觸摸屏貼合設備中對位平臺的設計與研究

楊子俠， 劉永立， 段青鵬

（中電科風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、觸控感應層、顯示屏、驅動電路等組成。在電容式觸摸屏后段生產制程中，貼合是很重要的工序。全貼合是指用水膠或固態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 視覺對位系統的貼合設備進行貼合是目前設備的發展方向。

1 視覺對位系統概述

圖1 對位系統圖示

本文研究的對位系統是指在觸摸屏制程中觸摸屏與顯示屏全貼合設備中使用的對位系統。方案示意如圖1 所示。對位原理是指，兩個攝像頭識別目標玻璃板上的對位MARK，通過圖像處理系統對數據進行分析計算，計算出目標玻璃板與基準位置的偏差值，PLC 控制系統驅動對位平臺運動，使目標玻離移動到基準位置，實現兩塊玻璃的精確對位貼合。采用圖像對位系統可以保證設備對位的高精度要求，也提高了設備運行的效率。

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，主要構成有工作臺、X向運動機構、Y向運動機構以及角度運動機構。XY方向運動機構是由絲桿、導軌、伺服電機等組成。角度運動多用直驅電機（DD 馬達）實現。XY對位平臺的優點是X方向、Y方向移動行程大，可實現大角度旋轉，但整體結構外形尺寸比較大，適合于空間較大場合使用。

UVW平臺如圖3 所示，主要構成有上工作臺、三軸電機運動機構、下安裝臺。三個方向的電機運動機構被統一安裝在下安裝臺上，三個方向的電機運動，實現上工作臺相對下安裝臺在X、Y、θ 方向上的運動。UVW平臺優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 對位平臺的設計

觸摸屏貼合設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，該設備中對位平臺適合采用UVW平臺形式。依據貼合設備對位平臺的要求，定義平臺的設計參數如下：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 平臺結構的結構設計及運動原理

UVW平臺結構的設計就是在同一平面上的U軸、V軸、W軸安裝三組傳動裝置，簡化結構及運動方式實現如圖4 和表1 所示。

圖4 UVW 平臺的簡化結構

表1 UVW 平臺的運動方式

3.2 UVW 平臺結構三維模型的設計

對位平臺組成主要由上工作臺、三軸運動機構、下安裝臺組成。三軸運動機構是由三組相同結構的單組運動機構組成。每根單軸運動機構由步進電機、X向直線導軌、Y向直線導軌、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，省去聯軸器，電機直接驅動絲杠螺母運動，在保證精度的同時節省了安裝空間。X向、Y向直線導軌通過轉接塊十字交叉安裝，實現滑塊的直線運動。轉接塊與絲杠螺母連接在一起，將電機的旋轉運動轉化為絲杠螺母的直線運動。三軸運動機構對稱布置，并另外設置一組無動力源支撐機構，形成四點支撐結構，可以有效提高平臺的承載能力。三軸電機相互配合運動，實現平面內的三維運動。

4 對位平臺的數學模型公式

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

圖4 UVW 平臺三維結構示意圖

如圖5-1 所示，根據平臺的結構構建UVW平臺的模型示意圖，將平臺三軸支撐點的坐標定義為：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，定義旋轉中心坐標為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點對應的坐標為U0（XU，YU），V0（XV，YV），W0（XW，YW）。

通過以上數學模型中各點坐標定義，計算對位平臺繞O點旋轉，平臺三軸運動機構各方面的移動量為U、V、W。

圖5 對位平臺的數學模型圖

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象。在上述理論設計的基礎上，研制了一臺對位平臺樣機。通過三坐標測量儀檢測上下平臺的平行度，滿足設計要求。將對位平臺安裝在貼合設備上，進行產品的對位貼合試驗。實驗結果如圖6、表2 所示，設備的貼合位置精度可達到±0.05 mm，滿足產品的精度要求。

圖6 貼合產品尺寸示意圖

6 結論

具有視覺對位系統的貼合設備觸摸屏制程中的關鍵設備，隨著智能手機的普及發展，給設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備上進行試驗驗證，表明可以解決貼合設備中對貼合對位的高精度要求，有效提高貼合產品的性能和良率。該對位平臺也可被應用于其他具有視覺對位功能的設備中。

表2 UVW 平臺+CCD 視覺系統貼合位置精度 mm