液晶顯示面板自動斷裂技術的研究

李玉剛，徐江潮，曹力寧，王 磊

（中電科風華信息裝備股份有限公司，山西 太原 030024）

引言

受新冠肺炎疫情的影響，居民居家遠程辦公以及在線網課等增加了人們對平板電腦市場的需求。從2020 年初開始，全球筆記本電腦和平板電腦需求量激增。2020 年全年，個人電腦市場整體實現了同比雙位數增長。尤其是在歐美等發達國家，居家辦公已經變成常態，從而導致全球對于大尺寸顯示面板的需求激增。

但是從液晶顯示面板的生產過程來看，顯示面板越大，要求的自動化程度越高，人工參與度大大降低，特別是大尺寸顯示面板切割后，斷裂難度高，傳統的人工裂片方式已經不能適應生產需求[1]。基于此，中電科風華信息裝備股份有限公司研發了ZDLX-1800 自動斷裂生產線，適應了大尺寸液晶面板的生產，同時對打破國外的技術壟斷和提升國產設備的自主技術創新意識也有積極的意義。

1 ZDLX-1800 自動斷裂生產線工藝和技術難點

1.1 ZDLX-1800 自動斷裂生產線工藝

ZDLX-1800 自動斷裂生產線主要是對上游已經切割過的大板液晶顯示面板進行四周廢邊的去除、裂條、裂粒和下料。根據液晶顯示面板生產工藝的要求，將來料大板玻璃（1 800 mm×1 200 mm）斷裂成條玻璃（1 166 mm×150 mm），再將條玻璃斷裂成小粒（57 mm×101 mm），并且將小粒傳送到下游設備上。在設備運行中，采用圖像識別系統進行大板玻璃的自動對位，采用真空吸附固定，完成裂條動作，之后搬用到掰粒平臺上進行裂粒。拾取和翻轉搬運動作都采用機械手實現。ZDLX-1800 自動斷裂生產線的流程圖如圖1 所示，其工藝流程為：中轉臺接料（CF 朝上）—掰斷廢邊（條玻璃）—搬運條玻璃—斷裂條玻璃—下料。

圖1 ZDLX-1800 自動斷裂生產線流程圖

1.2 ZDLX-1800 自動斷裂生產線技術難點

液晶面板裂片流程是ZDLX-1800 自動斷裂生產線的核心，其結果直接決定了產品的良率和設備的效率。通常，使用裂片刀在已經切割過的液晶玻璃的切割線背面進行落刀，其產生的壓力可以使廢邊與液晶玻璃分離。但是，由于來料玻璃的尺寸較大，先將來料玻璃斷裂成條后，無法再進行精確對位，使用裂片刀對條玻璃上的切割線進行二次斷裂，只能通過掰斷動作對條玻璃進行掰斷，液晶顯示面板斷裂示流程見圖2。掰斷動作是通過模擬人工掰斷顯示面板的動作，實現近似人工掰斷的效果，掰斷精度高，提高了生產效率和良率。ZDLX-1800 自動斷裂生產線將上述兩種裂片方式相結合，首先將來料大尺寸顯示面板斷裂為條玻璃，再通過移栽平臺，條玻璃放置在多條斷裂結構上，同步進行裂片，解決了條玻璃無法進行精準定位，在傳統裂片條件下，無法斷裂的弊端，同時也提高了生產效率[2]。

圖2 液晶顯示面板斷裂示流程圖

2 斷裂壓力控制系統

2.1 液晶玻璃微裂紋理論

根據Griffith 脆性材料斷裂的微裂紋理論[3]，脆性材料的斷裂可以分為兩個過程，一是微裂紋的產生；二是微裂紋的擴展。微裂紋端部的應力由微裂紋的長度c 和端部曲率半徑p 共同決定，具體關系如下：

式中：σm為微裂紋尖端處的最大應力；σ 為外界施加的應力。公式（1）表明當外力施加于脆性材料時，微裂紋尖端應力將成倍數增加，并且隨著外力的增大，微裂紋的長度c 也在增長，即微裂紋擴展。

玻璃基板在斷裂時，在切割時形成的垂直裂縫（Median crack）下方，就會形成一個光滑的鏡面區，而且由于裂片時施加的壓力是與切割線重合的，并且是在玻璃的切割線背面，因此，只要是切割和裂片的壓力合適，在玻璃基板裂開后就會形成一個近似垂直于玻璃表面的光滑斷面[4]。

2.2 裂片壓力控制技術

本設備共采用了兩種裂片的方法，一種是使用具有一定寬度的材質比玻璃軟的工具，通過施加一定的壓力，將切割過程中在玻璃厚度方向上形成的垂直裂縫延伸到玻璃基板的底部，達到使玻璃基板分離的目的[2]，裂片平臺結構圖如圖3，裂片動作如圖4。

圖3 裂片平臺結構圖

圖4 裂片刀裂片動作示意圖

這種方法的特點是裂片定位精度高，適用于來料大的尺寸顯示面板，進行分斷為條玻璃。由于工藝成熟，在上位機設定裂片刀的工作壓力，計算并轉換為模擬量輸出模塊所需的數字量，由模擬量輸出模塊輸出一定的電壓值到電氣比例閥，電氣比例閥根據給定的電壓信號進行二次壓力輸出，由內置的壓力傳感器檢測到達設定壓力值，這種方法，已經比較成熟，本文不再詳細說明。

另一種裂片方法是對于已經進行第一次裂片的條玻璃，需要進行二次裂片，由于第一次裂片后，條玻璃數量比較多，再使用上述方法進行裂片，速率低下，而且需要進行精確定位和相應的裂片機構，對于設備整體節拍和結構影響很大，本文設計了一種新型的液晶顯示面板掰斷機構，其結構如圖5 所示，將來料條玻璃放置在左右兩個平臺上，切割線位于兩平臺中間，通過真空吸附固定在平臺上，起到固定條玻璃的左右。掰斷動作如圖6 所示，共有X、Z、Φ 三軸同時進行聯動，使得左平臺以切割線為圓心，完成螺旋插補動作，實現了模擬人工掰斷液晶面板的動作。

圖5 掰片平臺結構圖

圖6 掰斷動作示意圖

2.3 掰斷螺旋插補算法的建模

螺旋插補是在三維空間按螺旋線軌跡插補運行軌跡，是圓弧插補的擴展。在《論螺線》一書中，阿基米德給出了如下定義：當一點P 沿動射線OP 以等速率運動的同時，這條射線又以等角速度繞原點O旋轉，點F的軌跡被稱為“阿基米德螺線”[6]。在由指定的圓心位置（R）確定的圓弧上移動（圓弧插補）時，也同步進行直線插補的移動移動的圓弧插補切線速度變為插補進給速度，完整螺旋一圈，從Φ 方向看近似為圓弧。

將螺旋插補的當前位置設為A，終點設置為B，如圖7 所示。插補過程中的當前點在三維空間的坐標為Fi（xi，yi，zi），通過螺旋插補算法計算得到下一個插補點的三維空間坐標為Fi+1（xi+!，yi+!，zi+!），從而得出X 軸、Y 軸和Φ 軸各自的移動量，3 個伺服電機同時運動，合成運動軌跡即是螺旋線軌跡，每隔1 個插補周期調用1 次插補算法，依次計算出每個插補周期的進給量，然后驅動電機，最終到達螺旋線的終點。其中，螺旋插補動作的完成，需要如下參數進行設置[6-7]。

圖7 螺旋插補原理圖

目標地址1：設定插補圓弧圓心相對當前點在X-Y 平面投影的X 坐標；

目標地址2：設定插補圓弧圓心相對當前點在X-Y 平面投影的Y 坐標；

目標地址3：設定插補螺旋線的螺距，即圓弧插補時在軸上運行的角度；

目標速度1：設定插補的合成速度;

目標速度2：設定插補圓弧的角度,設定正值時運行順時針圓弧，設定為負值時，運行逆時針圓弧；

加速時間/減速時間：設定啟動到達到額定合成速度和額定合成速度到停止時間;

2.4 掰斷螺旋插補算法的實現

將螺旋插補點的三維坐標Fi+1（xi+!，yi+!，zi+!）[7]，投影到平面上得到二維坐標點Fi+1（xi+!，yi+!），其與起點坐標的角度為?。圓弧半徑為R，Z 方向上的插補距離為ΔZ，則有：

設螺旋插補的速度為F，mm/min，分辨率為0.001 mm，在二維平面上，從pi到pi+1的步長Δpi為：

因為二維平面的圓弧角度?與Z 軸的移動距離A 具有嚴格的比例關系，所以當Z 軸坐標達到插補終點時，X 軸和Y 軸也會同時達到終點，因此，當Z軸是到達終點時，螺旋插補動作就結束了。

在本文的螺旋線插補計算過程中中，為保證精度采用前加減速控制，加速度段的移動量為S:

由上述計算得知，對于某一段參數已知的螺旋線，根據給定的起始速度、終止速度和編程速度，經過一系列計算判斷，確定插補該段螺旋線的速度變化規律。通過MATLab 軟件仿真得到如圖8 所示的螺旋線。

圖8 仿真螺旋曲線圖

3 裂片效果實驗驗證

通過在生產現場，對來料大板玻璃進行生產試驗，大板玻璃斷裂壓力為0.2 MPa，條玻璃掰斷參數為：X 向移動距離17 mm，Z 向移動距離8 mm，圓心半徑為46.5 mm，速度200 mm/s，加減速度為500 mm/s2的工藝條件下，ZDLX-1800 自動斷裂生產線實際斷裂的玻璃端面如圖9、圖10 所示。可以看出，大板斷裂和調玻璃掰斷的斷面邊緣整齊，無崩邊和崩角產生，兩種斷裂方式效果一致，經過連續性生產，見圖11、圖12，上述兩種液晶顯示面板斷裂工藝也得到了驗證，設備性能穩定，上述裂片壓力控制系統可以很好地滿足液晶面板對于壓力控制的精度和重復性需求。

圖9 大板裂片效果圖

圖10 條玻璃掰斷效果圖

圖11 大板連續裂片效果圖

圖12 條玻璃連續掰斷效果圖

4 結論

ZDLX-1800 自動斷裂生產線的裂片動作自動化程度高，穩定性好，實現了模擬人工掰片的動作過程，提高了裂片生產線的生產速率和良率，提升了國產設備在液晶行業的競爭力。該自動裂片生產線已被國內知名LCD 制造企業批量生產應用，設備穩定性得到了驗證，良品率大于99.6%。ZDLX-1800 自動斷裂生產線的成功研制對其控制系統的優化設計和算法實現起到重要作用，對國產裂片生產線的設計和研發具有一定的借鑒參考意義。