液晶顯示面板自動(dòng)斷裂技術(shù)的研究

李玉剛，徐江潮，曹力寧，王 磊

（中電科風(fēng)華信息裝備股份有限公司，山西 太原 030024）

引言

受新冠肺炎疫情的影響，居民居家遠(yuǎn)程辦公以及在線網(wǎng)課等增加了人們對(duì)平板電腦市場(chǎng)的需求。從2020 年初開始，全球筆記本電腦和平板電腦需求量激增。2020 年全年，個(gè)人電腦市場(chǎng)整體實(shí)現(xiàn)了同比雙位數(shù)增長(zhǎng)。尤其是在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，居家辦公已經(jīng)變成常態(tài)，從而導(dǎo)致全球?qū)τ诖蟪叽顼@示面板的需求激增。

但是從液晶顯示面板的生產(chǎn)過程來(lái)看，顯示面板越大，要求的自動(dòng)化程度越高，人工參與度大大降低，特別是大尺寸顯示面板切割后，斷裂難度高，傳統(tǒng)的人工裂片方式已經(jīng)不能適應(yīng)生產(chǎn)需求[1]?；诖?，中電科風(fēng)華信息裝備股份有限公司研發(fā)了ZDLX-1800 自動(dòng)斷裂生產(chǎn)線，適應(yīng)了大尺寸液晶面板的生產(chǎn)，同時(shí)對(duì)打破國(guó)外的技術(shù)壟斷和提升國(guó)產(chǎn)設(shè)備的自主技術(shù)創(chuàng)新意識(shí)也有積極的意義。

1 ZDLX-1800 自動(dòng)斷裂生產(chǎn)線工藝和技術(shù)難點(diǎn)

1.1 ZDLX-1800 自動(dòng)斷裂生產(chǎn)線工藝

ZDLX-1800 自動(dòng)斷裂生產(chǎn)線主要是對(duì)上游已經(jīng)切割過的大板液晶顯示面板進(jìn)行四周廢邊的去除、裂條、裂粒和下料。根據(jù)液晶顯示面板生產(chǎn)工藝的要求，將來(lái)料大板玻璃（1 800 mm×1 200 mm）斷裂成條玻璃（1 166 mm×150 mm），再將條玻璃斷裂成小粒（57 mm×101 mm），并且將小粒傳送到下游設(shè)備上。在設(shè)備運(yùn)行中，采用圖像識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行大板玻璃的自動(dòng)對(duì)位，采用真空吸附固定，完成裂條動(dòng)作，之后搬用到掰粒平臺(tái)上進(jìn)行裂粒。拾取和翻轉(zhuǎn)搬運(yùn)動(dòng)作都采用機(jī)械手實(shí)現(xiàn)。ZDLX-1800 自動(dòng)斷裂生產(chǎn)線的流程圖如圖1 所示，其工藝流程為：中轉(zhuǎn)臺(tái)接料（CF 朝上）—掰斷廢邊（條玻璃）—搬運(yùn)條玻璃—斷裂條玻璃—下料。

圖1 ZDLX-1800 自動(dòng)斷裂生產(chǎn)線流程圖

1.2 ZDLX-1800 自動(dòng)斷裂生產(chǎn)線技術(shù)難點(diǎn)

液晶面板裂片流程是ZDLX-1800 自動(dòng)斷裂生產(chǎn)線的核心，其結(jié)果直接決定了產(chǎn)品的良率和設(shè)備的效率。通常，使用裂片刀在已經(jīng)切割過的液晶玻璃的切割線背面進(jìn)行落刀，其產(chǎn)生的壓力可以使廢邊與液晶玻璃分離。但是，由于來(lái)料玻璃的尺寸較大，先將來(lái)料玻璃斷裂成條后，無(wú)法再進(jìn)行精確對(duì)位，使用裂片刀對(duì)條玻璃上的切割線進(jìn)行二次斷裂，只能通過掰斷動(dòng)作對(duì)條玻璃進(jìn)行掰斷，液晶顯示面板斷裂示流程見圖2。掰斷動(dòng)作是通過模擬人工掰斷顯示面板的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)近似人工掰斷的效果，掰斷精度高，提高了生產(chǎn)效率和良率。ZDLX-1800 自動(dòng)斷裂生產(chǎn)線將上述兩種裂片方式相結(jié)合，首先將來(lái)料大尺寸顯示面板斷裂為條玻璃，再通過移栽平臺(tái)，條玻璃放置在多條斷裂結(jié)構(gòu)上，同步進(jìn)行裂片，解決了條玻璃無(wú)法進(jìn)行精準(zhǔn)定位，在傳統(tǒng)裂片條件下，無(wú)法斷裂的弊端，同時(shí)也提高了生產(chǎn)效率[2]。

圖2 液晶顯示面板斷裂示流程圖

2 斷裂壓力控制系統(tǒng)

2.1 液晶玻璃微裂紋理論

根據(jù)Griffith 脆性材料斷裂的微裂紋理論[3]，脆性材料的斷裂可以分為兩個(gè)過程，一是微裂紋的產(chǎn)生；二是微裂紋的擴(kuò)展。微裂紋端部的應(yīng)力由微裂紋的長(zhǎng)度c 和端部曲率半徑p 共同決定，具體關(guān)系如下：

式中：σm為微裂紋尖端處的最大應(yīng)力；σ 為外界施加的應(yīng)力。公式（1）表明當(dāng)外力施加于脆性材料時(shí)，微裂紋尖端應(yīng)力將成倍數(shù)增加，并且隨著外力的增大，微裂紋的長(zhǎng)度c 也在增長(zhǎng)，即微裂紋擴(kuò)展。

玻璃基板在斷裂時(shí)，在切割時(shí)形成的垂直裂縫（Median crack）下方，就會(huì)形成一個(gè)光滑的鏡面區(qū)，而且由于裂片時(shí)施加的壓力是與切割線重合的，并且是在玻璃的切割線背面，因此，只要是切割和裂片的壓力合適，在玻璃基板裂開后就會(huì)形成一個(gè)近似垂直于玻璃表面的光滑斷面[4]。

2.2 裂片壓力控制技術(shù)

本設(shè)備共采用了兩種裂片的方法，一種是使用具有一定寬度的材質(zhì)比玻璃軟的工具，通過施加一定的壓力，將切割過程中在玻璃厚度方向上形成的垂直裂縫延伸到玻璃基板的底部，達(dá)到使玻璃基板分離的目的[2]，裂片平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖如圖3，裂片動(dòng)作如圖4。

圖3 裂片平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

圖4 裂片刀裂片動(dòng)作示意圖

這種方法的特點(diǎn)是裂片定位精度高，適用于來(lái)料大的尺寸顯示面板，進(jìn)行分?jǐn)酁闂l玻璃。由于工藝成熟，在上位機(jī)設(shè)定裂片刀的工作壓力，計(jì)算并轉(zhuǎn)換為模擬量輸出模塊所需的數(shù)字量，由模擬量輸出模塊輸出一定的電壓值到電氣比例閥，電氣比例閥根據(jù)給定的電壓信號(hào)進(jìn)行二次壓力輸出，由內(nèi)置的壓力傳感器檢測(cè)到達(dá)設(shè)定壓力值，這種方法，已經(jīng)比較成熟，本文不再詳細(xì)說明。

另一種裂片方法是對(duì)于已經(jīng)進(jìn)行第一次裂片的條玻璃，需要進(jìn)行二次裂片，由于第一次裂片后，條玻璃數(shù)量比較多，再使用上述方法進(jìn)行裂片，速率低下，而且需要進(jìn)行精確定位和相應(yīng)的裂片機(jī)構(gòu)，對(duì)于設(shè)備整體節(jié)拍和結(jié)構(gòu)影響很大，本文設(shè)計(jì)了一種新型的液晶顯示面板掰斷機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖5 所示，將來(lái)料條玻璃放置在左右兩個(gè)平臺(tái)上，切割線位于兩平臺(tái)中間，通過真空吸附固定在平臺(tái)上，起到固定條玻璃的左右。掰斷動(dòng)作如圖6 所示，共有X、Z、Φ 三軸同時(shí)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，使得左平臺(tái)以切割線為圓心，完成螺旋插補(bǔ)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了模擬人工掰斷液晶面板的動(dòng)作。

圖5 掰片平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

圖6 掰斷動(dòng)作示意圖

2.3 掰斷螺旋插補(bǔ)算法的建模

螺旋插補(bǔ)是在三維空間按螺旋線軌跡插補(bǔ)運(yùn)行軌跡，是圓弧插補(bǔ)的擴(kuò)展。在《論螺線》一書中，阿基米德給出了如下定義：當(dāng)一點(diǎn)P 沿動(dòng)射線OP 以等速率運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，這條射線又以等角速度繞原點(diǎn)O旋轉(zhuǎn)，點(diǎn)F的軌跡被稱為“阿基米德螺線”[6]。在由指定的圓心位置（R）確定的圓弧上移動(dòng)（圓弧插補(bǔ)）時(shí)，也同步進(jìn)行直線插補(bǔ)的移動(dòng)移動(dòng)的圓弧插補(bǔ)切線速度變?yōu)椴逖a(bǔ)進(jìn)給速度，完整螺旋一圈，從Φ 方向看近似為圓弧。

將螺旋插補(bǔ)的當(dāng)前位置設(shè)為A，終點(diǎn)設(shè)置為B，如圖7 所示。插補(bǔ)過程中的當(dāng)前點(diǎn)在三維空間的坐標(biāo)為Fi（xi，yi，zi），通過螺旋插補(bǔ)算法計(jì)算得到下一個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)為Fi+1（xi+!，yi+!，zi+!），從而得出X 軸、Y 軸和Φ 軸各自的移動(dòng)量，3 個(gè)伺服電機(jī)同時(shí)運(yùn)動(dòng)，合成運(yùn)動(dòng)軌跡即是螺旋線軌跡，每隔1 個(gè)插補(bǔ)周期調(diào)用1 次插補(bǔ)算法，依次計(jì)算出每個(gè)插補(bǔ)周期的進(jìn)給量，然后驅(qū)動(dòng)電機(jī)，最終到達(dá)螺旋線的終點(diǎn)。其中，螺旋插補(bǔ)動(dòng)作的完成，需要如下參數(shù)進(jìn)行設(shè)置[6-7]。

圖7 螺旋插補(bǔ)原理圖

目標(biāo)地址1：設(shè)定插補(bǔ)圓弧圓心相對(duì)當(dāng)前點(diǎn)在X-Y 平面投影的X 坐標(biāo)；

目標(biāo)地址2：設(shè)定插補(bǔ)圓弧圓心相對(duì)當(dāng)前點(diǎn)在X-Y 平面投影的Y 坐標(biāo)；

目標(biāo)地址3：設(shè)定插補(bǔ)螺旋線的螺距，即圓弧插補(bǔ)時(shí)在軸上運(yùn)行的角度；

目標(biāo)速度1：設(shè)定插補(bǔ)的合成速度;

目標(biāo)速度2：設(shè)定插補(bǔ)圓弧的角度,設(shè)定正值時(shí)運(yùn)行順時(shí)針圓弧，設(shè)定為負(fù)值時(shí)，運(yùn)行逆時(shí)針圓??；

加速時(shí)間/減速時(shí)間：設(shè)定啟動(dòng)到達(dá)到額定合成速度和額定合成速度到停止時(shí)間;

2.4 掰斷螺旋插補(bǔ)算法的實(shí)現(xiàn)

將螺旋插補(bǔ)點(diǎn)的三維坐標(biāo)Fi+1（xi+!，yi+!，zi+!）[7]，投影到平面上得到二維坐標(biāo)點(diǎn)Fi+1（xi+!，yi+!），其與起點(diǎn)坐標(biāo)的角度為?。圓弧半徑為R，Z 方向上的插補(bǔ)距離為ΔZ，則有：

設(shè)螺旋插補(bǔ)的速度為F，mm/min，分辨率為0.001 mm，在二維平面上，從pi到pi+1的步長(zhǎng)Δpi為：

因?yàn)槎S平面的圓弧角度?與Z 軸的移動(dòng)距離A 具有嚴(yán)格的比例關(guān)系，所以當(dāng)Z 軸坐標(biāo)達(dá)到插補(bǔ)終點(diǎn)時(shí)，X 軸和Y 軸也會(huì)同時(shí)達(dá)到終點(diǎn)，因此，當(dāng)Z軸是到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，螺旋插補(bǔ)動(dòng)作就結(jié)束了。

在本文的螺旋線插補(bǔ)計(jì)算過程中中，為保證精度采用前加減速控制，加速度段的移動(dòng)量為S:

由上述計(jì)算得知，對(duì)于某一段參數(shù)已知的螺旋線，根據(jù)給定的起始速度、終止速度和編程速度，經(jīng)過一系列計(jì)算判斷，確定插補(bǔ)該段螺旋線的速度變化規(guī)律。通過MATLab 軟件仿真得到如圖8 所示的螺旋線。

圖8 仿真螺旋曲線圖

3 裂片效果實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)來(lái)料大板玻璃進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)，大板玻璃斷裂壓力為0.2 MPa，條玻璃掰斷參數(shù)為：X 向移動(dòng)距離17 mm，Z 向移動(dòng)距離8 mm，圓心半徑為46.5 mm，速度200 mm/s，加減速度為500 mm/s2的工藝條件下，ZDLX-1800 自動(dòng)斷裂生產(chǎn)線實(shí)際斷裂的玻璃端面如圖9、圖10 所示。可以看出，大板斷裂和調(diào)玻璃掰斷的斷面邊緣整齊，無(wú)崩邊和崩角產(chǎn)生，兩種斷裂方式效果一致，經(jīng)過連續(xù)性生產(chǎn)，見圖11、圖12，上述兩種液晶顯示面板斷裂工藝也得到了驗(yàn)證，設(shè)備性能穩(wěn)定，上述裂片壓力控制系統(tǒng)可以很好地滿足液晶面板對(duì)于壓力控制的精度和重復(fù)性需求。

圖9 大板裂片效果圖

圖10 條玻璃掰斷效果圖

圖11 大板連續(xù)裂片效果圖

圖12 條玻璃連續(xù)掰斷效果圖

4 結(jié)論

ZDLX-1800 自動(dòng)斷裂生產(chǎn)線的裂片動(dòng)作自動(dòng)化程度高，穩(wěn)定性好，實(shí)現(xiàn)了模擬人工掰片的動(dòng)作過程，提高了裂片生產(chǎn)線的生產(chǎn)速率和良率，提升了國(guó)產(chǎn)設(shè)備在液晶行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。該自動(dòng)裂片生產(chǎn)線已被國(guó)內(nèi)知名LCD 制造企業(yè)批量生產(chǎn)應(yīng)用，設(shè)備穩(wěn)定性得到了驗(yàn)證，良品率大于99.6%。ZDLX-1800 自動(dòng)斷裂生產(chǎn)線的成功研制對(duì)其控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和算法實(shí)現(xiàn)起到重要作用，對(duì)國(guó)產(chǎn)裂片生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)和研發(fā)具有一定的借鑒參考意義。