触摸屏贴合设备中对位平台的设计与研究

杨子侠， 刘永立， 段青鹏

（中电科风华信息装备股份有限公司， 山西 太原 030024）

电容式触摸屏主要由盖板保护玻璃、触控感应层、显示屏、驱动电路等组成。在电容式触摸屏后段生产制程中，贴合是很重要的工序。全贴合是指用水胶或固态胶将触摸屏与显示面板以无缝隙的方式完全黏贴在一起，相比于框贴来说，有以下优点：没有屏幕中间的空气层，降低了光线反射，增强了屏幕的显示效果；用水胶或固态胶填充中间的空隙层，避免了灰尘和水汽的进入；贴合后模块的总厚度降低。

上、下两块玻璃基板贴合后会存在位置精度误差，不同的产品要求位置精度误差不相同。从贴合后精度误差角度可将贴合分为物理边定位和CCD 视觉对位两种方式。随着智能手机的不断发展，手机对贴合误差精度有较高的要求，采用具有CCD 视觉对位系统的贴合设备进行贴合是目前设备的发展方向。

1 视觉对位系统概述

图1 对位系统图示

本文研究的对位系统是指在触摸屏制程中触摸屏与显示屏全贴合设备中使用的对位系统。方案示意如图1 所示。对位原理是指，两个摄像头识别目标玻璃板上的对位MARK，通过图像处理系统对数据进行分析计算，计算出目标玻璃板与基准位置的偏差值，PLC 控制系统驱动对位平台运动，使目标玻离移动到基准位置，实现两块玻璃的精确对位贴合。采用图像对位系统可以保证设备对位的高精度要求，也提高了设备运行的效率。

2 两种典型对位平台的介绍

对位平台主要是实现视觉对位后偏差位置的移动，包括X方向运动、Y方向运动以及角度运动。目前，常用的对位平台形式有XY平台和UVW平台两种。

XY平台如图2 所示，主要构成有工作台、X向运动机构、Y向运动机构以及角度运动机构。XY方向运动机构是由丝杆、导轨、伺服电机等组成。角度运动多用直驱电机（DD 马达）实现。XY对位平台的优点是X方向、Y方向移动行程大，可实现大角度旋转，但整体结构外形尺寸比较大，适合于空间较大场合使用。

UVW平台如图3 所示，主要构成有上工作台、三轴电机运动机构、下安装台。三个方向的电机运动机构被统一安装在下安装台上，三个方向的电机运动，实现上工作台相对下安装台在X、Y、θ 方向上的运动。UVW平台优点是平台整体的高度降低，重量减轻，提高了空间的利用率，移动距离较小。

图2 XYθ 平台

图3 UVW 平台

3 对位平台的设计

触摸屏贴合设备贴合时要求对位平台整体上升移动，对平台的外形尺寸及重量有较高要求，该设备中对位平台适合采用UVW平台形式。依据贴合设备对位平台的要求，定义平台的设计参数如下：平台尺寸为170 mm×170 mm×80 mm；平台运动行程为±5 mm，角度为±5°。

3.1 UVW 平台结构的结构设计及运动原理

UVW平台结构的设计就是在同一平面上的U轴、V轴、W轴安装三组传动装置，简化结构及运动方式实现如图4 和表1 所示。

图4 UVW 平台的简化结构

表1 UVW 平台的运动方式

3.2 UVW 平台结构三维模型的设计

对位平台组成主要由上工作台、三轴运动机构、下安装台组成。三轴运动机构是由三组相同结构的单组运动机构组成。每根单轴运动机构由步进电机、X向直线导轨、Y向直线导轨、交叉滚子轴承、位置传感器组成（见图4）。电机为KSS 公司高性能5 相步进电机，它将滚珠丝杠与电机轴直连，省去联轴器，电机直接驱动丝杠螺母运动，在保证精度的同时节省了安装空间。X向、Y向直线导轨通过转接块十字交叉安装，实现滑块的直线运动。转接块与丝杠螺母连接在一起，将电机的旋转运动转化为丝杠螺母的直线运动。三轴运动机构对称布置，并另外设置一组无动力源支撑机构，形成四点支撑结构，可以有效提高平台的承载能力。三轴电机相互配合运动，实现平面内的三维运动。

4 对位平台的数学模型公式

完成对位平台各部件的组装后，通过三轴运动机构中各轴的位置传感器，确定平台的基准位置，也就是上工作台与下安装台的初始零点位置。

图4 UVW 平台三维结构示意图

如图5-1 所示，根据平台的结构构建UVW平台的模型示意图，将平台三轴支撑点的坐标定义为：U（UX，UY），V（VX，VY），W（WX，WY）。如图5-2 所示，平台从初始位置开始，移动（X，Y，θ）后，到达虚线位置，定义旋转中心坐标为O（at，bt），平台的移动量为（X，Y，θ），平台移动后，平台上的原三轴支撑点U点、V点、W点对应的坐标为U0（XU，YU），V0（XV，YV），W0（XW，YW）。

通过以上数学模型中各点坐标定义，计算对位平台绕O点旋转，平台三轴运动机构各方面的移动量为U、V、W。

图5 对位平台的数学模型图

5 对位平台在触摸屏贴合机上的试验验证

通过三维建模软件的干涉分析可知，对位平台在移动的过程中无干涉现象。在上述理论设计的基础上，研制了一台对位平台样机。通过三坐标测量仪检测上下平台的平行度，满足设计要求。将对位平台安装在贴合设备上，进行产品的对位贴合试验。实验结果如图6、表2 所示，设备的贴合位置精度可达到±0.05 mm，满足产品的精度要求。

图6 贴合产品尺寸示意图

6 结论

具有视觉对位系统的贴合设备触摸屏制程中的关键设备，随着智能手机的普及发展，给设备制造商带来很大的机遇。本文所述的对位平台，通过样机制造并在贴合设备上进行试验验证，表明可以解决贴合设备中对贴合对位的高精度要求，有效提高贴合产品的性能和良率。该对位平台也可被应用于其他具有视觉对位功能的设备中。

表2 UVW 平台+CCD 视觉系统贴合位置精度 mm