基于Workbench 的汽車屏幕制造夾具設(shè)計(jì)分析

李強(qiáng)，李浙昆

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院）

0 引言

有機(jī)發(fā)光二極（OranicLight-Emitting Diode）是指有機(jī)半導(dǎo)體材料和發(fā)光材料在電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，通過載流子注入和復(fù)合導(dǎo)致發(fā)光的現(xiàn)象。由于其輕薄、功耗低、柔韌性好、效率高的特點(diǎn)被廣泛用于顯示器的制作與生產(chǎn)，OLED 屏幕主要用于汽車屏幕等電子產(chǎn)品中。

隨著車載液晶顯示屏普及率越來越高，其需求量也越大，有效減少大玻璃基板的變形是提高良品率、檢測(cè)合格率的重要方法。由于基板的厚度一般在1 mm 以下，越薄的玻璃基板也將帶來越大的變形。玻璃基板的變形過大，不僅會(huì)造成基板的永久性變形、崩邊、碎裂，還會(huì)增加減薄、封裝、檢測(cè)等工序難度。文獻(xiàn)[1-3]對(duì)于汽車儀表玻璃基板的夾具設(shè)計(jì)分析研究中，分析對(duì)比得到，大尺寸玻璃基板夾具具有夾持基板并實(shí)現(xiàn)小角度轉(zhuǎn)動(dòng)功能，目的是改善玻璃基板的邊界條件，從而實(shí)現(xiàn)減小玻璃基板的變形；文獻(xiàn)[4]在氣浮平臺(tái)系統(tǒng)中利用Workbench 分析改善毛細(xì)管排布間距、供氣氣壓減小玻璃基板最大繞度；文獻(xiàn)[5-7]利用有限元分析軟件和統(tǒng)計(jì)平方公差法對(duì)玻璃基板的形變的預(yù)測(cè)，得出多點(diǎn)并結(jié)合一點(diǎn)的測(cè)量形變值能預(yù)測(cè)基板的形變；文獻(xiàn)[3,8-9]對(duì)PDP 放電單元玻璃基板形變研究中，實(shí)驗(yàn)得出，玻璃基板的變形與機(jī)械常數(shù)泊松比與楊氏模量相關(guān)；文獻(xiàn)[10-11]在增力自鎖型夾具設(shè)計(jì)與力學(xué)計(jì)算的研究中，對(duì)于氣壓增力自鎖機(jī)構(gòu)計(jì)算分析，得出增力機(jī)構(gòu)可減小機(jī)構(gòu)的沖擊力。

以0.5 mm 常見尺寸的OLED 玻璃基板為研究對(duì)象，研究玻璃基板的受力與應(yīng)變分析，并使用氣動(dòng)增力夾具，減小其變形。通過仿真來驗(yàn)證改變受力大小對(duì)玻璃基板變形的影響，為進(jìn)一步減小玻璃基板變形，提高檢測(cè)等工序的合格率提供理論基礎(chǔ)。

1 玻璃基板變形分析

隨著OLED 屏幕技術(shù)逐漸成熟，OLED 屏幕的尺寸也隨之越來越大，基板變形量形成原因主要是由于自重下垂，自重越重，基板變形量也越大，基板變形量越大，受重力影響所造成的繞度越大。

1.1 基板變形理論分析

玻璃基板的變形可以被認(rèn)為是彈性變形，而自然放置情況下的玻璃基板可以簡化為簡支梁。圖1 為玻璃基板自然放置時(shí)的示意圖，根據(jù)劉鴻文主編的材料力學(xué)[13]可以得到簡支梁的彎曲變形圖2。

圖1 玻璃基板自然放置時(shí)示意圖Fig.1 Schematic diagram of glass substrate when placed naturally

圖2 簡支梁彎曲變形圖Fig.2 Bending deformation diagram of simply supported beam

1.2 玻璃基板繞度極值計(jì)算

撓曲的近似微分方程如式（1）所示，對(duì)其積分三次得式（2）

式中：M——彎矩；E——彈性模量；I——截面慣性矩；w——最大變形；q——均勻分布的力；l——長度。

鉸鏈上撓度為0，故x=0 時(shí)，w=0。因?yàn)榱豪碚撋现行膶?duì)稱，故時(shí)w'=0，代入式（1）與式（2），得，D=0。

撓曲線方程為式（3），撓度極值為式（4），截面慣性矩的計(jì)算公式為式（5）。

式中：E——彈性模量；I——截面慣性矩；q——均勻分布的力；l——長度；w——最大變形；b ——寬度；h——高度。

玻璃基板所受到自重為

式中：E——彈性模量；q——均布力；L——長度；I——截面慣性矩；b——寬度；h——高度；p——密度。

2 氣動(dòng)增力夾具設(shè)計(jì)

在對(duì)自然放置的玻璃基板研究中可以得出，隨著玻璃基板尺寸的變大，采用自然放置玻璃基板會(huì)在自重的影響下?lián)p壞。故需要夾具對(duì)玻璃基板夾持減小其形變的程度。

2.1 傳統(tǒng)氣動(dòng)夾具結(jié)構(gòu)與計(jì)算

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，會(huì)采用氣動(dòng)夾具減小玻璃基板形變的程度，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示，這種傳統(tǒng)夾具產(chǎn)生的夾緊力(不考慮摩擦阻力)為

在考慮摩擦阻力時(shí)，夾緊力可用式（8）計(jì)算，μ為氣缸的傳遞效率，通常取0.7～0.9。

式中：F——?dú)飧桩a(chǎn)生的夾緊力；P——?dú)飧姿x擇的氣壓；R——?dú)飧谆钊陌霃健氖街锌梢缘弥?，為了得到越大夾緊力，只有提升氣壓或者活塞半徑。隨著玻璃基板的尺寸越來越大，在傳統(tǒng)夾具中提升夾緊力減小形變尺寸，只有通過增加氣缸體積或者氣體的壓力實(shí)現(xiàn)。圖3 為傳統(tǒng)夾具的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 傳統(tǒng)夾具結(jié)構(gòu)示意圖（單側(cè)）Fig.3 Schematic diagram of traditional fixture structure (one side)

2.2 氣動(dòng)增力夾具結(jié)構(gòu)介紹

針對(duì)玻璃基板自然放置時(shí)變形過大的問題，同時(shí)為了解決傳統(tǒng)夾具增加夾緊力，只能采取增加缸體體積和氣壓的弊端，本文設(shè)計(jì)采用氣動(dòng)增力夾具。夾具為對(duì)稱的機(jī)構(gòu)，為方便介紹，只介紹其中一側(cè)。新型氣動(dòng)增力夾具所采用的方案如圖4 所示。

圖4 氣動(dòng)增力機(jī)構(gòu)（單側(cè)）Fig.4 Pneumatic booster mechanism (one side)

本設(shè)計(jì)最重要的部件采用杠桿原理，在無額外增加氣缸的直徑與氣路中的氣壓前提下，提升夾緊力。增加夾緊力的目的是改變玻璃基板的邊界條件和受力情況，實(shí)現(xiàn)大幅度減小夾持大尺寸玻璃基板時(shí)的變形。本夾具適合在玻璃基板加工、檢測(cè)等工藝時(shí)使用。圖5 為氣動(dòng)增力夾具的工作示意圖。

圖5 氣動(dòng)增力夾具的工作示意圖Fig.5 Schematic diagram of pneumatic booster clamp

2.3 氣動(dòng)增力夾具夾緊力計(jì)算

本文所設(shè)計(jì)的氣動(dòng)增壓夾具的杠桿部分如圖6 所示，主要參數(shù)包括短桿L1，長桿L2，以及二桿之間的夾角γ。其活塞部分如圖7 所示，主要參數(shù)包括氣壓P，活塞直徑D。

圖6 杠桿部分Fig.6 Lever part

圖7 活塞部分Fig.7 Piston part

在不考慮摩擦力時(shí)，理論夾具輸出力F 可用式（9）計(jì)算

如果考慮到摩擦力的影響，夾具夾緊力F 可用式（10）計(jì)算，其中μ1為氣缸傳動(dòng)效率，一般取0.7～0.9；μ2為杠桿傳動(dòng)效率，取0.97。

式中：F——夾緊力；p——?dú)鈮?；D——液壓缸活塞的直徑；L1，L2——杠桿兩端桿長度；γ——L1桿和L2桿的夾角。

3 基板在夾具上的變形分析

本文所研究對(duì)象為5 種常見尺寸的玻璃基板，其尺寸為表1，其厚度均為0.5 mm，玻璃基板的基本物理屬性如表2 所示。

表1 玻璃基板常見尺寸Tab.1 Common dimensions of glass substrate

表2 玻璃基板物理屬性Tab.2 Physical properties of glass substrate

3.1 基板的有限元分析

根據(jù)理論推導(dǎo)可知，尺寸編號(hào)為3 的玻璃基板在自重的影響下最大形變?yōu)?09.691 3 mm，同理可以推導(dǎo)出其他幾種常見尺寸玻璃基板的最大形變，如表3 所示。通過表3 可以看到隨著尺寸的增大，最大變形也隨之越大。

表3 常見玻璃基板的理論變形尺寸Tab.3 Theoretical deformation dimensions of common glass substrates

本文利用ANSYS Workbench 對(duì)玻璃基板的形變進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析。圖8 為網(wǎng)格劃分，圖9 為玻璃基板自然放置時(shí)的形變結(jié)果示意圖。從圖9 中可以看出，編號(hào)為3 的玻璃基板最大形變?cè)谥虚g位置，變形量為112.93 mm。ANSYS Workbench 軟件仿真結(jié)果與理論推導(dǎo)變形量相差2.87%，可以得出仿真結(jié)果具有可信度。

圖8 網(wǎng)格劃分后的單元Fig.8 Grid-divided cells

圖9 玻璃基板的變形仿真Fig.9 Deformation simulation of glass substrate

分析玻璃基板變形仿真圖，可以發(fā)現(xiàn)玻璃基板變形尺寸是對(duì)稱分布，隨著靠近兩端支撐，其變形量隨之減?。浑S著靠近兩端支撐其變形量的變化速度越快。

對(duì)于其他幾種常見玻璃基板的理論與軟件仿真數(shù)值對(duì)比如表4 所示。理論與仿真存在一定的差異，隨著玻璃基板的尺寸變大，相差值也隨之變大。通過表4 可以得知理論與仿真相差最大為4.12%，但在可接受范圍之內(nèi)，所以仿真結(jié)果可以接受。不過隨著玻璃基板的尺寸加大，在實(shí)際情況下，自然放置的玻璃基板已經(jīng)損壞，仿真與理論推導(dǎo)結(jié)果不具可信性，只作對(duì)比使用。

表4 有限元軟件分析與理論推導(dǎo)對(duì)比Tab.4 Comparison between finite element software analysis and theoretical derivation

3.2 使用傳統(tǒng)氣動(dòng)夾具時(shí)的形變

利用ANSYS 有限元軟件進(jìn)行仿真，其中氣壓取0.1 MPa，氣缸采用型號(hào)為SU32*100-S-H其直徑為32 mm，氣缸的傳遞效率取0.9。

根據(jù)式（8）計(jì)算可得單側(cè)夾緊力為70.899 N。軟件中玻璃基板建模尺寸為長度880 mm，寬度680 mm，厚度0.5 mm，仿真結(jié)果如圖10 所示。

圖10 傳統(tǒng)夾具玻璃基板仿真Fig.10 Simulation of traditional fixture glass substrate

通過軟件仿真可知，最大變形在玻璃基板中央處，最大形變?yōu)?7.394 mm。其他幾種常見玻璃基板變形情況見表5。

表5 傳統(tǒng)夾具玻璃基板變形尺寸Tab.5 Deformation dimension of glass substrate of traditional fixture

通過表5 可知，相對(duì)比于自然放置，傳統(tǒng)夾具下的玻璃基板變形尺寸大幅度減小。但是編號(hào)為4、5 的大尺寸玻璃基板變形依然明顯，在實(shí)際使用過程中，為了進(jìn)一步減小變形尺寸，通常采取的做法是加大氣壓或者使用活塞直徑更大的氣缸，這無疑增加了成本與體積。

3.3 氣動(dòng)增力夾具產(chǎn)生的形變

本文所設(shè)計(jì)的氣動(dòng)增力夾具，其夾緊力計(jì)算見式（10），參數(shù)使用短邊L1 取25 mm、長邊L2 取50 mm、γ取30°、μ1取0.9、μ2取0.97，其他參數(shù)與傳統(tǒng)夾具使用參數(shù)一致。計(jì)算得知單側(cè)夾緊力為121.04 N。仿真結(jié)果如圖11 所示。

圖11 氣動(dòng)增力夾具玻璃基板仿真Fig.11 Simulation of glass substrate of pneumatic booster fixture

通過軟件仿真可知，最大變形在玻璃基板中央處，最大形變?yōu)?.407 4mm。其他幾種常見玻璃基板變形情況見表6。

表6 氣動(dòng)增力夾具玻璃基板變形尺寸Tab.6 Deformation dimension of glass substrate of pneumatic booster fixture

通過表6 可知，相對(duì)比于自然放置與傳統(tǒng)夾具，使用氣動(dòng)增力夾具時(shí)玻璃基板變形尺寸進(jìn)一步大幅度減小，尤其是對(duì)于編號(hào)為4、5 的大尺寸玻璃基板變形改善尤為明顯。相對(duì)于傳統(tǒng)夾具，在不改變氣缸的直徑與氣壓條件下，只改變部分結(jié)構(gòu)，就可以明顯減小玻璃基板變形尺寸。

通過圖12 可以看出，尺寸越大的玻璃基板使用氣動(dòng)增力夾具的效果越明顯。使用氣動(dòng)增力夾具相對(duì)于傳統(tǒng)夾具能進(jìn)一步減小玻璃基板變形尺寸，可以提高玻璃基板在生產(chǎn)良品率、檢測(cè)合格率。

圖12 玻璃基板變形對(duì)比圖Fig.12 Comparison of deformation of glass substrate

4 結(jié)論

（1）研究大玻璃尺寸變形分析結(jié)果可知，其最大變形量在玻璃基板中心處，變形量大小對(duì)稱分布，越靠近兩端其變形量的變化速度越快。

（2）對(duì)玻璃基板的變形進(jìn)行理論分析和仿真模擬，并作相關(guān)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，改變玻璃基板的受力，即增大玻璃基板兩端所受拉力，可以減小玻璃基板的最大變形量和增大變形曲率。

（3）要利用氣動(dòng)夾具減小玻璃基板的最大變形量，可通過增大氣壓、增大氣缸直徑、改變氣動(dòng)夾具結(jié)構(gòu)。增大氣壓、增大氣缸直徑會(huì)增大設(shè)備體積與成本。通過改變氣動(dòng)夾具結(jié)構(gòu)，利用基于杠桿原理的氣動(dòng)增力夾具增大玻璃基板兩端所受的拉力，減小玻璃基板變形尺寸。