玻璃基板垂度自動測量裝置的設計

李 青，祁 麟

（1.東旭集團有限公司，石家莊 050021；2.平板顯示玻璃技術和裝備國家工程實驗室，石家莊 050035）

檢測與監控

玻璃基板垂度自動測量裝置的設計

李 青1,2，祁 麟1,2

（1.東旭集團有限公司，石家莊 050021；2.平板顯示玻璃技術和裝備國家工程實驗室，石家莊 050035）

液晶玻璃基板需要進行垂度測量，以檢測玻璃的垂度是否符合要求。傳統方法由于操作過程不合理，存在操作誤差，并且由于多點測量時間不一致，有時間差，也會帶來誤差，造成測量不準確。為了消除測量誤差，提高測量準確度，設計了一套玻璃基板垂度自動測量裝置。該裝置可以自動升降玻璃基板，自動調整支撐架間距并且使用光電測距傳感器同時測量不同點間距，從而得到玻璃的垂度值。經過實驗驗證，使用垂度測量裝置測量精度達到0.2mm，保證了玻璃垂度測量的準確性和可靠性。

玻璃基板；垂度；光電測距

0　引言

玻璃基板是液晶顯示面板的重要組成部分[1]。玻璃基板垂度是指當玻璃基板被一定間距的支撐架支撐起來時，玻璃中間下垂的程度，通過測量中間最低點和兩角最高點得到。測量時，一個邊測量3個點，檢驗時測量兩個邊，共計6個點。垂度檢驗是玻璃基板必須的檢驗項目，若玻璃垂度超過要求值就是廢品[2]。在傳統的玻璃檢驗中，垂度測量采用手動測量，并且操作過程有操作誤差，同時存在由于不同點測量時間不同時而可能造成的誤差，測量結果不準確[3]。我們設計了可以自動升降，自動檢測的玻璃垂度測量裝置，消除手動測量時的理論誤差，提高測量準確度。

1　傳統測量方式及誤差產生原因

垂度實驗在大理石平臺上進行。在傳統測量過程中，操作員首先準備好支撐架，調整好兩個支撐架的距離，并且在玻璃上做標記，以方便放置玻璃時對中。兩個操作員將玻璃輕輕平放在支撐架上，兩個支撐架和中間支板3個點支撐起玻璃基板。然后，操作員手動將中間支板向一側推倒。玻璃基板中間會下垂。待穩定后，操作員使用鋼板尺依此手動測量玻璃兩邊中間最低點和兩個角最高點共計6個點距離平臺的高度。然后根據測量結果和支撐架的高度計算出垂度值[4]。圖1中H1、H2和H3表示中間最低點和兩側最高點測量值。

圖1　傳統測量過程示意圖

誤差的產生：玻璃放置好后，中間支板頂端頂起玻璃并施加一定壓力，在操作過程中，支板與玻璃基板之間有摩擦力，支板一側傾倒，摩擦力會帶動玻璃基板向一側有約5mm的移動，造成兩邊H1和H3測量結果的不準確，產生操作誤差。

圖2　玻璃對中圖片

圖3　支板向一側傾倒

圖4　支板傾倒后兩側位置圖片

在測量過程中，共需要測量6個點，操作人員一般按照一定順序先后依次測量，測量不同點之間就會有時間差。如果玻璃基板不穩定，這段時間差內，會有微小的蠕變，也會造成誤差。綜上所述，傳統測量方法簡單，但是有其不合理之處，會造成測量誤差，影響測量結果。為了解決以上問題，提高測量結果的準確性和測量裝置的自動化水平，我們設計了垂度自動測量裝置。

2　垂度自動測量裝置結構及優點

為了滿足使用要求，自動測量裝置應該滿足垂直升降，同時測距。自動測量裝置滿足了上述要求，并增加了支撐架間距自動調整等功能，方便使用。自動測量裝置結構如圖5所示。

圖5　自動測量裝置結構圖

圖6　自動測量裝置機械結構

垂度測量裝置由底座、滑動軌道、支撐滑塊、支撐架、固定支架和升降支架、支撐架驅動組件和光電測距組件組成。

操作平臺一般選用表面平整光潔而且不易變形的大理石平臺。平臺提供一個操作空間和測量基準。

圖7　底座結構圖

底座由一個中間挖空的鋼板和兩根方管組成。方管上方對應安裝著滑動軌道。每根滑動軌道有兩個軌道滑塊。底座是滑動軌道、支撐架驅動組件和光電測距組件的安裝基準。同時為支撐架提供基礎。

圖8　支撐架驅動組件結構圖

支撐架驅動組件由驅動電機、聯軸器、絲杠、左右旋絲杠和支撐架連接板組成。絲杠兩端由絲杠支撐座固定，軸頭通過聯軸器與驅動電機相連。絲杠有兩段螺紋，螺紋齒形和螺距相同，旋轉方向相反，分別是左旋和右旋。支撐架連接板下面是絲杠螺母，與絲杠嚙合，上面連接板與支撐架相連。安裝時，兩個連接板的中心和固定支架的中心及玻璃基板中心重合。當電機轉動時，支撐架連接板以相同速度靠近或離開。調整支撐架間距時，驅動電機會帶動支撐架自動調整。

支撐架通過支撐滑塊固定在滑動軌道的滑動滑塊上，當驅動電機旋轉時，通過以上機構，支撐架可以自由移動。

圖9　光電測距結構圖

光電測距傳感器用于測量探測點的位置。不同廠家會對支撐距離有不同的要求，當支撐距離變化時，玻璃基板展開的最大寬度不同，探測點的位置會變化。所以在傳感器下面安裝有燕尾槽軌道，根據測量要求調整傳感器的探測位置。

支撐架由支撐架基體和半圓接觸面組成。支撐架基體為了減重，中間及兩側挖空。半圓接觸面是與玻璃基板接觸的部分。采用半圓形接觸面可以與玻璃光滑接觸，避免尖角接觸造成玻璃損傷，并且測量更準確。

圖10　支撐架結構圖

圖11　固定支架和升降支架結構圖

固定平臺和升降平臺是垂度測量裝置的核心部件。固定平臺支撐在底座上，升降平臺壓在固定平臺上。升降平臺和固定平臺之間有氣囊。氣囊呈環形。升降平臺下面有四根氣囊固定桿，卡在氣囊內側，固定氣囊位置。

固定平臺由固定板、支撐桿和直線軸承組成。4根支撐桿固定在固定板下面，起支撐作用。支撐桿內側安裝有4個直線軸承，為升降平臺提供軌道和導向。固定平臺中間有4個小孔，氣囊固定桿從孔中穿過。

升降平臺由升降板、升降導桿和氣囊固定桿組成。升降導桿從直線軸承中穿過。升降平臺上表面與玻璃基板接觸。上表面正中間處有中間線，用于玻璃基板對中。升降平臺的升降運動由氣囊充放氣完成。

氣囊供氣系統由一個氣泵、手動三通電磁閥和一個節流閥組成，中間用氣管連接。充氣時，打開氣泵，電磁閥動作，氣泵和氣囊接通；充氣結束，關掉氣泵，電磁閥歸中，保壓；放氣時，電磁閥反向動作，氣囊與大氣相連，在放氣口接有節流閥，可以調整放氣口大小和放氣速度，使氣囊緩慢放氣，玻璃平穩下降。放氣速度調整好后，節流閥不再調整。

3　垂度測量裝置測量過程

玻璃基板垂度測量過程如下：

第一步：調整支撐架間距至所需要的距離；

第二步：給氣囊充氣，升降支架上升，當升降平臺上表面和支撐架半圓接觸面最高點平齊時，上升到位檢測傳感器檢測到位，停止；

第三步：將玻璃基板平放在升降板上，根據中間線，將玻璃基板居中對齊；

第四步：緩慢放氣，升降平臺緩慢下降，玻璃基板中間開始下垂。當玻璃基板下垂到垂度值時，玻璃基板和升降平臺脫開。升降平臺降至底部；

第五步：打開測距開關，讀取距離數值；

第六步：取下玻璃板，實驗設備歸位，測量結束。

4　電氣控制系統

該項目控制系統采用上下位機的控制系統。下位機采集設備數據，上位機進行監控并下達操作指令。本項目采用裝有三維力控軟件的工控機作為上位機，西門子PLC作為下位機。PLC采集數據后通過通信協議上傳到工控機，可以在工控機界面上，看到6個點的距離測量的數據，并根據支撐點高度和測量數據自動計算出垂度值和自動判別是否合格。在工控機人機界面上，可以操作氣泵、氣閥、電機等運動。控制系統如圖12所示。

圖12　控制系統圖

電氣控制系統采用PLC作為控制單元。該項目中，西門子S7-200系列的CPU222作為數字量輸入輸出的控制器，模擬量擴展模塊EM231作為測距傳感器信號采集單元[5]。PLC接線圖如圖13所示。

圖13　PLC電路圖

5　結論

通過對比實驗表明，垂度自動測量裝置的采用，是測量精度有手動測量的0.5mm提高到0.2mm。玻璃基板垂度測量裝置有效的避免了傳統操作帶來的操作誤差和時間誤差，提高了測量精度和穩定性。測量裝置還采用自動化控制系統，做到自動操作、自動定位，自動記錄和分析數據，為玻璃基板的垂度測量提供了標準的測量平臺。

[1] 田路線,李國富,吳光文.TFT—LCD玻璃基板簡介[J].玻璃,2009, (5).

[2] 盧有祥.液晶顯示器用玻璃基板[J].光電技術,2008,50(3).

[3] 夏衛文.液晶顯示器(LCD)用基板玻璃淺析[J].玻璃,2003, 6(171).

[4] 劉海燕.TFT—LCD用玻璃基板的性能及檢測[J].玻璃,2009, 36(1).

[5] 王永華.現代電氣控制及PLC應用技術[M].北京：北京航空航天出版社,2008.

The design of glass substrate vertical automatic measurement instrument

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李青（1965 -），女，湖南衡陽人，碩士研究生，研究方向為機器視覺及圖像處理技術。