【毕业学位论文】（Word原稿）液晶面板玻璃自动化输送系统之研究-电机工程

1 圣 约 翰 科 技 大 学 专题研究报告 液晶面板玻璃自动化输送系统之研究 机械与电脑辅助工程系 林 守 仪 副教授 中华民国九十六年三月 2 摘要 我国产业经过长期的努力，奠定了雄厚的制造 (代工、装配 )能力，但设计能力却十分薄弱，因此始终无法提升产品的附加价值，要摆脱代工装配的阴影，设计能力的提升刻不容缓。本研究旨在结合产、官、学资源，训练培育两兆双星 实设备本土化之目标，并协助产业升级，提升国际竞争力。研究内容共分软体 、硬体两方面，软体方面：拟利用 机械设计理论开发 设计分析各种条件下所需的零组件。硬体方面：本研究将使用所设计的软体，实际设计制作乙套卡匣自动化升降输送设备，配合现有设施，完成自动化存取、输送系统 (S)，并以 方面验证软体的可行性，另一方面作为培育人才训练之用。 关键字： 板玻璃； 动化存取、输送系统 (S)； 制 系统 3 ur is it is to it as is A CD is to be by of an (1). AE (2). S 3). to + to CD It or to S/RS As of NC It is C In to an to of S; 录 4 中文摘要 . 英文摘要 目录 . 表索引 . 4 第一章 绪论 . 1 言 . 1 究目的 1 5 . 械系统探讨 . 1 第二章文献回顾 . 2 第三章 基础理论 . 3 杆轴的设计 . 3 杆轴的制作范围 . 3 装方法 . 3 许轴向负荷 . 4 许转速 . 5 杆设计之注意事项 . 6 帽的设计 7 6 帽形式的选择 7 向负荷的计算 8 螺帽设计上的注意事项 . 9 10 动螺杆系统的刚性 10 位精度 15 命 . 17 珠螺杆的寿命 . 17 劳寿 命 . 17 珠沟槽的容许负荷 . 19 料与硬度 . 19 处理检验证明 . 20 滑 . 21 尘 . 21 动扭矩 . 22 珠螺 杆之扭矩 . 22 达之驱动扭矩 . 23 第四章 c+ 程式设计 . 25 7 准扭矩的计算 . 25 杆轴的制作范围 . 25 许轴向负荷 25 许转速 . 26 预压螺帽的刚性 . 27 第五章 系统验证 . 30 械结构设备介绍 30 计要求项目 32 统验证 33 制系统之探讨 . 36 第六章 结论 . . 38 参考文献 . 39 附录 . 40 8 图表索引 图 装方式：固定 . 3 图 装方式：固定 . 3 图 装方式：支持 . 4 表 卷数与其要求特性 . 7 图 平 搬运装置简图 . 8 图 直搬运装置简图 . 9 图 张预压 13 图 缩预压 13 图 点接触预压 . 13 9 图 位导程预压 13 图 螺帽之定位预压 . 14 图 位预压变形关系图 . 14 图 性变形曲线 15 图 作台受力示意图 23 图 匣输送带的机械结构图 30 图 送带 . 31 图 出库机构 . 31 图 轮 . 31 图 统验证流程图 33 表 荷 因数 18 表 珠螺杆的材料与硬度 . 19 表 滑剂之检视与补给间隔 . 21 表 作台要求规格 . 32 10 第一章 绪论 言 在产业市场彼此强烈竞争的今日。如何使生产成本降至最低，以增加利润，一向是企业家头痛的问题，在生产成本除了机器设备、加工、物料成本之外，物料的搬运成本占有极大的比例，但它的重要性确是常常被一些厂商所忽略。如何降低生产成本， 发挥机器设备最大效率 ,根据国外相关研究的统计数字显示，平均一个产品从原料到成品，约只仅有 5%25%的制造时间是花在装卸设定及机械加工上，其余 75%95%之制造所费时间，如物料输送时间，加工作业后之静置时间，故障产生之修理及等待时间，作业流程相关的停留时间等等，对产品的附加价值将毫无帮助。因此，输送成本与所耗费的时间成本往往可达总售价的 40%以上，而这一点也正是最易被一些厂家所忽略的地方。若想降低成本，提高生产力就必须以降低物件之搬运成本，而工业界目前也朝向 24小时无人化工厂的实现。 画目的 目的在于能够加强学生对输送设备的了解，进而将设计的理论与方法结合在实务当中，实际架构输送系统，可以增加学生对输送设备制造的经验，使学生加深各种仪器结构的概念。 为了想降低成本，提高生产力，以降低物件之搬运成本为目的，而工业界目前也朝向 24 小时无人化工厂的实现，所以将物流搬运系统电脑化，可以与生产管理连线，使得： 达到 24 小时全天工作的目地。 物料搬运依然可达到一定水准。 为疏失所导致的产品损失。 机械系统探讨 机械系统探讨这部份针对输送机构做为重点讨论，机械系统分析包括螺杆强度分析，大小选择以及输送设备结构的介绍。这些零组件关系着输送设备优劣，假若强度设计错误，不只精度不准确，甚至有可能会导致相关零组件的损坏。因此，完整的规划是不可或缺的。 11 第二章 文献回顾 台湾大型液晶面板产值已位居世界前两大，产业上下游及其周边产业的发展举世关注，国内各主要面板场均有新世代面板场的建厂计画。由于新世代面板尺寸朝向大型化发展，其生产过程中的搬运与储存作业势必 更加倚赖自动化设备，且因为在无尘室环境下运作，使得这些自动化设备的规格与技术层次要求更高。而这些趋势所衍生的技术发展，及其带来的商机，是自动化搬运设备及其相关系统厂商所因该关注的。早期半导体工业所有制程设备皆掌握在外国厂商手中，其精密的设备很多都是仰赖外国应用公司，台湾投资如此巨额之经费在发展八吋晶元或是十二吋晶圆厂，但设备技术几乎都被国外厂商所垄断，有此前车之鉴，应该避免再次重蹈覆辙，台湾 该发展本土设备。借镜韩国最强的三星 (子，它本身就是采取发展自己设备制造的策略，其建厂时设备部 分是先由韩国本土厂商包下来，不能承接的才分出去给日本厂商，以培养本土技术能力。以一座面板厂来看，最大的成本就是设备，如何加强本土设备发展是很大的挑战，也是必须发展出来的技术。本专题研究 了训练设备设计之能力，使自己提升设备研制之能力，另一方面也对相关产业之运作情况有初步之了解。 未来国内产业的主力为两兆双星产业，包括半导体、影像显示、数位内容、生物技术与医药工业。不论两兆双星产业或新兴十大产业均与自动化输送设备有密切之关系，因此 国内发展自动化输送设备以配合产业之需，实为刻不容缓 之事。 说是国内目前光电产业中发展最为迅速之明星，不仅我国 备投资金额更高居全球首位。不过在庞大设备资本支出背后，却也显现设备 90%以上进口，不仅造成外汇流失，更无法提升国内机械产业，因此必须设备国内化，降低业者成本，提升 自动化搬运与保管设备主要有以下几大类： 1. 要由各式支架与起重机具所组成。这一类自动化仓储在无持室内保管卡匣 (每一卡匣内收纳数十片玻璃机板。 有轨装置台车，搬运卡匣用。 3. 装、拆卸卡匣内玻璃机板支机器。 另一方面，液晶面板尺寸越来越大型化，重量更为增加，生产过程中材料的自动化搬运系统 (电脑整合系统 (现场管控系统更加重要。 在玻璃基板运送方式目前主要有回转板输送带方式，然而长度超过两米的七代以上之玻璃枚夜市运送，则已有国外厂商开发出高速搬送、振动较少的压缩气体悬浮式。输送带视需要内建转换、旋转玻璃方向或暖冲装置等机构。 12 第三章 基础理论 杆轴的设计 杆轴的制作范围 精密级滚珠螺杆的制作范围： 最小外径 10长可达 400大外径 80长可达 6000造及滚珠螺杆的制作范围： 最小外径 14长可达 1000大外径 50长可达 3000 安装方法 安装方法对于选择滚珠螺杆的规格时为重要的项目， 举三种最常用安装方法。节有详细的公式解说。 图 装方式：固定 图 装方式：固定 13 图 装方式：支持 许轴向负荷 (1) 挫屈负荷： 因为工座台、工件等自重，对螺杆产生的压缩负荷，所以必须验算其对螺杆轴挫屈的安全性。 如公式 (示： )(10 32 422 k g ( ：安全系数 (取 ) E ：纵弹性系数 ( 24 /101.2 ) 螺杆轴牙底直径 ( 珠直徑螺桿節圓直徑 ) I ：螺杆的轴断面之最小二次力矩 ( 44 64/ ) L ：安装间距 (螺杆两端安之相对距离 ) ：依滚螺杆之安装方法而定之系数 支持支持 m=5 =1) 固定支持 m=N=2) 固定固定 m=N=4) 固定 自由 m=1 =1/4) (2) 容许拉伸压缩负荷： 当安装的距离比较短时，安装方式差异影响较小，需由另外两种方法验算之： a. 螺杆轴之降伏应力的容许拉伷压缩负荷： 42 ( ：容许拉伸压缩应力 ( ) A ：螺杆轴牙底直径之断面积 ( ) 螺杆轴牙底直径 (b. 滚 珠沟槽部之容许负荷： 14 最大轴方负荷必须远小于的基本静额定负荷。参照第四章，第三节滚珠沟槽部之容许负荷。 许转速 (1) 危险速度： 当发生共振时之速度，称之为危险速度。共振产生时的影响之大户加工品质不良，甚而造成机器损坏，所以一定要极力避免马达之转速和滚珠螺杆的自然频率发生共振。如公式 (示： )(10260 7222 r p ( n ：容许转速 (rp m) a ：安全系数 ( a =E ：纵弹性系数 ( 24 /101.2 ) I ：螺杆的轴断面之最小二次力矩 ( 44 64/ ) 螺杆轴牙底直径 (A ：螺杆轴断面积 ( 22 4/ ) L ：安装间距 (螺杆两端安之相对距离 ) g ：重力加速度 ( 23 /108.9 ) Y ：材料之比重 ( 36 /108.7 ) f, ：依滚螺杆之安装方法而定之系数 支持支持 f = ) 固定支持 f = =固定固定 f = =固定自由 f = =(2) 滚珠螺杆之节圆直径、 n 为滚珠螺杆的最大转速，所以 dm,n 值即表示滚珠之公转速度。其为影响滚珠螺的噪音、工作温度、寿命循环系统之最大因素。一般 而言滚珠螺杆值的限制如下式： (注一 ) 精密级： 70000转造级： 50000但随着制技术的提升， 值已不再受此限制。值甚至已有高达十万以上的滚螺杆。 注一：此种 值之限制，仅供一般参考。事实上同一牙底直径的螺杆，其值是随螺杆两端之安装方式、安装间距之变化而有不同的容许值。 15 杆设计上之注意事项： (1) 完全牙： (使用内循环式螺帽时 ) 当为内循环滚珠螺杆时，由于螺帽装配时之需要，在设计轴端时至少必须有一端是完全牙，且至末端为止的直径都必须比牙底直径小 上。 (2) 螺杆轴端及螺帽周边之设计： 机台的设计，必须注意滚珠螺杆安装时的周边机构。避免因周边机构的影响或限制，造成安装滚珠螺杆于机台上时，必须将螺帽和螺杆分离拆开。因为分离时难免会引起钢珠的脱落，螺帽的组装精度及预压力变化，滚珠螺杆外循环弯管破损等情形发生，严重者将会造成滚珠螺杆的损坏而不堪使用。 (3) 有效螺纹两侧端部的硬度： 滚螺杆的热处理是采用中周感应热处理，所以螺纹 两端各15不在有效热处理围内，硬度会较低，故决定有效螺纹长度时请加以考虑。 (4) 中间支撑座： 螺杆过长时，由于自重而中间产生下垂现象，此现象会导致螺杆承受径向负荷，也会有因螺杆轴之回转而给轴端加上过大的弯曲应力之危险。在此建议可以在螺杆下方多加设中间支撑构造，以抑制螺帽因自重所产生的下垂量。支撑构造有装置于螺杆的螺帽周围，能在轴方向做移动轴偏震抑制装置以及于机台上之固定式轴偏震抑制构造等两种。但使用固定式时须注意当工作台通过其上方时，要能避开。 16 帽的设计 帽型式的选择 (1) 型式： 选定型式时，请考虑要求之精度、尺寸 (螺帽长度、内径、外径 )、预压力、交货期等。 (2) 循环方式； a. 外循环： 经济性 因钢珠回流的路径较长，故而噪音较小 最适合量产 可采用于导程 /螺杆轴外径较大者。 螺帽外径精巧 (节省空间 ) 适合于导程 /螺杆轴外径较小者 (3) 珠卷数： 选定珠卷数要考虑要求的性能、寿命等，其比较如表 示。 (4) 凸缘形状 ( 本公司备有三种标准型式 (A 型式、 B 型式、 C 型式 )请配合螺帽安装部分之空间加以选定。 (5) 油嘴孔： 精密用标 准螺帽设有油嘴孔，设计时请标明其尺寸。 表 卷数与其要求特性 要求特性 外循环 内循环 动作性 、 、 1 卷 、 1 卷 刚性 、 1 卷 17 向负荷的计算 平往复运动机构 图 平搬运装置简图 一般的搬运装置，螺帽作水平的往复运动，其轴向负荷分析如下： 向左等加速 1 ( 3 . 2 . 1 ) 向左等速 2 ( 3 . 2 . 2 ) 向左等减速 3 ( 3 . 2 . 3 ) 向右等加速 4 ( 3 . 2 . 4 ) 向右等速 5 ( 3 . 2 . 5 ) 向右等减速 6 ( 3 . 2 . 6 ) 直往复运动机构 一般的搬运装置，螺帽作重直的往复运动，其轴向负荷分析如下： 上升等加速 1 ( 3 . 2 . 7 ) 上升等速 2 ( 3 . 2 . 8 ) 上升等减速 3 ( 3 . 2 . 9 ) 下降等加速 4 ( 3 . 2 . 1 0 ) 下降等速 5 ( 3 . 2 . 1 1 ) 下降等减速 6 ( 3 . 2 . 1 2 ) a ：加速度 为最高速度 t：为加速度时间 18 ：摩擦系数 f ：无负荷时的阻力 m ：总质量，机台的重量加搬运物的重量 图 直搬运装置简图 帽设计上的注意事项 偏斜负荷 (扭矩负荷及径 向负荷 ) 滚珠螺杆的动作特性的发挥关键在使螺杆轴与螺帽间的所有钢珠均能承受均匀的负荷而滚动。所以当有扭矩负荷作用于螺帽上时，此时负荷集中于少数的钢珠上，不仅动作特性受到影响，连寿命也会有极显著的缩短。因此在机构的设计及装配上必须特别注意。 19 性 动螺杆系统的刚性 螺杆的周边结构刚性太弱乃是造成失位 (主因之一。因此在综合加工机等精密机械为了要获得良好的定位精度，设计时必须考虑传动螺杆各部位零件轴向刚性的平衡及其扭曲刚性。 动螺杆系统之轴向刚性 传动螺杆的轴向弹性变形及刚性，可由下列公式求出 ( ( ：传动螺杆系统轴向弹性变形量 ( m ) 动螺杆系统所承载之轴向负荷 (传动螺杆系统之 轴向刚性 杆轴之轴向刚性 帽之轴向刚性 支持轴承之轴向刚性 螺帽及轴承安装部之轴向刚性 (1) 螺杆轴之轴向刚性： 安装方式的不同，做以下的分析： a. 固定 310 x (杆轴 之轴向刚性 ( ) A ： 螺杆轴断面积 ( 22 4/ ) 螺杆轴牙底直径 (杆节圆直径钢珠直径 E ： 纵弹性系数 ( 24 /101.2 ) x ：负荷作用点间距离 (b. 固定 310)( (螺杆轴之轴向刚性 ( ) L ：安装间距离 (注： x=L/2 的位置时会产生最大的轴向变形。 20 (2) 螺帽之轴向刚性： KN a. 无预压螺帽的刚性 轴向负荷 轴向弹性变形a之关系如 (所示 )(s 2 (C ：依材料、形状、尺寸所决定的常数。 (参考：中径精密级 C ：钢珠与沟槽的接触角度 珠直径 (Q ：每个钢珠之负荷 ( k a s ) Z ：钢珠数量 ：精度、内部构造系数 以 30%的基本 动额定负荷做为轴向负荷施加于滚珠螺杆上，此时藉由产生于沟漕与钢珠之间的弹性变形量可求得刚性理论值 K。若连同螺帽一同考虑则刚性值 K 取尺寸表内值之 80%较适宜。 当轴向负荷 用 30%的基本动额定负荷 基准时，刚性值 用下式求出。 3/ (K ：尺寸表的刚性值 ( ) 向负荷 ( 本动额定负荷 ( b. 有预压螺帽的刚性 施加 10%(过尺寸预压方式时取 5%)的基本动额定负荷的预压力于滚珠螺杆内。藉由轴向负荷的作用所产生于螺杆沟槽与钢珠间的弹性变形量可计算求得刚性理论值 K(见本型录各螺杆尺寸表 )。若连同螺帽本体一同考虑时，则取尺寸表值 80%较适宜。 当预压力0%的基本动额负荷性值 3/ ( 21 K ：尺寸表的刚性值 压力 ：刚性计算基准系数 =压片预压及偏位导程预压 ) =尺寸 预压 ) (3) 支撑轴承的刚性： 做为滚珠螺杆的支撑轴承并且广泛使用于机密机器方面的组合止推斜角滚珠轴承的刚性以下式可求出。 03K (0a：施予预压时的轴向弹性变形量 s 20 (a ：钢珠与沟槽的接触角度 珠直径 Q ：每个钢珠之负荷 Z ：钢珠数量 (4) 螺帽及轴承安装处之刚性： 在机构设计之初就必须注意加强此安装处的刚性。 动螺杆系统之扭曲刚性 因回转结构的扭曲产生定位精度误差的因素有： 1. 螺杆轴的扭曲变形 2. 联轴器部位的扭曲变形 3. 马达的扭曲变形 但由于上述变形量在一般的工具机 (非高速机 )使用时，比起轴向变形量为小，故省略 不予考虑。 珠螺的预压与效果 为求达到高定位精度，一般方法有消除滚珠螺杆的间隙到零，另一个方法即为提高刚性以减低承受轴向负荷时的弹性变形量，此两种方法均可藉由对滚珠螺杆施加预压来达成。 22 (1) 预压的方法 a. 双螺帽的中间放入预压片施加预压，可分为下面两种： 如图 示，根据预压力的大小选择相对厚度的预压片放入螺帽之间，施加预压力，由于螺帽 A、 B 产生伸张负荷，故称为伸张预压力。 如图 示，根据预压力的大小选择相对簿度的预压片放入螺帽之间，施加预压力，由施螺帽 A、 B 产生伸张负荷，故称为压缩预压力。 图 张预压 图 缩预压 b. 单螺帽滚珠螺杆的预压方法： 如图 (示在滚沟槽内置入较沟槽空间稍大直径的钢珠，使滚珠与沟槽做四点接触的预压方式，适用于轻预压。 如图 (示在螺帽中央位置附近的螺纹导程依所需之预压量使其偏位或位移 (其移位量为预压量 )适用于中预压。此种螺帽虽为单个，但经此法施予预压之后，作用如同双螺帽，且刚性更佳。 图 点接触预压 图 位导程预压 23 (2) 预压力与 弹性变形之关系 图 螺帽 A、 B 乃藉由预压力合后在各个螺帽之弹性变形量为0a。在此状态将外部负荷 时，见图 示，螺 A、 B 之弹性变形为： 弹性变形为： 1010 这时加于螺帽 A、 B 之负荷是 00(注： F A 与 F B 方向相反 ) 图 螺帽之定位预压 24 图 位预压变形关系图 亦即 藉螺帽 B 之变形减少而被缓冲吸收，结果螺帽 A 之弹性变形变小，此效果一直会持续到因受到外部负荷而产生之弹性变形等于，而螺帽 B 之预压消失为止。轴向负荷与弹性变形之关系式如下所示： 2/2/203/2013/2103/20 所以预压力为最大轴向负荷的 1/3。过大的预压力，对寿命、散热会带来不良影响。最大预压力定为基本动额定负荷的 10%。 如 图 示，有预压的滚珠螺杆和无预压的滚珠螺杆之弹性变形曲线，当施加预压力的 3 倍之轴向负荷时，有预压的滚珠螺杆其弹性变形只有无预压滚珠螺杆的 1/2。 图 性变形曲线 位精度 给精度误差的因素 进给精度误差的因素中，导程精度、进给系统的刚性是研究的重点，其他像因温升所产生的热变形、导引面的组装精度等因素也需加以考虑。 程精度的选定 累积基准导程与公称导程相同，但由于运转中的温升所导致的螺杆伸长，或因外部负荷致使螺杆伸缩时，为了要加以补 25 正乃将螺杆轴 的基准导程往负或正方向加以补偿。另外，在补正轴伸长的对策方面，于安装时可在螺杆轴上施予预拉力。一般是以支撑轴承的负荷能力以上另加温升 230C 的预拉力。 变形对策 螺杆轴因热而伸长变形，会导致定位精度恶化。热变形的多寡，可由 (计算求得。 (L：热变形量 ：热膨系数 ：螺杆轴的平均温升 L ：指滚珠螺杆的全长 上式可解释为 1000的螺杆在每升 10C 就会有产生12 m 的伸长量。因此即使滚螺杆的导程经过高精度的加工、也会因温升所产