玻璃基板垂度自动测量装置的设计

2016-12-23李青，祁麟

制造业自动化 2016年7期

关键词：支撑架基板测距

李青，祁麟

（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）

检测与监控

玻璃基板垂度自动测量装置的设计

李青1,2，祁麟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）

液晶玻璃基板需要进行垂度测量，以检测玻璃的垂度是否符合要求。传统方法由于操作过程不合理，存在操作误差，并且由于多点测量时间不一致，有时间差，也会带来误差，造成测量不准确。为了消除测量误差，提高测量准确度，设计了一套玻璃基板垂度自动测量装置。该装置可以自动升降玻璃基板，自动调整支撑架间距并且使用光电测距传感器同时测量不同点间距，从而得到玻璃的垂度值。经过实验验证，使用垂度测量装置测量精度达到0.2mm，保证了玻璃垂度测量的准确性和可靠性。

玻璃基板；垂度；光电测距

0　引言

玻璃基板是液晶显示面板的重要组成部分[1]。玻璃基板垂度是指当玻璃基板被一定间距的支撑架支撑起来时，玻璃中间下垂的程度，通过测量中间最低点和两角最高点得到。测量时，一个边测量3个点，检验时测量两个边，共计6个点。垂度检验是玻璃基板必须的检验项目，若玻璃垂度超过要求值就是废品[2]。在传统的玻璃检验中，垂度测量采用手动测量，并且操作过程有操作误差，同时存在由于不同点测量时间不同时而可能造成的误差，测量结果不准确[3]。我们设计了可以自动升降，自动检测的玻璃垂度测量装置，消除手动测量时的理论误差，提高测量准确度。

1　传统测量方式及误差产生原因

垂度实验在大理石平台上进行。在传统测量过程中，操作员首先准备好支撑架，调整好两个支撑架的距离，并且在玻璃上做标记，以方便放置玻璃时对中。两个操作员将玻璃轻轻平放在支撑架上，两个支撑架和中间支板3个点支撑起玻璃基板。然后，操作员手动将中间支板向一侧推倒。玻璃基板中间会下垂。待稳定后，操作员使用钢板尺依此手动测量玻璃两边中间最低点和两个角最高点共计6个点距离平台的高度。然后根据测量结果和支撑架的高度计算出垂度值[4]。图1中H1、H2和H3表示中间最低点和两侧最高点测量值。

图1　传统测量过程示意图

误差的产生：玻璃放置好后，中间支板顶端顶起玻璃并施加一定压力，在操作过程中，支板与玻璃基板之间有摩擦力，支板一侧倾倒，摩擦力会带动玻璃基板向一侧有约5mm的移动，造成两边H1和H3测量结果的不准确，产生操作误差。

图2　玻璃对中图片

图3　支板向一侧倾倒

图4　支板倾倒后两侧位置图片

在测量过程中，共需要测量6个点，操作人员一般按照一定顺序先后依次测量，测量不同点之间就会有时间差。如果玻璃基板不稳定，这段时间差内，会有微小的蠕变，也会造成误差。综上所述，传统测量方法简单，但是有其不合理之处，会造成测量误差，影响测量结果。为了解决以上问题，提高测量结果的准确性和测量装置的自动化水平，我们设计了垂度自动测量装置。

2　垂度自动测量装置结构及优点

为了满足使用要求，自动测量装置应该满足垂直升降，同时测距。自动测量装置满足了上述要求，并增加了支撑架间距自动调整等功能，方便使用。自动测量装置结构如图5所示。

图5　自动测量装置结构图

图6　自动测量装置机械结构

垂度测量装置由底座、滑动轨道、支撑滑块、支撑架、固定支架和升降支架、支撑架驱动组件和光电测距组件组成。

操作平台一般选用表面平整光洁而且不易变形的大理石平台。平台提供一个操作空间和测量基准。

图7　底座结构图

底座由一个中间挖空的钢板和两根方管组成。方管上方对应安装着滑动轨道。每根滑动轨道有两个轨道滑块。底座是滑动轨道、支撑架驱动组件和光电测距组件的安装基准。同时为支撑架提供基础。

图8　支撑架驱动组件结构图

支撑架驱动组件由驱动电机、联轴器、丝杠、左右旋丝杠和支撑架连接板组成。丝杠两端由丝杠支撑座固定，轴头通过联轴器与驱动电机相连。丝杠有两段螺纹，螺纹齿形和螺距相同，旋转方向相反，分别是左旋和右旋。支撑架连接板下面是丝杠螺母，与丝杠啮合，上面连接板与支撑架相连。安装时，两个连接板的中心和固定支架的中心及玻璃基板中心重合。当电机转动时，支撑架连接板以相同速度靠近或离开。调整支撑架间距时，驱动电机会带动支撑架自动调整。

支撑架通过支撑滑块固定在滑动轨道的滑动滑块上，当驱动电机旋转时，通过以上机构，支撑架可以自由移动。

图9　光电测距结构图

光电测距传感器用于测量探测点的位置。不同厂家会对支撑距离有不同的要求，当支撑距离变化时，玻璃基板展开的最大宽度不同，探测点的位置会变化。所以在传感器下面安装有燕尾槽轨道，根据测量要求调整传感器的探测位置。

支撑架由支撑架基体和半圆接触面组成。支撑架基体为了减重，中间及两侧挖空。半圆接触面是与玻璃基板接触的部分。采用半圆形接触面可以与玻璃光滑接触，避免尖角接触造成玻璃损伤，并且测量更准确。

图10　支撑架结构图

图11　固定支架和升降支架结构图

固定平台和升降平台是垂度测量装置的核心部件。固定平台支撑在底座上，升降平台压在固定平台上。升降平台和固定平台之间有气囊。气囊呈环形。升降平台下面有四根气囊固定杆，卡在气囊内侧，固定气囊位置。

固定平台由固定板、支撑杆和直线轴承组成。4根支撑杆固定在固定板下面，起支撑作用。支撑杆内侧安装有4个直线轴承，为升降平台提供轨道和导向。固定平台中间有4个小孔，气囊固定杆从孔中穿过。

升降平台由升降板、升降导杆和气囊固定杆组成。升降导杆从直线轴承中穿过。升降平台上表面与玻璃基板接触。上表面正中间处有中间线，用于玻璃基板对中。升降平台的升降运动由气囊充放气完成。

气囊供气系统由一个气泵、手动三通电磁阀和一个节流阀组成，中间用气管连接。充气时，打开气泵，电磁阀动作，气泵和气囊接通；充气结束，关掉气泵，电磁阀归中，保压；放气时，电磁阀反向动作，气囊与大气相连，在放气口接有节流阀，可以调整放气口大小和放气速度，使气囊缓慢放气，玻璃平稳下降。放气速度调整好后，节流阀不再调整。

3　垂度测量装置测量过程

玻璃基板垂度测量过程如下：

第一步：调整支撑架间距至所需要的距离；

第二步：给气囊充气，升降支架上升，当升降平台上表面和支撑架半圆接触面最高点平齐时，上升到位检测传感器检测到位，停止；

第三步：将玻璃基板平放在升降板上，根据中间线，将玻璃基板居中对齐；

第四步：缓慢放气，升降平台缓慢下降，玻璃基板中间开始下垂。当玻璃基板下垂到垂度值时，玻璃基板和升降平台脱开。升降平台降至底部；

第五步：打开测距开关，读取距离数值；

第六步：取下玻璃板，实验设备归位，测量结束。

4　电气控制系统

该项目控制系统采用上下位机的控制系统。下位机采集设备数据，上位机进行监控并下达操作指令。本项目采用装有三维力控软件的工控机作为上位机，西门子PLC作为下位机。PLC采集数据后通过通信协议上传到工控机，可以在工控机界面上，看到6个点的距离测量的数据，并根据支撑点高度和测量数据自动计算出垂度值和自动判别是否合格。在工控机人机界面上，可以操作气泵、气阀、电机等运动。控制系统如图12所示。