除泡機(jī)自動(dòng)化升級(jí)研究與應(yīng)用

王 芳，金 敏，申璐青，陳 磊

( 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所， 山西 太原030024)

信息技術(shù)的發(fā)展離不開顯示技術(shù)，人機(jī)對(duì)話最直接的界面就是顯示器。顯示器件在信息產(chǎn)業(yè)中的地位是不言而喻的。在人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、5G、超高清等新技術(shù)不斷發(fā)展，持續(xù)突破的階段，顯示屏幕承擔(dān)了信息呈現(xiàn)的重要作用，是信息技術(shù)創(chuàng)新鏈條上的重要一環(huán)。

柔性AMOLED（有源矩陣有機(jī)發(fā)光二極管）屏幕與智能手機(jī)的結(jié)合不僅帶來了全新的折疊手機(jī)，同時(shí)也涉及到柔性電子材料、精密元器件、屏下傳感器、軟件開發(fā)等多個(gè)領(lǐng)域，對(duì)于上游技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展具有極強(qiáng)的帶動(dòng)作用；另一方面，柔性產(chǎn)品與智能網(wǎng)聯(lián)汽車、智能家居、人工智能等其他新技術(shù)相結(jié)合，也大幅增加和豐富了人機(jī)交互應(yīng)用場(chǎng)景，有望為顯示產(chǎn)業(yè)乃至整個(gè)電子信息產(chǎn)業(yè)帶來新模式、新業(yè)態(tài)和新變革。AMOLED 智能除泡生產(chǎn)線裝備在應(yīng)用上具有廣泛性，需求非常旺盛，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化自主可控極為重要。

1 核心工藝研究

柔性AMOLED 手機(jī)屏的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示，在每一層之間進(jìn)行貼合后，需要利用壓力及溫度變化將貼合過程中產(chǎn)生的氣泡散開，增強(qiáng)不同材料之間的粘合力。在整個(gè)柔性AMOLED 屏的生產(chǎn)線中，有三處不同的工藝階段均需進(jìn)行除泡。

圖1 屏幕結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 氣泡產(chǎn)生的原因

屏幕貼合后氣泡產(chǎn)生的原因?yàn)橘N合上下表面不完全平整。比如在CG 蓋板邊緣會(huì)集成很多線路，這些線路會(huì)使蓋板邊緣的厚度變得不均勻產(chǎn)生高度差，中間的貼合膠如果很薄，貼合屏幕后很容易出現(xiàn)氣泡反彈的情況。3D 屏、折疊屏的轉(zhuǎn)折處也容易產(chǎn)生頑固氣泡。

如圖2 所示，微觀狀態(tài)下貼合表面一定是不規(guī)則粗糙、凹凸不平，因此氣泡的產(chǎn)生是不可避免的。

圖2 微觀狀態(tài)貼合表面示意圖

1.2 除泡機(jī)理的研究

除泡的作用是平衡貼合應(yīng)力、消除氣泡和增強(qiáng)粘接力。除泡的三大要素為時(shí)間、溫度、壓力。膠與接觸面完全接觸過程如圖3 所示。其中，溫度加熱可以加速膠的流動(dòng)性及滋潤(rùn)度，在較短的時(shí)間內(nèi)與接觸面積完全接觸；空氣加壓可加速膠的流動(dòng)，增加滋潤(rùn)度并產(chǎn)生適當(dāng)?shù)臄D壓壓力，去除氣泡、平衡應(yīng)力；而一定時(shí)間的保溫保壓可以使膠持續(xù)流動(dòng)，催化溶入現(xiàn)象去除氣泡，增強(qiáng)粘接力。

圖3 膠與接觸面完全接觸過程

除泡機(jī)的動(dòng)作是壓力和溫度同時(shí)或分時(shí)產(chǎn)生的，依照時(shí)間設(shè)定開始除泡程序，直到除泡時(shí)間完成后再進(jìn)行降溫減壓。在整個(gè)過程中，貼合膠及觸摸屏（TP）對(duì)于溫度壓力敏感程度不一致，當(dāng)壓力溫度快速變化時(shí)，觸摸屏的挺性很快恢復(fù)，但貼合膠還殘留一定的核心溫度，內(nèi)應(yīng)力較小就很容易被觸摸屏挺性應(yīng)力拉開產(chǎn)生小氣泡。

因此必須有效減少觸摸屏挺性應(yīng)力與貼合膠應(yīng)力恢復(fù)的不平衡現(xiàn)象，根據(jù)上述可靠性實(shí)驗(yàn)分析研究溫度、壓力和時(shí)間對(duì)觸摸屏及貼合膠的應(yīng)力變化。除泡過程必須嚴(yán)格精確控制溫度、壓力的升降，以達(dá)到良好的除泡效果。

2 邏輯流程優(yōu)化設(shè)計(jì)

為提高自動(dòng)除泡機(jī)的綜合性能，結(jié)合客戶的實(shí)際生產(chǎn)需要，在原有傳統(tǒng)除泡機(jī)的基礎(chǔ)上，對(duì)除泡機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)。從新則功能、通訊系統(tǒng)軟件優(yōu)化、制定功能塊（FB）標(biāo)準(zhǔn)化模塊、視覺圖像等方面進(jìn)行了優(yōu)化，大大提升了除泡機(jī)的應(yīng)用范圍，為開拓更廣泛的市場(chǎng)奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

2.1 Bypass 搬運(yùn)

除泡機(jī)大多數(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景都是將上游送來的產(chǎn)品在高溫、高壓條件下進(jìn)行一段時(shí)間的除泡。工作流程如圖4 所示，上周轉(zhuǎn)機(jī)械手從上游設(shè)備下料位置抓取玻璃放置周轉(zhuǎn)臺(tái)上，此時(shí)腔體1 載物托盤伸出，下料機(jī)械手先將處理好的產(chǎn)品抓取放置在下料周轉(zhuǎn)平臺(tái)上供下游設(shè)備抓取，上料機(jī)械手從周轉(zhuǎn)臺(tái)上抓取產(chǎn)品放置在載物托盤上，根據(jù)工藝參數(shù)設(shè)置，重復(fù)此動(dòng)作，直至載物托盤玻璃放置完畢。載物托盤退回腔體1 鎖閉開始除泡；按照上述動(dòng)作流程多個(gè)腔體順序循環(huán)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)運(yùn)行。

圖4 除泡機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

針對(duì)某些不需要除泡的液晶面板（NG Panel），之前的做法是人工將上游產(chǎn)品進(jìn)行搬運(yùn)，直接進(jìn)行除泡工藝之后的下一道工序。基于該情況，需打破傳統(tǒng)除泡機(jī)的工序，對(duì)除泡機(jī)自動(dòng)化功能進(jìn)行升級(jí)優(yōu)化，要求設(shè)備具備只搬運(yùn)不除泡（即Bypass）的新工藝功能，由此實(shí)現(xiàn)除泡設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)景的全面覆蓋，為今后適應(yīng)后續(xù)各種工藝生產(chǎn)線奠定基礎(chǔ)。

如圖5 所示，在人機(jī)界面添加“開啟Bypass”按鈕，并可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求設(shè)定從第幾片后開啟該功能，同時(shí)可以通過觸屏界面實(shí)時(shí)查看當(dāng)前Bypass 的產(chǎn)品片數(shù)。

圖5 Bypass 功能界面示意圖

當(dāng)腔體抽出到某一位置時(shí)，若選擇“開啟Bypass 功能”，則托盤暫停動(dòng)作，既不伸出也不退回，此時(shí)托盤相當(dāng)于一個(gè)搬運(yùn)平臺(tái)，托盤上料機(jī)械手從上周轉(zhuǎn)平臺(tái)吸附產(chǎn)品后放到托盤平臺(tái)上，再由下料機(jī)械手從托盤將產(chǎn)品吸起，放至下周轉(zhuǎn)臺(tái)，依此循環(huán)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)除泡設(shè)備的搬運(yùn)功能。

2.2 上下游交互日志

在客戶現(xiàn)場(chǎng)上下游交互信號(hào)對(duì)接，有時(shí)候聯(lián)機(jī)出現(xiàn)問題時(shí)，經(jīng)常難以確定問題出現(xiàn)時(shí)刻的信號(hào)信息。為了便于查看聯(lián)機(jī)交互信號(hào)，快速準(zhǔn)確地查找問題，特開發(fā)此功能，具體實(shí)現(xiàn)程序代碼如圖6 所示，實(shí)現(xiàn)上下游交互信號(hào)歷史查看日志（LOG），人機(jī)操作界面見圖7。

圖6 交互LOG 程序?qū)崿F(xiàn)代碼

圖7 交互LOG 觸屏界面

此功能對(duì)于處理現(xiàn)場(chǎng)問題具有很大的實(shí)用性，對(duì)于不便于撲捉到的實(shí)時(shí)上下游交互信號(hào)，記錄LOG 日志就發(fā)揮了歷史查詢可做到“有據(jù)可循”。

2.3 配方分區(qū)

由于目前液晶面板的覆蓋尺寸跨度大，針對(duì)不同尺寸的液晶面板，設(shè)備的動(dòng)作流程也不同——大尺寸產(chǎn)品從滾輪（CV）橫向來料，上料手臂吸附后先旋轉(zhuǎn)后搬運(yùn)送至腔體，一個(gè)腔體放置1 片；而小尺寸產(chǎn)品則從滾輪縱向來料，上料手臂吸附后直接搬運(yùn)送至腔體，一個(gè)腔可以放2 片。針對(duì)這種情況，通過軟件設(shè)計(jì)，并結(jié)合配方界面的尺寸選擇，對(duì)應(yīng)不同的分區(qū)吸附，同時(shí)在人機(jī)操作界面配方界面添加尺寸選擇按鈕，實(shí)現(xiàn)尺寸配方的一鍵切換，實(shí)現(xiàn)便捷操作，從而優(yōu)化設(shè)備性能，如圖8 所示。

圖8 配方分區(qū)界面

3 制定FB 標(biāo)準(zhǔn)化模塊

根據(jù)多年的設(shè)備軟件編程經(jīng)驗(yàn)，將設(shè)備相對(duì)固定的機(jī)械結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行功能塊（FB）模塊化編寫，將已通過驗(yàn)證、運(yùn)行穩(wěn)定的軟件形成功能塊。目前已形成部門軟件標(biāo)準(zhǔn)，在軟件小組內(nèi)推廣。

如圖9 所示，伺服軸模塊包含運(yùn)動(dòng)控制模塊的軸數(shù)、軸號(hào)、定位編號(hào)、當(dāng)前進(jìn)給值、軸狀態(tài)、軸速度等多個(gè)輸入（INPUT），封裝的功能塊適用于4 軸、16 軸的定位模塊，這樣極大地縮短了軸控制的程序編寫量，且穩(wěn)定可靠。面對(duì)目前部門專屬定制型訂單多的現(xiàn)狀，調(diào)用內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)功能塊，可大大縮短設(shè)備的軟件編程時(shí)間，穩(wěn)定可靠。

圖9 FB 軟件設(shè)計(jì)模塊化

4 通訊系統(tǒng)軟件優(yōu)化

目前的自動(dòng)除泡機(jī)有兩種模式——抽屜式自動(dòng)除泡機(jī)和罐體式自動(dòng)除泡機(jī)。除泡機(jī)的生產(chǎn)工藝需要設(shè)置溫度、壓力等參數(shù)，需要溫控模塊和AD模塊等來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還有許多客戶現(xiàn)場(chǎng)需要增加FFU 凈化單元，這些都需要與設(shè)備進(jìn)行通訊。

之前的自動(dòng)除泡機(jī)通訊方式成本高，電氣硬件方面接線復(fù)雜，線路較多。通訊模塊多，設(shè)置參數(shù)繁瑣?，F(xiàn)場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)因?yàn)槟K硬件故障引起的設(shè)備故障。

改善后的效果：

（1）通過編寫軟件通訊模塊相關(guān)485 通訊程序，形成標(biāo)準(zhǔn)功能模塊，節(jié)約了2 個(gè)Modbus 模塊，成本低；

（2）接線簡(jiǎn)單，減少了復(fù)雜的線路；

（3）減少模塊數(shù)量，參數(shù)設(shè)置簡(jiǎn)單；

（4）程序調(diào)用簡(jiǎn)單，調(diào)試時(shí)測(cè)試無誤后，避免了相關(guān)硬件引起的設(shè)備故障，提高了設(shè)備通訊的穩(wěn)定性。

5 視覺圖像優(yōu)化

5.1 視覺定位改進(jìn)算法

柔性屏在托盤中會(huì)有不同程度的彎曲，導(dǎo)致相機(jī)中投影的圖像有一定程度的變形，甚至是反光。常規(guī)定位算法對(duì)此類情況容易造成誤判和漏檢。

解決方案：

在之前的形狀匹配算法中加入對(duì)局部形變的容忍算法，同時(shí)使用三階最小二乘方插值。允許被匹配對(duì)象有局部形變，也能準(zhǔn)確的識(shí)別。同時(shí)保證很高的定位精度。如圖10 所示，屏幕未變形時(shí)，形狀模型可以和圖像精確匹配柔性屏中間翹起，導(dǎo)致長(zhǎng)度變短和右側(cè)出現(xiàn)明顯的反光干擾。圖10 中能看到形狀輪廓比實(shí)際的圖像大，但也準(zhǔn)確找到屏的位置。

圖10 未變形、變形屏幕

5.2 屏幕和背景只有極小對(duì)比度的產(chǎn)品定位

柔性屏表面是塑料膜，相比LCD（液晶）屏幕對(duì)光源的散射更多，反光更少。一些情況下需要在黑色防靜電平臺(tái)上定位。此時(shí)屏幕和背景只有10 個(gè)左右的灰度差，對(duì)比度極小，容易引起定位失敗。

解決方案：放棄模板匹配的定位方案。使用矩形擬合方式，在圖像中使用一維測(cè)量算法找到屏幕和背景的邊界點(diǎn)，再將所有找到的點(diǎn)迭代擬合矩形。這樣部分邊界點(diǎn)的錯(cuò)誤不會(huì)影響最終結(jié)果?？梢愿呔炔⒎€(wěn)定的測(cè)量出屏幕位置。

背景和屏幕只有10 個(gè)灰度差。但找到的屏幕邊緣和實(shí)際邊緣的誤差不超過1 個(gè)像素。使用矩形擬合同時(shí)擬合4 條邊，比使用線性擬合分別擬合4 條邊，能得到更好的穩(wěn)定性和更高的精度。

5.3 在同一工位實(shí)現(xiàn)多屏幕定位和多二維碼掃碼

托盤中需要屏幕定位抓取和二維碼掃碼上報(bào)。之前使用兩套系統(tǒng)分別定位和掃碼，而且每次只能掃一片屏幕的二維碼，造成成本高，節(jié)拍長(zhǎng)。如在同一工位實(shí)現(xiàn)兩套系統(tǒng)，對(duì)于掃碼有視野太大、碼太小而無法實(shí)現(xiàn)的問題。

解決方案：使用2 000 萬像素的相機(jī)，同時(shí)提高定位算法的運(yùn)算速度和提高二維掃碼算法對(duì)極小二維碼的解讀能力，實(shí)現(xiàn)多二維碼同時(shí)讀取，并通過二維碼交叉比較和二維碼、定位結(jié)果交叉比較。實(shí)現(xiàn)在一副圖像上既準(zhǔn)確快速的定位，又能準(zhǔn)確解碼，并將二維碼自動(dòng)匹配到每個(gè)定位結(jié)果上。如圖11 所示，在整個(gè)托盤的視野中也能迅速解碼極小的二維碼，并進(jìn)行柔性屏幕的定位。

圖11 矩形擬合方式

6 結(jié)束語

本文從邏輯流程優(yōu)化設(shè)計(jì)、制定FB 標(biāo)準(zhǔn)化模塊、通訊系統(tǒng)軟件優(yōu)化、視覺圖像等方面對(duì)除泡機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述，通過這些方面創(chuàng)新優(yōu)化，大大提升了原有除泡機(jī)的性能、使用體驗(yàn)和適用范圍，符合“降本增效”的設(shè)計(jì)理念，有效地節(jié)約了設(shè)計(jì)成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著，對(duì)平板顯示生產(chǎn)線智能化提升有一定的意義。