（机械制造及其自动化专业论文）数控喷涂机的设计与研究.pdf

数控喷涂机的设计与研究 摘要 目前对于大屏幕平面直角显示屏，a d 喷涂所面临的技术难题是石 墨液体和巴利亚液体涂层的均匀程度以及喷涂时噪音的降低。现有的 a d 喷涂方法主要有半自动化和全自动两种手段，由于喷枪的运动轨 迹与大屏幕的平面直角不配套，因此不能解决涂层均匀问题，对于 4 7 c m ( 2 1 时) ，5 6 c m ( 2 5 时) 彩色显像管勉强可以维持生产需要，而对 于7 4 c m ( 2 9 时) 等大的显示屏就难以满足要求。另外，这种喷涂机的 凸轮结构传动方式造成工作噪音高，使工作条件恶化，维护困难，维 修率高。因此，开发新一代数控喷涂机对于提高喷涂质量，改善工作 环境，适应大屏幕彩管市场具有重要意义。 通过对显示屏内表面a d 喷涂1 ：艺进行试验分析研究后，确定了数 控喷涂机的设计方案，完成了数控喷涂机的结构及其控制系统的设 计。该机采用x 、z 方向两坐标轴的直线插补实现喷枪在显示屏内表 面的运动，从而完成a d 喷涂的工作任务。采用滚珠丝杠螺母装置满 足了纵向传动工作台惯性大、刚度要求较高的设计要求；横向采用伺 服电机驱动，同步带传动的结构方案，解决了喷枪高速运动以及频繁 换向时的动态响应性问题；控制系统采用基于p c 的华中世纪星开放 式数控系统对喷枪的运动进行控制，开发了应用软件实现了过程控制 的自动化。整机具有操作简便，成本低，自动化程度高，工作稳定可 靠，生产效率高，噪音低，维修方便等特点。 关键词：显示屏，数控喷涂机，伺服驱动，p l c 编程 i i t h ed e v e l o p m e n to ft h en cs p r a ym a c h i n e a b s t r a c t a tt h ec u r r e n tt i m e s ，t h ef a c i n gt e c h n i c a lp r o b l e mo ft h e a d m i x t u r e s p r a yf o rb ig f l a ts u r f a c ea n g l es c r e e n ，ist h e s p r a y i n ga v e r a g ed e g r e et h a tg r a p h i t el i q u i da n dt h eb a r i e y a 1i q u i d ，a n dt h ed e c r e a s i n go ft h en o i s ew h e ns p r a y i n g t h e r ea r e t w om e t h o d sb e t w e e nh a l fa u t o m a t i o na n df u l l 一a u t o m a t i cm e a n s w h e ns p r a y i n g t h e r ea r em a n yd i f f e r e n c eb e t w e e ns p o r t i n gt r a c k o ft h ea u t o m a t i ca i ra t o m i z i n ga n db i gf l a ts u r f a c ea n g l es c r e e n t h e r e f o r ew ec a n tr e s o l v et h ep r o b l e mo fs p r a y i n ga v e r a g e d e g r e e w e c a n m o s t l ys a t i s f yt h ep r o d u c t i o nn e e d so ft h e d e v e l o p i n go ft h ec o l o rt u b e f o r4 7 c m ，5 6 c m ，b u tw ec a nn o t m o s t l ys a t i s f yt h ep r o d u c t i o nn e e d so ft h ed e v e l o p i n go f t h e c o l o rt u b ef o r7 4 c m m o r e o v e r ，t h ec a mc o n s t r u c t i o no ft h i sk i n d o fs p r a yc a nm a k eb i gn o i s ew h e nw o r k i n g ，c a nm a k ew o r kt e r m w o r s e na n dm a k em a i n t e n a n c ed i f f i c u l t y ，a n dc a nm a i n t a i nt h e h i g hr a t e o fr e p a i r i n g a c c o r d i n g t ot h em a n i f e s t a t i o ni n s i d es u r f a c ea ds p r a y t e c h n o l o g i c a ld e s i g n ，a n dr e s e a r c h i n ga n da n a l y z i n gt h eh o l d i l i t ot h em a n i f e s t a t i o nt h ei n s i d es u r f a c ea ds p r a yt od r a wt h e c r a f tp r o c e e d sa f t e re x p e r i m e n t i n gt h ea n a l y s i sr e s e a r c h ，w e a c q u i r e dt h es p r a y i n gt od r a wt h es p e e da n dn u m b e rc o n t r o lt h e d e s i g np r o j e c tt h a ts p r a yd r a w st h em a c h i n e ，c o m p l e t i n gt h e n u m b e rc o n t r o lt os p r a yt od r a wt h ec o n s t r u c t i o no ft h em a c h i n e a n dt h ed e s i g no fi t sc o n t r o ls y s t e m s t h i sm a c h i n ea d o p tx ， zt w os i t e sm a r k i n gt h ea x i a lp u t st or e p a i rt or e a l i z e s t r a i g h t l yh o l d i n gt h es p o r to ft h es u r f a c eb o t t o m ，f r o mw h a t t oc o m p l e t et h ea ds p r a y a d o p t i n gb a l l s c r e w st h eb e a ds i i k t h r e a dd e v i c ec a nc o n t e n tt h eb i go fs p r e a d i n gm o v et h e a m b u l a t i o nw o r kp e d e s t a ll e n g t h w a y si n e r t i a l ，a n dt h eh i g h e r d e s i g nr e q u e s t a tt h eh o r i z o nw ea d o p ts y n c h r o n o u s l yt od r i v e d i r e c t l y ，p a s s i n gt ot a k es y n c h r o n o u s l y o fp u l lt h ed i n t ，u n d e r t h ec o n t r o lo ft h es e r v oe l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ，m a k et h e a u t o m a tica i ra t o m i z i n gm o vi n gt h eb a c ka n df o r t hs t r a ig h t ly t h e r e f o r ew ec a nr e s o l v et h es p r a y i n go ft h eh i g hs p e e do ft h e a u t o m a ti ca i ra t o m i z i n gt oi n v o l v eo fe n t e rt or e s p o n dt ot h e f u n c t i o nt ot h ed e v e l o p m e n tb e t w e e nd y n a m i cc o n s t r u c t i o n d e s i g na n dt h ep r o b l e m o fs e r v os y s t e m t h ec o n t r o ls y s t e ma d o p t b a s i n go np ch u a z h o n gh n co p e n i n gs y s t e m t op r o c e e dt h ec o n t r o l t ot h es p o r tt h ea u t o m a t i ca i ra t o m i z i n g ，t h e r e f o r ew ec a n m a k e w h o l em a c h i n eb e c o m et os i m p l eo p e r a t i o n ，a n dl o w e rt h e c o s t ，a n dt h ed e g r e eo fa u t o m a t i n gi sh i g h e r ，a n dt h ew o r ki s b e c o m i n gs t a b i l i t ya n dd e p e n d a b l e ，a n dp r o d u c i n ge f f i c i e n c yi s h i g h e r ，a n dn o i s ei ss m a l l e r ，a n dn e e dl e s sr e p a i r ，a n dt h e r e p a i rb e c o m em o r ec o n v e n i e n t ，e t c k e vw o r d s ： s c r e e n ，t h en cs p r a ym a c h i n e ，s e r v od r i v e ，p r o g r a ml o g i c c o n t r 0 1 v 1 1 课题背景问题的提出 1 绪论 本课题来源于陕西省教育厅2 0 0 1 年专项科研计划项目“显示屏内表面数控喷 涂系统的研究”( 编号为0 1 j k l 6 3 ) ，以及2 0 0 2 年1 0 月由国家专利局批准的“显 示屏数控喷涂机”实用新型专利，专利号为第z l 0 1 2 6 5 7 5 7 3 号。 彩色电视机，已经成为生活中人们学习娱乐、了解国家大事以及与外界沟通 必不可少的工具。彩色电视机的心脏部分是彩色显像管( c p t ) ，它是完成彩色再 现任务的关键部件。目前的彩色电视机中，使用最多的是荫罩式彩色显像管，这 是一种阴极射线显像管c r t ( c a t h o d er a yt u b e ) 。阴极射线管是羊十真空器件， 它利用电磁场产生高速的、经过聚焦的电子束，偏转到屏幕的不同位置轰击屏幕 表面的荧光材料而产生可见图形。它最早在1 8 9 7 年由德国科学家k a r lf e r d i n a n d b r a u n 发明。二十世纪5 0 年代，世界彩管工业正式兴起，1 9 5 0 年由美国无线电 公司( r c a ：t h er a d i oc o r p o r a t i o no fa m e r i c a ) 首先研制成功并开发生产。半 个世纪以来，随着彩电的普及，c r t 获得了极大的发展，并长期主宰显示器件领 域。由于在美国本土生产制造成本较高及市场扩展等方面原因，六十年代后美国 逐步把彩管技术转让给日本，日本由此迅速成为彩管生产大国，同时欧洲彩管工 业也迅速发展起来，到七十年代末八十年代初，美国从彩管工业退出转向高附加 值的信息和软件产业，而韩国、中国台湾则通过从日本引进技术获得了长足的发 展，日本也由于国内生产成本高而逐渐把彩管生产移向中国、南美和东南亚等地。 彩色显像管( c p t ) 种类较多，但目前只有荫罩式彩色显像管图像质量好，并 能实现大批量生产，成本低廉，为人们广泛使用。在显示器的家族中，有阴极射 线显像管c r t 、液晶显示器l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 和等离子体显示器 ( p l a s m ad i s p l a y ) 。l c d 是将液晶置于两片导电玻璃之间，靠两个电极问电场的 驱动引起液晶分子扭曲向列的电场效应，以控制光源透射或遮蔽功能，在电源 o n o f f 下产生明暗的区别，依此原理控制每个像素，以构成所需图像。虽然液晶 显示器具有轻薄短小、低耗电量、无辐射，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等 多方面的优点，而成为最健康显示器，但是由于其昂贵的价格、娇弱的身躯以及 性能等方面还需要继续改进而不能成为主流产品。等离子体显示器又称电浆显示 器，是继c r t 、l c d 后的最新一代显示器，其特点是厚度极薄，分辨率佳。可以 当家中的壁挂电视使用，占用极少的空间，代表了未来显示器的发展趋势，不过 对于现在中国大多数的家庭来说，那还是一种奢侈品。所以当今市场占有量最大 的仍然是历史最“悠久”的c r t 显示器。 荫罩式彩色显像管的一个重要组成部分是荫罩。荫罩的结构是一块开有数十 万个小槽孔的薄钢板。它安装在玻屏的内侧。它是荫罩式彩色显像管的选色机构， 通过荫罩和荧光屏的几何位置来达到选色的目的。当显像管工作时，三条电子束 连续地扫过整个荫罩面，由于荫罩的作用，使得通过荫罩孔的电子束分别打在对 应的荧光面的三色粉条上，起着选色的作用。同时在荧光面制造过程中起着爆光 作用，在黑底爆光和荧光粉爆光时，都要安装荫罩后进行，从而使得荧光屏上精 确地制造出黑底条和荧光粉条。 彩色显像管工作时，荫罩的电子束透过率一般为1 5 2 0 ，其余8 0 8 5 的电子束均被荫罩截获，使荫罩温度升高。荫罩温度将升至7 0 8 0 。c ，包括荫罩 的桥、筋、有效面外，由动能转换为热能，产生大量的热量，荫罩板很薄，易受 热变形，由于其周围被框架所限制，荫罩板不能向四周延长，只能向荧光面方向 拱起，从而使荫罩发生热膨胀，荫罩孔与荧光粉条的相对位置随之发生变化，致 使穿过荫罩孔的电子束着屏位置一即打在荧光屏上的位置产生偏移，严重时会 偏移到另外颜色的荧光粉条上去。这种现象在显像管制造中称为荫罩式彩色显像 管的热拱起效应，也叫做荫罩式彩色显像管的色纯漂移现象。 荫罩式彩色显像管因荫罩变形造成的色纯漂移问题一直是彩色显像管设计与 制造的重要问题，它直接影响彩色显像管的图像显示质量。 1 2 荫罩防拱技术与a d 喷涂 随着荫罩式彩色显像管行业发展，为了防止荫罩的热拱起，目前在彩色显像 管的生产工艺中采用的措施有控制荫罩温度上升、控制框架温度上升、控制荫罩 的热膨胀、增大荫罩曲率、色纯漂移机械补偿以及色纯漂移电气补偿等。控制荫 罩温度上升的方法有a d 喷涂、蒸黑铝、对荫罩表面进行黑化以增加荫罩的散热 能力以及喷涂氧化铋。控制框架温度上升，是对框架进行黑化，增加框架的散热 能力。采用喷涂低玻的预应力荫罩或用殷钢荫罩来控制荫罩热膨胀。前者是对和 荫罩配装的显示屏作吸热材料的喷涂处理，后者是对荫罩进行加强处理。 ( 1 )防拱效应石墨喷涂技术( a d 喷涂技术) 对显示屏作防拱效应的石墨喷涂处理。通过在铝膜上喷涂一层遮挡层溶液 巴利亚后，再喷一层石墨，使铝膜吸收来自荫罩热量的能力增大，使荫罩温度降 低，从而抑制热拱起。同时由于有了导电石墨层，也可以使荧光面电位更稳定， 由于吸收减少了电子束漫反射造成的杂散光，避免了杂散光引起的对比度降低。 喷涂巴利亚的目的是为了防止石墨喷涂时渗入铝膜中，影响亮度。a d 喷涂机即为 用于该工艺的设备。其工艺流程为：蒸铝完的屏荫罩分离一预热炉投入一预热炉 取出一屏投入a d 喷涂机( 荫罩存放) 一巴利亚喷涂一石墨喷涂一检验一与配对 荫罩一起送往下工序。 ( 2 ) 蒸黑铝技术 对显示屏作喷涂处理的另外一种显像管的制造工艺采用的是在铝膜上再蒸一 次铝膜而形成黑铝，其作用与喷石墨相同，目的也是为了吸收来自荫罩的热量。 ( 3 ) 低熔点玻璃喷涂技术 在荫罩小孔侧朝向电子枪的方向喷涂一层低熔点的玻璃，再经过烧结使低熔 点玻璃炼结在荫罩上，并使荫罩受到低熔点玻璃的张应力，起到增强萌罩刚性、 抑制荫罩热膨胀的作用。 低熔点的玻璃是一种特殊的封接玻璃，它喷涂在荫罩上，依靠载体的黏着力 粘接在荫罩小孔侧。在烧结过程中3 9 0 。c 低熔点的玻璃软化，此时低玻粉颗粒连 成一体，而且低熔点的玻璃与荫罩基金属浸润并向内渗透。在4 3 0 4 5 0 。c 保温期 间，软化后的低玻形成结晶，由软化的粘流态变成固态，低玻本身由粉体形成整 体，与荫罩铁板由于渗透作用结合在一起。荫罩的热膨胀系数是1 2 1 0 一，低玻 粉的热膨胀系数是0 9 9 1 0 一，低玻的热膨胀系数小。在冷却过程中，由于二者 是结合在一起的，二者的收缩要一致，荫罩要少收缩一些将受到拉应力，低玻要 多收缩一些而受到压应力。即形成预应力荫罩。预应力荫罩的对策对于局部色纯 漂移比较有效，但是对于长时间色纯漂移无效。 低玻喷涂机由喷涂机本体、低熔点的玻璃循环系统、吹风装置及振动装置组 成。 ( 4 ) 氧化铋喷涂技术 在荫罩小孔朝向电子枪一侧内喷涂一层原子序号7 0 以上的重金属，如铋、铅、 钨及其氧化物等。在荫罩小孔侧形成一层电子反射膜。由于氧化铋是重金属氧化 物，彩色显像管工作时，射入荫罩上的电子被电子反射膜反射回来，而不轰击荫 罩板，减少吸收电子转化的热能，降低荫罩温度，抑制荫罩热膨胀，减少因此而 引起的色纯漂移。 ( 5 ) 黑色陶瓷喷涂技术( b c c 技术) 在荫罩内侧喷涂一种黑色陶瓷，在1 8 5 。c 力h 热2 0 分钟，使之烧结在荫罩上。 彩色显像管工作时起到抑制荫罩热膨胀的作用，减少局部色纯漂移，其作用与原 理与喷涂低玻相似。在生产中可以与低玻喷涂相互替代，但是它的抑制效果低于 低熔点玻璃喷涂。在黑色陶瓷喷涂过程中，经常出现荫罩堵孔方面的不良现象， 影响彩色显像管的质量。这种技术较适合5 4 e m f s 彩色显像管。 b b c 工艺流程为：蒸铝后屏组件一屏、荫罩分离一吹风除尘一b b c 喷涂一振动 除尘一检查一预热炉预热一烧结一屏荫罩装配一a d 喷涂。 b b c 喷涂机是一种自动运行的装备，完成b b c 喷涂，荫罩从一侧投入，从另 一侧取出。 ( 6 ) 采用栅状荫罩 栅状荫罩是由上千条非常细的纵向排列细线所构成，然后再在横向的方向上 使用两条阻尼线来固定，以避免震动以及材料受热时所产生的一定程度的扩张， 若不这样便会导致图像的失真。这样以来显示器上带有两根暗线，影响画面质量。 目前这类显像管价格还很昂贵，一时难以普及。生产这类显像管的厂家只有两家： s o n y 与三菱。目前s o n y 的这类产品称之为f dt r i n i t r o n ，而三菱的则称之为钻 石珑。 以上6 种防止荫罩热拱起的方法在各个显像管生产厂家均有采用。主流厂家 如日本东芝的生产工艺2 1 时、2 5 时及2 9 时等主导产品采用a d 喷涂防热拱起技 术，日本目立的生产工艺为黑色陶瓷喷涂技术。 1 3a d 喷涂机的现状与发展 目前，在显像管的生产工艺中，采用a d 喷涂技术来防止荫罩的拱起比较成熟， 也比较低廉，在当前竞争的环境中，降低生产成本应该是一个很大优势。另外相 对于向荫罩上喷涂陶瓷晶体而言，采用这种工艺生产的显像管在色彩、亮度等图 像显示质量上都比较好而且稳定。 l - b a s e ，2 - c o n t r o lp a n e l ，3 一s c r e e n 4 一t h ev e n t f i g 1 - 1 s e m i a u t o m a t i ca d s p r a ym a c h i n e 图卜1 半自动a d 喷涂机 ( 1 ) 半自动a d 喷涂机 目前在我国的彩色显像管的生产线上，所使用的a d 喷涂机有两种类型，一种 是二十世纪八十年代进口的半自动设备如图卜l 所示。当向显示屏内表面喷涂石 墨和巴利亚之前，首先使显示屏通过a d 加热炉，将显示屏在a d 加热炉里加热到 9 0 - - 1 1 0 ，这种a d 喷涂机的工作原理如图卜2 所示，驱动电机1 通过传动轴3 带动横向驱动凸轮4 ，凸轮4 通过连杆机构带动喷枪轴在其导向板9 上作横向摆 动。 由图卜3 所示，喷枪在纵向的摆动是驱动电机通过轴3 驱动蜗轮蜗杆传动副， 通过蜗轮3 和蜗杼4 的传动使纵向驱动凸轮6 ，凸轮6 通过连杆机构使横向导向 板7 机构及其喷枪装置在纵向导向板8 上摆动。由此实现喷枪前后左右的摆动， 来完成a d 喷涂工作。控制部分采用继电器，喷枪速度的调整采用电子调速。 这种a d 喷涂机在工作过程中需要人工完成一部分工作。显示屏从a d 加热炉 出来后，需要操作人员人工从流水线上搬到a d 喷涂机的工作平台上，每屏须人 工按动“启动”按钮，喷涂机方可运行并进行石墨和巴利亚药液的喷涂。喷涂结 束后，再由操作人员将显示屏搬到另外一侧流水线上。 这种a d 喷涂机的缺陷在于，由于机械传动部分采用凸轮传动来实现喷枪在x 方向和y 方向的摆动，因此，机械传动件易磨损，工作噪音大，喷涂层不均匀； 另外，由于采用电子调速来实现喷检摆动速度的变化，并且采用继电器进行控制， 4 因此，存在自动化程度低，线路性能不稳定，故障率高。因此，这类a d 喷涂机 的工人劳动强度大，工作环境恶劣，自动化程度低，故障多，维护困难。 l m o t o r ，2 一g e a r ，3 一a x i s ，4 c a m ，5 一a x i s ，6 一s p r a y ，7 一c a f n ，8 一p o r t r a i tg u i d eb o a r d ， 9 - l a n d s c a p eo r i e n t a t i o ng u i d eb o a r d ，1 0 一g u i d ew h e e l f i g 1 - 2 s e m i a u t o m a t i c a ds p r a ym a c h i n e 图1 2 半自动a d 喷涂机传动示意图1 ( 2 ) 全自动化的a d 喷涂机 全自动a d 喷涂机如图卜4 所示。其机械部分与半自动a d 喷涂机的机械部分 基本相同，仍然采用凸轮机构实现喷枪的前后、左右的摆动驱动；但是其控制部 分改为p l c 控制，与前后道工序之闻有移载杌进行取屏和送屏，从而代替入工从 流水线上搬运显示屏，因此这类喷涂机的自动化程度得到了提高，但是这类喷涂 机与半自动喷涂机共同存在的一个致命的弱点是，喷枪的运动是凸轮驱动下的摆 动，喷枪在显示屏内表面下的运动轨迹呈弧线形，而不是直线，对于大尺寸纯屏 的显示屏而言，会造成药液喷洒不均的现象，如图卜2 所示，在喷涂的过程中， 由于喷枪的运动是摆动，显示屏的中间部位距喷枪喷头的距离较短，而越靠近显 示屏的边缘，显示屏与喷枪喷头的距离就越大，由此就造成显示屏的石墨喷涂层 不均，其中间部位的喷涂层最厚，越靠近显示屏边缘石墨的喷涂层就越薄。其次， 由于凸轮机构结构复杂，工作过程中容易产生冲击和磨损。维修率高，噪音大。 不符合现代生产的要求。 1 一l a n d s c a p eo r i e n t a t i o nc a m ，2 一a x i s ，3 一w o f mw h e e l ，4 - w o f m ，5 - a x i s 6 p o r t r a i tc a m ，7 一l a n d s c a p eo r i e n t a t i o ng u i d eb o a r d ，8 。p o r t r a i tg u i d eb o a r d f i g 1 - 3 t h es e m i a u t o m a t i c a ds p r a ym a c h i n e 图1 3 半自动a d 喷涂机传动示意图2 】一b a s e ，2 一c o n t r o lp a n e l ，3 一s c t e e n , 4 t h ec a r r i e r f i g 1 - 4 a u t o m a t i ca d s p r a ym a c h i n e 图1 - 4 自动a d 喷涂机 ( 3 ) 数控喷涂机 数控喷涂机目前尚在研究阶段。如图1 - 5 所示为本次设计的数控喷涂机的基 本方案。当显示屏从a d 炉出来后，其温度可达9 0 。c 1 1 0 。c 。由移载机将显示 7 1 一b a s e 2 一zt a b l e 3 一xg u i d e ，4 t h eb e l t ， 5 一xt a b l e ，6 一t h ea i ra u t o m a t i c ，7 一s c r e e n f i g 1 5n ca ds p r a ym a c h i n e 图1 - 5 数控a d 喷涂机 7 屏7 内表面放置在a d 喷涂机的喷涂平台上，喷枪6 沿着与显示屏7 平行的方向 一边左右( 横向) 移动，一边前后( 纵向) 移动进行a d 喷涂。喷枪6 安装在横 向工作台5 上，伺服电机通过同步带传动，由同步皮带4 直接驱动工作台5 实现 喷枪的左右移动。同时纵向伺服电机通过丝杠螺母机构驱动纵向工作台2 ，横向 传动装置( 同步带传动装置、横向工作台5 、喷枪等) 安装在工作台2 上，由工 作台2 带动，实现喷枪的前后移动。喷枪在伺服电机的控制下进行前后、左右两 个的直线运动完成显示屏的a d 喷涂过程。 1 4 h i ) 喷涂的难题 对于大屏幕平面直角管屏的a d 喷涂所面临的技术难题就是石墨药液和巴利 亚药液涂层的均匀程度以及喷涂时噪音的降低。现有的a d 喷涂方法主要有半自 动化和全自动的手段，但是由于喷枪的运动轨迹与大屏幕的平面直角不配套，因 此不能解决涂层均匀的问题，对于2 1 时、2 5 时彩色显像管勉强可以维持生产需 要，但是对于2 9 时等大的显示屏就难以满足要求。另外，凸轮结构的传动方式 限定了噪音不可能降下来。 1 5 本课题的研究内容 本课题是陕西省教育厅2 0 0 1 年专项科研计划项目“显示屏内表面数控喷涂系 统的研究”( 编号为0 1 j k l g 3 ) ，以及2 0 0 2 年l o 月由国家专利局批准的“显示屏 数控喷涂机”实用新型专利的主要研究部分。研究内容主要是数控喷涂机的设计 与控制。主要包括： ( 1 ) 在对显示屏内表面a d 喷涂工艺进行分析后，提出数控喷涂机的设计方 案，对数控a d 喷涂机进行结构设计，主要包括：喷枪横向驱动装置、喷枪纵向 驱动装置、数控a d 喷涂机本体结构、防护系统结构、药液管路系统结构、气动 系统等的设计。 ( 2 ) 对数控a d 喷涂机的工艺流程进行分析，完成数控a d 喷涂机的控制系 统的硬件配置及软件的设计。 1 6 本课题的意义及市场前景 阴极射线管( c r t ，包括彩色显像管c p t 和彩色显示管c d t ) 技术是传统的显 示技术，经过长期的不断改进、完善，阴极射线管在图像清晰度、亮度、对比 度、寿命等方面已达到极其完善的程度，其性能价格比也非常良好，其市场占有 率占各种显示器的首位。由于c r t 在响应速度、视角、亮度、对比度和工作温度 方面均优于l c d ，并在亮度和对比度等方面优于p d p ，技术也相当成熟，具有很 高的性能价格比。据1 9 9 5 年国际信息显示学会( s i d ) 会议上专家分析， 彩色显 像管和彩色显示管至少还有1 5 年的发展空间。 据韩国三星预测，1 9 9 7 2 0 0 1 年间，显像管( c p t ) 市场将年均增长5 9 ，显 示管( c d t ) 市场9 3 。其中，显像管( c p t ) 1 0 - - 1 8 英寸年均增长2 1 。1 9 2 2 英寸3 4 ，2 5 - - 2 9 英寸4 9 ，3 0 英寸以上1 3 7 ，1 0 英寸以下年均减少9 6 。据美国s t a n df o r dr e s o u r c e s 公司预测，2 0 0 3 年，阴极射线管( c r t ) 年增长 4 9 。 ( 1 ) 世界彩管行业发展 c r t 的优点使得其至今仍是显示技术中尤其是电视机的主流技术，目前全球 c r t 的年产量在2 5 亿台左右。根据显示行业权威咨询机构s t a n d a r dr e s o u c e s 的预测，c r t 的市场价值仍将缓慢增长，由2 0 0 1 年的2 0 2 亿美元递增到2 0 0 6 年 的2 3 5 亿美元，而应用c r t 显示技术的电视机的市场价值也将从2 0 0 1 年的4 5 6 亿美元增长到2 0 0 6 年的6 0 6 亿美元。世界彩管工业，在1 9 9 8 年全球约生产2 4 7 亿只c r t ( c r t 约1 5 亿多只，c d t 约0 9 亿只) ，1 9 9 9 年生产2 6 5 亿只，增长 6 5 。据s t a n d f o r dr e s o u r c e s 展望，c r t 市场2 0 0 1 年将突破3 亿只，以后增 势依旧。世界彩管工业主要集中在日本、韩国、台湾、欧洲、东南亚和中国等。 ( 2 ) 我国彩管行业的发展和预测 目前我国彩管已达到年产约6 0 0 0 万只的生产能力。我国彩管行业近1 0 年随 着彩电市场的发展而成长迅速。我国彩管工业起步于2 0 世纪七十年代末，八十 年代后，国内彩电市场的蓬勃发展带动了为之配套的彩管工业迅猛发展，形成了 咸阳彩虹、上海永新、广东福地、深圳赛格、l g 曙光、三星电管、北京松下、南 京华飞等八家初具规模的骨干企业，大屏幕彩管生产线已经有1 7 条，若开足马 力生产，全年可达2 2 0 0 万只。 ( 3 ) 课题意义 a d 喷涂在彩色显像管的生产中占据着重要的位罱，解决了萌翠的热拱效应。 数控喷涂机的研究从工艺手段上解决了显示屏a d 喷涂的涂层不均匀对于显示屏 铝膜吸收来自荫罩热量的能力的影响。从而使荫罩温度降低，抑制荫罩热拱起。 避免电子束通过荫罩后在显示屏上着屏不良的现象，因此，进行数控喷涂机的研 究，对于提高显像管的图像显示质量，改善生产条件，提高生产效益具有重要意 义。 2 数控a d 喷涂的工艺研究 2 1 设备的工艺过程 根据显示屏a d 喷涂工艺以及数控喷涂机的工作原理，a d 喷涂机的工艺过程 如下：由移载机( 上道工序) 把经过a d 预热炉预热到9 0 1 1 0 。c 的显示屏送到 数控a d 喷涂机的工作台面上，显示屏内表面向下，面向喷枪。此时移载机向a d 喷涂机发出“允许喷涂”信号，通过控制巴利亚和石墨喷枪的开关针阀以及各自 的雾化气阀，实现巴利亚液和石墨液的喷涂。喷枪由纵向和横向伺服电机所驱动 的传动机构带动，在x 、z 平面( 显示屏所在平面) 内沿x 方向移动的同时沿z 下 个 t 作 循 环 f i g 2 - 1 t h ef l o wc h a r to fn cs p r a ym a c h i n e 图2 - 1 数控喷涂机工艺流程 方向移动，高压空气使巴利亚和石墨雾化实现对整个显示屏内表面的喷涂。利用 零位检测元件以及p l c 程序，来控制一个屏喷涂的开始与终止，如图2 - 1 所示。 整个工艺过程中须考虑上、下道工序的协调控制、巴利亚石墨液的喷涂顺序以及 该两种药液喷涂时速度的控制。 2 2 a i 喷涂工艺要求 数控喷涂机的设计以2 9 时( 7 4 c m ：6 0 3 4 7 2 ) 显示屏为依据进行设计。通过 对a d 喷涂工艺及影响因素的分析，彩色显像管生产线上用数控喷涂机的设计要 求如下： 2 2 1 生产工艺要求 根据显示屏a d 喷涂生产线上的生产节拍要求。每屏的喷涂时间：4 8 s ，巴利 亚：1 次，1 4 秒；石墨：2 次，1 3s 2 次= 2 6s 。由于巴利亚、石墨的黏度不 同，其喷涂速度也有些差异，因此，精确时间根据具体喷涂时的巴利亚和石墨的 喷涂速度确定。根据工艺要求，喷涂过程要求三次完成。为了防止石墨渗入铝膜， 首先要进行防护液一巴利亚的喷涂，巴利亚喷涂完成后，进行两次防拱效应石 墨的喷涂。如表2 1 所示。 表2 - 1一个工作循环周期t = 4 8 秒屏的工作时序 t ( 秒) o1 41 83 13 54 8 巴利亚喷涂 送取 暂停 屏屏 石墨喷涂 2 2 2 喷涂腔体结构要求 ( 1 ) 动、静态密封性能要求 由显像管的生产工艺要求可知，由于在喷涂过程中，石墨和巴利亚药液是经 过清洁后的高压空气雾化后喷洒在显示屏的内表面上的，从保持生产环境方面考 虑，a d 喷涂一定要在完全密封的状态下进行。因此，要求喷涂腔体动、静态密封 性能好。 ( 2 ) 抽气排风要求 由于在a d 喷涂完成后，显示屏须被移载机自动取走，在移载机还没有送屏到 喷涂机的平台上时，虽然喷枪已停止喷涂，但是喷涂腔体向外散发药液的雾气会 持续一段时间。因此，要求在喷涂腔体上设置抽气排风装置。 ( 3 ) 材料 按照显像管的生产工艺要求，与显示屏内表面直接接触的工作区内的所有零 部件，须采用不锈钢材料。 2 2 3 纵向进给系统的设计要求 ( 1 ) 最大行程s ： 以2 9 时显示屏a d 喷涂作为设计依据，要求喷枪在纵向移动的最大距离为显 示屏的宽度加上两边的预留量，增加两边预留量的目的是考虑电机的加减速影响 因素： s z = 4 7 2m m + 1 0 0 m m = 5 7 2m m 。 ( 2 ) 进给速度( 对于不同的显示屏可调) 根据2 9 时显示屏a d 喷涂的工作节拍。在喷涂过程( 4 0 秒) 中，喷枪在纵向 移动的距离l ：为： l z = 3 ( 4 7 2 + 1 0 0 两边预留量) = 1 7 1 6 ( m m ) 移动时间t ： t z - 4 8 2 4 ( 两次停顿时间) = 4 0 ( s ) 纵向的进给速度v ：估算为： v z = 1 7 1 6 4 0 = 4 2 9 ( m m s ) = 0 0 4 3 m s 。 ( 3 ) 快移速度 按照a d 喷涂的工艺要求，当巴利亚喷涂完成以后，喷枪需要在喷涂暂停的4 秒钟在纵向返回到原点，准备第一次石墨喷涂，同样，当第一次石墨喷涂完成以 后，喷枪需要在暂停的4 秒钟在纵向返回到原点，准备第二次石墨喷涂。因此， 纵向快移速度v 。，为： v 。= ( 4 7 2 + 1 0 0 ) 5 - 4 ：1 4 3 ( m m s ) = 8 5 8 ( m m i n ) ( 4 ) 结构中防护设计要求 在喷涂的过程中，严禁液体喷洒或进入传动零件或部件上，否则会影响导轨、 丝杠、电机等的正常工作。为了保证纵向进给运动的正常进行，要求该部分与喷 涂腔体隔离，特别是纵向导轨部分要采取绝对的防护措施。 2 2 4 横向进给系统的设计要求 ( 1 ) 最大行程s 。 以2 9 时显示屏的a d 喷涂作为设计依据，要求喷枪在横向移动的最大距离为 显示屏的宽度加上两边的预留量，其最大行程为： s h = 6 0 3m m + 1 0 0 i i m = 7 0 3 眦 ( 2 ) 进给速度 根据2 9 时显示屏a d 喷涂的工作节拍可知，喷涂一遍石墨需要喷枪在1 3 秒的时间内，在横向往复移动十五次，则其平均进给速度v 。可以估算为： = ( 7 0 3 2 1 5 ) 1 3 = 1 6 2 2 3 1 ( m m s ) = ( 1 6 2 2 m s ) ： ( 3 ) 结构上防护设计要求 在喷涂的过程中，严禁药液喷洒或进入传动零件或部件上，否则会影响导轨、 电机等的工作部件的正常工作。为了保证横向进给运动的正常进行，要求该部分 与喷涂腔体隔离，特别是横向导轨部分要采取绝对的防护措施。 2 2 5 控制系统要求 根据a d 喷涂的工艺流程可知，数控a d 喷涂机的控制过程必须设置手动、单 周期循环、自动循环三个工作方式，要求各个工作方式互锁。 ( 1 ) 自动循环工作状态 数控喷涂机处于自动循环工作状态时，能够连续不断地进行工作。一个屏喷 涂完毕自动进入下一个屏的喷涂。在此工作状态下的工作方式分别为自动循环工 作方式和进给保持工作方式。 1 ) 自动循环工作方式 在该工作方式下，当a d 喷涂机接到屏到位信号以及移载机( 上道工序) 发 出的允许喷涂信号后，能够自动完成显示屏内表面的巴利亚和石墨药液的喷涂工 作。当一个显示屏的a d 喷涂完成后，a d 喷涂机即向移载机发出取屏信号。移载 机将已喷涂的屏取走以后，a d 喷涂机又发出“请求送屏”信号。 2 ) 进给保持工作方式 当数控喷涂机处于自动工作的流程中，进行“进给保持”按扭的操作时，必 须考虑两种状态：第一，如果没有喷涂巴利亚或石墨时，按动“进给保持”按扭， a d 喷涂机立即停止，再按动“启动”按扭，继续进行；第二，如果正在进行巴 利亚或石墨喷涂，按动“进给保持”按扭，则数控a d 喷涂机不停止，继续喷涂 直到z 轴运行到原点，即完成一种药液的一遍喷涂方才停止，按动“启动”按 扭，则喷涂接着继续进行。 ( 2 ) 单循环工作方式 在显示屏的a d 喷涂生产中，由于受到显示屏温度、工作车间湿度和温度、 以及液体的黏度等因素的影响，此时只需要喷涂个别显示屏来对a d 喷涂的质量 进行检验，因此，需要一次启动只完成一个显示屏的喷涂工作。即a d 喷涂的单 次循环。 在单循环工作方式下，一次启动数控喷涂机只完成一个屏的喷涂。要求在这 种工作方式下，工作过程与自动过程相同，不同的地方在于每次操作a d 喷涂机 仅完成一个显示屏的操作后就停止。 ( 3 ) 手动工作状态 由于设备需要调整、维修等，所以在手动工作状态要求a d 喷涂机的每一个 执行部件均能够单独动作。具体要求有： 1 ) 巴利亚开关气阀的打开与关闭； 2 ) 巴利亚喷涂气阅的打开与关闭； 3 ) 石墨开关气阀的打开与关闭； 4 ) 石墨喷涂气阀的打开与关闭： 5 ) x 回零操作； 6 ) z 回零操作； 7 ) 石墨搅拌机； 8 ) 屏定位； 9 ) 紧急停止。 2 3 喷枪的选择 根据生产工艺要求进行喷枪的选择。在生产过程中，巴利亚和石墨是交替喷 涂的。即要求巴利亚的喷枪喷涂完成以后要进行自动关闭，而石墨喷枪自动打开。 f i g 2 - 2t h ea u t o m a t i ca i ra t o m i z i n g 图2 - 2 喷枪 因此，首先要求喷枪必须设有开关控制。第二，根据显示屏及其喷涂要求迸行喷 枪主要参数的选择。第三，进行喷枪的选择时参照2 5 时a d 喷涂的喷枪参数。根 据要求选择美国s p r a y i n gs y s t e m sc o 公司的喷枪产品。如图2 - 2 所示。 2 3 1 喷枪的液体雾化喷涂枧理 如图2 - 3 所示，喷枪由喷嘴系统、液体开关系统以及喷枪本体组成。喷嘴系 统是喷枪的核心部件，喷枪的功能主要是由喷嘴的形状和作用体现的。喷嘴的命 名也是以喷雾形状进行区分的。本设计选用的是空气雾化喷嘴。空气雾化喷涂是 利用压缩空气的气流，流过喷枪喷嘴孔形成负压，负压使液体从吸管吸入，经喷 嘴喷出，形成液雾，液雾喷涂到物体的表面上形成均匀的液膜。 喷枪的结构原理如图2 - 3 所示，液体开关系统的作用是用于控制液体的打开 与关闭，当不锈钢针开关( s h u t - o f fn e e d l e ) 的驱动活塞在复位压力弹簧( r e t u r n s t r o k es p r i n g ) 的作用下关闭的时候，此时，虽然有高压空气从接口( a i ri n l e t ) 流入，但是由于液体( l i q u i d ) 不能进入喷枪从而不能进行喷涂。当高压空气使 不锈钢针开关在连接气缸( a i ro p e r a t e dc y l i n d e r ) 活塞的作用下打开时，液 体方可在从接口( a i ri n l e t ) 流入的高度洁净高压空气的作用下从喷枪口雾化 14 喷出。 f i g 2 - 3t h ea u t o m a t i ca i ra t o m i z i n gn o z z l ea s s e m b l i e s 图2 - 3 喷枪结构 2 3 2 喷枪喷嘴的选择原则 喷嘴是喷涂系统的核心。喷嘴的特性主要体现在喷嘴的喷雾类型，即液体离 开喷嘴口时形成的形状以及它的运行性能。其中空气雾化喷嘴符合本次喷涂设计 要求。选用喷嘴的因素有流量、压力、喷雾角度、覆盖范围、冲击力、温度、材 质、应用等，而这些因素之间往往相互牵连、相互制约。流量与压力，喷雾角度 与覆盖范围成正比关系。喷嘴的喷射目的是要维持连续不断良好雾化的药液与显 示屏的均匀接触。液体的温度不影响喷嘴的喷雾性能，但它影响黏度和比重，同 时还影响喷嘴材料的选择。喷嘴的材料采用耐酸、防止锈蚀的不锈钢材质。 选择喷嘴要考