大跨度偏光片斜角裁切設(shè)備的研制

董彥梅，王建花，王 敏

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西太原030024)

偏光片的全稱是偏振光片，是液晶顯示器必不可少的組成部分，每生產(chǎn)一塊液晶顯示器就需要兩片偏光片，兩片偏光片的吸收光軸呈相互垂直方向緊貼于液晶玻璃的兩側(cè)，這樣液晶顯示器才能顯示圖案。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和市場的需求，液晶顯示器的尺寸越來越大，這樣就要求所貼合的偏光片尺寸也越來越大，由于各種偏光片的角度不同，為了適應(yīng)貼合要求，大跨度偏光片斜角裁切設(shè)備成為偏光片加工生產(chǎn)的迫切需要。

1 偏光片的工作原理

偏光片是能將自然光轉(zhuǎn)換成直線偏光的光學(xué)元件，是一種只允許某偏振方向的光線通過的光學(xué)片板，其原理是將入射光線經(jīng)過水平偏光片后使水平方向的光線通過，另一部分垂直方向的光線則被吸收，或者利用反射和散射等作用使其屏蔽[3]，所以如果拿一片偏光片對著光源看，就會(huì)感覺光線變得較暗。但是如果把兩片偏光片重疊在一起，當(dāng)旋轉(zhuǎn)兩片的偏光板的相對角度，會(huì)發(fā)現(xiàn)隨著相對角度的不同，光線的亮度會(huì)明暗交替變化。當(dāng)兩片偏光片的角度互相垂直時(shí)，光線就完全無法通過了。偏光片工作原理如圖1所示。

圖1 偏光片工作原理

2 偏光片角度精度在液晶顯示器中的重要性

裁切的偏光片角度相差過大，貼合于液晶顯示器的兩側(cè)就不是處于相互垂直的方向置入，就會(huì)直接影響偏光片的透光性能，從而直接影響液晶顯示器的質(zhì)量。另外，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新工藝、新材料、新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，置入液晶顯示器的偏光片隨著液晶顯示器尺寸的增大而越來越大，裁切角度精度就尤為重要，就要求裁切的角度更加精確[2]。如果偏斜角度一定，對于小尺寸的偏光片來說，尺寸偏斜就?。粚τ诖蟪叽绲钠馄瑏碚f，尺寸偏斜就會(huì)更大。偏光片角度偏差示意圖如圖2所示。

圖2 偏光片角度偏差示意圖

根據(jù)三角函數(shù)公式tan θ= t/L，t= L·tan θ，其中：θ 為偏斜角度，t 為偏斜尺寸，L 為偏光片尺寸。當(dāng)尺寸偏斜角度θ 不變時(shí)，隨著偏光片尺寸L的增大，偏斜尺寸t 也會(huì)增大（見圖3）。因此我部研制了可以精確控制角度的大跨度偏光片斜角裁切設(shè)備。

圖3 偏差坐標(biāo)圖

3 偏光片斜角裁切工藝流程

偏光片斜角裁切工藝流程如圖4所示。

偏光片經(jīng)過一系列動(dòng)作和檢測之后，傳送到斜角裁切平臺(tái)上，系統(tǒng)依照所接收的指令進(jìn)行裁切機(jī)構(gòu)＋45°～-45°角度旋轉(zhuǎn)，如果旋轉(zhuǎn)角度達(dá)到指令要求，氣動(dòng)系統(tǒng)控制的剎車系統(tǒng)就會(huì)發(fā)揮作用，使裁切機(jī)構(gòu)快速、平穩(wěn)的停止，然后，裁切機(jī)構(gòu)上下動(dòng)作進(jìn)行精確的斜角裁切。如果旋轉(zhuǎn)角度沒有達(dá)到指令要求，就會(huì)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，直至旋轉(zhuǎn)到位，完成剎車、裁切動(dòng)作。

圖4 偏光片斜角裁切工藝流程

考慮到偏光片自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及所裁切偏光片跨度較大，能夠精確的控制裁切角度是研究的關(guān)鍵一步。角度旋轉(zhuǎn)完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和采用電液聯(lián)合控制裁切是提高效率的關(guān)鍵措施。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

偏光片的裁切角度精度是影響偏光片質(zhì)量的關(guān)鍵因素，同時(shí)是影響液晶顯示器良品率的關(guān)鍵因素。我們研制的斜角裁切設(shè)備是針對大跨度整卷偏光片的裁切，由于偏光片自身的特性，整卷偏光片傳送到裁切機(jī)構(gòu)處，偏光片較卷曲，而且跨度較大，導(dǎo)致裁切角度精度難以保證，致使偏光片裁切不合格。偏光片斜角裁切必須嚴(yán)格控制角度，需要通過PLC 和編碼器精確控制角度的旋轉(zhuǎn)，采用迅速、平穩(wěn)的氣動(dòng)控制來控制角度旋轉(zhuǎn)的停止。通過電液聯(lián)合實(shí)現(xiàn)大跨度裁切機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，與同步機(jī)構(gòu)的配合來完成偏光片裁切。

5 斜角裁切設(shè)備中裁切角度精確控制的實(shí)現(xiàn)

5.1 角度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

角度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖如圖5所示。角度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由電機(jī)、導(dǎo)軌1、絲杠、導(dǎo)軌2、滾動(dòng)軸承、交叉滾柱軸環(huán)等組成。設(shè)計(jì)以導(dǎo)軌1 作為導(dǎo)向，電機(jī)帶動(dòng)絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為裁切刀的直線運(yùn)動(dòng)，想要裁切刀以中心為原點(diǎn)進(jìn)行＋45°～-45°角度旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)中心應(yīng)用了交叉滾柱軸環(huán)進(jìn)行精密旋轉(zhuǎn)。由機(jī)械自由度決定，要使裁切刀能順利進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，必須使用滾動(dòng)軸承才能很好的實(shí)現(xiàn)。交叉滾柱軸環(huán)的設(shè)計(jì)應(yīng)用，使旋轉(zhuǎn)裁切刀可以精密旋轉(zhuǎn)，達(dá)到設(shè)備使用要求。RB 型交叉滾柱軸環(huán)獨(dú)特的設(shè)計(jì)可以很好地承受徑向、軸向負(fù)荷，以及力矩負(fù)荷，具有高的鋼性，可以進(jìn)行精密旋轉(zhuǎn)，在角度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中起到了至關(guān)重要的作用。

圖5 角度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖

5.2 電氣控制系統(tǒng)

角度檢測控制結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。精密的角度旋轉(zhuǎn)電器控制系統(tǒng)由連接板、主動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)輪、從動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)輪、編碼器和PLC 等組成。連接板與裁切刀相連接，裁切刀轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)角度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，裁切刀的角度旋轉(zhuǎn)是通過電機(jī)、絲杠、軸環(huán)等自動(dòng)控制來完成的，設(shè)計(jì)采用了一套編碼器來進(jìn)行精確的角度值的讀取。在整個(gè)旋轉(zhuǎn)過程中，編碼器會(huì)把每一個(gè)當(dāng)前值反饋給PLC，PLC 來控制角度旋轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度與設(shè)定角度相同時(shí)，裁切刀轉(zhuǎn)動(dòng)停止，期間編碼器會(huì)實(shí)時(shí)的顯示當(dāng)前角度值。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕嵌刃D(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加之精密的電器編碼控制的應(yīng)用是角度精密旋轉(zhuǎn)的重要保證，更是偏光片裁切角度精度的重要保證。

5.3 剎車系統(tǒng)

剎車系統(tǒng)示意圖如圖7所示。剎車系統(tǒng)主要由剎車氣缸和剎車板組成。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕嵌刃D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)加之精密的電器編碼控制的應(yīng)用在角度精密旋轉(zhuǎn)中起到關(guān)鍵的作用，但是旋轉(zhuǎn)的停止也是我們必須考慮的。由于慣性的作用，沒有很好地剎車系統(tǒng)的作用，角度的旋轉(zhuǎn)也會(huì)增大偏差，故剎車系統(tǒng)的作用也是非常關(guān)鍵，不可或缺。剎車系統(tǒng)采用了氣動(dòng)控制，利用氣動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)，反應(yīng)快，動(dòng)作迅速來控制裁切刀角度旋轉(zhuǎn)的及時(shí)停止，給角度的精確旋轉(zhuǎn)把好了重要的一關(guān)。

圖7 剎車系統(tǒng)示意圖

6 偏光片大跨度裁切的實(shí)現(xiàn)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，偏光片的使用尺寸越來越大，要求的角度偏差越來越小，為了解決大尺寸偏光片精確裁切，設(shè)計(jì)了大跨度的斜角裁切機(jī)構(gòu)，我們設(shè)計(jì)的裁切跨度大于國外同類產(chǎn)品，設(shè)計(jì)大跨度斜角裁切設(shè)備在很大程度上提高了偏光片原材料的利用率?？紤]到偏光片自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，偏光片是一種層狀結(jié)構(gòu)的類似塑料的物質(zhì)，是可以彎曲和柔軟的[1]；斜角裁切設(shè)備所裁切的偏光片是整卷偏光片經(jīng)過一系列運(yùn)動(dòng)傳送到裁切機(jī)構(gòu)處，故部分所要裁切的偏光片翹曲比較嚴(yán)重，裁切時(shí)產(chǎn)生彈性變形，對一次性順利裁切提出了更高的要求。

6.1 上下切梁設(shè)計(jì)

考慮到大跨度斜角裁切設(shè)備的需求和偏光片自身的結(jié)構(gòu)特性以及外在因素，裁切機(jī)構(gòu)的上下切梁的平面度要求、質(zhì)量、可靠性等都是該機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)?；谠O(shè)備的跨度大，高平面度要求，設(shè)計(jì)采用了焊接工藝進(jìn)行上下切梁的設(shè)計(jì)，焊接產(chǎn)品比鉚接件、鑄件、鍛件質(zhì)量輕，對于交通運(yùn)輸來說可以減輕自重，節(jié)約能量，并且進(jìn)行了去除焊接加工應(yīng)力的處理，同時(shí)采用磨削加工保證上下切梁的平面度要求。

6.2 電液聯(lián)合控制系統(tǒng)

電液機(jī)構(gòu)示意圖如圖8所示。電液機(jī)構(gòu)主要由電液系統(tǒng)、液壓缸和上切梁等組成。液壓系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)很多，其中最為突出的是傳動(dòng)平穩(wěn)，能在低速下穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，輸出力大。由于需要裁切的偏光片在斜角裁切機(jī)構(gòu)處一端處于自由狀態(tài)和后續(xù)的送料的影響，裁切速度較低。綜合偏光片和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，裁切大跨度偏光片需要的壓力較大，故采用了液壓傳動(dòng)來完成裁切動(dòng)作。液壓缸活塞桿的上下動(dòng)作推動(dòng)上切梁完成偏光片的裁切，同時(shí)電液聯(lián)合控制裁切提高了設(shè)備的自動(dòng)化程度和設(shè)備的裁切效率。

圖8 電液機(jī)構(gòu)示意圖

6.3 同步工藝結(jié)構(gòu)

同步結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。同步結(jié)構(gòu)主要由上切梁、齒輪和齒條等組成。雖然液壓傳動(dòng)較平穩(wěn)，但由于設(shè)備跨度和質(zhì)量都過大，可能使裁切機(jī)構(gòu)上切梁上升下降過程中左右同步性太差，導(dǎo)致導(dǎo)向磨損，縮短壽命，或直接卡死損壞設(shè)備，故設(shè)計(jì)了同步結(jié)構(gòu)來解決這一關(guān)鍵問題。

圖9 同步結(jié)構(gòu)示意圖

此結(jié)構(gòu)跨度兩側(cè)各裝有一組齒輪、齒條，當(dāng)液壓缸活塞桿升降帶動(dòng)上切梁上下動(dòng)作時(shí)，兩端的齒輪會(huì)上下同步運(yùn)動(dòng)，保證上切梁同步動(dòng)作來裁切偏光片。

6.4 硬限位工藝結(jié)構(gòu)

硬限位結(jié)構(gòu)示意圖如圖10所示。由于裁切的偏光片厚度不同，故上切梁裁切下降的高度也不是固定不變的，設(shè)計(jì)了硬限位結(jié)構(gòu)來解決這一問題。該結(jié)構(gòu)主要是由一組厚度不等的剛性墊片組成，上面安裝有方便拆裝的壓緊塊，隨著裁切厚度的不同，可方便進(jìn)行增加或減少限位墊片，有效解決限位問題。

圖10 硬限位結(jié)構(gòu)示意圖

由于裁切刀跨度較大，故在機(jī)構(gòu)兩側(cè)各安裝有兩組限位結(jié)構(gòu)，可以很好地解決裁切不同厚度大跨度偏光片的問題。

7 提高生產(chǎn)效率的措施

在旋轉(zhuǎn)和裁切過程中所有結(jié)構(gòu)均實(shí)現(xiàn)了完全自動(dòng)化，不需人工干預(yù)，大大提高了設(shè)備的工作效率。在角度旋轉(zhuǎn)過程中，由編碼器實(shí)時(shí)快速的檢測并反饋給PLC，并由PLC 快速的控制角度旋轉(zhuǎn)；由電氣和液壓聯(lián)合控制裁切刀的升降動(dòng)作，均為提高生產(chǎn)效率發(fā)揮了很大的作用，提高了轉(zhuǎn)角和裁切效率也就在很大程度上提高了液晶顯示器產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。

8 結(jié)束語

所研制的大跨度偏光片斜角裁切設(shè)備是液晶顯示器生產(chǎn)后工序的關(guān)鍵設(shè)備，是對整卷偏光片進(jìn)行＋45°～-45°可調(diào)角度精確裁切的專用設(shè)備，它適用于裁切跨度為1 400 mm 以內(nèi)的所有偏光片，其性能指標(biāo)達(dá)到了生產(chǎn)企業(yè)提出的要求。同時(shí)，該設(shè)備不僅可以對偏光片進(jìn)行加工，還可以推廣應(yīng)用于類似薄膜材料的加工處理中。

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