LCD玻璃裂片機(jī)的設(shè)計(jì)與分析

李大偉，郭晉竹

(中電科風(fēng)華信息裝備股份有限公司，山西太原 030024)

LCD玻璃裂片機(jī)的設(shè)計(jì)與分析

李大偉，郭晉竹

(中電科風(fēng)華信息裝備股份有限公司，山西太原 030024)

為了提高LCD玻璃基板切割的生產(chǎn)效率，設(shè)計(jì)了LCD玻璃裂片機(jī)。從斷裂力學(xué)的角度介紹了LCD玻璃的斷裂過程，闡述了裂片機(jī)的總體結(jié)構(gòu)和工作原理，并對(duì)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析和說明。

LCD玻璃裂片機(jī)；旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)；諧波減速機(jī)

LCD玻璃基板切割主要完成將大片玻璃基板切割成小粒液晶顯示器單體（PANEL）的任務(wù)。液晶玻璃基板切割工藝主要包括切割和裂片兩個(gè)工序。

傳統(tǒng)的單體切割機(jī)屬于半自動(dòng)化設(shè)備，工藝流程為：切割玻璃正面，人工翻轉(zhuǎn)玻璃基板到背面，切割玻璃背面，手動(dòng)沿切割線將玻璃基板掰斷成PANEL。這個(gè)過程PANEL容易出現(xiàn)Dummy條殘留、Crack、Burr、裂紋等缺陷[1]。

隨著市場的需求和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，單體切割機(jī)已不能滿足行業(yè)需求，全自動(dòng)生產(chǎn)線應(yīng)運(yùn)而生。由中電科風(fēng)華信息裝備股份有限公司設(shè)計(jì)研發(fā)生產(chǎn)的切割斷裂自動(dòng)生產(chǎn)線工藝流程為：切割玻璃TFT面、斷裂玻璃CF面、切割玻璃CF面、斷裂玻璃TFT面、去除Dummy條、檢測Dummy條。

1 玻璃斷裂過程

玻璃是一種脆性材料，具有非常低的韌度，斷裂前幾乎沒有變形。脆性斷裂發(fā)生比較突然，裂紋開始擴(kuò)展的起裂點(diǎn)與裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的斷裂點(diǎn)非常接近，裂紋擴(kuò)展后，載荷迅速下降，斷裂過程很快結(jié)束[2]。切割刀輪在玻璃表面劃過后，會(huì)在玻璃表面留下一條劃痕，而在玻璃內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生三條裂痕，其中兩條沿表面左右分開，另一條是垂直向下伸展的豎縫。切割線可等效認(rèn)為由很多微裂紋組成，每個(gè)微裂紋的長度沿著刀輪切割方向[3]。

英國物理學(xué)家Griffith提出微裂紋理論：脆性材料的斷裂可以分為微裂紋的產(chǎn)生和微裂紋的擴(kuò)展兩個(gè)過程：存在一個(gè)臨界長度，當(dāng)微裂紋的長度大于臨界長度后，它就會(huì)自動(dòng)迅速擴(kuò)展從而使材料斷裂[4]。玻璃斷裂的裂紋屬于張開型，裂紋表面位移彼此相反，方向垂直于裂紋的擴(kuò)展方向。微裂紋的端部是應(yīng)力集中的區(qū)域，微裂紋會(huì)沿著玻璃的厚度方向擴(kuò)展。在豎縫的端部產(chǎn)生拉應(yīng)力，再加上曲折的彎力，豎縫向下伸展出去便可把玻璃切斷。

裂片的目的就是通過在玻璃基板外部施加一定壓力，增大垂直裂紋端部的應(yīng)力，加速裂紋的擴(kuò)展，縮短玻璃分離所需的時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。一般來說，裂片的壓力大于玻璃基板的斷裂強(qiáng)度，就能達(dá)到裂片的效果[5]。

2 裂片機(jī)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 總體結(jié)構(gòu)

裂片機(jī)工藝流程為：吸附玻璃、抓取Mark標(biāo)、原點(diǎn)對(duì)位、斷裂玻璃基板一邊、臺(tái)板旋轉(zhuǎn)90°、斷裂玻璃基板另一邊、清掃旋轉(zhuǎn)臺(tái)板。裂片機(jī)總體包括機(jī)械、電器和氣路三部分。機(jī)械主體主要包括y向進(jìn)給部件、斷裂部件、旋轉(zhuǎn)臺(tái)板部件、機(jī)架等，如圖1所示。電器部分由軟件和硬件組成。氣路部分由正壓、負(fù)壓系統(tǒng)組成。

2.2 工作原理

裂片機(jī)由工控機(jī)控制，采用旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)板運(yùn)動(dòng)，斷裂部件固定的運(yùn)動(dòng)模式。玻璃基板放置在裂片機(jī)旋轉(zhuǎn)臺(tái)板上，開啟真空將玻璃基板吸附在臺(tái)板上，光學(xué)對(duì)位系統(tǒng)抓取玻璃上的Mark標(biāo)進(jìn)行對(duì)位，臺(tái)板旋轉(zhuǎn)至原點(diǎn)位置，y向進(jìn)給部件以LM導(dǎo)軌導(dǎo)向由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠運(yùn)動(dòng)至第一條“斷裂線”處，斷裂部件以LM導(dǎo)軌導(dǎo)向由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠進(jìn)行斷裂。斷裂部件抬起，y向進(jìn)給部件驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)板運(yùn)動(dòng)到第二條“斷裂線”進(jìn)行斷裂。玻璃基板一邊斷裂完成后，旋轉(zhuǎn)臺(tái)板旋轉(zhuǎn)90°，接著斷裂玻璃基板另一邊。斷裂完成后，關(guān)閉臺(tái)板真空，玻璃被吸附運(yùn)送到下一個(gè)工序，防靜電毛刷清理旋轉(zhuǎn)臺(tái)板。

圖1 LCD玻璃裂片機(jī)

3 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與分析

斷裂部件和旋轉(zhuǎn)臺(tái)板部件是裂片機(jī)工作的關(guān)鍵部件。

3.1 斷裂部件

斷裂部件由光學(xué)對(duì)位系統(tǒng)和斷裂機(jī)構(gòu)兩部分組成。

光學(xué)對(duì)位系統(tǒng)由變焦系統(tǒng)、相機(jī)、光源、顯示器及調(diào)整機(jī)構(gòu)等組成。裂片機(jī)的兩套光學(xué)對(duì)位系統(tǒng)以LM導(dǎo)軌導(dǎo)向并由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠實(shí)現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，在y向進(jìn)給部件和旋轉(zhuǎn)臺(tái)板部件的配合下尋找、抓取玻璃基板上的Mark標(biāo)，計(jì)算玻璃基板與裂片刀頭的位置偏差并自動(dòng)校正從而實(shí)現(xiàn)玻璃基板的精確對(duì)位，達(dá)到精確控制斷裂位置的目的。如果裂片位置有偏差，會(huì)出現(xiàn)玻璃基板不能分?jǐn)嗟那闆r，還會(huì)對(duì)后端制程造成很多不良影響[6]。

斷裂機(jī)構(gòu)主要由伺服電機(jī)、連接板、斷裂氣缸、斷裂刀頭、電氣比例閥等組成，如圖2所示。

伺服電機(jī)固定在橫梁上，連接板與絲杠螺母固定。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠使連接板沿LM導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)垂直方向的運(yùn)動(dòng)。6個(gè)斷裂氣缸兩兩一組并聯(lián)在一起，沿連接板長度方向均布固定在連接板上，隨著連接板一起運(yùn)動(dòng)。斷裂氣缸選用低摩擦型平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)氣缸，該類型氣缸的特點(diǎn)是：低壓動(dòng)作和低滑動(dòng)性能良好，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖2 斷裂部件

表1 平穩(wěn)運(yùn)行氣缸技術(shù)參數(shù)

6個(gè)氣缸由一個(gè)電氣比例閥控制，氣缸輸出壓力實(shí)現(xiàn)無級(jí)控制，可以精確控制裂片的壓力[7]。所選用電氣比例閥各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 電氣比例閥技術(shù)參數(shù)

斷裂刀頭經(jīng)浮動(dòng)接頭與氣缸活塞桿連接，氣缸活塞桿伸出時(shí)，斷裂刀頭沿LM導(dǎo)軌移動(dòng)。斷裂刀頭由金屬刀夾與聚氨酯刀頭組成，二者經(jīng)過硫化處理成為一體。

LCD玻璃基板放置在旋轉(zhuǎn)臺(tái)板上，光學(xué)對(duì)位系統(tǒng)抓取Mark標(biāo)在旋轉(zhuǎn)臺(tái)板的配合下完成精確對(duì)位。斷裂時(shí)，氣缸活塞桿處于伸出狀態(tài)，根據(jù)玻璃基板的規(guī)格通過調(diào)節(jié)電氣比例閥的輸出設(shè)置氣缸輸出壓力，斷裂刀頭作用于玻璃基板的力約等于6個(gè)氣缸作用于斷裂刀頭的力。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)斷裂機(jī)構(gòu)完成LCD玻璃的斷裂。當(dāng)伺服電機(jī)輸出扭矩作用于玻璃基板的力大于6個(gè)氣缸輸出力之和時(shí)，氣缸活塞桿縮回，對(duì)伺服電機(jī)、絲杠等起到緩沖保護(hù)作用。

3.2 旋轉(zhuǎn)臺(tái)板部件

玻璃基板在工作臺(tái)板上完成斷裂過程，旋轉(zhuǎn)臺(tái)板使用要求如下：

（1）臺(tái)板在1 s內(nèi)旋轉(zhuǎn)90°，1/3 s加速，1/3 s恒速運(yùn)動(dòng)，1/3 s減速，臺(tái)板停止14 s。計(jì)算得到負(fù)載需要達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速為135（°）/s，即22.5 r/m。旋轉(zhuǎn)臺(tái)板的速度線如圖3所示。

圖3 旋轉(zhuǎn)臺(tái)板速度線圖

（2）旋轉(zhuǎn)臺(tái)板工作旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，對(duì)角線處x向和y向的位置精度為0.05 mm。旋轉(zhuǎn)臺(tái)板圍繞對(duì)角線中點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，計(jì)算得到旋轉(zhuǎn)臺(tái)板的對(duì)角線長度為2R≈1224 mm。假設(shè)對(duì)角線與邊960 mm的夾角為β，旋轉(zhuǎn)臺(tái)板的角度偏差為α，偏移弧長為A，則有：

旋轉(zhuǎn)臺(tái)板的旋轉(zhuǎn)精度應(yīng)滿足以下條件：

計(jì)算得：α≤0.0066°

為了滿足以上技術(shù)要求，本文設(shè)計(jì)了一種伺服電機(jī)+諧波減速機(jī)結(jié)構(gòu)，如圖4所示。臺(tái)板與旋轉(zhuǎn)過渡板固定，臺(tái)板位于旋轉(zhuǎn)過渡板上面。旋轉(zhuǎn)過渡板與交叉滾柱軸環(huán)內(nèi)環(huán)固定，交叉滾柱軸環(huán)位于旋轉(zhuǎn)過渡板下面。交叉滾柱軸環(huán)的外環(huán)與基板連接，基板固定。伺服電機(jī)和諧波減速機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器和連接軸與旋轉(zhuǎn)過渡板連接。旋轉(zhuǎn)過渡板帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)板在交叉滾珠軸承上轉(zhuǎn)動(dòng)。

該結(jié)構(gòu)中，諧波減速機(jī)可以保證臺(tái)板的旋轉(zhuǎn)精度。諧波減速機(jī)中波發(fā)生器為輸入端，剛輪固定，柔輪輸出。諧波傳動(dòng)的多齒在兩個(gè)180°對(duì)稱位置同時(shí)嚙合，齒輪齒距誤差和累計(jì)齒距誤差對(duì)旋轉(zhuǎn)精度的影響較為平均，可得到極高的位置精度和旋轉(zhuǎn)精度。

裂片機(jī)對(duì)應(yīng)最大規(guī)格玻璃基板尺寸為920 mm× 730 mm，玻璃斷裂時(shí)裂片刀頭對(duì)臺(tái)板的最大力臂距離為460 mm。當(dāng)斷裂刀頭氣缸活塞桿伸出的氣源壓力調(diào)節(jié)為0.5 MPa時(shí)，斷裂刀頭作用于旋轉(zhuǎn)臺(tái)板的壓力為3 768 N。裂片機(jī)工作時(shí)，會(huì)不斷沖擊臺(tái)板，運(yùn)用分析軟件ANSYS Workbench對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行總形變和應(yīng)變分析。計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6所示，最大形變是0.079 mm，位于臺(tái)板邊緣位置；最大應(yīng)變?yōu)?.000 38，可滿足玻璃裂片機(jī)的使用要求。

圖4 旋轉(zhuǎn)臺(tái)板部件

圖5 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)總形變?cè)茍D

圖6 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)應(yīng)變?cè)茍D

4 結(jié) 論

本文從斷裂力學(xué)的角度介紹了玻璃斷裂的過程，為了提高LCD玻璃切割斷裂的效率，設(shè)計(jì)了裂片機(jī)。裂片機(jī)主要包括y向進(jìn)給部件、斷裂部件、旋轉(zhuǎn)臺(tái)板部件、機(jī)架等。對(duì)裂片機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)斷裂部件和旋轉(zhuǎn)臺(tái)板部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述和分析，對(duì)裂片機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)有一定的借鑒參考意義。

[1] 艾雨.影響高世代TFT-LCD生產(chǎn)線液晶玻璃基板切割工藝的主要因素[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2012，(8)：74．

[2] 高鶴.玻璃冷加工技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

[3] 莊茁，蔣持平，張行.工程斷裂與損傷[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

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Design and Analyze of LCD Glass Splinter Machine

LI Dawei，GUO Jinzhu
(CETC Fenghua Information Equipment Co.,Ltd,Taiyuan 030024,China)

In order to improve the production efficiency of LCD glass substrate cutting,the LCD glass splinter machine is designed.The splintering process of LCD glass is introduced from the perspective of fracture mechanics.This paper introduces the overall structure and working principle of the machine,and analyzes and illustrates the key components.

LCD glass splinter machine；Rotary table；Harmonic drive reducer

TN306

B

1004-4507(2017)02-0062-05

李大偉（1988-），男，碩士研究生，畢業(yè)于北京科技大學(xué)，從事電子專用設(shè)備的設(shè)計(jì)研發(fā)工作。

2017-02-26