楊子俠， 劉永立， 段青鵬

（中電科風(fēng)華信息裝備股份有限公司， 山西 太原 030024）

電容式觸摸屏主要由蓋板保護玻璃、觸控感應(yīng)層、顯示屏、驅(qū)動電路等組成。在電容式觸摸屏后段生產(chǎn)制程中，貼合是很重要的工序。全貼合是指用水膠或固態(tài)膠將觸摸屏與顯示面板以無縫隙的方式完全黏貼在一起，相比于框貼來說，有以下優(yōu)點：沒有屏幕中間的空氣層，降低了光線反射，增強了屏幕的顯示效果；用水膠或固態(tài)膠填充中間的空隙層，避免了灰塵和水汽的進入；貼合后模塊的總厚度降低。

上、下兩塊玻璃基板貼合后會存在位置精度誤差，不同的產(chǎn)品要求位置精度誤差不相同。從貼合后精度誤差角度可將貼合分為物理邊定位和CCD 視覺對位兩種方式。隨著智能手機的不斷發(fā)展，手機對貼合誤差精度有較高的要求，采用具有CCD 視覺對位系統(tǒng)的貼合設(shè)備進行貼合是目前設(shè)備的發(fā)展方向。

1 視覺對位系統(tǒng)概述

圖1 對位系統(tǒng)圖示

本文研究的對位系統(tǒng)是指在觸摸屏制程中觸摸屏與顯示屏全貼合設(shè)備中使用的對位系統(tǒng)。方案示意如圖1 所示。對位原理是指，兩個攝像頭識別目標(biāo)玻璃板上的對位MARK，通過圖像處理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行分析計算，計算出目標(biāo)玻璃板與基準(zhǔn)位置的偏差值，PLC 控制系統(tǒng)驅(qū)動對位平臺運動，使目標(biāo)玻離移動到基準(zhǔn)位置，實現(xiàn)兩塊玻璃的精確對位貼合。采用圖像對位系統(tǒng)可以保證設(shè)備對位的高精度要求，也提高了設(shè)備運行的效率。

2 兩種典型對位平臺的介紹

對位平臺主要是實現(xiàn)視覺對位后偏差位置的移動，包括X方向運動、Y方向運動以及角度運動。目前，常用的對位平臺形式有XY平臺和UVW平臺兩種。

XY平臺如圖2 所示，主要構(gòu)成有工作臺、X向運動機構(gòu)、Y向運動機構(gòu)以及角度運動機構(gòu)。XY方向運動機構(gòu)是由絲桿、導(dǎo)軌、伺服電機等組成。角度運動多用直驅(qū)電機（DD 馬達）實現(xiàn)。XY對位平臺的優(yōu)點是X方向、Y方向移動行程大，可實現(xiàn)大角度旋轉(zhuǎn)，但整體結(jié)構(gòu)外形尺寸比較大，適合于空間較大場合使用。

UVW平臺如圖3 所示，主要構(gòu)成有上工作臺、三軸電機運動機構(gòu)、下安裝臺。三個方向的電機運動機構(gòu)被統(tǒng)一安裝在下安裝臺上，三個方向的電機運動，實現(xiàn)上工作臺相對下安裝臺在X、Y、θ 方向上的運動。UVW平臺優(yōu)點是平臺整體的高度降低，重量減輕，提高了空間的利用率，移動距離較小。

圖2 XYθ 平臺

圖3 UVW 平臺

3 對位平臺的設(shè)計

觸摸屏貼合設(shè)備貼合時要求對位平臺整體上升移動，對平臺的外形尺寸及重量有較高要求，該設(shè)備中對位平臺適合采用UVW平臺形式。依據(jù)貼合設(shè)備對位平臺的要求，定義平臺的設(shè)計參數(shù)如下：平臺尺寸為170 mm×170 mm×80 mm；平臺運動行程為±5 mm，角度為±5°。

3.1 UVW 平臺結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動原理

UVW平臺結(jié)構(gòu)的設(shè)計就是在同一平面上的U軸、V軸、W軸安裝三組傳動裝置，簡化結(jié)構(gòu)及運動方式實現(xiàn)如圖4 和表1 所示。

圖4 UVW 平臺的簡化結(jié)構(gòu)

表1 UVW 平臺的運動方式

3.2 UVW 平臺結(jié)構(gòu)三維模型的設(shè)計

對位平臺組成主要由上工作臺、三軸運動機構(gòu)、下安裝臺組成。三軸運動機構(gòu)是由三組相同結(jié)構(gòu)的單組運動機構(gòu)組成。每根單軸運動機構(gòu)由步進電機、X向直線導(dǎo)軌、Y向直線導(dǎo)軌、交叉滾子軸承、位置傳感器組成（見圖4）。電機為KSS 公司高性能5 相步進電機，它將滾珠絲杠與電機軸直連，省去聯(lián)軸器，電機直接驅(qū)動絲杠螺母運動，在保證精度的同時節(jié)省了安裝空間。X向、Y向直線導(dǎo)軌通過轉(zhuǎn)接塊十字交叉安裝，實現(xiàn)滑塊的直線運動。轉(zhuǎn)接塊與絲杠螺母連接在一起，將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為絲杠螺母的直線運動。三軸運動機構(gòu)對稱布置，并另外設(shè)置一組無動力源支撐機構(gòu)，形成四點支撐結(jié)構(gòu)，可以有效提高平臺的承載能力。三軸電機相互配合運動，實現(xiàn)平面內(nèi)的三維運動。

4 對位平臺的數(shù)學(xué)模型公式

完成對位平臺各部件的組裝后，通過三軸運動機構(gòu)中各軸的位置傳感器，確定平臺的基準(zhǔn)位置，也就是上工作臺與下安裝臺的初始零點位置。

圖4 UVW 平臺三維結(jié)構(gòu)示意圖

如圖5-1 所示，根據(jù)平臺的結(jié)構(gòu)構(gòu)建UVW平臺的模型示意圖，將平臺三軸支撐點的坐標(biāo)定義為：U（UX，UY），V（VX，VY），W（WX，WY）。如圖5-2 所示，平臺從初始位置開始，移動（X，Y，θ）后，到達虛線位置，定義旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)為O（at，bt），平臺的移動量為（X，Y，θ），平臺移動后，平臺上的原三軸支撐點U點、V點、W點對應(yīng)的坐標(biāo)為U0（XU，YU），V0（XV，YV），W0（XW，YW）。

通過以上數(shù)學(xué)模型中各點坐標(biāo)定義，計算對位平臺繞O點旋轉(zhuǎn)，平臺三軸運動機構(gòu)各方面的移動量為U、V、W。

圖5 對位平臺的數(shù)學(xué)模型圖

5 對位平臺在觸摸屏貼合機上的試驗驗證

通過三維建模軟件的干涉分析可知，對位平臺在移動的過程中無干涉現(xiàn)象。在上述理論設(shè)計的基礎(chǔ)上，研制了一臺對位平臺樣機。通過三坐標(biāo)測量儀檢測上下平臺的平行度，滿足設(shè)計要求。將對位平臺安裝在貼合設(shè)備上，進行產(chǎn)品的對位貼合試驗。實驗結(jié)果如圖6、表2 所示，設(shè)備的貼合位置精度可達到±0.05 mm，滿足產(chǎn)品的精度要求。

圖6 貼合產(chǎn)品尺寸示意圖

6 結(jié)論

具有視覺對位系統(tǒng)的貼合設(shè)備觸摸屏制程中的關(guān)鍵設(shè)備，隨著智能手機的普及發(fā)展，給設(shè)備制造商帶來很大的機遇。本文所述的對位平臺，通過樣機制造并在貼合設(shè)備上進行試驗驗證，表明可以解決貼合設(shè)備中對貼合對位的高精度要求，有效提高貼合產(chǎn)品的性能和良率。該對位平臺也可被應(yīng)用于其他具有視覺對位功能的設(shè)備中。

表2 UVW 平臺+CCD 視覺系統(tǒng)貼合位置精度 mm