基于光柵尺位移傳感器的液晶玻璃基板在線厚度測量系統(tǒng)設(shè)計

李 青，周 波，陳 俊

（1.東旭集團(tuán)有限公司，石家莊 050021；2.平板顯示玻璃技術(shù)和裝備國家工程實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050035）

?

基于光柵尺位移傳感器的液晶玻璃基板在線厚度測量系統(tǒng)設(shè)計

李 青1，2，周 波1，2，陳 俊1，2

（1.東旭集團(tuán)有限公司，石家莊 050021；2.平板顯示玻璃技術(shù)和裝備國家工程實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050035）

摘 要：針對原使用的激光三角法玻璃測厚系統(tǒng)的缺陷，分析了目前主流的各類測厚方法后，設(shè)計了一種新型的玻璃基板在線測厚系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用一對光柵尺式位移傳感器，增加外部觸發(fā)采樣功能，提高了采樣間隔的精度，并利用SQL Server和C++ Builder開發(fā)了上位控制軟件，具有數(shù)據(jù)和曲線存儲顯示功能。該系統(tǒng)經(jīng)實(shí)踐測試，能夠在30秒內(nèi)完成300個采樣點(diǎn)的測量，測量精度達(dá)±0.002mm，能夠消除玻璃基板的翹曲和晃動的影響。完全滿足了目前液晶玻璃基板生產(chǎn)的品質(zhì)保證要求。

關(guān)鍵詞：位移傳感器；玻璃基板；測厚

0　引言

液晶玻璃基板是TFT-LCD的關(guān)鍵上游材料。玻璃基板的厚度變化量（同一片玻璃基板在要求間距范圍內(nèi)最厚和最薄處的差值，也稱厚薄差）為品質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，它決定著TFT-LCD制程中多道工序的良率，是首先被下游客戶要求的。然而，隨著技術(shù)的進(jìn)步，玻璃基板變得越來越薄，目前市場主流的玻璃基板厚度已從0.5mm過渡到0.3mm。同時，顯示分辨率的大幅提升也提高了對厚度變化量指標(biāo)的要求。這都進(jìn)一步加大了在線測厚系統(tǒng)的設(shè)計難度。

作為玻璃基板生產(chǎn)廠家，厚度的測量是重要的品質(zhì)保證手段。實(shí)際生產(chǎn)中的測量要求是：適用于0.3mm～0.5mm厚度玻璃基板的測量；在生產(chǎn)節(jié)拍內(nèi)完成在線測量；在非流向方向間隔5mm采樣；測量精度要求優(yōu)于0.005mm。關(guān)鍵問題就是快速的、高精度的采樣測量。

目前，生產(chǎn)廠家厚度的測量方式，較為普遍的采用離線方式，人工利用千分尺測量。對于自動測厚技術(shù)的研究，已有不少人做了大量的研究工作。究其原理，可分為激光三角法測量［1～6］，干涉法測量［7～10］。其中，激光三角法也延伸出了透射法［11］、反射法［2～6］兩大類。反射法中也可改進(jìn)形成一種自動補(bǔ)償玻璃板上下表面傾斜的單像機(jī)雙目視覺傳感器模型［12］，以及利用成對的系統(tǒng)測量上下表面位移進(jìn)而計算出目標(biāo)厚度的方法［13］。

為了設(shè)計一種適用于液晶玻璃基板的在線測厚系統(tǒng)，我們對上述自動測厚的方法進(jìn)行分析后，首先因干涉法測量更加適用于厚度小于0.1mm，精度在微米以下的測量，排除了干涉法測量的系統(tǒng)，選擇了激光三角法測厚原理。文獻(xiàn)［1～6］中的研究，采用的是線形激光器、光學(xué)透鏡、CCD攝像機(jī)的組合方式。而我們考慮到批量制造的需要，選擇了市場上成熟的產(chǎn)品，SICK公司OD5-30T05型傳感器，其原理與文獻(xiàn)［1～6］中所述的系統(tǒng)是一樣的。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一型在線測厚儀，陸續(xù)制造并實(shí)際使用了數(shù)臺。使用中發(fā)現(xiàn)，這種方法在被測玻璃基板極其穩(wěn)定時精度很好。然而，在線測量的玻璃基板是難以達(dá)到極其穩(wěn)定的狀態(tài)的，必然會伴隨翹曲、晃動等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象對測量精度的影響很大。為此，我們設(shè)計了玻璃基板夾持機(jī)構(gòu)［14］，以及改進(jìn)的隨動測量系統(tǒng)［15］，效果有所提高，然并未根本上解決問題。

因此，實(shí)際的生產(chǎn)，迫切的需要我們開發(fā)一種新型的在線測厚系統(tǒng)，滿足品質(zhì)保證的需要。

1　測厚系統(tǒng)原理

設(shè)計思想是重點(diǎn)解決玻璃基板翹曲和晃動時對測量精度的影響。通過分析，我們發(fā)現(xiàn)，玻璃基板翹曲和晃動時，影響測量精度的原因在于，玻璃基板表面與入射激光的角度變化，造成折射后光線角度的偏移。這與最初標(biāo)定的參數(shù)有了偏差，進(jìn)而影響了測量結(jié)果。這是激光三角法測量原理本身決定的，在文獻(xiàn)［12］中也有所提及。其解決方法相對復(fù)雜，不利于我們批量化的制造。

我們參考了采用成對激光位移傳感器進(jìn)行厚度測量的原理［13］，采用相同的原理，但將傳感器改成光柵尺型位移傳感器。傳感器觸頭采用氣壓驅(qū)動，可有效的夾緊玻璃基板表面。在玻璃基板發(fā)生翹曲和晃動時，仍可緊貼表面，兩只傳感器相互補(bǔ)償偏移量，可大幅的提升測量精度。同時，因?yàn)槭菣C(jī)械接觸式測量，玻璃基板的翹曲和晃動的影響，得到了很好的解決。

對于采樣間隔5mm的要求，采用了玻璃基板在線輸送，而傳感器靜止掃描的方式。開始測量時，兩只傳感器處于打開狀態(tài)，在玻璃基板一條邊緣進(jìn)入后，由伺服電機(jī)帶動傳感器夾緊玻璃基板，完成掃描采樣。采樣間隔的控制采用了外部觸發(fā)的方式。在玻璃基板傳送裝置上安裝一個編碼器，由計數(shù)器累計編碼器脈沖后，觸發(fā)電腦的外部中斷，與傳感器通信采樣一次。

系統(tǒng)的控制，需要控制一臺伺服電機(jī)、兩個導(dǎo)向裝置的夾緊氣缸，以及兩個對上位機(jī)的觸發(fā)信號，采用一臺小型PLC實(shí)現(xiàn)。

上位機(jī)軟件系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)庫模塊、傳感器通信模塊、數(shù)據(jù)和曲線顯示模塊、自檢模塊和日志記錄模塊。完成玻璃基板的采樣、測量記錄入數(shù)據(jù)庫，并完成數(shù)據(jù)和曲線的顯示，并上傳至車間的MES系統(tǒng)中的功能。

2　測厚系統(tǒng)零部件選型和設(shè)計

經(jīng)過市場調(diào)查和對比，最終采用KEYENCE公司GT2型位移傳感器，如圖1所示。測量量程12mm，分辨率0.1um，測量精度1mm，氣壓驅(qū)動探頭。

圖1　光柵尺型位移傳感器

夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計，包括必要的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。采用一條雙螺旋絲杠，由伺服電機(jī)帶動，完成傳感器的夾緊和松開動作。

在玻璃基板傳送帶的某根輥輪軸上，安裝增量型編碼器。實(shí)際選用歐姆龍E6B2-C型，集電極開路輸出，分辨率2000p/r，以及H7CX轉(zhuǎn)速表/計數(shù)器。采樣間隔的與計數(shù)脈沖由式（1）決定。

其中：

P為計數(shù)脈沖個數(shù)；

S為需要的采樣間隔；

D為玻璃基板傳送帶輥輪直徑。

傳感器與上位電腦的通信，采用的是KEYENCE公司的DL-RS1A通信模塊（如圖2，圖3所示），帶外部觸發(fā)點(diǎn)，可與計數(shù)器配合，完成外部觸發(fā)。在參數(shù)設(shè)定完畢后，當(dāng)玻璃基板傳送帶輥輪旋轉(zhuǎn)帶動玻璃基板移動采用間隔的位移時，編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)與計數(shù)器設(shè)定數(shù)一致，則計數(shù)器發(fā)送一個10ms的低電平至DL-RS1A通信模塊外部觸發(fā)端口（圖3中SG、DRQ）。通信模塊則將傳感器的測量結(jié)果通過RS232串口發(fā)送至上位機(jī)。整個外部觸發(fā)/采樣系統(tǒng)如圖4所示。

圖2　傳感器放大器與通信模塊

圖3　通信模塊外部觸發(fā)

圖4　外部觸發(fā)/采樣系統(tǒng)設(shè)計圖

上位工控機(jī)采用C++ Builder2010開發(fā)測厚系統(tǒng)軟件，基于SQL Server數(shù)據(jù)庫。軟件主界面如圖5所示。

圖5　測厚系統(tǒng)軟件主界面

上位機(jī)軟件系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)庫模塊、傳感器通信模塊、數(shù)據(jù)和曲線顯示模塊、自檢模塊和日志記錄模塊。完成玻璃基板的采樣、測量記錄入數(shù)據(jù)庫，并完成數(shù)據(jù)和曲線的顯示，并上傳至車間的MES系統(tǒng)中的功能。數(shù)據(jù)庫模塊基于SQL Server建立，完成數(shù)據(jù)的記錄，并通過網(wǎng)絡(luò)功能上傳至車間的MES系統(tǒng)，基于C++ Builder自帶的ADO控件完成。傳感器通信模塊基于MSComm控件，完成串口的讀寫，并實(shí)時發(fā)送詢問信號至傳感器監(jiān)測通信是否正常。曲線顯示模塊通過TBitmap類實(shí)現(xiàn)，后臺完成曲線繪制后再顯示到屏幕上，提高刷新速度和顯示效果。PLC通信模塊基于MITSUBISH的MX+Component控件實(shí)現(xiàn)，底層采用以太網(wǎng)通信。

3　實(shí)際應(yīng)用

截至目前，已陸續(xù)制造8臺該系統(tǒng)，并應(yīng)用于生產(chǎn)線。累計測量玻璃基板已超過50萬片。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，測量精度和速度能夠滿足要求。同時，實(shí)踐證明，在玻璃基板發(fā)生翹曲和晃動時，系統(tǒng)仍然具有較好的測量精度。該系統(tǒng)已申請實(shí)用新型專利一項(xiàng)［16］。

4　結(jié)論

采用一對光柵尺型位移傳感器為核心，加上必要的外部觸發(fā)、通信、伺服及上位控制軟件，設(shè)計了一套液晶玻璃基板在線測厚系統(tǒng)。該系統(tǒng)經(jīng)實(shí)踐測試，能夠在30秒內(nèi)完成300個采樣點(diǎn)的測量，測量精度達(dá)±0.002mm，能夠消除玻璃基板翹曲和晃動的影響。滿足了目前液晶玻璃基板生產(chǎn)的品質(zhì)保證要求。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 王曉嘉，高雋，王磊.激光三角法綜述［J］.儀器儀表學(xué)報. 2004（S2）：601-604，608.

［2］ 王玉田，楊妮，林曉琳.基于CCD技術(shù)的浮法玻璃厚度測量系統(tǒng)的研究［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2007（6）：72-74.

［3］ 劉瑾，楊海馬，張菁.基于CCD的在線厚度測量方法研究［J］.儀器儀表學(xué)報，2006（S2）：1217-1218.

［4］ 孫峰.玻璃厚度在線測量系統(tǒng)的研制［D］.遼寧：大連理工大學(xué)，2013.

［5］ 胡雪良.基于機(jī)器視覺機(jī)理對平板玻璃厚度檢測的研究［D］.燕山大學(xué).2014.

［6］ 陳立詮.激光玻璃測厚應(yīng)用研究［D］.大連理工大學(xué).2014.

［7］ 石一磊，蘇俊宏，楊利紅，等.基于相位偏移干涉術(shù)的薄膜厚度測量方法［J］.應(yīng)用光學(xué)，2009（1）：76-79.

［8］ 薛暉，沈偉東，顧培夫，等.基于白光干涉的光學(xué)薄膜物理厚度測量方法［J］.光學(xué)學(xué)報，2009（7）：1877-1880.

［9］ 李彥超，王春暉，高龍，等.多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差測量玻璃厚度的方法［J］.物理學(xué)報，2012（4）：238-243.

［10］ 宋晨，呂岑，郭琪，扈映茹.一種激光外差多普勒玻璃厚度測量方法［J］.光子學(xué)報，2008（08）：1635-1638.

［11］ 閆璽，張景超，李賀光，等.基于激光透射法測量平板玻璃的厚度［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2012（5）：1-5.

［12］ 張銚，王寶光，梁洪峰，李亞標(biāo)，盧慧卿.一種新型光學(xué)測量系統(tǒng)在高溫環(huán)境中的應(yīng)用研究［J］.傳感器與微系統(tǒng).2008（05）：73-75，78.

［13］ 王偉，王召巴.基于CCD位移傳感器在玻璃厚度測量時的性能研究［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2006（9）：44-45.

［14］ 李赫然，周波.一種液晶玻璃基板測厚裝置：中國，CN201020105326.8 ［P］.2011-02-02.

［15］ 董潤滋，周波.一種在線測量玻璃基板厚度的裝置.中國，201420203696.3［P］.2014-04-24.

［16］ 孫建林.一種在線式液晶玻璃基板測厚系統(tǒng).中國，CN203534564［P］.2014-04-09.

Online thickness measurement system design of LCD glass substrate based on grating displacement sensor

LI Qing1，2， ZHOU Bo1，2， CHEN Jun1，2

中圖分類號：TN386.5；TP274.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-0134（2016）05-0021-03

收稿日期：2016-01-27

基金項(xiàng)目：國家科技支撐計劃（2013BAE03B02-03）

作者簡介：李青（1965 -），女，河北人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計。