面向曲面顯示屏的玻璃蓋板貼合裝備關(guān)鍵技術(shù)研究

趙健州，張國軍,，明五一

(1.廣東省智能機(jī)器人研究院，廣東東莞 523808；2.廣東華中科技大學(xué)工業(yè)技術(shù)研究院，廣東東莞 523808)

0 前言

目前，液晶顯示屏上的玻璃蓋板主要還是以平面為主，市場上對應(yīng)的貼合工藝裝備也只能面向平面玻璃蓋板。隨著液晶屏幕技術(shù)的不斷革新，特別是OLED技術(shù)的突破，以及新能源電動汽車的興起，曲面顯示屏的應(yīng)用越來越廣泛，且為達(dá)到不同的顯示效果，其曲面的弧度越來越多樣化。在5G技術(shù)和人工智能的加持下，智能穿戴、智能汽車、智慧家居等將帶動新一輪產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，曲面顯示屏作為終端交互入口是不可缺失的關(guān)鍵零部件。顯示屏技術(shù)的更新意味著生產(chǎn)工藝技術(shù)及對應(yīng)的裝備必須隨之更新。對比傳統(tǒng)的絲印工藝和新興的黃光蝕刻工藝，貼合工藝具備成本低、效率高、效果相當(dāng)?shù)葍?yōu)勢[1]。

有鑒于此，本文作者設(shè)計(jì)一種面向曲面顯示屏的玻璃蓋板貼合裝備，該裝備能實(shí)現(xiàn)曲面玻璃蓋板與保護(hù)膜、OCA、ITO Film、Sensor Film等軟性材料之間的全面貼合。

1 貼合工藝流程

平面玻璃蓋板經(jīng)過熱彎加工成曲面玻璃蓋板后，需要對玻璃蓋板表面進(jìn)行印刷處理，其對應(yīng)的工藝方法有絲印、黃光蝕刻和貼合，表面印刷處理完后需要在玻璃蓋板上層貼保護(hù)膜，下層貼Sensor Film，然后再與LCM模組貼合。其中與LCM模組貼合屬于真空貼合，需要先在玻璃蓋板上貼合一層可溶膠，即OCA，然后在真空腔體加壓加熱環(huán)境下完成貼合。玻璃蓋板部分貼合工藝流程參考圖1[2]。

圖1 玻璃蓋板部分貼合工藝流程

貼合工藝分輥輪滾動貼合和真空腔體貼合。玻璃蓋板與保護(hù)膜、OCA、ITO Film、Sensor Film等軟性材料之間的貼合適合輥輪滾動貼合，而與LCM模組等硬性材料之間的貼合適合真空腔體貼合。文中主要研究輥輪滾動貼合[3]。

根據(jù)曲面玻璃蓋板貼合工藝流程，文中所設(shè)計(jì)的曲面玻璃蓋板貼合裝備包含曲面玻璃蓋板上料平臺、自動貼合系統(tǒng)、CCD自動定位系統(tǒng)、輥輪滾壓單元、靜電除塵單元等核心機(jī)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 曲面玻璃蓋板貼合裝備核心組成部分

2 關(guān)鍵技術(shù)

為保證所設(shè)計(jì)的曲面玻璃蓋板貼合裝備能滿足生產(chǎn)制造性能指標(biāo)要求，該裝備有多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)需要攻克，主要包括CCD視覺自動定位技術(shù)、軌跡跟隨控制技術(shù)、自動控制技術(shù)等[4]。

2.1 CCD視覺自動定位技術(shù)

因?yàn)榍娌Ａw板與軟性材料貼合時需保證0.05 mm的貼合精度，所以在裝備設(shè)計(jì)時需使用CCD視覺定位[5]。有別于傳統(tǒng)平面玻璃蓋板貼合機(jī)，曲面玻璃蓋板對視覺定位技術(shù)要求更高，難度更大。其一是因?yàn)榍嫘螤疃鄻樱瑢τ谝曈X光源打光要求高，況且玻璃還是透明材質(zhì)；其二是曲面顯示屏尺寸較大，一般在35.56 cm(14英寸)以上，視覺鏡頭安裝配置難度大[6]。為解決上述問題，在設(shè)計(jì)上采用8顆CCD相機(jī)進(jìn)行定位，其中曲面玻璃蓋板平臺上方安裝4顆，貼合平臺上方安裝4顆，安裝示意圖如圖3所示。

圖3 CCD相機(jī)安裝示意

在自動貼合平臺下面，連接著一臺UVW平臺。CCD視覺系統(tǒng)與UVW平臺組成自動對位系統(tǒng)，共同完成待貼合軟性材料的自動定位動作。其中UVW平臺由3個主動軸(X1、X2、Y)和1個從動軸組成，X及Y方向的位移量為X和Y方向上的直線動作，θ方向的位移量是UVW三軸同時動作的合成位移量，通過這3個主動軸的移動來實(shí)現(xiàn)位置和角度的調(diào)整。UVW平臺結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 UVW平臺結(jié)構(gòu)

需計(jì)算UVW平臺旋轉(zhuǎn)角度Δθ，3個主動軸相對進(jìn)給量算法公式如下：

X1軸:ΔX1=Rcos(Δθ+θx1)-Rcos(θx1)

(1)

X2軸:ΔX2=Rcos(Δθ+θx2)-Rcos(θx2)

(2)

Y軸:ΔY=Rsin(Δθ+θy)-Rsin(θy)

(3)

其中:ΔX1表示旋轉(zhuǎn)后的X1軸進(jìn)給量(mm)；ΔX2表示旋轉(zhuǎn)后的X2軸進(jìn)給量(mm)；ΔY表示旋轉(zhuǎn)后的Y軸進(jìn)給量(mm)；θ代表需旋轉(zhuǎn)的角度(°)；R代表三軸單體中心對應(yīng)的假想圓半徑(mm)；θx1代表假想圓圓心與X1軸中心連線相對于X+軸夾角(°)；θx2代表假想圓圓心與X2軸中心連線相對于X+軸夾角(°)[7]。

為實(shí)現(xiàn)待貼合軟性材料自動定位，CCD相機(jī)先對上料平臺和自動貼合平臺進(jìn)行標(biāo)定，彼此建立相對坐標(biāo)系關(guān)系;上料平臺4臺CCD相機(jī)對曲面玻璃蓋板邊緣角進(jìn)行拍照，抓取每個角的兩條邊緣線交點(diǎn)作為產(chǎn)品標(biāo)定點(diǎn)，如圖5所示，玻璃蓋板邊沿線a和邊沿線b的延長線交點(diǎn)為c，c則是玻璃蓋板其中一個標(biāo)定點(diǎn);同理自動貼合平臺4臺CCD相機(jī)對待貼合軟性材料邊緣角進(jìn)行拍照抓取4個標(biāo)定點(diǎn)，C是軟性材料其中一個標(biāo)定點(diǎn);然后以上料平臺作為基準(zhǔn)點(diǎn)，自動貼合平臺作為調(diào)整平臺,兩邊CCD相機(jī)拍照完成后，工控機(jī)系統(tǒng)依據(jù)兩邊產(chǎn)品位置誤差，輸出調(diào)整數(shù)值至運(yùn)動控制卡;運(yùn)動控制卡輸出運(yùn)動指令至UVW平臺移動軸進(jìn)行位置調(diào)整，UVW平臺帶動自動貼合平臺運(yùn)動，自此完成產(chǎn)品自動定位。

圖5 CCD視覺抓拍標(biāo)定

2.2 軌跡跟隨控制技術(shù)

文中所設(shè)計(jì)的曲面玻璃蓋板貼合裝備是采用輥輪滾動貼合方式。因?yàn)椴Ａ螤畈灰?guī)則，采用傳統(tǒng)PLC插補(bǔ)方式無法達(dá)到精準(zhǔn)控制，且插補(bǔ)算法無法保證運(yùn)動路徑與產(chǎn)品弧度一致，將造成部分區(qū)域無法接觸或過壓等不良現(xiàn)象，如增加壓力傳感器，控制起來比較麻煩，且增加成本，故必須引入新的控制方式。

此次設(shè)計(jì)采用運(yùn)動控制器方式，在原有控制器平臺上做二次開發(fā)。針對曲面顯示屏玻璃蓋板常見形狀，開發(fā)專用軌跡生成器，操作者只需要把曲面玻璃蓋板的CAD圖紙，通過專用軟件即可生成運(yùn)動軌跡的G代碼。如圖6所示，G代碼導(dǎo)入運(yùn)動控制器后自動產(chǎn)生運(yùn)動路徑，這個運(yùn)動路徑與曲面玻璃蓋板的弧度完全一致，運(yùn)動路徑上速度可控，如在弧度拐彎處需慢速，從而達(dá)到貼合工藝的要求。圖6里面的1～15位置對應(yīng)表1里面G代碼程序相應(yīng)的序號。

圖6 路徑軌跡生成運(yùn)動G代碼

表1 部分路徑軌跡G代碼程序

為使自動貼合平臺能完全按照曲面玻璃蓋板弧度路徑運(yùn)動，自動貼合平臺自身需具備上升下降移動功能，通過平臺的左右直線運(yùn)動與膠輥上下移動機(jī)構(gòu)直線運(yùn)動的插補(bǔ)算法實(shí)現(xiàn)平臺的曲面運(yùn)動。自動貼合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示，整個平臺固定在直線導(dǎo)軌上，通過伺服電機(jī)帶動絲杠實(shí)現(xiàn)左右移動；上升調(diào)節(jié)平臺同樣是伺服電機(jī)帶動絲杠實(shí)現(xiàn)上下移動，實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)品貼合位置的調(diào)整；UVW平臺實(shí)現(xiàn)自動貼合平臺左右位置和旋轉(zhuǎn)中心調(diào)整；膠輥上下移動機(jī)構(gòu)在貼合過程中與移動平臺實(shí)現(xiàn)曲面運(yùn)動路徑插補(bǔ)。

圖7 自動貼合系統(tǒng)組成

2.3 自動控制技術(shù)

所設(shè)計(jì)的曲面玻璃蓋板貼合裝備以工控機(jī)作為主控制單元，對裝備的各平臺實(shí)現(xiàn)全自動化控制，控制架構(gòu)如圖8所示。工控機(jī)與視覺系統(tǒng)通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信，視覺系統(tǒng)采集到數(shù)據(jù)后通過計(jì)算把位置調(diào)整數(shù)據(jù)發(fā)送至工控機(jī)，工控機(jī)輸出指令控制視覺鏡頭拍照時間。工控機(jī)與運(yùn)動控制卡通過RS232協(xié)議連接，工控機(jī)把接收到的視覺系統(tǒng)位置調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸給運(yùn)動控制卡，運(yùn)動控制卡把命令執(zhí)行情況反饋給工控機(jī)。運(yùn)動控制卡與伺服驅(qū)動器通過EtherCAT通信協(xié)議連接，控制各平臺伺服電機(jī)動作[8]。運(yùn)動控制卡與HMI人機(jī)界面通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信，運(yùn)動控制卡把設(shè)備運(yùn)動狀態(tài)實(shí)時傳送至HMI人機(jī)界面進(jìn)行顯示，HMI人機(jī)界面接收操作指令發(fā)送給運(yùn)動控制卡完成對相關(guān)機(jī)構(gòu)動作的控制，同時對異常狀態(tài)進(jìn)行警告，并記錄維護(hù)維修日志，為曲面貼合裝備調(diào)試安裝提供便捷的操作功能，保障裝備安全穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。運(yùn)動控制卡與周邊傳感器、氣動零件控制、安全光柵、靜電除塵系統(tǒng)等通過I/O控制[9]。

圖8 自動化控制架構(gòu)

裝備上電啟動后，其生產(chǎn)動作流程為：操作人員上料，按鈕啟動，視覺拍照和對位平臺調(diào)整，玻璃蓋板上料平臺翻轉(zhuǎn)，自動貼合平臺移動并貼合，玻璃蓋板上料平臺翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)品貼合完成。在整個過程中，自動控制的流程時序如圖9所示[10]。

圖9 自動控制流程時序

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證曲面玻璃蓋板貼合裝備性能參數(shù)，選取2款曲面玻璃蓋板各30片進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過程如圖10所示。

圖10 曲面貼合裝備試驗(yàn)過程

選取2款不同型號的玻璃蓋板共60片進(jìn)行貼合試驗(yàn)，通過程序設(shè)置時間計(jì)算器測試貼合機(jī)時間(兩邊平臺產(chǎn)品放置后按下啟動按鈕開始至貼合完成為止)，目測觀察貼合后產(chǎn)品外觀情況，通過影像測量儀(HEXAGON Optiv Classic)測量產(chǎn)品貼合精度。對試驗(yàn)的60片玻璃蓋板，隨機(jī)抽取S形和V形蓋板各15片，合計(jì)30片，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，貼合時間平均為14.9 s/片，貼合精度為0.058 mm，良品率為96.67%。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)參考表2。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論與展望

設(shè)計(jì)并制造一種面向曲面顯示屏的玻璃蓋板貼合裝備，主要解決液晶顯示新技術(shù)帶來的新工藝變革及新裝備迭代。通過試驗(yàn)并使用得出的主要結(jié)論如下：

(1)在曲面玻璃蓋板貼合裝備中，其重點(diǎn)和難點(diǎn)是要保證產(chǎn)品貼合精度和貼合效果，確保產(chǎn)品貼合后表面無氣泡、無折痕。

(2)為解決貼合工藝難題，攻克了3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，CCD視覺自動定位技術(shù)、軌跡跟隨控制技術(shù)和自動控制技術(shù)，并對每項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)描述。

(3)通過對2款不同型號的玻璃蓋板進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證裝備性能參數(shù)。在試驗(yàn)的過程中，發(fā)現(xiàn)貼合精度與玻璃蓋板大小和曲面曲率大小有關(guān)。

在實(shí)際應(yīng)用中，如需切換產(chǎn)品時，每次需要重新對CCD視覺進(jìn)行標(biāo)定。在未來的設(shè)計(jì)中，將在軟件上進(jìn)行算法優(yōu)化，增加一鍵標(biāo)定功能；同時在工控機(jī)軟件里面建立產(chǎn)品庫文件，每次切換產(chǎn)品時做到一鍵切換完成即可生產(chǎn)，節(jié)約產(chǎn)品更換調(diào)試時間。在未來的設(shè)計(jì)里，還可以考慮增加產(chǎn)品自動上下料和自動撕產(chǎn)品保護(hù)膜功能，實(shí)現(xiàn)裝備全自動化和智能化。