超薄手機(jī)玻璃基板洗凈機(jī)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)*

馮友強(qiáng)，陳勝利，張秋容，葉春德，黃定平，劉燕輝

(1.河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 河源 517000；2.河源市璐悅自動(dòng)化設(shè)備有限公司，廣東 河源 517000)

0 引言

手機(jī)屏精細(xì)洗凈控制系統(tǒng)技術(shù)的研究與應(yīng)用,直接關(guān)系到5G時(shí)代手機(jī)TFT液晶屏良品率的高低。液晶屏不良現(xiàn)象的原因多種多樣,但絕大多數(shù)都是由手機(jī)玻璃基板的塵埃或異物引起的。如手機(jī)玻璃基板的不良主要有點(diǎn)缺陷、線缺陷、板上異物等，這些不良之處對(duì)手機(jī)屏的顯示效果有致命性的影響。異物引起的不良,主要由異物在玻璃基板上的分布密度決定。在TFT液晶屏的制造過程中，主要通過對(duì)玻璃基板表面的超潔凈化、處理環(huán)境的超潔凈化、工藝參數(shù)的全面控制來達(dá)到對(duì)塵埃和異物的有效控制，其中基板表面的超潔凈化尤其重要。某企業(yè)原手機(jī)玻璃基板清洗設(shè)備不能對(duì)塵埃和異物進(jìn)行有效控制，主要是清洗工藝精度不夠及工藝參數(shù)監(jiān)控不到位。而在TFT液晶屏制造工程中,微米級(jí)的異物就可以引起產(chǎn)品的不良,故本文以清除微米級(jí)異物的清洗工藝為研究對(duì)象，對(duì)洗凈機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)。

1 洗凈機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

洗凈機(jī)的主要功能是針對(duì)超薄手機(jī)玻璃基板，通過毛刷清理粘接性異物，由風(fēng)刀清除移動(dòng)性異物，用藥液清理化學(xué)性異物，用純凈水清理微米級(jí)異物，最后達(dá)到去除玻璃上異物顆粒的效果。手機(jī)玻璃基板如圖1所示。

圖1 手機(jī)玻璃基板圖

在企業(yè)原有洗凈工藝技術(shù)積累基礎(chǔ)上，通過對(duì)超薄玻璃基板異物及清洗液的特性研究，設(shè)計(jì)了一套清洗技術(shù)路線，如圖2所示。

圖2 清洗工藝技術(shù)路線

根據(jù)上述的工藝技術(shù)路線，對(duì)手機(jī)玻璃基板洗凈機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，設(shè)備結(jié)構(gòu)分段圖如圖3所示，洗凈機(jī)主要由7個(gè)部分組成，分別是入料段、隔離段、毛刷刷洗段、二流體切刀段、DI噴淋段、四組風(fēng)干段和出料段。入料段通過中轉(zhuǎn)段連接到手機(jī)玻璃基板的前面生產(chǎn)段，如切割段、打磨段。為了提高玻璃基板的傳遞效率及可靠性，中轉(zhuǎn)段通常采用機(jī)械手將玻璃基片不間斷和穩(wěn)定快捷地交給入料段。玻璃基板清洗后，在風(fēng)干時(shí)容易產(chǎn)生靜電，所以在出料處要配置靜電消除器，以消除玻璃基板上的靜電。玻璃基板清洗運(yùn)動(dòng)的過程中，主要由小型輥筒對(duì)其進(jìn)行中轉(zhuǎn)與輸送。玻璃基板清洗后從出料段出來，然后進(jìn)入后續(xù)的生產(chǎn)線，如貼膜、包裝段等。

圖3 設(shè)備結(jié)構(gòu)分段圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)手機(jī)基板清洗工藝技術(shù)路線與機(jī)械結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時(shí)系統(tǒng)還應(yīng)滿足高效率、低功耗、壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性好、可擴(kuò)展的特點(diǎn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

PLC以其可靠性高、耐惡劣環(huán)境能力強(qiáng)、使用方便三大特點(diǎn),迅速占領(lǐng)了工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化領(lǐng)域,成為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的強(qiáng)有力工具[1]，所以本系統(tǒng)主要以三菱Q系列PLC作為主控制器，以伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的精準(zhǔn)定位，以變頻控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備速度的控制，以觸摸屏及組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，再通過人機(jī)交互軟件將控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)上傳到云服務(wù)器。電氣系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 電氣系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1.1 主電路設(shè)計(jì)

清洗設(shè)備總功率約為6 kW，功率較大，系統(tǒng)主電路由三相380 V電源供電。在主電路中，主要有7條供電支路：第1條供電支路是單相220 V,主要給一些照明及控制電路供電；第2條支路也是單相220 V，給兩個(gè)電箱散熱風(fēng)扇供電；第3條供電支路主要為開關(guān)電源及溫控器供電；第4條供電支路主要為變頻器及伺服驅(qū)動(dòng)器供電；第5、6條供電支路為洗凈機(jī)兩個(gè)水泵電機(jī)供電，支路上配備了兩個(gè)熱繼電器，對(duì)泵電機(jī)進(jìn)行保護(hù)；第7條供電支路是給清洗劑加熱設(shè)備供電。

2.1.2 毛刷及輥筒傳輸控制電路設(shè)計(jì)

在洗凈機(jī)中，玻璃基片的傳輸主要使用輥筒,分為前段輸送與后段輸送，前段由3個(gè)異步電機(jī)帶動(dòng)，后段由1個(gè)異步電機(jī)帶動(dòng)。為了防止輥筒產(chǎn)生灰塵與振動(dòng)，輥筒聯(lián)軸器采用平面磁力聯(lián)軸器，將多軸聯(lián)動(dòng)的傳動(dòng)齒輪換成磁力輪。在毛刷刷洗段，要用多組毛刷對(duì)玻璃基板的上下面進(jìn)行刷洗，這些毛刷采用兩個(gè)異步電機(jī)傳動(dòng)。對(duì)傳輸輥筒與毛刷的異步電機(jī)都需要進(jìn)行速度精確控制，本設(shè)計(jì)中采用變頻器對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行控制，圖5為毛刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。

圖5 毛刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路

在變頻電路設(shè)計(jì)圖中，采用一個(gè)0.4 kW的兩相220 V變頻器來驅(qū)動(dòng)兩個(gè)毛刷電機(jī)。這兩個(gè)毛刷電機(jī)是三相供電，由于變頻器輸出最高電壓也只有三相220 V，因此電機(jī)采用三角接的形式。

2.1.3 料夾控制電路設(shè)計(jì)

在洗凈機(jī)的入料段與出料段，手機(jī)玻璃基片通常在生產(chǎn)線運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生位置偏移，所以在輸送輥筒的下方安裝了料夾，由料夾伸出的兩個(gè)手臂夾住玻璃基片的兩側(cè)來調(diào)節(jié)玻璃基片位置。本設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)料夾，兩料夾控制電路如圖6所示。

圖6 料夾控制電路

在料夾控制電路中，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器采用直流24 V供電，這主要考慮與控制電路的電壓等級(jí)一致性，不需另外配其他電壓等級(jí)的開關(guān)電源。步進(jìn)電機(jī)采用兩相步進(jìn)電機(jī)，其精度及穩(wěn)定性已能達(dá)到控制工藝的要求。本設(shè)計(jì)采用脈沖加方向的控制方式來控制步進(jìn)電機(jī)。

2.1.4 入料機(jī)械手控制電路設(shè)計(jì)

洗凈機(jī)的入料段通常連接到中轉(zhuǎn)段，如果中轉(zhuǎn)段的傳輸方向與洗凈機(jī)的方向不一致，那就需要采用機(jī)械手進(jìn)行玻璃基板的傳送，傳送的重復(fù)精度要求在0.02 mm以內(nèi)。本設(shè)計(jì)采用伺服電機(jī)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，控制方式使用位置控制，其電路設(shè)計(jì)如圖7所示。

在圖7中，此驅(qū)動(dòng)器功率較小，采用單相220 V供電，其中串聯(lián)接入一個(gè)電源過濾器，使得供電的電壓更為穩(wěn)定。接線方式也采用脈沖加方向的接線方式，脈沖由高速脈沖端子Y0輸出，方向控制信號(hào)由Y4發(fā)出。SON為伺服內(nèi)部上電控制端子，此處由行程開關(guān)控制的安全中間繼電KA14控制，當(dāng)入料機(jī)械手碰到行程開關(guān)后，驅(qū)動(dòng)器的使能則會(huì)斷開，伺服電機(jī)停止。

圖7 入料機(jī)械手控制電路

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)清洗工藝路線及設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了如圖8所示的控制程序流程圖。設(shè)備啟動(dòng)按鈕激活后，設(shè)備進(jìn)入自動(dòng)狀態(tài)，并將設(shè)備恢復(fù)到初始狀態(tài)。判斷上游有無手機(jī)玻璃基板，如有，中轉(zhuǎn)段感應(yīng)有料并且輸送輥筒動(dòng)作。之后，取料機(jī)械手移動(dòng)到中轉(zhuǎn)段取料，并將手機(jī)玻璃基板傳送到入料段的放料位，之后回到取料位；當(dāng)入料段感應(yīng)有玻璃基板時(shí)，入料夾進(jìn)行第一次定位。定位完后，輸送輥筒將玻璃基板輸送到毛刷刷洗部分進(jìn)行刷洗，之后又經(jīng)過二流體切刀及DI水噴淋，清洗完成后，手機(jī)玻璃基板進(jìn)行四組風(fēng)干。風(fēng)干結(jié)束，玻璃基板移動(dòng)到出料段，出料段的定位夾感應(yīng)到有料后，對(duì)玻璃基板進(jìn)行第二次定位，并等待下游取料，工作流程結(jié)束。

從圖8中可以看到，在設(shè)備運(yùn)行過程中，步驟較多，所以在PLC編程時(shí)，采用SFC編程方法進(jìn)行編程比較快捷與直觀。順序功能圖是一種描述順序控制系統(tǒng)功能的圖解表示法,也稱為流程圖,主要由“步”、“轉(zhuǎn)移”及“有向線段”等元素組成[2]。因此編寫出來的程序能比較直觀地反映玻璃基板的清洗過程，編程效率較高。在調(diào)試時(shí)，也能快速找到洗凈機(jī)的一些故障點(diǎn)。

圖8 程序流程圖

3 設(shè)備調(diào)試

設(shè)備采用分段生產(chǎn)的方式，通過不同的生產(chǎn)車間生產(chǎn)洗凈機(jī)的不同部段，并完成初步調(diào)試。之后，將各大部件運(yùn)到裝配調(diào)試車間進(jìn)行整體裝配，組裝完成的洗凈機(jī)如圖9所示。

圖9 組裝后的洗凈機(jī)

組裝完成后，先進(jìn)行電氣IO點(diǎn)測(cè)試，再下載控制程序，進(jìn)行動(dòng)作測(cè)試。測(cè)試分成兩部分：第一部分是分段測(cè)試，檢查各段的指標(biāo)能否達(dá)到設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)；第二部分是聯(lián)機(jī)測(cè)試，檢查整體參數(shù)。測(cè)試結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明：該設(shè)計(jì)工藝路線可行，設(shè)備運(yùn)行良好。

表1 機(jī)器調(diào)試及結(jié)果記錄表

4 結(jié)束語(yǔ)

在未來的洗凈設(shè)備研究開發(fā)中，人工智能檢測(cè)的應(yīng)用還可進(jìn)一步升級(jí)，在入料處與出料處可以植入機(jī)器視覺系統(tǒng)，檢測(cè)入口的玻璃基片，這樣設(shè)備運(yùn)行更高效；此外還可以對(duì)玻璃基板進(jìn)行類似劃痕的缺陷檢測(cè)，起到一個(gè)良優(yōu)預(yù)分揀作用。