一種玻璃貼合裝置的設計

Equation Chapter 1 Section 1一種玻璃貼合裝置的設計摘要：隨著觸摸屏的大量應用，玻璃貼合技術受到了更多的重視。根據(jù)目前的玻璃貼合中的先進機構(gòu)，設計出一款能快速簡便的實現(xiàn)玻璃貼合裝置。在設計中，機構(gòu)利用點膠機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、校正機構(gòu)和貼合機構(gòu)來實現(xiàn)玻璃的貼合。其中，為了玻璃貼合中良品率的提高，采用噴射點膠和CCD光學校正來實現(xiàn)玻璃的快速貼合。關鍵字：觸摸屏 玻璃貼合 光學校正 快速貼合Abstract：As the Touch-screen is widely applied, Glass bonding technology has been paid more attention. According to the current advanced mechanism of glass bonding, designed a method for achieving bonding glass fast and easy. This design use dispensing mechanism, rotation mechanism, the correction mechanism and bonding mechanism to achieve bonding glass. In which used jet dispensing and CCD optical correction to achieve rapid bonding of glass in order to improve the yield rate of bonding glass.Key Word：Touch-screen Glass Bonding Optical correction Fast-bonding1.玻璃貼合裝置的設計背景隨著近幾年來觸控產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，廣泛應用于我們?nèi)粘Ｉ罡鱾€領域，如手機、媒體播放器、導航系統(tǒng)、數(shù)碼相機、電器控制、醫(yī)療設備等等。但是隨著觸摸屏的大量應用，觸控廠商都遭遇到一個相同的問題，那就是多點觸控面板的良品率不易提升，在玻璃鍍膜以及貼合等制程方面，良品率的提升相當困難，所以貼合技術已成為決定質(zhì)量的關鍵，但是目前國內(nèi)的貼合技術，繁瑣復雜，在貼合的過程中會產(chǎn)生兩塊玻璃不能正確對中、玻璃貼合效率不高等問題。在玻璃鍍膜以及貼合等制程方面，良品率的提升相當困難，所以貼合技術已成為決定質(zhì)量的關鍵。在目前國內(nèi)CF項目中，采用的玻璃貼合裝置存在較大的貼合誤差，在貼合的過程中會產(chǎn)生兩塊玻璃不能正確對中、玻璃貼合效率不高等問題。為了解決玻璃貼合過程中碰到的一系列問題，根據(jù)現(xiàn)有技術手段，設計出一種設計合理、結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、使用方便的玻璃貼合機，可以確保兩塊玻璃之間能夠正確對中、準確貼合，并且提高玻璃貼合的效率。2.玻璃貼合裝置的總體分析根據(jù)設計要求，該玻璃貼合裝置包括機架機構(gòu)、點膠機構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機構(gòu)、校正機構(gòu)、貼合機構(gòu)。圖1 玻璃貼合裝置的總體圖根據(jù)圖1的序號安排，序號1為X軸驅(qū)動單元，序號2為Y軸驅(qū)動單元，序號3為Z軸驅(qū)動單元，序號4和序號15為玻璃厚度測量儀，序號5為點膠頭，序號6為玻璃治具，序號7為電機，序號8為旋轉(zhuǎn)軸，序號9為玻璃板，序號10為ITO板，序號11為XYZ精密對位平臺，序號12為X軸驅(qū)動單元，序號13為Y軸驅(qū)動單元，序號14為ITO板治具。圖2 貼合裝置的3D示意圖所述機架機構(gòu)處于玻璃貼合裝置的下部，所述點膠機構(gòu)連接于機架上方，所述翻轉(zhuǎn)機構(gòu)連接于機架中部，所述校正機構(gòu)包括玻璃厚度測量儀，VCR裝置，XYO精密對位平臺，分別固定于機架的對應位置，所述貼合機構(gòu)主要部分是玻璃板治具Y軸驅(qū)動單元，固連在機架側(cè)面。圖3玻璃貼合的流程 基于上述流程進行分析，貼合裝置在整個的工作中，讓玻璃板和ITO板能夠準確的貼合，當玻璃板（9）被玻璃板治具（6）上的真空吸盤吸附后，點膠頭（5）通過X軸驅(qū)動單元（1）、Y軸驅(qū)動單元（2）、Z軸驅(qū)動單元（3）的協(xié)同運動將光學膠涂均勻在玻璃板（9）上，同時玻璃厚度測量儀（4、15）測量玻璃板（9）和ITO板（10）的厚度。驅(qū)動電機（7）動作，帶動旋轉(zhuǎn)軸（8）的轉(zhuǎn)動，并同時帶動玻璃板治具（6）翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)角度為180°。VCR（15）分別讀取玻璃板（9）和ITO板（10）的水平位置，進行數(shù)據(jù)對比，控制XYO精密對位平臺（11）調(diào)整ITO板（10）的水平位置，將ITO板與玻璃板在水平方向的投影重合。Z軸驅(qū)動單元（16）運動帶動玻璃板治具（6）慢慢向ITO板治具（14）移動，根據(jù)玻璃厚度測量儀（4、15）所測的數(shù)據(jù)計算出移動的距離，完成最終的玻璃板貼合動作。3.點膠機構(gòu)的分析點膠機構(gòu)的功能是在ITO板和玻璃板之間應用專門的設備添加專用的玻璃貼合膠水。在膠水注入的過程中，要求膠水能均勻涂抹在ITO板和玻璃板的表面。對此，在貼合裝置中，點膠機構(gòu)需要設計兩個點膠機構(gòu)，在整個貼合裝置的上部設計出點膠玻璃板的點膠機構(gòu)，在下部設計出點膠ITO板的點膠機構(gòu)。 3.1點膠機構(gòu)的點膠方式根據(jù)觸摸屏的點膠精度和規(guī)格，在設計時采用噴射式點膠方式。此點膠方式是非接觸式點膠，精度高，膠線寬且容易控制。根據(jù)現(xiàn)有技術的發(fā)展，非接觸噴射式點膠技術在速度、質(zhì)量、成本和應用X圍上都有很高的優(yōu)勢。（1）速度和生產(chǎn)效率：高噴射率多達每秒 200點、無Z軸移動現(xiàn)象、“在空中”噴射要求各滴涂點之間無停動現(xiàn)象、要求高度校準工作更少、防止膠體拉絲的無針頭式退回技術，生產(chǎn)效率可提高至100%。（2）質(zhì)量和可靠性：高點膠精度、較小的浸濕X圍、圓形均勻的滴涂點、提高了膠水涂抹密封效果；另外無接觸試噴膠無芯片刮傷的現(xiàn)象、無滴液現(xiàn)象、無引線損傷現(xiàn)象，大大提高產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性。（3）成本及良品率：消耗部件極易快速地進行清洗、且使用壽命長成本較低，同時良品率達99.9%以上。（4）靈活性及應用X圍：多種形式的應用，底部填充、表面涂料及包封、芯片沾貼、圍堰狹小空間結(jié)構(gòu)內(nèi)部的噴膠。 3.2點膠機構(gòu)的運動方式根據(jù)整個機構(gòu)的運行流程進行設計，負責玻璃板的點膠機構(gòu)包括點膠頭、X軸驅(qū)動單元、Y軸驅(qū)動單元、Z軸驅(qū)動單元。負責ITO板的點膠機構(gòu)包括X軸驅(qū)動單元、Y軸驅(qū)動單元。在貼合裝置的設計中，采用螺旋點膠的方式進行整個玻璃板的表面點膠。鑒于玻璃貼合的流程規(guī)劃，玻璃板在點膠之后需要進行旋轉(zhuǎn)，將點膠面旋轉(zhuǎn)至下端面，此時，應該注意空間的避讓與合理安排，在上部的點膠機構(gòu)中設計出Z軸驅(qū)動單元，實現(xiàn)在玻璃板點膠完成后的空間安排。圖4 點膠機構(gòu)的三維示意圖圖4中，序號1表示的是400行程的電動缸，構(gòu)成X軸驅(qū)動；序號2為點膠頭；序號3為200行程的電動缸，構(gòu)成Z軸驅(qū)動；序號4為200行程的電動缸，構(gòu)成Y軸驅(qū)動。在設計時，采用FED全新的ValveMate 7100控制器完成單個點膠閥的控制。通過系統(tǒng)控制，通過閥門開啟時間來控制點膠量。實際中，膠點的大小取決于多種因素，包括流體壓力、閥門行程、噴嘴尺寸和閥門開啟時間，其中閥門開啟時間是對膠量控制的最主要手段。EFD ValveMate 7100控制器能夠快速方便調(diào)節(jié)閥門開啟的時間，其時間增量小至0.001秒。它無需耗時進行程序編制或關掉生產(chǎn)線進行機械調(diào)節(jié)就可以完成各種復雜的流程控制。 圖5 EFD ValveMate 7100控制器的控制原理EFD ValveMate控制器的特點是利用微處理器電路對點膠量進行非常精確的控制。無需停機就可在線對點膠量進行初始設定，設定管路和閥的清洗功能，并且快速方便地進行調(diào)節(jié)。ValveMate控制器安裝操作簡單，與PLC及其他設備的連接也很方便。收到開始循環(huán)的信號后，ValveMate的微處理器就可以接收和調(diào)節(jié)點膠液體的數(shù)量，在循環(huán)結(jié)束時，ValveMate會發(fā)出過程已完成的信號。4.翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的分析根據(jù)貼合裝置的運動流程，點膠機構(gòu)的動作完成后，需要對上部的玻璃板進行180°旋轉(zhuǎn)，使ITO板的點膠面面向下部的玻璃板，實現(xiàn)后續(xù)的貼合動作。因此在設計時，考慮的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的功能主要是實現(xiàn)整個翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的翻轉(zhuǎn)，且要配合下一步貼合機構(gòu)的動作，于是采用了小型電機帶動整個翻轉(zhuǎn)機構(gòu)進行翻轉(zhuǎn)。圖6翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的三維示意圖 從圖5的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)三維圖中，序號1表示的是電機，為翻轉(zhuǎn)單元的驅(qū)動單元；序號2為翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的框架；序號3為ITO治具；序號4為旋轉(zhuǎn)軸。其中，旋轉(zhuǎn)軸4與框架2由軸承進行連接，便于相對位置的轉(zhuǎn)動。在設計中，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)要保證翻轉(zhuǎn)時的穩(wěn)定與快速。在電機上會安裝有光電編碼器，將電機翻轉(zhuǎn)運行時的脈沖信號進行采集，反饋到PLC，經(jīng)過計算，確保翻轉(zhuǎn)角度的誤差。設計采用的是三菱的高精度電機，精度為7微分，經(jīng)過減速器，計算出翻轉(zhuǎn)后的角度誤差為±0.07°，且在設計中在翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的機架上會安裝有傳感器進行翻轉(zhuǎn)角度的檢測，確保翻轉(zhuǎn)達到穩(wěn)定的180°。5.校正機構(gòu)的分析5.1校正機構(gòu)的原理由“機器視覺”和“運動控制”組成的“影像伺服”技術，才能夠達到的視覺精密對位，如今已是觸控制程設備必須依賴的關鍵技術。此技術不僅對位精準，而且比人工校正的方式快上數(shù)百倍以上。本設備的關鍵技術是用先進的光學系統(tǒng)自動采集上、下玻璃的MARK點位置（即VCR機構(gòu)校正），使用IPD模塊對數(shù)據(jù)進行分析、運算，通過PLC程序控制完成自動對位功能，圍繞著影像伺服精密對位技術，仍有一些關鍵技術存在需突破的瓶頸，包括對位方法、影像處理、同動補償、標記對位、制程整合、系統(tǒng)整合等。光學檢測系統(tǒng)采用CCD鏡頭進行物體的檢測，系統(tǒng)采用了雙視覺定位整合技術。設備對加工貼合的上下基板都采用了影像辨識，然后采用專用算法對兩個不同坐標系內(nèi)的基板位置進行整合運算，根據(jù)運算結(jié)果調(diào)整下基板位置，保證了基板的貼合精度，避免了以往設備采用僅對下基板采用影像辨識定位而無法糾正上基板的來料誤差和機械定位誤差。圖7 CCD視覺原理圖5.2校正機構(gòu)的機械結(jié)構(gòu)在整個貼合機的運行過程中，當點膠機構(gòu)的點膠動作完成后，電機帶動翻轉(zhuǎn)機構(gòu)180°翻轉(zhuǎn)，使玻璃板的點膠面翻轉(zhuǎn)朝下，便于下一步的動作，使玻璃板與ITO板的點膠面進行貼合。但是根據(jù)機械誤差的存在 ，整個機構(gòu)的加工誤差和機械原件的安裝誤差，上部玻璃板和下部ITO板不可能在翻轉(zhuǎn)后能進行完全的重合。此時，需要對下部的ITO板進行細微的精密調(diào)整，使上下兩塊貼合的面板能盡量的重合在一起。在校正機構(gòu)的設計時，采用VCR測量進行ITO板和玻璃板之間的間隙測量和位置對準。在玻璃板下方安置XYZ精密平臺對下方的ITO板進行空間XYZ位置的微調(diào)，使其與上面的玻璃板能在XY方向上能做到最大限度的重合，提高玻璃貼合的精度。圖8 校正機構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)圖8為精密調(diào)整機構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)，序號1為頂升氣缸，序號2為導向軸，序號3為精密平臺，序號4為連接平臺。在校正機構(gòu)的動作指令中，當VCR測量時，ITO板與玻璃板在空間的方位出現(xiàn)偏差時，精密平臺會進行XY方向上的精微調(diào)整，待VCR確認完成后，頂升氣缸會收到指令，頂起整個平臺，完成下一步的貼合流程。6.貼合機構(gòu)的分析貼合動作是整個貼合裝置流程的最后一步，在完成貼合動作時，需要將上方的玻璃板和下方的ITO板進行貼合。設計時，將整個玻璃板治具向下運動，ITO治具向上運動，完成貼合動作。圖9 貼合機構(gòu)的三維圖從圖9中，序號1為精密滑軌，在貼合中使整個貼合平臺在Z方向上能盡量減小誤差來進行貼合，和圖9中的導向軸的功能是同樣的；序號2為貼合電機的安裝底座；序號3為貼合機構(gòu)的運動部件滾珠絲杠；序號4為連接平臺；序號5為貼合裝置的框架。在貼合裝置收到貼合的指令后，固定在底座上的貼合電機提供動力，滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，活棱上下運動，帶動整個連接平臺向下進行貼合動作。同時，位于底部精密調(diào)整平臺下方的頂升氣缸也向上運動，使整個ITO板治具向上頂起，完成玻璃板與ITO板的貼合動作。7.貼合裝置的節(jié)拍性計算7.1點膠機構(gòu)的節(jié)拍計算 根據(jù)整個貼合裝置的工序規(guī)劃，在點膠機構(gòu)的設計上考慮點膠工序的節(jié)拍。在設計時，預設整個點膠開始到完成的時間不超過10s。點膠機構(gòu)從三維圖中可以分析出其XYZ驅(qū)動方式，在驅(qū)動原件的選擇上，選擇的是FESTO的電動缸，型號為DNCE-40-400-LAS-H，其為400行程的電動缸（如圖4所示）；型號為DNCE-32-200-LAS-H，行程為200的電動缸（如圖4所示）。 根據(jù)FESTO的電動缸特性，DNCE-40-400-LAS-H電動缸的數(shù)據(jù)參數(shù)如下表所示：表1 電動缸的數(shù)據(jù)參數(shù)根據(jù)表中的詳細數(shù)據(jù)，得知選用的電動缸的最高移動速度為2m/s，在安裝之初，設定電缸移動速度為0.01m/s。貼合裝置貼合的玻璃和ITO板的尺寸為82mmx54mm，在點膠機構(gòu)進行動作時，即可根據(jù)選用的電動缸運行參數(shù)計算出光學膠鋪滿整個玻璃面所需要的時間。根據(jù)公式，在時間計算中，假設Z軸驅(qū)動下降的距離為150mm，使用時間為 當Z軸驅(qū)動到達指定位置時，X軸和Y軸驅(qū)動會根據(jù)設定的程序完成整個表面的點膠工作。設定程序為先Y軸方向整體涂膠，X軸分步點膠的步驟進行表面點膠。將整個X軸分為10步，整個Y軸點膠完成需要，當整個表面點膠完成需要，因此，總的點膠時間為，在點膠的整個動作中，時間滿足設計要求，設計合理。7.2翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的節(jié)拍驗算在整個貼合裝置的設計過程重，翻轉(zhuǎn)是基于整個貼合裝置的空間計算和效率計算，在設計中考慮了采用電機驅(qū)動的方式。在設計的原件選擇上，我們選用伺服電機，此電機的功率為200W，選用的減速器的減速比為1:10。在運動時，電機的轉(zhuǎn)速為100r/min，經(jīng)過減速器后，旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為10r/min，計算出翻轉(zhuǎn)機構(gòu)完成動作需要的時間。在翻轉(zhuǎn)機構(gòu)動作時，所使用的時間小于1s，在設計中，需要根據(jù)實際情況，可適當?shù)臏p小伺服電機的功率大小，這樣就能適當?shù)臏p小旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，加大旋轉(zhuǎn)時間，此外還利用了傳感器和光電編碼器對翻轉(zhuǎn)精度進行微調(diào)和校正，預定翻轉(zhuǎn)時間為在執(zhí)行翻轉(zhuǎn)指令時，電機轉(zhuǎn)動，帶動旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，因此，根據(jù)圖5所示的三維圖中，ITO板治具隨之轉(zhuǎn)動。為了保證旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，動力原件采用伺服電機驅(qū)動，并且根據(jù)固定于旋轉(zhuǎn)軸的傳感器確定旋轉(zhuǎn)角度，保證角度為180°，確保玻璃板的點膠面能從正上方旋轉(zhuǎn)到正下方。7.3校正機構(gòu)的節(jié)拍計算圖 10 校正機構(gòu)的控制原理圖 根據(jù)貼合裝置的設計，校正機構(gòu)的主要校正原件為精密平臺。根據(jù)PLC的操作結(jié)構(gòu)，CCD機器視覺的反應時間小于1s，精密平臺的調(diào)整時間為，整個光學校正的時間為。7.4貼合機構(gòu)的節(jié)拍計算 在貼合機構(gòu)的組成中，滾珠絲杠是主要的運動單元，電機是動力單元。在原件選擇上，選用的電機的額定功率為2000w，額定轉(zhuǎn)速為2000r/min，減速器的減速比為1:15，經(jīng)過減速器的減速后，輸入到滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速為133.3r/min，選用的滾珠絲杠的螺距為3.6mm。其中，v為提升平臺的提升速率，T為旋轉(zhuǎn)周期，f為滾珠絲杠螺距。滿足提升裝置的速度要求，因此設計合理。7.4貼合裝置的總結(jié)拍 貼合裝置在運行時，主要工作機構(gòu)為點膠機構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機構(gòu)、校正機構(gòu)和貼合機構(gòu)。根據(jù)上述節(jié)拍計算。點膠機構(gòu)的節(jié)拍為，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的節(jié)拍為，校正機構(gòu)的節(jié)拍為，貼合機構(gòu)的節(jié)拍為，在玻璃貼合后，需要對玻璃基板和ITO板進行外力擠壓過程，使兩塊板能更緊密的貼合，設定擠壓貼合時間為，整個的響應節(jié)拍為。根據(jù)現(xiàn)代化的生產(chǎn)節(jié)奏，滿足設計時的預設節(jié)拍，因此整個貼合裝置的節(jié)拍設計合理。8.結(jié)論根據(jù)玻璃貼合的裝置要求，設計出一款能快速準確進行ITO板和玻璃板貼合的裝置。在設計之初，設計出點膠機構(gòu)來進行ITO板和玻璃板的表面點膠；設計出了翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，進行玻璃板點膠之后的表面旋轉(zhuǎn)，使點膠面相互重合；設計出校正機構(gòu)進行下部ITO板的細微調(diào)整，使上下兩塊板能準確的貼合在一起；設計出貼合機構(gòu)，使ITO板和玻璃板能快速穩(wěn)定的進行貼合。設計出貼合裝置后，現(xiàn)場運行，ITO板和玻璃板貼合過程中穩(wěn)定快速，滿足液晶生產(chǎn)線要求。9.參考文獻1 X永平,陳禎,芮執(zhí)元等.高速空心滾珠絲杠副動態(tài)性能試驗平臺的研發(fā)J.機械設計與制造,2013,(4):114-116,120.DOI:10.3969/j.issn.1001-3997.2013.04.036.2 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