(yè)出版社 3