基于Workbench 的汽車屏幕制造夾具設(shè)計(jì)分析

李強(qiáng)，李浙昆

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院）

0 引言

有機(jī)發(fā)光二極（OranicLight-Emitting Diode）是指有機(jī)半導(dǎo)體材料和發(fā)光材料在電場的驅(qū)動下，通過載流子注入和復(fù)合導(dǎo)致發(fā)光的現(xiàn)象。由于其輕薄、功耗低、柔韌性好、效率高的特點(diǎn)被廣泛用于顯示器的制作與生產(chǎn)，OLED 屏幕主要用于汽車屏幕等電子產(chǎn)品中。

隨著車載液晶顯示屏普及率越來越高，其需求量也越大，有效減少大玻璃基板的變形是提高良品率、檢測合格率的重要方法。由于基板的厚度一般在1 mm 以下，越薄的玻璃基板也將帶來越大的變形。玻璃基板的變形過大，不僅會造成基板的永久性變形、崩邊、碎裂，還會增加減薄、封裝、檢測等工序難度。文獻(xiàn)[1-3]對于汽車儀表玻璃基板的夾具設(shè)計(jì)分析研究中，分析對比得到，大尺寸玻璃基板夾具具有夾持基板并實(shí)現(xiàn)小角度轉(zhuǎn)動功能，目的是改善玻璃基板的邊界條件，從而實(shí)現(xiàn)減小玻璃基板的變形；文獻(xiàn)[4]在氣浮平臺系統(tǒng)中利用Workbench 分析改善毛細(xì)管排布間距、供氣氣壓減小玻璃基板最大繞度；文獻(xiàn)[5-7]利用有限元分析軟件和統(tǒng)計(jì)平方公差法對玻璃基板的形變的預(yù)測，得出多點(diǎn)并結(jié)合一點(diǎn)的測量形變值能預(yù)測基板的形變；文獻(xiàn)[3,8-9]對PDP 放電單元玻璃基板形變研究中，實(shí)驗(yàn)得出，玻璃基板的變形與機(jī)械常數(shù)泊松比與楊氏模量相關(guān)；文獻(xiàn)[10-11]在增力自鎖型夾具設(shè)計(jì)與力學(xué)計(jì)算的研究中，對于氣壓增力自鎖機(jī)構(gòu)計(jì)算分析，得出增力機(jī)構(gòu)可減小機(jī)構(gòu)的沖擊力。

以0.5 mm 常見尺寸的OLED 玻璃基板為研究對象，研究玻璃基板的受力與應(yīng)變分析，并使用氣動增力夾具，減小其變形。通過仿真來驗(yàn)證改變受力大小對玻璃基板變形的影響，為進(jìn)一步減小玻璃基板變形，提高檢測等工序的合格率提供理論基礎(chǔ)。

1 玻璃基板變形分析

隨著OLED 屏幕技術(shù)逐漸成熟，OLED 屏幕的尺寸也隨之越來越大，基板變形量形成原因主要是由于自重下垂，自重越重，基板變形量也越大，基板變形量越大，受重力影響所造成的繞度越大。

1.1 基板變形理論分析

玻璃基板的變形可以被認(rèn)為是彈性變形，而自然放置情況下的玻璃基板可以簡化為簡支梁。圖1 為玻璃基板自然放置時的示意圖，根據(jù)劉鴻文主編的材料力學(xué)[13]可以得到簡支梁的彎曲變形圖2。

圖1 玻璃基板自然放置時示意圖Fig.1 Schematic diagram of glass substrate when placed naturally

圖2 簡支梁彎曲變形圖Fig.2 Bending deformation diagram of simply supported beam

1.2 玻璃基板繞度極值計(jì)算

撓曲的近似微分方程如式（1）所示，對其積分三次得式（2）

式中：M——彎矩；E——彈性模量；I——截面慣性矩；w——最大變形；q——均勻分布的力；l——長度。

鉸鏈上撓度為0，故x=0 時，w=0。因?yàn)榱豪碚撋现行膶ΨQ，故時w'=0，代入式（1）與式（2），得，D=0。

撓曲線方程為式（3），撓度極值為式（4），截面慣性矩的計(jì)算公式為式（5）。

式中：E——彈性模量；I——截面慣性矩；q——均勻分布的力；l——長度；w——最大變形；b ——寬度；h——高度。

玻璃基板所受到自重為

式中：E——彈性模量；q——均布力；L——長度；I——截面慣性矩；b——寬度；h——高度；p——密度。

2 氣動增力夾具設(shè)計(jì)

在對自然放置的玻璃基板研究中可以得出，隨著玻璃基板尺寸的變大，采用自然放置玻璃基板會在自重的影響下?lián)p壞。故需要夾具對玻璃基板夾持減小其形變的程度。

2.1 傳統(tǒng)氣動夾具結(jié)構(gòu)與計(jì)算

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，會采用氣動夾具減小玻璃基板形變的程度，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示，這種傳統(tǒng)夾具產(chǎn)生的夾緊力(不考慮摩擦阻力)為

在考慮摩擦阻力時，夾緊力可用式（8）計(jì)算，μ為氣缸的傳遞效率，通常取0.7～0.9。

式中：F——?dú)飧桩a(chǎn)生的夾緊力；P——?dú)飧姿x擇的氣壓；R——?dú)飧谆钊陌霃健氖街锌梢缘弥瑸榱说玫皆酱髪A緊力，只有提升氣壓或者活塞半徑。隨著玻璃基板的尺寸越來越大，在傳統(tǒng)夾具中提升夾緊力減小形變尺寸，只有通過增加氣缸體積或者氣體的壓力實(shí)現(xiàn)。圖3 為傳統(tǒng)夾具的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 傳統(tǒng)夾具結(jié)構(gòu)示意圖（單側(cè)）Fig.3 Schematic diagram of traditional fixture structure (one side)

2.2 氣動增力夾具結(jié)構(gòu)介紹

針對玻璃基板自然放置時變形過大的問題，同時為了解決傳統(tǒng)夾具增加夾緊力，只能采取增加缸體體積和氣壓的弊端，本文設(shè)計(jì)采用氣動增力夾具。夾具為對稱的機(jī)構(gòu)，為方便介紹，只介紹其中一側(cè)。新型氣動增力夾具所采用的方案如圖4 所示。

圖4 氣動增力機(jī)構(gòu)（單側(cè)）Fig.4 Pneumatic booster mechanism (one side)

本設(shè)計(jì)最重要的部件采用杠桿原理，在無額外增加氣缸的直徑與氣路中的氣壓前提下，提升夾緊力。增加夾緊力的目的是改變玻璃基板的邊界條件和受力情況，實(shí)現(xiàn)大幅度減小夾持大尺寸玻璃基板時的變形。本夾具適合在玻璃基板加工、檢測等工藝時使用。圖5 為氣動增力夾具的工作示意圖。

圖5 氣動增力夾具的工作示意圖Fig.5 Schematic diagram of pneumatic booster clamp

2.3 氣動增力夾具夾緊力計(jì)算

本文所設(shè)計(jì)的氣動增壓夾具的杠桿部分如圖6 所示，主要參數(shù)包括短桿L1，長桿L2，以及二桿之間的夾角γ。其活塞部分如圖7 所示，主要參數(shù)包括氣壓P，活塞直徑D。

圖6 杠桿部分Fig.6 Lever part

圖7 活塞部分Fig.7 Piston part

在不考慮摩擦力時，理論夾具輸出力F 可用式（9）計(jì)算

如果考慮到摩擦力的影響，夾具夾緊力F 可用式（10）計(jì)算，其中μ1為氣缸傳動效率，一般取0.7～0.9；μ2為杠桿傳動效率，取0.97。

式中：F——夾緊力；p——?dú)鈮海籇——液壓缸活塞的直徑；L1，L2——杠桿兩端桿長度；γ——L1桿和L2桿的夾角。

3 基板在夾具上的變形分析

本文所研究對象為5 種常見尺寸的玻璃基板，其尺寸為表1，其厚度均為0.5 mm，玻璃基板的基本物理屬性如表2 所示。

表1 玻璃基板常見尺寸Tab.1 Common dimensions of glass substrate

表2 玻璃基板物理屬性Tab.2 Physical properties of glass substrate

3.1 基板的有限元分析

根據(jù)理論推導(dǎo)可知，尺寸編號為3 的玻璃基板在自重的影響下最大形變?yōu)?09.691 3 mm，同理可以推導(dǎo)出其他幾種常見尺寸玻璃基板的最大形變，如表3 所示。通過表3 可以看到隨著尺寸的增大，最大變形也隨之越大。

表3 常見玻璃基板的理論變形尺寸Tab.3 Theoretical deformation dimensions of common glass substrates

本文利用ANSYS Workbench 對玻璃基板的形變進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析。圖8 為網(wǎng)格劃分，圖9 為玻璃基板自然放置時的形變結(jié)果示意圖。從圖9 中可以看出，編號為3 的玻璃基板最大形變在中間位置，變形量為112.93 mm。ANSYS Workbench 軟件仿真結(jié)果與理論推導(dǎo)變形量相差2.87%，可以得出仿真結(jié)果具有可信度。

圖8 網(wǎng)格劃分后的單元Fig.8 Grid-divided cells

圖9 玻璃基板的變形仿真Fig.9 Deformation simulation of glass substrate

分析玻璃基板變形仿真圖，可以發(fā)現(xiàn)玻璃基板變形尺寸是對稱分布，隨著靠近兩端支撐，其變形量隨之減小；隨著靠近兩端支撐其變形量的變化速度越快。

對于其他幾種常見玻璃基板的理論與軟件仿真數(shù)值對比如表4 所示。理論與仿真存在一定的差異，隨著玻璃基板的尺寸變大，相差值也隨之變大。通過表4 可以得知理論與仿真相差最大為4.12%，但在可接受范圍之內(nèi)，所以仿真結(jié)果可以接受。不過隨著玻璃基板的尺寸加大，在實(shí)際情況下，自然放置的玻璃基板已經(jīng)損壞，仿真與理論推導(dǎo)結(jié)果不具可信性，只作對比使用。

表4 有限元軟件分析與理論推導(dǎo)對比Tab.4 Comparison between finite element software analysis and theoretical derivation

3.2 使用傳統(tǒng)氣動夾具時的形變

利用ANSYS 有限元軟件進(jìn)行仿真，其中氣壓取0.1 MPa，氣缸采用型號為SU32*100-S-H其直徑為32 mm，氣缸的傳遞效率取0.9。

根據(jù)式（8）計(jì)算可得單側(cè)夾緊力為70.899 N。軟件中玻璃基板建模尺寸為長度880 mm，寬度680 mm，厚度0.5 mm，仿真結(jié)果如圖10 所示。

圖10 傳統(tǒng)夾具玻璃基板仿真Fig.10 Simulation of traditional fixture glass substrate

通過軟件仿真可知，最大變形在玻璃基板中央處，最大形變?yōu)?7.394 mm。其他幾種常見玻璃基板變形情況見表5。

表5 傳統(tǒng)夾具玻璃基板變形尺寸Tab.5 Deformation dimension of glass substrate of traditional fixture

通過表5 可知，相對比于自然放置，傳統(tǒng)夾具下的玻璃基板變形尺寸大幅度減小。但是編號為4、5 的大尺寸玻璃基板變形依然明顯，在實(shí)際使用過程中，為了進(jìn)一步減小變形尺寸，通常采取的做法是加大氣壓或者使用活塞直徑更大的氣缸，這無疑增加了成本與體積。

3.3 氣動增力夾具產(chǎn)生的形變

本文所設(shè)計(jì)的氣動增力夾具，其夾緊力計(jì)算見式（10），參數(shù)使用短邊L1 取25 mm、長邊L2 取50 mm、γ取30°、μ1取0.9、μ2取0.97，其他參數(shù)與傳統(tǒng)夾具使用參數(shù)一致。計(jì)算得知單側(cè)夾緊力為121.04 N。仿真結(jié)果如圖11 所示。

圖11 氣動增力夾具玻璃基板仿真Fig.11 Simulation of glass substrate of pneumatic booster fixture

通過軟件仿真可知，最大變形在玻璃基板中央處，最大形變?yōu)?.407 4mm。其他幾種常見玻璃基板變形情況見表6。

表6 氣動增力夾具玻璃基板變形尺寸Tab.6 Deformation dimension of glass substrate of pneumatic booster fixture

通過表6 可知，相對比于自然放置與傳統(tǒng)夾具，使用氣動增力夾具時玻璃基板變形尺寸進(jìn)一步大幅度減小，尤其是對于編號為4、5 的大尺寸玻璃基板變形改善尤為明顯。相對于傳統(tǒng)夾具，在不改變氣缸的直徑與氣壓條件下，只改變部分結(jié)構(gòu)，就可以明顯減小玻璃基板變形尺寸。

通過圖12 可以看出，尺寸越大的玻璃基板使用氣動增力夾具的效果越明顯。使用氣動增力夾具相對于傳統(tǒng)夾具能進(jìn)一步減小玻璃基板變形尺寸，可以提高玻璃基板在生產(chǎn)良品率、檢測合格率。

圖12 玻璃基板變形對比圖Fig.12 Comparison of deformation of glass substrate

4 結(jié)論

（1）研究大玻璃尺寸變形分析結(jié)果可知，其最大變形量在玻璃基板中心處，變形量大小對稱分布，越靠近兩端其變形量的變化速度越快。

（2）對玻璃基板的變形進(jìn)行理論分析和仿真模擬，并作相關(guān)對比發(fā)現(xiàn)，改變玻璃基板的受力，即增大玻璃基板兩端所受拉力，可以減小玻璃基板的最大變形量和增大變形曲率。

（3）要利用氣動夾具減小玻璃基板的最大變形量，可通過增大氣壓、增大氣缸直徑、改變氣動夾具結(jié)構(gòu)。增大氣壓、增大氣缸直徑會增大設(shè)備體積與成本。通過改變氣動夾具結(jié)構(gòu)，利用基于杠桿原理的氣動增力夾具增大玻璃基板兩端所受的拉力，減小玻璃基板變形尺寸。