基于光柵尺位移傳感器的液晶玻璃基板在線厚度測量系統設計

李 青，周 波，陳 俊

（1.東旭集團有限公司，石家莊 050021；2.平板顯示玻璃技術和裝備國家工程實驗室，石家莊 050035）

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基于光柵尺位移傳感器的液晶玻璃基板在線厚度測量系統設計

李 青1，2，周 波1，2，陳 俊1，2

（1.東旭集團有限公司，石家莊 050021；2.平板顯示玻璃技術和裝備國家工程實驗室，石家莊 050035）

摘 要：針對原使用的激光三角法玻璃測厚系統的缺陷，分析了目前主流的各類測厚方法后，設計了一種新型的玻璃基板在線測厚系統，該系統采用一對光柵尺式位移傳感器，增加外部觸發采樣功能，提高了采樣間隔的精度，并利用SQL Server和C++ Builder開發了上位控制軟件，具有數據和曲線存儲顯示功能。該系統經實踐測試，能夠在30秒內完成300個采樣點的測量，測量精度達±0.002mm，能夠消除玻璃基板的翹曲和晃動的影響。完全滿足了目前液晶玻璃基板生產的品質保證要求。

關鍵詞：位移傳感器；玻璃基板；測厚

0　引言

液晶玻璃基板是TFT-LCD的關鍵上游材料。玻璃基板的厚度變化量（同一片玻璃基板在要求間距范圍內最厚和最薄處的差值，也稱厚薄差）為品質的一項重要指標，它決定著TFT-LCD制程中多道工序的良率，是首先被下游客戶要求的。然而，隨著技術的進步，玻璃基板變得越來越薄，目前市場主流的玻璃基板厚度已從0.5mm過渡到0.3mm。同時，顯示分辨率的大幅提升也提高了對厚度變化量指標的要求。這都進一步加大了在線測厚系統的設計難度。

作為玻璃基板生產廠家，厚度的測量是重要的品質保證手段。實際生產中的測量要求是：適用于0.3mm～0.5mm厚度玻璃基板的測量；在生產節拍內完成在線測量；在非流向方向間隔5mm采樣；測量精度要求優于0.005mm。關鍵問題就是快速的、高精度的采樣測量。

目前，生產廠家厚度的測量方式，較為普遍的采用離線方式，人工利用千分尺測量。對于自動測厚技術的研究，已有不少人做了大量的研究工作。究其原理，可分為激光三角法測量［1～6］，干涉法測量［7～10］。其中，激光三角法也延伸出了透射法［11］、反射法［2～6］兩大類。反射法中也可改進形成一種自動補償玻璃板上下表面傾斜的單像機雙目視覺傳感器模型［12］，以及利用成對的系統測量上下表面位移進而計算出目標厚度的方法［13］。

為了設計一種適用于液晶玻璃基板的在線測厚系統，我們對上述自動測厚的方法進行分析后，首先因干涉法測量更加適用于厚度小于0.1mm，精度在微米以下的測量，排除了干涉法測量的系統，選擇了激光三角法測厚原理。文獻［1～6］中的研究，采用的是線形激光器、光學透鏡、CCD攝像機的組合方式。而我們考慮到批量制造的需要，選擇了市場上成熟的產品，SICK公司OD5-30T05型傳感器，其原理與文獻［1～6］中所述的系統是一樣的。在此基礎上設計了一型在線測厚儀，陸續制造并實際使用了數臺。使用中發現，這種方法在被測玻璃基板極其穩定時精度很好。然而，在線測量的玻璃基板是難以達到極其穩定的狀態的，必然會伴隨翹曲、晃動等現象，這些現象對測量精度的影響很大。為此，我們設計了玻璃基板夾持機構［14］，以及改進的隨動測量系統［15］，效果有所提高，然并未根本上解決問題。

因此，實際的生產，迫切的需要我們開發一種新型的在線測厚系統，滿足品質保證的需要。

1　測厚系統原理

設計思想是重點解決玻璃基板翹曲和晃動時對測量精度的影響。通過分析，我們發現，玻璃基板翹曲和晃動時，影響測量精度的原因在于，玻璃基板表面與入射激光的角度變化，造成折射后光線角度的偏移。這與最初標定的參數有了偏差，進而影響了測量結果。這是激光三角法測量原理本身決定的，在文獻［12］中也有所提及。其解決方法相對復雜，不利于我們批量化的制造。

我們參考了采用成對激光位移傳感器進行厚度測量的原理［13］，采用相同的原理，但將傳感器改成光柵尺型位移傳感器。傳感器觸頭采用氣壓驅動，可有效的夾緊玻璃基板表面。在玻璃基板發生翹曲和晃動時，仍可緊貼表面，兩只傳感器相互補償偏移量，可大幅的提升測量精度。同時，因為是機械接觸式測量，玻璃基板的翹曲和晃動的影響，得到了很好的解決。

對于采樣間隔5mm的要求，采用了玻璃基板在線輸送，而傳感器靜止掃描的方式。開始測量時，兩只傳感器處于打開狀態，在玻璃基板一條邊緣進入后，由伺服電機帶動傳感器夾緊玻璃基板，完成掃描采樣。采樣間隔的控制采用了外部觸發的方式。在玻璃基板傳送裝置上安裝一個編碼器，由計數器累計編碼器脈沖后，觸發電腦的外部中斷，與傳感器通信采樣一次。

系統的控制，需要控制一臺伺服電機、兩個導向裝置的夾緊氣缸，以及兩個對上位機的觸發信號，采用一臺小型PLC實現。

上位機軟件系統主要包括數據庫模塊、傳感器通信模塊、數據和曲線顯示模塊、自檢模塊和日志記錄模塊。完成玻璃基板的采樣、測量記錄入數據庫，并完成數據和曲線的顯示，并上傳至車間的MES系統中的功能。

2　測厚系統零部件選型和設計

經過市場調查和對比，最終采用KEYENCE公司GT2型位移傳感器，如圖1所示。測量量程12mm，分辨率0.1um，測量精度1mm，氣壓驅動探頭。

圖1　光柵尺型位移傳感器

夾持機構的設計，包括必要的導向機構。采用一條雙螺旋絲杠，由伺服電機帶動，完成傳感器的夾緊和松開動作。

在玻璃基板傳送帶的某根輥輪軸上，安裝增量型編碼器。實際選用歐姆龍E6B2-C型，集電極開路輸出，分辨率2000p/r，以及H7CX轉速表/計數器。采樣間隔的與計數脈沖由式（1）決定。

其中：

P為計數脈沖個數；

S為需要的采樣間隔；

D為玻璃基板傳送帶輥輪直徑。

傳感器與上位電腦的通信，采用的是KEYENCE公司的DL-RS1A通信模塊（如圖2，圖3所示），帶外部觸發點，可與計數器配合，完成外部觸發。在參數設定完畢后，當玻璃基板傳送帶輥輪旋轉帶動玻璃基板移動采用間隔的位移時，編碼器發出的脈沖數與計數器設定數一致，則計數器發送一個10ms的低電平至DL-RS1A通信模塊外部觸發端口（圖3中SG、DRQ）。通信模塊則將傳感器的測量結果通過RS232串口發送至上位機。整個外部觸發/采樣系統如圖4所示。

圖2　傳感器放大器與通信模塊

圖3　通信模塊外部觸發

圖4　外部觸發/采樣系統設計圖

上位工控機采用C++ Builder2010開發測厚系統軟件，基于SQL Server數據庫。軟件主界面如圖5所示。

圖5　測厚系統軟件主界面

上位機軟件系統主要包括數據庫模塊、傳感器通信模塊、數據和曲線顯示模塊、自檢模塊和日志記錄模塊。完成玻璃基板的采樣、測量記錄入數據庫，并完成數據和曲線的顯示，并上傳至車間的MES系統中的功能。數據庫模塊基于SQL Server建立，完成數據的記錄，并通過網絡功能上傳至車間的MES系統，基于C++ Builder自帶的ADO控件完成。傳感器通信模塊基于MSComm控件，完成串口的讀寫，并實時發送詢問信號至傳感器監測通信是否正常。曲線顯示模塊通過TBitmap類實現，后臺完成曲線繪制后再顯示到屏幕上，提高刷新速度和顯示效果。PLC通信模塊基于MITSUBISH的MX+Component控件實現，底層采用以太網通信。

3　實際應用

截至目前，已陸續制造8臺該系統，并應用于生產線。累計測量玻璃基板已超過50萬片。系統運行穩定，測量精度和速度能夠滿足要求。同時，實踐證明，在玻璃基板發生翹曲和晃動時，系統仍然具有較好的測量精度。該系統已申請實用新型專利一項［16］。

4　結論

采用一對光柵尺型位移傳感器為核心，加上必要的外部觸發、通信、伺服及上位控制軟件，設計了一套液晶玻璃基板在線測厚系統。該系統經實踐測試，能夠在30秒內完成300個采樣點的測量，測量精度達±0.002mm，能夠消除玻璃基板翹曲和晃動的影響。滿足了目前液晶玻璃基板生產的品質保證要求。

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Online thickness measurement system design of LCD glass substrate based on grating displacement sensor

LI Qing1，2， ZHOU Bo1，2， CHEN Jun1，2

中圖分類號：TN386.5；TP274.4

文獻標識碼：A

文章編號：1009-0134（2016）05-0021-03

收稿日期：2016-01-27

基金項目：國家科技支撐計劃（2013BAE03B02-03）

作者簡介：李青（1965 -），女，河北人，碩士研究生，研究方向為機械設計。