李 青，周 波，陈 俊

（1.东旭集团有限公司，石家庄 050021；2.平板显示玻璃技术和装备国家工程实验室，石家庄 050035）



基于光栅尺位移传感器的液晶玻璃基板在线厚度测量系统设计

李 青1，2，周 波1，2，陈 俊1，2

（1.东旭集团有限公司，石家庄 050021；2.平板显示玻璃技术和装备国家工程实验室，石家庄 050035）

摘 要：针对原使用的激光三角法玻璃测厚系统的缺陷，分析了目前主流的各类测厚方法后，设计了一种新型的玻璃基板在线测厚系统，该系统采用一对光栅尺式位移传感器，增加外部触发采样功能，提高了采样间隔的精度，并利用SQL Server和C++ Builder开发了上位控制软件，具有数据和曲线存储显示功能。该系统经实践测试，能够在30秒内完成300个采样点的测量，测量精度达±0.002mm，能够消除玻璃基板的翘曲和晃动的影响。完全满足了目前液晶玻璃基板生产的品质保证要求。

关键词：位移传感器；玻璃基板；测厚

0　引言

液晶玻璃基板是TFT-LCD的关键上游材料。玻璃基板的厚度变化量（同一片玻璃基板在要求间距范围内最厚和最薄处的差值，也称厚薄差）为品质的一项重要指标，它决定着TFT-LCD制程中多道工序的良率，是首先被下游客户要求的。然而，随着技术的进步，玻璃基板变得越来越薄，目前市场主流的玻璃基板厚度已从0.5mm过渡到0.3mm。同时，显示分辨率的大幅提升也提高了对厚度变化量指标的要求。这都进一步加大了在线测厚系统的设计难度。

作为玻璃基板生产厂家，厚度的测量是重要的品质保证手段。实际生产中的测量要求是：适用于0.3mm～0.5mm厚度玻璃基板的测量；在生产节拍内完成在线测量；在非流向方向间隔5mm采样；测量精度要求优于0.005mm。关键问题就是快速的、高精度的采样测量。

目前，生产厂家厚度的测量方式，较为普遍的采用离线方式，人工利用千分尺测量。对于自动测厚技术的研究，已有不少人做了大量的研究工作。究其原理，可分为激光三角法测量［1～6］，干涉法测量［7～10］。其中，激光三角法也延伸出了透射法［11］、反射法［2～6］两大类。反射法中也可改进形成一种自动补偿玻璃板上下表面倾斜的单像机双目视觉传感器模型［12］，以及利用成对的系统测量上下表面位移进而计算出目标厚度的方法［13］。

为了设计一种适用于液晶玻璃基板的在线测厚系统，我们对上述自动测厚的方法进行分析后，首先因干涉法测量更加适用于厚度小于0.1mm，精度在微米以下的测量，排除了干涉法测量的系统，选择了激光三角法测厚原理。文献［1～6］中的研究，采用的是线形激光器、光学透镜、CCD摄像机的组合方式。而我们考虑到批量制造的需要，选择了市场上成熟的产品，SICK公司OD5-30T05型传感器，其原理与文献［1～6］中所述的系统是一样的。在此基础上设计了一型在线测厚仪，陆续制造并实际使用了数台。使用中发现，这种方法在被测玻璃基板极其稳定时精度很好。然而，在线测量的玻璃基板是难以达到极其稳定的状态的，必然会伴随翘曲、晃动等现象，这些现象对测量精度的影响很大。为此，我们设计了玻璃基板夹持机构［14］，以及改进的随动测量系统［15］，效果有所提高，然并未根本上解决问题。

因此，实际的生产，迫切的需要我们开发一种新型的在线测厚系统，满足品质保证的需要。

1　测厚系统原理

设计思想是重点解决玻璃基板翘曲和晃动时对测量精度的影响。通过分析，我们发现，玻璃基板翘曲和晃动时，影响测量精度的原因在于，玻璃基板表面与入射激光的角度变化，造成折射后光线角度的偏移。这与最初标定的参数有了偏差，进而影响了测量结果。这是激光三角法测量原理本身决定的，在文献［12］中也有所提及。其解决方法相对复杂，不利于我们批量化的制造。

我们参考了采用成对激光位移传感器进行厚度测量的原理［13］，采用相同的原理，但将传感器改成光栅尺型位移传感器。传感器触头采用气压驱动，可有效的夹紧玻璃基板表面。在玻璃基板发生翘曲和晃动时，仍可紧贴表面，两只传感器相互补偿偏移量，可大幅的提升测量精度。同时，因为是机械接触式测量，玻璃基板的翘曲和晃动的影响，得到了很好的解决。

对于采样间隔5mm的要求，采用了玻璃基板在线输送，而传感器静止扫描的方式。开始测量时，两只传感器处于打开状态，在玻璃基板一条边缘进入后，由伺服电机带动传感器夹紧玻璃基板，完成扫描采样。采样间隔的控制采用了外部触发的方式。在玻璃基板传送装置上安装一个编码器，由计数器累计编码器脉冲后，触发电脑的外部中断，与传感器通信采样一次。

系统的控制，需要控制一台伺服电机、两个导向装置的夹紧气缸，以及两个对上位机的触发信号，采用一台小型PLC实现。

上位机软件系统主要包括数据库模块、传感器通信模块、数据和曲线显示模块、自检模块和日志记录模块。完成玻璃基板的采样、测量记录入数据库，并完成数据和曲线的显示，并上传至车间的MES系统中的功能。

2　测厚系统零部件选型和设计

经过市场调查和对比，最终采用KEYENCE公司GT2型位移传感器，如图1所示。测量量程12mm，分辨率0.1um，测量精度1mm，气压驱动探头。

图1　光栅尺型位移传感器

夹持机构的设计，包括必要的导向机构。采用一条双螺旋丝杠，由伺服电机带动，完成传感器的夹紧和松开动作。

在玻璃基板传送带的某根辊轮轴上，安装增量型编码器。实际选用欧姆龙E6B2-C型，集电极开路输出，分辨率2000p/r，以及H7CX转速表/计数器。采样间隔的与计数脉冲由式（1）决定。

其中：

P为计数脉冲个数；

S为需要的采样间隔；

D为玻璃基板传送带辊轮直径。

传感器与上位电脑的通信，采用的是KEYENCE公司的DL-RS1A通信模块（如图2，图3所示），带外部触发点，可与计数器配合，完成外部触发。在参数设定完毕后，当玻璃基板传送带辊轮旋转带动玻璃基板移动采用间隔的位移时，编码器发出的脉冲数与计数器设定数一致，则计数器发送一个10ms的低电平至DL-RS1A通信模块外部触发端口（图3中SG、DRQ）。通信模块则将传感器的测量结果通过RS232串口发送至上位机。整个外部触发/采样系统如图4所示。

图2　传感器放大器与通信模块

图3　通信模块外部触发

图4　外部触发/采样系统设计图

上位工控机采用C++ Builder2010开发测厚系统软件，基于SQL Server数据库。软件主界面如图5所示。

图5　测厚系统软件主界面

上位机软件系统主要包括数据库模块、传感器通信模块、数据和曲线显示模块、自检模块和日志记录模块。完成玻璃基板的采样、测量记录入数据库，并完成数据和曲线的显示，并上传至车间的MES系统中的功能。数据库模块基于SQL Server建立，完成数据的记录，并通过网络功能上传至车间的MES系统，基于C++ Builder自带的ADO控件完成。传感器通信模块基于MSComm控件，完成串口的读写，并实时发送询问信号至传感器监测通信是否正常。曲线显示模块通过TBitmap类实现，后台完成曲线绘制后再显示到屏幕上，提高刷新速度和显示效果。PLC通信模块基于MITSUBISH的MX+Component控件实现，底层采用以太网通信。

3　实际应用

截至目前，已陆续制造8台该系统，并应用于生产线。累计测量玻璃基板已超过50万片。系统运行稳定，测量精度和速度能够满足要求。同时，实践证明，在玻璃基板发生翘曲和晃动时，系统仍然具有较好的测量精度。该系统已申请实用新型专利一项［16］。

4　结论

采用一对光栅尺型位移传感器为核心，加上必要的外部触发、通信、伺服及上位控制软件，设计了一套液晶玻璃基板在线测厚系统。该系统经实践测试，能够在30秒内完成300个采样点的测量，测量精度达±0.002mm，能够消除玻璃基板翘曲和晃动的影响。满足了目前液晶玻璃基板生产的品质保证要求。

参考文献：

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Online thickness measurement system design of LCD glass substrate based on grating displacement sensor

LI Qing1，2， ZHOU Bo1，2， CHEN Jun1，2

中图分类号：TN386.5；TP274.4

文献标识码：A

文章编号：1009-0134（2016）05-0021-03

收稿日期：2016-01-27

基金项目：国家科技支撑计划（2013BAE03B02-03）

作者简介：李青（1965 -），女，河北人，硕士研究生，研究方向为机械设计。