超薄手机玻璃基板洗净机控制系统的研究与设计*

冯友强，陈胜利，张秋容，叶春德，黄定平，刘燕辉

(1.河源职业技术学院，广东 河源 517000；2.河源市璐悦自动化设备有限公司，广东 河源 517000)

0 引言

手机屏精细洗净控制系统技术的研究与应用,直接关系到5G时代手机TFT液晶屏良品率的高低。液晶屏不良现象的原因多种多样,但绝大多数都是由手机玻璃基板的尘埃或异物引起的。如手机玻璃基板的不良主要有点缺陷、线缺陷、板上异物等，这些不良之处对手机屏的显示效果有致命性的影响。异物引起的不良,主要由异物在玻璃基板上的分布密度决定。在TFT液晶屏的制造过程中，主要通过对玻璃基板表面的超洁净化、处理环境的超洁净化、工艺参数的全面控制来达到对尘埃和异物的有效控制，其中基板表面的超洁净化尤其重要。某企业原手机玻璃基板清洗设备不能对尘埃和异物进行有效控制，主要是清洗工艺精度不够及工艺参数监控不到位。而在TFT液晶屏制造工程中,微米级的异物就可以引起产品的不良,故本文以清除微米级异物的清洗工艺为研究对象，对洗净机的控制系统进行研究与设计。

1 洗净机结构设计

洗净机的主要功能是针对超薄手机玻璃基板，通过毛刷清理粘接性异物，由风刀清除移动性异物，用药液清理化学性异物，用纯净水清理微米级异物，最后达到去除玻璃上异物颗粒的效果。手机玻璃基板如图1所示。

图1 手机玻璃基板图

在企业原有洗净工艺技术积累基础上，通过对超薄玻璃基板异物及清洗液的特性研究，设计了一套清洗技术路线，如图2所示。

图2 清洗工艺技术路线

根据上述的工艺技术路线，对手机玻璃基板洗净机的机械结构进行了设计，设备结构分段图如图3所示，洗净机主要由7个部分组成，分别是入料段、隔离段、毛刷刷洗段、二流体切刀段、DI喷淋段、四组风干段和出料段。入料段通过中转段连接到手机玻璃基板的前面生产段，如切割段、打磨段。为了提高玻璃基板的传递效率及可靠性，中转段通常采用机械手将玻璃基片不间断和稳定快捷地交给入料段。玻璃基板清洗后，在风干时容易产生静电，所以在出料处要配置静电消除器，以消除玻璃基板上的静电。玻璃基板清洗运动的过程中，主要由小型辊筒对其进行中转与输送。玻璃基板清洗后从出料段出来，然后进入后续的生产线，如贴膜、包装段等。

图3 设备结构分段图

2 控制系统设计

根据手机基板清洗工艺技术路线与机械结构的特点，对控制系统进行了设计，同时系统还应满足高效率、低功耗、寿命长、稳定性好、可扩展的特点。系统设计分为硬件设计和软件设计两个部分。

2.1 控制系统硬件设计

PLC以其可靠性高、耐恶劣环境能力强、使用方便三大特点,迅速占领了工业生产自动化领域,成为工业自动化领域的强有力工具[1]，所以本系统主要以三菱Q系列PLC作为主控制器，以伺服系统实现设备的精准定位，以变频控制技术实现设备速度的控制，以触摸屏及组态软件实现人机交互，再通过人机交互软件将控制系统的数据通过互联网上传到云服务器。电气系统的硬件结构框图如图4所示。

图4 电气系统硬件结构框图

2.1.1 主电路设计

清洗设备总功率约为6 kW，功率较大，系统主电路由三相380 V电源供电。在主电路中，主要有7条供电支路：第1条供电支路是单相220 V,主要给一些照明及控制电路供电；第2条支路也是单相220 V，给两个电箱散热风扇供电；第3条供电支路主要为开关电源及温控器供电；第4条供电支路主要为变频器及伺服驱动器供电；第5、6条供电支路为洗净机两个水泵电机供电，支路上配备了两个热继电器，对泵电机进行保护；第7条供电支路是给清洗剂加热设备供电。

2.1.2 毛刷及辊筒传输控制电路设计

在洗净机中，玻璃基片的传输主要使用辊筒,分为前段输送与后段输送，前段由3个异步电机带动，后段由1个异步电机带动。为了防止辊筒产生灰尘与振动，辊筒联轴器采用平面磁力联轴器，将多轴联动的传动齿轮换成磁力轮。在毛刷刷洗段，要用多组毛刷对玻璃基板的上下面进行刷洗，这些毛刷采用两个异步电机传动。对传输辊筒与毛刷的异步电机都需要进行速度精确控制，本设计中采用变频器对异步电机进行控制，图5为毛刷电机的驱动电路。

图5 毛刷电机的驱动电路

在变频电路设计图中，采用一个0.4 kW的两相220 V变频器来驱动两个毛刷电机。这两个毛刷电机是三相供电，由于变频器输出最高电压也只有三相220 V，因此电机采用三角接的形式。

2.1.3 料夹控制电路设计

在洗净机的入料段与出料段，手机玻璃基片通常在生产线运行过程中会产生位置偏移，所以在输送辊筒的下方安装了料夹，由料夹伸出的两个手臂夹住玻璃基片的两侧来调节玻璃基片位置。本设计采用步进电机驱动料夹，两料夹控制电路如图6所示。

图6 料夹控制电路

在料夹控制电路中，步进驱动器采用直流24 V供电，这主要考虑与控制电路的电压等级一致性，不需另外配其他电压等级的开关电源。步进电机采用两相步进电机，其精度及稳定性已能达到控制工艺的要求。本设计采用脉冲加方向的控制方式来控制步进电机。

2.1.4 入料机械手控制电路设计

洗净机的入料段通常连接到中转段，如果中转段的传输方向与洗净机的方向不一致，那就需要采用机械手进行玻璃基板的传送，传送的重复精度要求在0.02 mm以内。本设计采用伺服电机对机械手进行驱动，控制方式使用位置控制，其电路设计如图7所示。

在图7中，此驱动器功率较小，采用单相220 V供电，其中串联接入一个电源过滤器，使得供电的电压更为稳定。接线方式也采用脉冲加方向的接线方式，脉冲由高速脉冲端子Y0输出，方向控制信号由Y4发出。SON为伺服内部上电控制端子，此处由行程开关控制的安全中间继电KA14控制，当入料机械手碰到行程开关后，驱动器的使能则会断开，伺服电机停止。

图7 入料机械手控制电路

2.2 控制系统软件设计

根据清洗工艺路线及设备结构特点，设计了如图8所示的控制程序流程图。设备启动按钮激活后，设备进入自动状态，并将设备恢复到初始状态。判断上游有无手机玻璃基板，如有，中转段感应有料并且输送辊筒动作。之后，取料机械手移动到中转段取料，并将手机玻璃基板传送到入料段的放料位，之后回到取料位；当入料段感应有玻璃基板时，入料夹进行第一次定位。定位完后，输送辊筒将玻璃基板输送到毛刷刷洗部分进行刷洗，之后又经过二流体切刀及DI水喷淋，清洗完成后，手机玻璃基板进行四组风干。风干结束，玻璃基板移动到出料段，出料段的定位夹感应到有料后，对玻璃基板进行第二次定位，并等待下游取料，工作流程结束。

从图8中可以看到，在设备运行过程中，步骤较多，所以在PLC编程时，采用SFC编程方法进行编程比较快捷与直观。顺序功能图是一种描述顺序控制系统功能的图解表示法,也称为流程图,主要由“步”、“转移”及“有向线段”等元素组成[2]。因此编写出来的程序能比较直观地反映玻璃基板的清洗过程，编程效率较高。在调试时，也能快速找到洗净机的一些故障点。

图8 程序流程图

3 设备调试

设备采用分段生产的方式，通过不同的生产车间生产洗净机的不同部段，并完成初步调试。之后，将各大部件运到装配调试车间进行整体装配，组装完成的洗净机如图9所示。

图9 组装后的洗净机

组装完成后，先进行电气IO点测试，再下载控制程序，进行动作测试。测试分成两部分：第一部分是分段测试，检查各段的指标能否达到设计的标准；第二部分是联机测试，检查整体参数。测试结果如表1所示。结果表明：该设计工艺路线可行，设备运行良好。

表1 机器调试及结果记录表

4 结束语

在未来的洗净设备研究开发中，人工智能检测的应用还可进一步升级，在入料处与出料处可以植入机器视觉系统，检测入口的玻璃基片，这样设备运行更高效；此外还可以对玻璃基板进行类似划痕的缺陷检测，起到一个良优预分拣作用。