李 青，祁 麟

（1.東旭集團(tuán)有限公司，石家莊 050021；2.平板顯示玻璃技術(shù)和裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050035）

檢測(cè)與監(jiān)控

玻璃基板垂度自動(dòng)測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)

李 青1,2，祁 麟1,2

（1.東旭集團(tuán)有限公司，石家莊 050021；2.平板顯示玻璃技術(shù)和裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050035）

液晶玻璃基板需要進(jìn)行垂度測(cè)量，以檢測(cè)玻璃的垂度是否符合要求。傳統(tǒng)方法由于操作過程不合理，存在操作誤差，并且由于多點(diǎn)測(cè)量時(shí)間不一致，有時(shí)間差，也會(huì)帶來誤差，造成測(cè)量不準(zhǔn)確。為了消除測(cè)量誤差，提高測(cè)量準(zhǔn)確度，設(shè)計(jì)了一套玻璃基板垂度自動(dòng)測(cè)量裝置。該裝置可以自動(dòng)升降玻璃基板，自動(dòng)調(diào)整支撐架間距并且使用光電測(cè)距傳感器同時(shí)測(cè)量不同點(diǎn)間距，從而得到玻璃的垂度值。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，使用垂度測(cè)量裝置測(cè)量精度達(dá)到0.2mm，保證了玻璃垂度測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性。

玻璃基板；垂度；光電測(cè)距

0　引言

玻璃基板是液晶顯示面板的重要組成部分[1]。玻璃基板垂度是指當(dāng)玻璃基板被一定間距的支撐架支撐起來時(shí)，玻璃中間下垂的程度，通過測(cè)量中間最低點(diǎn)和兩角最高點(diǎn)得到。測(cè)量時(shí)，一個(gè)邊測(cè)量3個(gè)點(diǎn)，檢驗(yàn)時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)邊，共計(jì)6個(gè)點(diǎn)。垂度檢驗(yàn)是玻璃基板必須的檢驗(yàn)項(xiàng)目，若玻璃垂度超過要求值就是廢品[2]。在傳統(tǒng)的玻璃檢驗(yàn)中，垂度測(cè)量采用手動(dòng)測(cè)量，并且操作過程有操作誤差，同時(shí)存在由于不同點(diǎn)測(cè)量時(shí)間不同時(shí)而可能造成的誤差，測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確[3]。我們?cè)O(shè)計(jì)了可以自動(dòng)升降，自動(dòng)檢測(cè)的玻璃垂度測(cè)量裝置，消除手動(dòng)測(cè)量時(shí)的理論誤差，提高測(cè)量準(zhǔn)確度。

1　傳統(tǒng)測(cè)量方式及誤差產(chǎn)生原因

垂度實(shí)驗(yàn)在大理石平臺(tái)上進(jìn)行。在傳統(tǒng)測(cè)量過程中，操作員首先準(zhǔn)備好支撐架，調(diào)整好兩個(gè)支撐架的距離，并且在玻璃上做標(biāo)記，以方便放置玻璃時(shí)對(duì)中。兩個(gè)操作員將玻璃輕輕平放在支撐架上，兩個(gè)支撐架和中間支板3個(gè)點(diǎn)支撐起玻璃基板。然后，操作員手動(dòng)將中間支板向一側(cè)推倒。玻璃基板中間會(huì)下垂。待穩(wěn)定后，操作員使用鋼板尺依此手動(dòng)測(cè)量玻璃兩邊中間最低點(diǎn)和兩個(gè)角最高點(diǎn)共計(jì)6個(gè)點(diǎn)距離平臺(tái)的高度。然后根據(jù)測(cè)量結(jié)果和支撐架的高度計(jì)算出垂度值[4]。圖1中H1、H2和H3表示中間最低點(diǎn)和兩側(cè)最高點(diǎn)測(cè)量值。

圖1　傳統(tǒng)測(cè)量過程示意圖

誤差的產(chǎn)生：玻璃放置好后，中間支板頂端頂起玻璃并施加一定壓力，在操作過程中，支板與玻璃基板之間有摩擦力，支板一側(cè)傾倒，摩擦力會(huì)帶動(dòng)玻璃基板向一側(cè)有約5mm的移動(dòng)，造成兩邊H1和H3測(cè)量結(jié)果的不準(zhǔn)確，產(chǎn)生操作誤差。

圖2　玻璃對(duì)中圖片

圖3　支板向一側(cè)傾倒

圖4　支板傾倒后兩側(cè)位置圖片

在測(cè)量過程中，共需要測(cè)量6個(gè)點(diǎn)，操作人員一般按照一定順序先后依次測(cè)量，測(cè)量不同點(diǎn)之間就會(huì)有時(shí)間差。如果玻璃基板不穩(wěn)定，這段時(shí)間差內(nèi)，會(huì)有微小的蠕變，也會(huì)造成誤差。綜上所述，傳統(tǒng)測(cè)量方法簡(jiǎn)單，但是有其不合理之處，會(huì)造成測(cè)量誤差，影響測(cè)量結(jié)果。為了解決以上問題，提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和測(cè)量裝置的自動(dòng)化水平，我們?cè)O(shè)計(jì)了垂度自動(dòng)測(cè)量裝置。

2　垂度自動(dòng)測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)及優(yōu)點(diǎn)

為了滿足使用要求，自動(dòng)測(cè)量裝置應(yīng)該滿足垂直升降，同時(shí)測(cè)距。自動(dòng)測(cè)量裝置滿足了上述要求，并增加了支撐架間距自動(dòng)調(diào)整等功能，方便使用。自動(dòng)測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　自動(dòng)測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)圖

圖6　自動(dòng)測(cè)量裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)

垂度測(cè)量裝置由底座、滑動(dòng)軌道、支撐滑塊、支撐架、固定支架和升降支架、支撐架驅(qū)動(dòng)組件和光電測(cè)距組件組成。

操作平臺(tái)一般選用表面平整光潔而且不易變形的大理石平臺(tái)。平臺(tái)提供一個(gè)操作空間和測(cè)量基準(zhǔn)。

圖7　底座結(jié)構(gòu)圖

底座由一個(gè)中間挖空的鋼板和兩根方管組成。方管上方對(duì)應(yīng)安裝著滑動(dòng)軌道。每根滑動(dòng)軌道有兩個(gè)軌道滑塊。底座是滑動(dòng)軌道、支撐架驅(qū)動(dòng)組件和光電測(cè)距組件的安裝基準(zhǔn)。同時(shí)為支撐架提供基礎(chǔ)。

圖8　支撐架驅(qū)動(dòng)組件結(jié)構(gòu)圖

支撐架驅(qū)動(dòng)組件由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、聯(lián)軸器、絲杠、左右旋絲杠和支撐架連接板組成。絲杠兩端由絲杠支撐座固定，軸頭通過聯(lián)軸器與驅(qū)動(dòng)電機(jī)相連。絲杠有兩段螺紋，螺紋齒形和螺距相同，旋轉(zhuǎn)方向相反，分別是左旋和右旋。支撐架連接板下面是絲杠螺母，與絲杠嚙合，上面連接板與支撐架相連。安裝時(shí)，兩個(gè)連接板的中心和固定支架的中心及玻璃基板中心重合。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，支撐架連接板以相同速度靠近或離開。調(diào)整支撐架間距時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)會(huì)帶動(dòng)支撐架自動(dòng)調(diào)整。

支撐架通過支撐滑塊固定在滑動(dòng)軌道的滑動(dòng)滑塊上，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過以上機(jī)構(gòu)，支撐架可以自由移動(dòng)。

圖9　光電測(cè)距結(jié)構(gòu)圖

光電測(cè)距傳感器用于測(cè)量探測(cè)點(diǎn)的位置。不同廠家會(huì)對(duì)支撐距離有不同的要求，當(dāng)支撐距離變化時(shí)，玻璃基板展開的最大寬度不同，探測(cè)點(diǎn)的位置會(huì)變化。所以在傳感器下面安裝有燕尾槽軌道，根據(jù)測(cè)量要求調(diào)整傳感器的探測(cè)位置。

支撐架由支撐架基體和半圓接觸面組成。支撐架基體為了減重，中間及兩側(cè)挖空。半圓接觸面是與玻璃基板接觸的部分。采用半圓形接觸面可以與玻璃光滑接觸，避免尖角接觸造成玻璃損傷，并且測(cè)量更準(zhǔn)確。

圖10　支撐架結(jié)構(gòu)圖

圖11　固定支架和升降支架結(jié)構(gòu)圖

固定平臺(tái)和升降平臺(tái)是垂度測(cè)量裝置的核心部件。固定平臺(tái)支撐在底座上，升降平臺(tái)壓在固定平臺(tái)上。升降平臺(tái)和固定平臺(tái)之間有氣囊。氣囊呈環(huán)形。升降平臺(tái)下面有四根氣囊固定桿，卡在氣囊內(nèi)側(cè)，固定氣囊位置。

固定平臺(tái)由固定板、支撐桿和直線軸承組成。4根支撐桿固定在固定板下面，起支撐作用。支撐桿內(nèi)側(cè)安裝有4個(gè)直線軸承，為升降平臺(tái)提供軌道和導(dǎo)向。固定平臺(tái)中間有4個(gè)小孔，氣囊固定桿從孔中穿過。

升降平臺(tái)由升降板、升降導(dǎo)桿和氣囊固定桿組成。升降導(dǎo)桿從直線軸承中穿過。升降平臺(tái)上表面與玻璃基板接觸。上表面正中間處有中間線，用于玻璃基板對(duì)中。升降平臺(tái)的升降運(yùn)動(dòng)由氣囊充放氣完成。

氣囊供氣系統(tǒng)由一個(gè)氣泵、手動(dòng)三通電磁閥和一個(gè)節(jié)流閥組成，中間用氣管連接。充氣時(shí)，打開氣泵，電磁閥動(dòng)作，氣泵和氣囊接通；充氣結(jié)束，關(guān)掉氣泵，電磁閥歸中，保壓；放氣時(shí)，電磁閥反向動(dòng)作，氣囊與大氣相連，在放氣口接有節(jié)流閥，可以調(diào)整放氣口大小和放氣速度，使氣囊緩慢放氣，玻璃平穩(wěn)下降。放氣速度調(diào)整好后，節(jié)流閥不再調(diào)整。

3　垂度測(cè)量裝置測(cè)量過程

玻璃基板垂度測(cè)量過程如下：

第一步：調(diào)整支撐架間距至所需要的距離；

第二步：給氣囊充氣，升降支架上升，當(dāng)升降平臺(tái)上表面和支撐架半圓接觸面最高點(diǎn)平齊時(shí)，上升到位檢測(cè)傳感器檢測(cè)到位，停止；

第三步：將玻璃基板平放在升降板上，根據(jù)中間線，將玻璃基板居中對(duì)齊；

第四步：緩慢放氣，升降平臺(tái)緩慢下降，玻璃基板中間開始下垂。當(dāng)玻璃基板下垂到垂度值時(shí)，玻璃基板和升降平臺(tái)脫開。升降平臺(tái)降至底部；

第五步：打開測(cè)距開關(guān)，讀取距離數(shù)值；

第六步：取下玻璃板，實(shí)驗(yàn)設(shè)備歸位，測(cè)量結(jié)束。

4　電氣控制系統(tǒng)

該項(xiàng)目控制系統(tǒng)采用上下位機(jī)的控制系統(tǒng)。下位機(jī)采集設(shè)備數(shù)據(jù)，上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控并下達(dá)操作指令。本項(xiàng)目采用裝有三維力控軟件的工控機(jī)作為上位機(jī)，西門子PLC作為下位機(jī)。PLC采集數(shù)據(jù)后通過通信協(xié)議上傳到工控機(jī)，可以在工控機(jī)界面上，看到6個(gè)點(diǎn)的距離測(cè)量的數(shù)據(jù)，并根據(jù)支撐點(diǎn)高度和測(cè)量數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算出垂度值和自動(dòng)判別是否合格。在工控機(jī)人機(jī)界面上，可以操作氣泵、氣閥、電機(jī)等運(yùn)動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)如圖12所示。

圖12　控制系統(tǒng)圖

電氣控制系統(tǒng)采用PLC作為控制單元。該項(xiàng)目中，西門子S7-200系列的CPU222作為數(shù)字量輸入輸出的控制器，模擬量擴(kuò)展模塊EM231作為測(cè)距傳感器信號(hào)采集單元[5]。PLC接線圖如圖13所示。

圖13　PLC電路圖

5　結(jié)論

通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，垂度自動(dòng)測(cè)量裝置的采用，是測(cè)量精度有手動(dòng)測(cè)量的0.5mm提高到0.2mm。玻璃基板垂度測(cè)量裝置有效的避免了傳統(tǒng)操作帶來的操作誤差和時(shí)間誤差，提高了測(cè)量精度和穩(wěn)定性。測(cè)量裝置還采用自動(dòng)化控制系統(tǒng)，做到自動(dòng)操作、自動(dòng)定位，自動(dòng)記錄和分析數(shù)據(jù)，為玻璃基板的垂度測(cè)量提供了標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量平臺(tái)。

[1] 田路線,李國(guó)富,吳光文.TFT—LCD玻璃基板簡(jiǎn)介[J].玻璃,2009, (5).

[2] 盧有祥.液晶顯示器用玻璃基板[J].光電技術(shù),2008,50(3).

[3] 夏衛(wèi)文.液晶顯示器(LCD)用基板玻璃淺析[J].玻璃,2003, 6(171).

[4] 劉海燕.TFT—LCD用玻璃基板的性能及檢測(cè)[J].玻璃,2009, 36(1).

[5] 王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京航空航天出版社,2008.

The design of glass substrate vertical automatic measurement instrument

LI Qing1,2, QI Lin1,2

TQ171.65

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1009-0134(2016)07-0052-04

2016-03-22

國(guó)家科技支撐計(jì)劃：典型高性能特種玻璃關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與示范；G8.5液晶玻璃基板生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用開發(fā)（2013BAE03B02-03）

李青（1965 -），女，湖南衡陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)器視覺及圖像處理技術(shù)。