除泡機自動化升級研究與應用

王 芳，金 敏，申璐青，陳 磊

( 中國電子科技集團公司第二研究所， 山西 太原030024)

信息技術的發展離不開顯示技術，人機對話最直接的界面就是顯示器。顯示器件在信息產業中的地位是不言而喻的。在人工智能、物聯網、5G、超高清等新技術不斷發展，持續突破的階段，顯示屏幕承擔了信息呈現的重要作用，是信息技術創新鏈條上的重要一環。

柔性AMOLED（有源矩陣有機發光二極管）屏幕與智能手機的結合不僅帶來了全新的折疊手機，同時也涉及到柔性電子材料、精密元器件、屏下傳感器、軟件開發等多個領域，對于上游技術創新與發展具有極強的帶動作用；另一方面，柔性產品與智能網聯汽車、智能家居、人工智能等其他新技術相結合，也大幅增加和豐富了人機交互應用場景，有望為顯示產業乃至整個電子信息產業帶來新模式、新業態和新變革。AMOLED 智能除泡生產線裝備在應用上具有廣泛性，需求非常旺盛，實現國產化自主可控極為重要。

1 核心工藝研究

柔性AMOLED 手機屏的基本結構如圖1 所示，在每一層之間進行貼合后，需要利用壓力及溫度變化將貼合過程中產生的氣泡散開，增強不同材料之間的粘合力。在整個柔性AMOLED 屏的生產線中，有三處不同的工藝階段均需進行除泡。

圖1 屏幕結構示意圖

1.1 氣泡產生的原因

屏幕貼合后氣泡產生的原因為貼合上下表面不完全平整。比如在CG 蓋板邊緣會集成很多線路，這些線路會使蓋板邊緣的厚度變得不均勻產生高度差，中間的貼合膠如果很薄，貼合屏幕后很容易出現氣泡反彈的情況。3D 屏、折疊屏的轉折處也容易產生頑固氣泡。

如圖2 所示，微觀狀態下貼合表面一定是不規則粗糙、凹凸不平，因此氣泡的產生是不可避免的。

圖2 微觀狀態貼合表面示意圖

1.2 除泡機理的研究

除泡的作用是平衡貼合應力、消除氣泡和增強粘接力。除泡的三大要素為時間、溫度、壓力。膠與接觸面完全接觸過程如圖3 所示。其中，溫度加熱可以加速膠的流動性及滋潤度，在較短的時間內與接觸面積完全接觸；空氣加壓可加速膠的流動，增加滋潤度并產生適當的擠壓壓力，去除氣泡、平衡應力；而一定時間的保溫保壓可以使膠持續流動，催化溶入現象去除氣泡，增強粘接力。

圖3 膠與接觸面完全接觸過程

除泡機的動作是壓力和溫度同時或分時產生的，依照時間設定開始除泡程序，直到除泡時間完成后再進行降溫減壓。在整個過程中，貼合膠及觸摸屏（TP）對于溫度壓力敏感程度不一致，當壓力溫度快速變化時，觸摸屏的挺性很快恢復，但貼合膠還殘留一定的核心溫度，內應力較小就很容易被觸摸屏挺性應力拉開產生小氣泡。

因此必須有效減少觸摸屏挺性應力與貼合膠應力恢復的不平衡現象，根據上述可靠性實驗分析研究溫度、壓力和時間對觸摸屏及貼合膠的應力變化。除泡過程必須嚴格精確控制溫度、壓力的升降，以達到良好的除泡效果。

2 邏輯流程優化設計

為提高自動除泡機的綜合性能，結合客戶的實際生產需要，在原有傳統除泡機的基礎上，對除泡機的控制系統進行了升級優化設計。從新則功能、通訊系統軟件優化、制定功能塊（FB）標準化模塊、視覺圖像等方面進行了優化，大大提升了除泡機的應用范圍，為開拓更廣泛的市場奠定了良好的技術基礎。

2.1 Bypass 搬運

除泡機大多數的應用場景都是將上游送來的產品在高溫、高壓條件下進行一段時間的除泡。工作流程如圖4 所示，上周轉機械手從上游設備下料位置抓取玻璃放置周轉臺上，此時腔體1 載物托盤伸出，下料機械手先將處理好的產品抓取放置在下料周轉平臺上供下游設備抓取，上料機械手從周轉臺上抓取產品放置在載物托盤上，根據工藝參數設置，重復此動作，直至載物托盤玻璃放置完畢。載物托盤退回腔體1 鎖閉開始除泡；按照上述動作流程多個腔體順序循環動作，實現設備的自動運行。

圖4 除泡機結構示意圖

針對某些不需要除泡的液晶面板（NG Panel），之前的做法是人工將上游產品進行搬運，直接進行除泡工藝之后的下一道工序。基于該情況，需打破傳統除泡機的工序，對除泡機自動化功能進行升級優化，要求設備具備只搬運不除泡（即Bypass）的新工藝功能，由此實現除泡設備應用場景的全面覆蓋，為今后適應后續各種工藝生產線奠定基礎。

如圖5 所示，在人機界面添加“開啟Bypass”按鈕，并可以根據實際生產需求設定從第幾片后開啟該功能，同時可以通過觸屏界面實時查看當前Bypass 的產品片數。

圖5 Bypass 功能界面示意圖

當腔體抽出到某一位置時，若選擇“開啟Bypass 功能”，則托盤暫停動作，既不伸出也不退回，此時托盤相當于一個搬運平臺，托盤上料機械手從上周轉平臺吸附產品后放到托盤平臺上，再由下料機械手從托盤將產品吸起，放至下周轉臺，依此循環進行，實現除泡設備的搬運功能。

2.2 上下游交互日志

在客戶現場上下游交互信號對接，有時候聯機出現問題時，經常難以確定問題出現時刻的信號信息。為了便于查看聯機交互信號，快速準確地查找問題，特開發此功能，具體實現程序代碼如圖6 所示，實現上下游交互信號歷史查看日志（LOG），人機操作界面見圖7。

圖6 交互LOG 程序實現代碼

圖7 交互LOG 觸屏界面

此功能對于處理現場問題具有很大的實用性，對于不便于撲捉到的實時上下游交互信號，記錄LOG 日志就發揮了歷史查詢可做到“有據可循”。

2.3 配方分區

由于目前液晶面板的覆蓋尺寸跨度大，針對不同尺寸的液晶面板，設備的動作流程也不同——大尺寸產品從滾輪（CV）橫向來料，上料手臂吸附后先旋轉后搬運送至腔體，一個腔體放置1 片；而小尺寸產品則從滾輪縱向來料，上料手臂吸附后直接搬運送至腔體，一個腔可以放2 片。針對這種情況，通過軟件設計，并結合配方界面的尺寸選擇，對應不同的分區吸附，同時在人機操作界面配方界面添加尺寸選擇按鈕，實現尺寸配方的一鍵切換，實現便捷操作，從而優化設備性能，如圖8 所示。

圖8 配方分區界面

3 制定FB 標準化模塊

根據多年的設備軟件編程經驗，將設備相對固定的機械結構部件進行功能塊（FB）模塊化編寫，將已通過驗證、運行穩定的軟件形成功能塊。目前已形成部門軟件標準，在軟件小組內推廣。

如圖9 所示，伺服軸模塊包含運動控制模塊的軸數、軸號、定位編號、當前進給值、軸狀態、軸速度等多個輸入（INPUT），封裝的功能塊適用于4 軸、16 軸的定位模塊，這樣極大地縮短了軸控制的程序編寫量，且穩定可靠。面對目前部門專屬定制型訂單多的現狀，調用內部標準功能塊，可大大縮短設備的軟件編程時間，穩定可靠。

圖9 FB 軟件設計模塊化

4 通訊系統軟件優化

目前的自動除泡機有兩種模式——抽屜式自動除泡機和罐體式自動除泡機。除泡機的生產工藝需要設置溫度、壓力等參數，需要溫控模塊和AD模塊等來實現，同時還有許多客戶現場需要增加FFU 凈化單元，這些都需要與設備進行通訊。

之前的自動除泡機通訊方式成本高，電氣硬件方面接線復雜，線路較多。通訊模塊多，設置參數繁瑣。現場會出現因為模塊硬件故障引起的設備故障。

改善后的效果：

（1）通過編寫軟件通訊模塊相關485 通訊程序，形成標準功能模塊，節約了2 個Modbus 模塊，成本低；

（2）接線簡單，減少了復雜的線路；

（3）減少模塊數量，參數設置簡單；

（4）程序調用簡單，調試時測試無誤后，避免了相關硬件引起的設備故障，提高了設備通訊的穩定性。

5 視覺圖像優化

5.1 視覺定位改進算法

柔性屏在托盤中會有不同程度的彎曲，導致相機中投影的圖像有一定程度的變形，甚至是反光。常規定位算法對此類情況容易造成誤判和漏檢。

解決方案：

在之前的形狀匹配算法中加入對局部形變的容忍算法，同時使用三階最小二乘方插值。允許被匹配對象有局部形變，也能準確的識別。同時保證很高的定位精度。如圖10 所示，屏幕未變形時，形狀模型可以和圖像精確匹配柔性屏中間翹起，導致長度變短和右側出現明顯的反光干擾。圖10 中能看到形狀輪廓比實際的圖像大，但也準確找到屏的位置。

圖10 未變形、變形屏幕

5.2 屏幕和背景只有極小對比度的產品定位

柔性屏表面是塑料膜，相比LCD（液晶）屏幕對光源的散射更多，反光更少。一些情況下需要在黑色防靜電平臺上定位。此時屏幕和背景只有10 個左右的灰度差，對比度極小，容易引起定位失敗。

解決方案：放棄模板匹配的定位方案。使用矩形擬合方式，在圖像中使用一維測量算法找到屏幕和背景的邊界點，再將所有找到的點迭代擬合矩形。這樣部分邊界點的錯誤不會影響最終結果。可以高精度并穩定的測量出屏幕位置。

背景和屏幕只有10 個灰度差。但找到的屏幕邊緣和實際邊緣的誤差不超過1 個像素。使用矩形擬合同時擬合4 條邊，比使用線性擬合分別擬合4 條邊，能得到更好的穩定性和更高的精度。

5.3 在同一工位實現多屏幕定位和多二維碼掃碼

托盤中需要屏幕定位抓取和二維碼掃碼上報。之前使用兩套系統分別定位和掃碼，而且每次只能掃一片屏幕的二維碼，造成成本高，節拍長。如在同一工位實現兩套系統，對于掃碼有視野太大、碼太小而無法實現的問題。

解決方案：使用2 000 萬像素的相機，同時提高定位算法的運算速度和提高二維掃碼算法對極小二維碼的解讀能力，實現多二維碼同時讀取，并通過二維碼交叉比較和二維碼、定位結果交叉比較。實現在一副圖像上既準確快速的定位，又能準確解碼，并將二維碼自動匹配到每個定位結果上。如圖11 所示，在整個托盤的視野中也能迅速解碼極小的二維碼，并進行柔性屏幕的定位。

圖11 矩形擬合方式

6 結束語

本文從邏輯流程優化設計、制定FB 標準化模塊、通訊系統軟件優化、視覺圖像等方面對除泡機的優化設計進行了闡述，通過這些方面創新優化，大大提升了原有除泡機的性能、使用體驗和適用范圍，符合“降本增效”的設計理念，有效地節約了設計成本，經濟效益顯著，對平板顯示生產線智能化提升有一定的意義。