UVW平臺在平板顯示貼附類設備中的應用與研究

胡欽華，衡利斌，郭鵬，楊成春

（中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原030024）

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UVW平臺在平板顯示貼附類設備中的應用與研究

胡欽華，衡利斌，郭鵬，楊成春

（中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原030024）

摘要：為了滿足在平板顯示貼附類設備中對高精度貼合的要求，設計了一種平面3-PRP型并聯(lián)機構UVW工作平臺，并對平臺的自由度進行了分析，利用解析法給出了平臺精確的運動學正反解模型，并在此基礎上對平臺產生誤差的原因進行了深入分析。在平臺的各種誤差中，PRP支鏈的對心誤差是導致運動學正反解誤差的關鍵，是影響平臺精度的主要原因。

關鍵詞：貼附；視覺對位系統(tǒng)；UVW平臺；并聯(lián)機構；運動正反解；誤差補償

當前，國內平板顯示產業(yè)的發(fā)展日新月異，其作為國家戰(zhàn)略層面的新興產業(yè)，得到了國家和政府的大力扶持。在國家經(jīng)濟結構調整的大背景下，平板顯示產業(yè)又迎來了新的發(fā)展機遇。在平板顯示器的制造過程中會多次用到貼附技術，貼附是將一種材料粘貼在另一種材料上的生產工藝，貼附質量的好壞對平板顯示器的的性能影響很大，因此在貼附過程中都要求貼附位置與貼附角度偏差小，貼附材料不產生拉伸、扭曲、壓傷、變形等特點。隨著平板顯示技術的發(fā)展，貼附材料正在向薄型化、高透光性和低柔韌性方向發(fā)展，傳統(tǒng)的機械定位和光纖定位方式已不能滿足生產的要求。近年來基于機器視覺的精密對位系統(tǒng)以其優(yōu)異的性能得到了廣泛的應用，視覺對位貼附技術就是基于光學、精密機械和精密控制發(fā)展而來的一種新型對位貼附技術，該技術因其定位精度高、響應速度快、工作穩(wěn)定可靠而備受重視。

1　視覺對位系統(tǒng)的組成及工作原理

視覺對位系統(tǒng)一般由四部分組成：電機及其驅動、精密工作平臺、CCD攝像頭及圖像采集卡、圖像處理算法及控制軟件。本文所述的視覺對位系統(tǒng)是指在平板顯示行業(yè)TFT-LCD制程中，偏光片和玻璃基板貼合工藝所使用的對位系統(tǒng)，該系統(tǒng)的方案如圖1所示。

圖1　對位系統(tǒng)示意圖

其工作原理是：利用雙CCD對偏光片邊角特征和玻璃MARK點進行讀取，通過圖像處理系統(tǒng)與圖形識別算法計算出偏光片和玻璃基板的中心坐標，再利用兩中心坐標存在的差異計算出工作平臺的移動量，最后通過控制U、V、W電機執(zhí)行運動，達到偏光片與玻璃基板的中心重合對位，以實現(xiàn)偏光片和玻璃基板的精確貼合。在此系統(tǒng)中，高精度UVW平臺的運用能更快速、更精確地達到對位要求，是本文的研究重點。

2　UVW工作平臺的結構設計與分析

2.1工作平臺的機械結構

在平板顯示貼附類設備中，常用的機械工作平臺主要有兩種形式：XYθ平臺和UVW平臺。XYθ平臺是最為常用的工作平臺，它采用串聯(lián)結構的設計思想，其優(yōu)點是X、Y和θ都是獨立的運動軸，可實現(xiàn)大尺度平移和大角度旋轉，其缺點是平臺響應速度慢、剛性低，并且對的小分辨率很難做到；UVW平臺則采用平面并聯(lián)結構的設計思想，其優(yōu)點是響應速度快、剛性高、結構緊湊，可以實現(xiàn)微米級的定位精度，其缺點是工作空間小，并且在工作空間內存在奇異位形。

為了實現(xiàn)偏光片和玻璃基板的高精度貼合，我們設計了一種平面3-PRP型并聯(lián)機構UVW工作平臺，該型平臺具有3個結構對稱的支鏈形式，每個支鏈由一個移動副（P）連接安裝基板、一個移動副（P）連接工作平臺，兩個移動副再通過一個轉動副（R）相連，其機構如圖2所示。

圖2　PRP支鏈結構及組成圖

根據(jù)上述設計思想，建立工作平臺的三維模型，如圖3所示。

采用矢量分析方法對3-PRP型并聯(lián)機構運動學正反解進行求解，并基于雅克比矩陣對其速度和奇異性各向同性配置進行分析，結果表明3-PRP型并聯(lián)機構在工作區(qū)域內無奇異位形，并可通過運動參數(shù)的調節(jié)提高運動精度。

2.2平面3-PRP型并聯(lián)機構的自由度分析

圖3　UVW工作平臺三維模型圖

要得到UVW工作平臺的控制特性，我們需要對平臺的自由度進行分析，本文采用的UVW機構實際上是一種特殊的平面3-PRP型并聯(lián)機構，機構簡圖如圖4所示。

圖4　UVW機構簡圖

設在二維平面內，有n個完全不受約束的構件，且任意選定其中一個構件作為固定參照物。由于每個構件都有3個自由度，則n個構件相對于參照物共有3（n-1）個運動自由度。如將此n個構件，用m個約束數(shù)為1～3的運動副連接起來，組成平面機構，并設第i個運動副的約束數(shù)為pi，則該機構的自由度：

通常情況下，式（1）中的pi可以用3（n - fi）來替代，就成為一般形式的平面機構的自由度計算公式：

在平面3-PRP型并聯(lián)機構中，機構的構件數(shù)n= 8，運動副數(shù)m=9，每個轉動副有1個自由度，所以：

將上式代入（2）式，則有：

由以上計算可知，該機構的自由度為3。由于UVW平臺為3個電機（U、V、W）驅動，驅動數(shù)目與自由度數(shù)目相等，則可證明UVW工作平臺的運動唯一。

2.3平面3-PRP型并聯(lián)機構的運動學反解模型

UVW工作平臺在平板顯示貼附類設備中的對位過程如下：

（1）將偏光片置于工作平臺上，并使偏光片要檢測的邊角特征位于CCD的視野范圍之內，確定邊角特征的位置，并利用圖像算法計算出偏光片的中心坐標。

（2）將玻璃基板置于工作平臺上，并使玻璃基板的MARK點位于CCD的視野范圍之內，確定MAK點的位置，并利用圖像算法計算出玻璃基板的中心坐標。

（3）依據(jù)偏光片、玻璃基板的中心坐標的相對差值，利用圖像處理算法計算出UVW平臺的移動量（x，y，θ），以驅動電機運動，使偏光片和玻璃基板精準對位。

設θ以逆時針旋轉為正，利用解析法分析平臺的運動學特性，可得其運動學反解關系式為：

圖5　并聯(lián)機構運動關系簡圖

寫成矩陣形式，則有：

平臺中心從（x0，y0，θ0）點運動到（x1，y1，θ1）點，則有：

平臺中心從（x0，y0，θ0）點運動到（x2，y2，θ2）點，則有：

將（5）式和（6）式寫成矩陣形式，并令：

則有：

（7）式即為平面并聯(lián)機構的反解模型，其中：Δu1、Δv1、Δw1為狀態(tài)（x1，y1，θ1）運動到狀態(tài)（x2，y2，θ2）時相應的U、V、W部分運動的距離。

2.4平面3-PRP型并聯(lián)機構的運動學正解模型

當U、V、W三電機運動時，對應不同的（u，v， w），則有相應的狀態(tài)（x，y，θ），平臺運動到對應的位置。對于平面3-PRP型并聯(lián)機構，建立運動學正解關系式：

寫成矩陣形式，則有：

（9）式即為平面3-PRP型并聯(lián)機構的反解模型，對（9）式進行分析可知：該型并聯(lián)機構的正解模型是一個復雜的時變系統(tǒng)，它是進行誤差分析與誤差補償?shù)幕A。

3　UVW工作平臺的誤差分析及誤差補償

3.1UVW工作平臺的誤差分析

由UVW工作平臺在平板顯示貼附類設備中的對位過程可知，由于系統(tǒng)的非線性，工作平臺移動后，并不能完全補償偏光片和玻璃基板的中心坐標的位置誤差，和實際位置比較的結果就是UVW工作平臺的對位誤差。

進一步對UVW工作平臺的誤差來源進行分析：

（1）圖像處理系統(tǒng)誤差。圖像處理系統(tǒng)是由照明系統(tǒng)、光學成像系統(tǒng)、CCD攝像系統(tǒng)、圖像采集卡、硬件接口、計算機硬件及圖像處理軟件等軟硬件組成的復雜系統(tǒng)。因此影響機器視覺系統(tǒng)精度的因素也來自多方面。由于偏光片的邊角特征和玻璃基板的MARK點在讀取過程中，圖像處理系統(tǒng)誤差雖然是客觀存在的，但在比較計算環(huán)節(jié)會形成消減，致使圖像處理系統(tǒng)誤差影響減弱。

（2）平臺系統(tǒng)誤差。平臺系統(tǒng)誤差包括：由于機構熱變形誤差與承載變形誤差引起的平臺與工件作用點上的相對位置偏差；由于伺服系統(tǒng)跟蹤誤差、進給傳動誤差和位置檢測誤差等引起的位移偏差。在平板顯示貼附類設備中，由于UVW工作平臺所承受的載荷較小，并且工作在恒溫恒濕的10 000級潔凈廠房中，平臺所受承載變形和熱變形可忽略不計，所以平臺的系統(tǒng)誤差也較小。

（3）平臺的制造安裝誤差。平臺的制造安裝誤差主要有機構的原始誤差、制造誤差和裝配誤差組成。由于關系到UVW工作平臺的正反解模型，是誤差產生的關鍵原因。

（4）軟件系統(tǒng)誤差。在圖像處理、特征和MARK點讀取和坐標轉換過程中，由于運算精度、算法誤差等的存在也會一定程度上影響UVW工作平臺的對準精度，是誤差產生的另一個關鍵原因。

3.2PRP支鏈的對心誤差

UVW工作平臺3個PRP支鏈的對心誤差是導致運動學正解誤差的關鍵。該誤差很難通過加工和裝配完全消除，因此需要研究一種算法對誤差進行校正補償。

由于對心誤差的存在，使得下模組在U、V、W方向的移動不能完全傳遞到工作平臺。對存在對心誤差的UVW工作平臺建立如圖6所示的數(shù)學模型。其中xu、yu，xv、yv，xw、yw分別表示U、V、W 3個PRP支鏈在x方向和y方向的制造裝配誤差。

利用解析法對圖6進行求解，可以得到：

其中θ為平臺的轉角，這樣可以獲得U、V、W3個方向的移動誤差u'、v'和w'為：

圖6　UVW工作平臺對心誤差分析圖

對誤差做進一步的分析，可知：

將（12）式代入（11）式，即可得出U、V、W 3個PRP支鏈在對心誤差存在的情況下的u'、v'、w'的表達式為：

從以上分析可知，在U、V關節(jié)上，x方向的誤差起主導作用，而X關節(jié)上y方向上的誤差起關鍵作用。

3.3UVW工作平臺的誤差補償

將（13）式代入（8）式，可以得到PRP支鏈在存在誤差的前提條件下的正解表達式如下：

把（13）式中的u'、v'代入（14）式中的第三式可得：

由（16）式可得：θ'≈θ

我們用u'、v'、w'代入（14）式中的x'、y'，就可以獲得PRP支鏈在存在誤差的前提下的正解運動結果和無補償正解運動結果的誤差值Δx、Δy為：

由于xu、xv、yw均為很小的量，則可省去高級無窮小量sin2θ，于是（17）式又近似于：

由（18）式可知：正解x方向上的誤差主要由W支鏈y方向的誤差引起，而正解y方向的誤差主要由U、V支鏈x方向的誤差和引起。

在θ≤±5°時，設xu=xv=yw=t，由（18）式可知：Δx=Δy。當平臺轉角θ=5°，t取不同值時，代入（18）式可得表1；當θ=1°時，同樣的方法可得表2。

表1　θ=5°　mm

表2　θ=1°　mm

分析表1、表2中的數(shù)據(jù)可知，在排除視覺對位系統(tǒng)其它誤差的前提下，如若平臺的旋轉角度能控制在UVW以內，且PRP支鏈的對心誤差能控制在0.05mm以內，工作平臺的精度則可達到5 μm以內；如若平臺的旋轉角度能控制在1°以內，且PRP支鏈的對心誤差能控制在0.05 mm以內，則UVW工作平臺的精度可達到0.5 μm以內。

為了獲得xu、xv、yw，讓uvw工作平臺輸出一個uvw偏移量，通過CCD計算出實際的x1、y1、θ1值，同時采用精確的運動學正解表達式計算出理論x2、y2、θ2值，這樣可以獲得二者的差值Δx = x1- x2， Δy = y1- y2，取代入式（18）可以計算出yw和xu+xv，如下：

這樣就可以給出PRP支鏈在存在誤差的前提下UVW工作平臺的正解表達式為：

其中u'、v'、w'通過反解關系式（3）計算而得。

4　結　論

本文給出了視覺對位系統(tǒng)的一般組成，重點研究了平面3-PRP型并聯(lián)機構UVW對準平臺，并對平臺的自由度進行了分析，證明了平臺運動的唯一性；給出了平臺精確的運動學正反解模型，并在此基礎上對平臺產生誤差的原因進行了深入的分析；在平臺的各種誤差中，PRP支鏈的對心誤差是導致運動學正反解誤差的關鍵，是影響平臺精度的主要原因，在深入分析PRP對心誤差的基礎上給出了誤差補償?shù)墓健?/p>

在平板顯示貼附類設備中使用的對位系統(tǒng)，是以PRP對心誤差控制在0.05 mm以內為前提討論的，結果顯示對準誤差能控制在5 μm以內，該精度能很好的滿足貼附設備對高精度貼合的要求。在提高機械結構精度和采用預定位減小平臺轉角的情況下，平臺精度還可進一步提高。

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胡欽華（1982-），男，河南商丘人，工學學士，工程師，主要從事電子專用設備的研發(fā)工作。

業(yè)界要聞

The Research and Application of UVW Platform in Attached Equipment of the Flat Panel Display

HU Qinhua，HENG Libin，GUO Peng，YANG Chengchun
（The 2ndResearch Institute of CETC，Taiyuan 030024，China）

Abstract:In order to meet the requirements of high precision fitting attached equipment in the flat panel display，a kind of UVW working platform of 3-PRP parallel mechanism of plane was designed，and the degree of freedom of the platform were analyzed，and the analytical model of kinematics of the positive and negative was give by analytical method，the errors of the platform are analyzed in depth based on former research.In all kinds of errors of the platform，the central error is the key to the error of positive and negative solution of kinematics in the chain of PRP，which is the main reason of the platform precision.

Keywords:Attachment；Vision-based alignment systm；UVW platform；Parallel mechanism；Positive and negative solutions of motion；Error compensation

中圖分類號：TN605

文獻標識碼：B

文章編號：1004-4507（2016）05-0029-07

收稿日期：2016-04-15

作者簡介：