基于Workbench 的汽车屏幕制造夹具设计分析

2021-11-26李强李浙昆

农业装备与车辆工程 2021年11期

李强，李浙昆

（650500 云南省昆明市昆明理工大学机电工程学院）

0 引言

有机发光二极（OranicLight-Emitting Diode）是指有机半导体材料和发光材料在电场的驱动下，通过载流子注入和复合导致发光的现象。由于其轻薄、功耗低、柔韧性好、效率高的特点被广泛用于显示器的制作与生产，OLED 屏幕主要用于汽车屏幕等电子产品中。

随着车载液晶显示屏普及率越来越高，其需求量也越大，有效减少大玻璃基板的变形是提高良品率、检测合格率的重要方法。由于基板的厚度一般在1 mm 以下，越薄的玻璃基板也将带来越大的变形。玻璃基板的变形过大，不仅会造成基板的永久性变形、崩边、碎裂，还会增加减薄、封装、检测等工序难度。文献[1-3]对于汽车仪表玻璃基板的夹具设计分析研究中，分析对比得到，大尺寸玻璃基板夹具具有夹持基板并实现小角度转动功能，目的是改善玻璃基板的边界条件，从而实现减小玻璃基板的变形；文献[4]在气浮平台系统中利用Workbench 分析改善毛细管排布间距、供气气压减小玻璃基板最大绕度；文献[5-7]利用有限元分析软件和统计平方公差法对玻璃基板的形变的预测，得出多点并结合一点的测量形变值能预测基板的形变；文献[3,8-9]对PDP 放电单元玻璃基板形变研究中，实验得出，玻璃基板的变形与机械常数泊松比与杨氏模量相关；文献[10-11]在增力自锁型夹具设计与力学计算的研究中，对于气压增力自锁机构计算分析，得出增力机构可减小机构的冲击力。

以0.5 mm 常见尺寸的OLED 玻璃基板为研究对象，研究玻璃基板的受力与应变分析，并使用气动增力夹具，减小其变形。通过仿真来验证改变受力大小对玻璃基板变形的影响，为进一步减小玻璃基板变形，提高检测等工序的合格率提供理论基础。

1 玻璃基板变形分析

随着OLED 屏幕技术逐渐成熟，OLED 屏幕的尺寸也随之越来越大，基板变形量形成原因主要是由于自重下垂，自重越重，基板变形量也越大，基板变形量越大，受重力影响所造成的绕度越大。

1.1 基板变形理论分析

玻璃基板的变形可以被认为是弹性变形，而自然放置情况下的玻璃基板可以简化为简支梁。图1 为玻璃基板自然放置时的示意图，根据刘鸿文主编的材料力学[13]可以得到简支梁的弯曲变形图2。

图1 玻璃基板自然放置时示意图Fig.1 Schematic diagram of glass substrate when placed naturally

图2 简支梁弯曲变形图Fig.2 Bending deformation diagram of simply supported beam

1.2 玻璃基板绕度极值计算

挠曲的近似微分方程如式（1）所示，对其积分三次得式（2）

式中：M——弯矩；E——弹性模量；I——截面惯性矩；w——最大变形；q——均匀分布的力；l——长度。

铰链上挠度为0，故x=0 时，w=0。因为梁理论上中心对称，故时w'=0，代入式（1）与式（2），得，D=0。

挠曲线方程为式（3），挠度极值为式（4），截面惯性矩的计算公式为式（5）。

式中：E——弹性模量；I——截面惯性矩；q——均匀分布的力；l——长度；w——最大变形；b ——宽度；h——高度。

玻璃基板所受到自重为

式中：E——弹性模量；q——均布力；L——长度；I——截面惯性矩；b——宽度；h——高度；p——密度。

2 气动增力夹具设计

在对自然放置的玻璃基板研究中可以得出，随着玻璃基板尺寸的变大，采用自然放置玻璃基板会在自重的影响下损坏。故需要夹具对玻璃基板夹持减小其形变的程度。

2.1 传统气动夹具结构与计算

在实际生产过程中，会采用气动夹具减小玻璃基板形变的程度，其结构如图3 所示，这种传统夹具产生的夹紧力(不考虑摩擦阻力)为

在考虑摩擦阻力时，夹紧力可用式（8）计算，μ为气缸的传递效率，通常取0.7～0.9。

式中：F——气缸产生的夹紧力；P——气缸所选择的气压；R——气缸活塞的半径。从式中可以得知，为了得到越大夹紧力，只有提升气压或者活塞半径。随着玻璃基板的尺寸越来越大，在传统夹具中提升夹紧力减小形变尺寸，只有通过增加气缸体积或者气体的压力实现。图3 为传统夹具的结构示意图。

图3 传统夹具结构示意图（单侧）Fig.3 Schematic diagram of traditional fixture structure (one side)

2.2 气动增力夹具结构介绍

针对玻璃基板自然放置时变形过大的问题，同时为了解决传统夹具增加夹紧力，只能采取增加缸体体积和气压的弊端，本文设计采用气动增力夹具。夹具为对称的机构，为方便介绍，只介绍其中一侧。新型气动增力夹具所采用的方案如图4 所示。

图4 气动增力机构（单侧）Fig.4 Pneumatic booster mechanism (one side)

本设计最重要的部件采用杠杆原理，在无额外增加气缸的直径与气路中的气压前提下，提升夹紧力。增加夹紧力的目的是改变玻璃基板的边界条件和受力情况，实现大幅度减小夹持大尺寸玻璃基板时的变形。本夹具适合在玻璃基板加工、检测等工艺时使用。图5 为气动增力夹具的工作示意图。

图5 气动增力夹具的工作示意图Fig.5 Schematic diagram of pneumatic booster clamp

2.3 气动增力夹具夹紧力计算

本文所设计的气动增压夹具的杠杆部分如图6 所示，主要参数包括短杆L1，长杆L2，以及二杆之间的夹角γ。其活塞部分如图7 所示，主要参数包括气压P，活塞直径D。

图6 杠杆部分Fig.6 Lever part

图7 活塞部分Fig.7 Piston part

在不考虑摩擦力时，理论夹具输出力F 可用式（9）计算

如果考虑到摩擦力的影响，夹具夹紧力F 可用式（10）计算，其中μ1为气缸传动效率，一般取0.7～0.9；μ2为杠杆传动效率，取0.97。

式中：F——夹紧力；p——气压；D——液压缸活塞的直径；L1，L2——杠杆两端杆长度；γ——L1杆和L2杆的夹角。

3 基板在夹具上的变形分析

本文所研究对象为5 种常见尺寸的玻璃基板，其尺寸为表1，其厚度均为0.5 mm，玻璃基板的基本物理属性如表2 所示。

表1 玻璃基板常见尺寸Tab.1 Common dimensions of glass substrate

表2 玻璃基板物理属性Tab.2 Physical properties of glass substrate

3.1 基板的有限元分析

根据理论推导可知，尺寸编号为3 的玻璃基板在自重的影响下最大形变为109.691 3 mm，同理可以推导出其他几种常见尺寸玻璃基板的最大形变，如表3 所示。通过表3 可以看到随着尺寸的增大，最大变形也随之越大。

表3 常见玻璃基板的理论变形尺寸Tab.3 Theoretical deformation dimensions of common glass substrates

本文利用ANSYS Workbench 对玻璃基板的形变进行结构静力分析。图8 为网格划分，图9 为玻璃基板自然放置时的形变结果示意图。从图9 中可以看出，编号为3 的玻璃基板最大形变在中间位置，变形量为112.93 mm。ANSYS Workbench 软件仿真结果与理论推导变形量相差2.87%，可以得出仿真结果具有可信度。

图8 网格划分后的单元Fig.8 Grid-divided cells

图9 玻璃基板的变形仿真Fig.9 Deformation simulation of glass substrate

分析玻璃基板变形仿真图，可以发现玻璃基板变形尺寸是对称分布，随着靠近两端支撑，其变形量随之减小；随着靠近两端支撑其变形量的变化速度越快。

对于其他几种常见玻璃基板的理论与软件仿真数值对比如表4 所示。理论与仿真存在一定的差异，随着玻璃基板的尺寸变大，相差值也随之变大。通过表4 可以得知理论与仿真相差最大为4.12%，但在可接受范围之内，所以仿真结果可以接受。不过随着玻璃基板的尺寸加大，在实际情况下，自然放置的玻璃基板已经损坏，仿真与理论推导结果不具可信性，只作对比使用。