一種用于液晶顯示屏的自動(dòng)切割設(shè)備的設(shè)計(jì)*

劉英南

(深圳市匯星龍科技有限公司，廣東 深圳 518100)

0 引 言

在液晶顯示屏幕玻璃制造行業(yè)[1-3],生產(chǎn)商在制造各種液晶顯示屏幕時(shí),通常采用對(duì)兩張相對(duì)規(guī)格尺寸較大的玻璃上通過印刷特定的粘結(jié)膠使其貼合后被粘結(jié)膠分割成若干網(wǎng)格狀的液晶顯示屏單元，其中切割工序就是把規(guī)格較大尺寸玻璃上的小分單元的切割開后逐一分裂成單個(gè)液晶顯示屏的個(gè)體的過程。

切割工藝完整的過程包括切割工序和裂斷工序兩部分組成。首先是切割工序，將預(yù)先印刷成型帶有網(wǎng)格狀的單元體的玻璃，放在設(shè)備工作平臺(tái)吸板上，平臺(tái)吸板將玻璃板吸附固定，然后通過帶有施加壓力的刀輪在玻璃表面上沿著印刷好的切割標(biāo)記線劃動(dòng)，使刀輪在玻璃上劃過一條切口。在未切割的玻璃板上，其四周余邊都有一個(gè)按生產(chǎn)規(guī)定印刷好的切割標(biāo)記線。由于液晶顯示器的使用和生產(chǎn)需要，使用時(shí)為了引出安裝電極,所以顯示屏的上下兩層的玻璃是不一樣的長(zhǎng)度。裂斷工序[4]，就是通過一定方式使切割后玻璃裂開的過程。通常液晶玻璃在刀輪劃動(dòng)切割后只是具有切割口還沒有完全斷開，利用玻璃的材質(zhì)特性，在有切割刀痕的玻璃背面施加一定壓力使玻璃發(fā)生微小形變,迫使玻璃沿切割線裂開。這個(gè)過程通常采用裂斷機(jī)自動(dòng)化進(jìn)行，切割工序?qū)嵤┻^程的優(yōu)劣直接影響裂斷的質(zhì)量。

筆者針對(duì)切割工藝過程的切割工藝,介紹一種采用刀輪式自動(dòng)切割設(shè)備，該設(shè)備可以提高液晶顯示屏切割工序的精度和速度，從而直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

1 切割工藝過程分析及存在問題

常見的液晶顯示屏[1-3]通常由上下兩層厚度薄的液晶玻璃片通過印刷粘結(jié)膠接合在一起,兩張大面積的薄玻璃被網(wǎng)格狀粘結(jié)膠線分割成若干個(gè)中空腔體,形成膠接玻璃板,等待被切割設(shè)備切割。由于該粘合的玻璃板是雙層的,所以在切割時(shí)候需要實(shí)施雙面切割,上下面切割后再去裂斷工序。玻璃板周邊印刷有用來(lái)防止錯(cuò)面和錯(cuò)向的“防呆標(biāo)記”,以供切割設(shè)備和人工操作識(shí)別用途。

被切割前的玻璃板如圖2所示,被切割后的玻璃板如圖3所示。

圖1 被切割前的玻璃板 圖2 被切割后的玻璃板

每個(gè)中空的腔體在印刷粘結(jié)膠時(shí)都會(huì)留有一個(gè)用來(lái)灌液晶的缺口,在切割時(shí)候根據(jù)印刷的排版工藝,缺口的方向都呈一定的同向相對(duì)排列分布,如圖3所示。

圖3 玻璃板缺口排列示意

刀輪切割，又稱機(jī)械式切割,是種采用一個(gè)“V字型狀刀輪,通過對(duì)刀輪軸孔施加壓力，使刀輪按照預(yù)先印刷在玻璃板上的切割標(biāo)記線，在一定可控制壓力下劃動(dòng)，在玻璃上形成有一定尺寸的切口。玻璃板上切割標(biāo)記,是在印刷粘結(jié)膠的時(shí)候一同預(yù)留的。

刀輪切割的優(yōu)點(diǎn)在于：因其設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制作，其技術(shù)可靠性相對(duì)較高、使用方便、便于更換和維護(hù)、具有一定的成本低優(yōu)勢(shì)，其行業(yè)應(yīng)用非常廣泛；玻璃切割的合格率主要取決于刀輪自身的產(chǎn)品質(zhì)量,其包括刀輪刃口的質(zhì)量和精度，刃口材質(zhì)的工藝處理和防磨損，使用的可靠性、穩(wěn)定性、以及制造加工精度、刀輪安裝在切割機(jī)上發(fā)揮的整體綜合性能等精密特性等。

但是，機(jī)械切割同樣也存在很多工藝問題：①這種切割方法對(duì)于厚度比較薄的玻璃材料來(lái)說存在一定的缺陷，特別是刀輪在切割中產(chǎn)生很多微小的碎渣，且切割面要求具有一定垂直度；②機(jī)械切割在切割玻璃的時(shí)刀輪是具有向下壓力的，其切割后的玻璃的邊緣區(qū)域具有一定的機(jī)械應(yīng)力，會(huì)對(duì)玻璃造成一些損傷，特被是厚度很薄的玻璃，極其容易導(dǎo)致玻璃破碎和玻璃切割口崩裂；③為了某些生產(chǎn)工藝的需要，防止玻璃在切割后發(fā)生不良情形，有時(shí)候會(huì)對(duì)玻璃的切割面進(jìn)行打磨剖光處理。通常如果采用機(jī)械切割方式的，需要采用清理殘?jiān)ば?，防止可能?duì)后面的工藝造成干擾。

2 設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及改進(jìn)

2.1 設(shè)備使用工況

設(shè)備的使用工況如圖4所示,包括自動(dòng)切割設(shè)備、機(jī)器人搬運(yùn)組件和存放平臺(tái)三個(gè)部分。

圖4 設(shè)備的使用圖示

該切割設(shè)備可與機(jī)器人上下料平臺(tái)組合使用,以提高切割工藝過程的精度和質(zhì)量,也可由人工進(jìn)行上下料作業(yè),自動(dòng)切割設(shè)備具有視覺識(shí)別印刷膠網(wǎng)格線功能,自動(dòng)調(diào)整刀輪切割刀頭的位置,以及對(duì)偏差進(jìn)行補(bǔ)償。

經(jīng)過查閱相關(guān)的設(shè)計(jì)資料以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[5]-[7]，進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)和測(cè)試后的設(shè)備性能如下。

(1) 設(shè)備切割玻璃板的性能如下:使用玻璃板的尺寸:最小平面尺寸150 mm×150 mm,最大平面尺寸800 mm×800 mm;視覺系統(tǒng)識(shí)別精度:0.002 mm;設(shè)備切割精度:0.01 mm;設(shè)備橫向移動(dòng)速度:最大1000 mm/s;設(shè)備縱向進(jìn)給速度:最大500 mm/s。

由于該粘合的玻璃板是雙層的,所以在切割時(shí)候需要實(shí)施雙面切割,上下面切割后再去列斷工序,所以單面切割完成后需要機(jī)器人或者人工進(jìn)行輔助玻璃板翻面,翻面后重復(fù)單面切割工藝過程,雙面切割完成后,玻璃板的切割過程結(jié)束。

玻璃板的單面切割工藝過程如圖5所示。

圖5 玻璃板的單面切割工藝過程

2.2 設(shè)備整體構(gòu)成

該自動(dòng)化設(shè)備的構(gòu)成如圖6所示。

圖6 設(shè)備的使用圖示1.顯示器 2.橫向移動(dòng)組件 3.底座進(jìn)給組件 4.便捷操縱按鈕組件 5.工業(yè)電腦組件 6.安裝底座組件 7.護(hù)板 8.調(diào)整支撐組件 9.懸臂操作控制箱

2.3 橫向移動(dòng)組件設(shè)計(jì)

該設(shè)備的橫向移動(dòng)組件采用4個(gè)刀輪切割組件并列排布設(shè)計(jì),即“四刀頭組件”設(shè)計(jì)。

這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于可以增加切割的效率,也可以作為其他切割組件的備份,可以同時(shí)使用其中的單個(gè)或幾個(gè),切割多條軌跡。

橫梁采用大理石精磨加工而成,保證加工精度達(dá)到GB/T4987-85-00級(jí)別精度要求。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)采用400 W伺服電機(jī)。橫移傳動(dòng)采用研磨高精度滾珠絲杠直徑20 mm,導(dǎo)程10 mm系列,橫向移動(dòng)最大允許速度1.0 m/s。

橫向移動(dòng)組件構(gòu)成如圖7所示。

圖7 橫向移動(dòng)組件構(gòu)成1.安裝立柱 2.橫梁主體 3.拖鏈牽引板 4.線纜安裝支架 5.拖鏈組 6.傳感器安裝組件 7.伺服電機(jī) 8.刀輪切割組件 9.直線導(dǎo)軌組件

設(shè)備其橫向移動(dòng)刀輪組件定位采用視覺系統(tǒng)捕捉玻璃板印刷標(biāo)記線，由于液晶玻璃同大多數(shù)液晶玻璃一樣，具有反光特性，所以對(duì)視覺的鏡頭和光源的要求要進(jìn)行特殊的處理,本設(shè)備視覺系統(tǒng)系統(tǒng)由CCD圖像傳感器模塊、可變焦鏡頭部件、光源模塊、輔助器件和安裝支架等部件組成，視覺定位精度可達(dá)0.005～0.010 mm,整體橫移定位精度可達(dá)0.01 mm。

圖8 刀輪移動(dòng)組件構(gòu)成

為防止切割刀頭組件切割時(shí)施加在玻璃板表面的壓力過大,造成玻璃的破碎和切割口不良,切割刀頭組件采用調(diào)壓氣缸來(lái)推動(dòng)切割刀頭組件,調(diào)壓氣缸的推力可由氣動(dòng)管路的伺服調(diào)壓閥控制壓縮空氣的壓力而改變,伺服調(diào)壓閥的調(diào)節(jié)控制信號(hào)由控制系統(tǒng)引出。調(diào)壓氣缸進(jìn)氣管路安裝有壓力傳感器探測(cè)管路的壓力值,輸入控制系統(tǒng),經(jīng)過系統(tǒng)與預(yù)定設(shè)置的數(shù)值相比對(duì),并經(jīng)過補(bǔ)償調(diào)優(yōu)處理。

切割刀頭處安裝有壓縮空氣噴嘴,可以對(duì)切割刀頭進(jìn)行冷卻,同時(shí)又可以將微小碎屑吹離。刀輪切割組件設(shè)計(jì)構(gòu)成如圖9所示。

圖9 刀輪切割組件構(gòu)成1.微型直線導(dǎo)軌組件 2.牽引板 3.切割刀頭組件安裝板 4.壓縮空氣噴嘴 5.切割刀輪組件 6.切割刀輪安裝組件 7.調(diào)壓氣缸

2.4 底座進(jìn)給組件設(shè)計(jì)

底座進(jìn)給組件由DD旋轉(zhuǎn)馬達(dá)、頂部安裝板、吸板、底座安裝板、直線電機(jī)動(dòng)子、滑塊組成,其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖10、11所示。

圖10 底座進(jìn)給組件構(gòu)成1.DD旋轉(zhuǎn)馬達(dá) 2.頂部安裝板 3.吸板 4.底座安裝板 5.直線電機(jī)動(dòng)子 6.滑塊

圖11 底座吸板真空孔圖示

2.5 安裝底座組件設(shè)計(jì)

安裝底座組件由底座框架、直線電機(jī)定子、直線導(dǎo)軌、限位擋塊、大理石平臺(tái)、拖鏈組件、傳感器組件組成,其組件圖示如圖12所示。

圖12 安裝底座組件圖示

底座進(jìn)給組件動(dòng)力采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)。直線電機(jī)又被稱為線性電機(jī)，或者直驅(qū)直線電機(jī)。此設(shè)備采用的直驅(qū)直線電機(jī)是一種采用扁平設(shè)計(jì)并且與從動(dòng)負(fù)載直接耦合的電機(jī)。由于消除了對(duì)機(jī)械傳動(dòng)組件的使用,因此具有卓越的性能、剛性、動(dòng)態(tài)速度與加速度、定位準(zhǔn)確性以及運(yùn)行效率。另外,直接驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、噪音小、無(wú)需維護(hù)并且運(yùn)轉(zhuǎn)順暢無(wú)誤。

此系統(tǒng)其根據(jù)負(fù)載運(yùn)行情況精度可達(dá)0.002 mm,最大允許驅(qū)動(dòng)速度2 m/s。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)備的控制系統(tǒng)采用工業(yè)電腦IPC作為上位機(jī),處理與觸摸屏、視覺系統(tǒng)相機(jī)、外部顯示設(shè)備以及對(duì)系統(tǒng)外部的數(shù)據(jù)交互傳輸。使用PLC控制器模塊以及可擴(kuò)展I/O模塊作為系統(tǒng)內(nèi)部下位機(jī)的I/O信號(hào)的輸入輸出端口,以及對(duì)系統(tǒng)外部的非數(shù)據(jù)類的簡(jiǎn)單信號(hào)交換輸送,輸入信號(hào)包括氣動(dòng)系統(tǒng)(壓力檢測(cè)傳感器、電控閥等)、真空系統(tǒng)(真空壓力開關(guān)等)、安全系統(tǒng)(各類傳感器、外部操作的各類按鈕)、急停系統(tǒng)(極限限位檢測(cè)、急停按鈕等)、非數(shù)據(jù)類的簡(jiǎn)單信號(hào),輸出信號(hào)包括伺服驅(qū)動(dòng)器(伺服電機(jī)、直驅(qū)線性電機(jī)等)、氣動(dòng)系統(tǒng)(伺服比例調(diào)壓閥、電控閥等)、真空系統(tǒng)(電控閥等)、警報(bào)系統(tǒng)(指示燈和蜂鳴器等)、非數(shù)據(jù)類的簡(jiǎn)單信號(hào)。各類模塊間的通訊協(xié)議可以采用多種,包括RS232/485以及INTERNET和CAN總線等。其控制系統(tǒng)原理架構(gòu)圖如圖13所示。

圖13 控制系統(tǒng)原理圖

4 結(jié) 語(yǔ)

此次設(shè)計(jì)經(jīng)過研發(fā)和實(shí)際應(yīng)用后的改進(jìn)實(shí)施,針對(duì)于顯示屏幕制造工藝過程中的常見的切割問題進(jìn)行了分析總結(jié),改善了以往機(jī)械式切割設(shè)備不足,基于采用刀輪式機(jī)械切割多刀輪切割刀頭的設(shè)計(jì),并實(shí)現(xiàn)了良好的實(shí)施效果,提高了工藝過程中的切割工序的切割質(zhì)量和精度,從而提高了制造生產(chǎn)效率,其現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際產(chǎn)品如圖14所示。

圖14 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試產(chǎn)品外觀圖