楊子俠， 劉永立， 段青鵬

（中電科風(fēng)華信息裝備股份有限公司， 山西 太原 030024）

電容式觸摸屏主要由蓋板保護(hù)玻璃、觸控感應(yīng)層、顯示屏、驅(qū)動(dòng)電路等組成。在電容式觸摸屏后段生產(chǎn)制程中，貼合是很重要的工序。全貼合是指用水膠或固態(tài)膠將觸摸屏與顯示面板以無(wú)縫隙的方式完全黏貼在一起，相比于框貼來(lái)說(shuō)，有以下優(yōu)點(diǎn)：沒有屏幕中間的空氣層，降低了光線反射，增強(qiáng)了屏幕的顯示效果；用水膠或固態(tài)膠填充中間的空隙層，避免了灰塵和水汽的進(jìn)入；貼合后模塊的總厚度降低。

上、下兩塊玻璃基板貼合后會(huì)存在位置精度誤差，不同的產(chǎn)品要求位置精度誤差不相同。從貼合后精度誤差角度可將貼合分為物理邊定位和CCD 視覺對(duì)位兩種方式。隨著智能手機(jī)的不斷發(fā)展，手機(jī)對(duì)貼合誤差精度有較高的要求，采用具有CCD 視覺對(duì)位系統(tǒng)的貼合設(shè)備進(jìn)行貼合是目前設(shè)備的發(fā)展方向。

1 視覺對(duì)位系統(tǒng)概述

圖1 對(duì)位系統(tǒng)圖示

本文研究的對(duì)位系統(tǒng)是指在觸摸屏制程中觸摸屏與顯示屏全貼合設(shè)備中使用的對(duì)位系統(tǒng)。方案示意如圖1 所示。對(duì)位原理是指，兩個(gè)攝像頭識(shí)別目標(biāo)玻璃板上的對(duì)位MARK，通過(guò)圖像處理系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算出目標(biāo)玻璃板與基準(zhǔn)位置的偏差值，PLC 控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)對(duì)位平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，使目標(biāo)玻離移動(dòng)到基準(zhǔn)位置，實(shí)現(xiàn)兩塊玻璃的精確對(duì)位貼合。采用圖像對(duì)位系統(tǒng)可以保證設(shè)備對(duì)位的高精度要求，也提高了設(shè)備運(yùn)行的效率。

2 兩種典型對(duì)位平臺(tái)的介紹

對(duì)位平臺(tái)主要是實(shí)現(xiàn)視覺對(duì)位后偏差位置的移動(dòng)，包括X方向運(yùn)動(dòng)、Y方向運(yùn)動(dòng)以及角度運(yùn)動(dòng)。目前，常用的對(duì)位平臺(tái)形式有XY平臺(tái)和UVW平臺(tái)兩種。

XY平臺(tái)如圖2 所示，主要構(gòu)成有工作臺(tái)、X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、Y向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及角度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。XY方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是由絲桿、導(dǎo)軌、伺服電機(jī)等組成。角度運(yùn)動(dòng)多用直驅(qū)電機(jī)（DD 馬達(dá)）實(shí)現(xiàn)。XY對(duì)位平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)是X方向、Y方向移動(dòng)行程大，可實(shí)現(xiàn)大角度旋轉(zhuǎn)，但整體結(jié)構(gòu)外形尺寸比較大，適合于空間較大場(chǎng)合使用。

UVW平臺(tái)如圖3 所示，主要構(gòu)成有上工作臺(tái)、三軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、下安裝臺(tái)。三個(gè)方向的電機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)被統(tǒng)一安裝在下安裝臺(tái)上，三個(gè)方向的電機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)上工作臺(tái)相對(duì)下安裝臺(tái)在X、Y、θ 方向上的運(yùn)動(dòng)。UVW平臺(tái)優(yōu)點(diǎn)是平臺(tái)整體的高度降低，重量減輕，提高了空間的利用率，移動(dòng)距離較小。

圖2 XYθ 平臺(tái)

圖3 UVW 平臺(tái)

3 對(duì)位平臺(tái)的設(shè)計(jì)

觸摸屏貼合設(shè)備貼合時(shí)要求對(duì)位平臺(tái)整體上升移動(dòng)，對(duì)平臺(tái)的外形尺寸及重量有較高要求，該設(shè)備中對(duì)位平臺(tái)適合采用UVW平臺(tái)形式。依據(jù)貼合設(shè)備對(duì)位平臺(tái)的要求，定義平臺(tái)的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：平臺(tái)尺寸為170 mm×170 mm×80 mm；平臺(tái)運(yùn)動(dòng)行程為±5 mm，角度為±5°。

3.1 UVW 平臺(tái)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)原理

UVW平臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)就是在同一平面上的U軸、V軸、W軸安裝三組傳動(dòng)裝置，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)如圖4 和表1 所示。

圖4 UVW 平臺(tái)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)

表1 UVW 平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方式

3.2 UVW 平臺(tái)結(jié)構(gòu)三維模型的設(shè)計(jì)

對(duì)位平臺(tái)組成主要由上工作臺(tái)、三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、下安裝臺(tái)組成。三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是由三組相同結(jié)構(gòu)的單組運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。每根單軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)、X向直線導(dǎo)軌、Y向直線導(dǎo)軌、交叉滾子軸承、位置傳感器組成（見圖4）。電機(jī)為KSS 公司高性能5 相步進(jìn)電機(jī)，它將滾珠絲杠與電機(jī)軸直連，省去聯(lián)軸器，電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)絲杠螺母運(yùn)動(dòng)，在保證精度的同時(shí)節(jié)省了安裝空間。X向、Y向直線導(dǎo)軌通過(guò)轉(zhuǎn)接塊十字交叉安裝，實(shí)現(xiàn)滑塊的直線運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)接塊與絲杠螺母連接在一起，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為絲杠螺母的直線運(yùn)動(dòng)。三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)稱布置，并另外設(shè)置一組無(wú)動(dòng)力源支撐機(jī)構(gòu)，形成四點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)，可以有效提高平臺(tái)的承載能力。三軸電機(jī)相互配合運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)的三維運(yùn)動(dòng)。

4 對(duì)位平臺(tái)的數(shù)學(xué)模型公式

完成對(duì)位平臺(tái)各部件的組裝后，通過(guò)三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中各軸的位置傳感器，確定平臺(tái)的基準(zhǔn)位置，也就是上工作臺(tái)與下安裝臺(tái)的初始零點(diǎn)位置。

圖4 UVW 平臺(tái)三維結(jié)構(gòu)示意圖

如圖5-1 所示，根據(jù)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)構(gòu)建UVW平臺(tái)的模型示意圖，將平臺(tái)三軸支撐點(diǎn)的坐標(biāo)定義為：U（UX，UY），V（VX，VY），W（WX，WY）。如圖5-2 所示，平臺(tái)從初始位置開始，移動(dòng)（X，Y，θ）后，到達(dá)虛線位置，定義旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)為O（at，bt），平臺(tái)的移動(dòng)量為（X，Y，θ），平臺(tái)移動(dòng)后，平臺(tái)上的原三軸支撐點(diǎn)U點(diǎn)、V點(diǎn)、W點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)為U0（XU，YU），V0（XV，YV），W0（XW，YW）。

通過(guò)以上數(shù)學(xué)模型中各點(diǎn)坐標(biāo)定義，計(jì)算對(duì)位平臺(tái)繞O點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，平臺(tái)三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)各方面的移動(dòng)量為U、V、W。

圖5 對(duì)位平臺(tái)的數(shù)學(xué)模型圖

5 對(duì)位平臺(tái)在觸摸屏貼合機(jī)上的試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)三維建模軟件的干涉分析可知，對(duì)位平臺(tái)在移動(dòng)的過(guò)程中無(wú)干涉現(xiàn)象。在上述理論設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，研制了一臺(tái)對(duì)位平臺(tái)樣機(jī)。通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x檢測(cè)上下平臺(tái)的平行度，滿足設(shè)計(jì)要求。將對(duì)位平臺(tái)安裝在貼合設(shè)備上，進(jìn)行產(chǎn)品的對(duì)位貼合試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6、表2 所示，設(shè)備的貼合位置精度可達(dá)到±0.05 mm，滿足產(chǎn)品的精度要求。

圖6 貼合產(chǎn)品尺寸示意圖

6 結(jié)論

具有視覺對(duì)位系統(tǒng)的貼合設(shè)備觸摸屏制程中的關(guān)鍵設(shè)備，隨著智能手機(jī)的普及發(fā)展，給設(shè)備制造商帶來(lái)很大的機(jī)遇。本文所述的對(duì)位平臺(tái)，通過(guò)樣機(jī)制造并在貼合設(shè)備上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，表明可以解決貼合設(shè)備中對(duì)貼合對(duì)位的高精度要求，有效提高貼合產(chǎn)品的性能和良率。該對(duì)位平臺(tái)也可被應(yīng)用于其他具有視覺對(duì)位功能的設(shè)備中。

表2 UVW 平臺(tái)+CCD 視覺系統(tǒng)貼合位置精度 mm