液晶面板搬运机械臂结构及控制系统设计

刘保千

（合肥欣奕华智能机器有限公司，合肥 230011）

液晶行业具有科技含量高、价值大、市场潜力大等特点。现阶段，世界各国对液晶行业都非常重视。尤其近年来国内的液晶行业发展迅猛，国内市场对液晶显示的需求量越来越大，使得液晶显示产业已经成为我国电子信息发展的核心产业。我国的液晶制造产业在技术层面多依赖日本、韩国的技术和设备，严重限制了我国液晶产业的发展。由于我国液晶行业的起步较晚，针对液晶产业的研究仍处于起步阶段。在液晶面板的生产制造过程中，大部分国内机械装备都是在国外机械装备的基础上进行简单的改造，以适应我国液晶生产的特点。随着国内液晶显示市场的迅猛发展，液晶面板生产装备的自主研发已经成为我国液晶显示行业发展的重中之重。随着液晶面板尺寸的不断增大，在液晶面板生产制造过程中，搬运设备对液晶面板的生产效率影响增加。在实际液晶面板加工制造中，采用机械臂搬运液晶面板能够有效提升液晶面板的生产效率，有助于促进现代液晶显示行业的发展。

1 液晶面板搬运机械臂系统总体设计

液晶面板的搬运机械系统由搬运工作台、机械臂装置和行走装置3 部分组成。装置平台上安装有压力感应传感器，当信号传感器检测到装置平台上没有材料时，会向材料输送小车发送搬运请求信号，此时搬运小车会将装有液晶面板的小车输送至工作台。当检测装置再次检测到平台上有液晶面板时，需要检测液晶面板的数量，待检测完成后将测试数据传递给总控制器。总控制器给出搬运指令，机械臂开始动作搬运液晶面板。搬运机械臂的动作结构包括移动、伸出、吸附、回收、转运、伸出和释放[1]。整个过程循环进行，直到将平台上的液晶面板搬运完成。整个系统的总体结构图如图1 所示，装置的详细工作流程图如图2所示。

2 液晶面板搬运机械臂系统结构设计

2.1 机械臂展收方案设计

设计液晶面板机械臂时，需要保证整个装置的稳定性和环境适应性，在搬运过程中减少抖动，以防抖动对液晶面板造成负面影响。通过观察设计，本次液晶面板机械臂采用的是相互独立运动的平面关节型设计。采用此类型的设计有丝杆直接传动、平面四杆滑块机构以及平面四杆曲柄驱动机构3 种方案。通过分析这3 种方案形式可知：丝杆直接传动能够精确定位控制和动作的调整，结构和控制均十分简单；平面四杆滑块驱动形式是在丝杆直接传动的基础上进行更改，采取的是“一端固定，一端松开”的方式，即以丝杆作为其主要的承力部位，但是在长期使用过程中丝杆会产生磨损或者是丝杆的水平度会受到影响，导致其装置精确度受到影响；采用平面四杆曲柄驱动机构机架部分的导向杆只是承担导向的作用，不承担受力的作用，并且采用此种方式的导向杆可伸缩，减小了旋转半径，可更好地节省运行空间[2]。综上所述，机械臂展收机构的设计采用具有更小旋转半径和更高精确度的曲柄驱动形式。

2.2 机械臂的末端执行机构设计

液晶面板的搬运机械臂在进行搬运的过程中，可能会出现某种原因导致的停顿，造成液晶面板摔碎。为了防止这种情况的出现，保证搬运机械臂能够适应多种大小的液晶面板，设计了一种尺寸大小可以调节且能够对液晶面板进行有效保护的末端执行机构。该末端调节机构主要由真空吸盘、总成结构、连接机构以及真空阻断器4 部分组成，装置三维图如图3 所示。为了防止断电出现搬运机构的真空吸盘吸附力瞬间减小而导致液晶面板破碎的现象，末端执行机构中设置有真空阻断器和常闭式电磁阀。装置在运行过程中，通电后常闭式电磁阀打开，真空阻断器打开，此时装置与气源接通，接通后开始吸紧液晶面板。当出现故障发生停电现象时，此时常闭式电磁阀会瞬间阻断真空回流，使得其能够较好地保护正在搬运的液晶面板[3]。

3 液晶面板搬运机械臂控制系统设计

液晶面板搬运机械臂控制系统是整个装置的控制大脑。为了确保液晶面板搬运机械臂能够在动作的过程中到达准确位置且能够快速高效运行，需要对其控制系统进行设计。

3.1 液晶面板搬运机械臂控制系统的总体设计

液晶面板机械臂需要有3 个方向的自由度，并且在这3 个自由度上要能够实现其单独运动或者是协同运动。因此，液晶面板搬运机械臂需要注意以下3 个方面。第一，由于液晶面板搬运机械臂控制系统在日常工作过程中要保证开放性，因此机械臂控制系统要有着较好的人机交互界面和能够进行后续更新的一个开发系统，以保证能够实时进行更新。第二，液晶面板搬运机械臂控制系统在液晶面板生产制造企业使用较多，因此设计时要充分考虑液晶面板搬运机械臂装置的成本。第三，要考虑实用性和可靠性，其中实用性是基本，可靠性是液晶面板搬运机械臂安全稳定进行生产活动的基础[4]。

经过综合考虑，液晶面板搬运机械臂控制系统采用可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作为控制核心。按照它的功能，该系统的控制方式有单机、集中、分布式以及远程VO 控制等。

3.2 液晶面板搬运机械臂控制系统硬件设计

根据液晶面板搬运机械臂控制系统的功能和动作，选择三菱公司生产的Q 系列Q13UDV 型号的PLC，信息交互采用QJ71JP 型号的CC-Link 模块。此外，选用两个QE81WH 智能监控模块来监控液晶面板机械臂工作过程中的电压信号和电流信号。人机交互界面的显示器选用普洛菲斯GP4000 触摸屏。将已经设计好的相关控制程序导入PLC，PLC 收集采集的信息、机械臂的运行状态等，并将其与先前设定的信息进行对比分析，然后通过控制电磁阀实现对整个系统的动作，最终实现对液晶面板的搬运。

3.3 液晶面板搬运机械臂控制系统软件设计

液晶面板搬运机械臂控制系统程序设计主要是由以下程序来完成的。

3.3.1 液晶面板搬运箱搬运程序

工作台上的压力传感器根据检测信号来确定是否需要搬运箱启动搬运玻璃面板。当压力传感器检测到搬运箱后，会传递给PLC 相关信号，控制器将发出指令打开电磁阀，驱动器对整个装置进行固定，然后开始检测液晶面板的层数，待检测完成后，将检测到的信息发送给控制器。

3.3.2 手动运行程序

操作工作人员可以通过手动方式将已经固定好或者已经松开的搬运箱进行手动控制操作。手动操作机器重新检测液晶面板的层数，并手动控制机器完成液晶面板的搬运工作。

3.3.3 自动运行程序

自动运行程序是相对于手动控制程序的。自动运行程序利用压力传感器等检测搬运箱，通过传感器的状态，PLC 根据预先的指令不断地向各个部分发出搬运指令，循环往复进行工作[5]。

3.3.4 监视程序

监视程序是对液晶面板搬运机械臂的运行状态进行实时测定，并将测定的相关数据信息传递给控制器。

4 结语

液晶面板搬运机械臂在液晶显示行业的生产制造过程中具有重要作用。通过设计液晶面板搬运机械臂的末端执行机构和机械展收的方式，阐述液晶面板搬运机械臂控制系统的要求，对硬件部分的控制器、人机交互界面以及智能监控装置进行选型设计，对其软件部分进行程序设计。液晶面板搬运机械臂的应用实现了液晶面板搬运的自动化和机械化。试验证明，液晶面板搬运机械臂在实际运行过程中的节拍时间为19.4 s，远小于标准节拍时间，具有更优的稳定性和可靠性。