大跨度偏光片斜角裁切设备的研制

董彦梅，王建花，王 敏

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西太原030024)

偏光片的全称是偏振光片，是液晶显示器必不可少的组成部分，每生产一块液晶显示器就需要两片偏光片，两片偏光片的吸收光轴呈相互垂直方向紧贴于液晶玻璃的两侧，这样液晶显示器才能显示图案。随着科学技术的发展和市场的需求，液晶显示器的尺寸越来越大，这样就要求所贴合的偏光片尺寸也越来越大，由于各种偏光片的角度不同，为了适应贴合要求，大跨度偏光片斜角裁切设备成为偏光片加工生产的迫切需要。

1 偏光片的工作原理

偏光片是能将自然光转换成直线偏光的光学元件，是一种只允许某偏振方向的光线通过的光学片板，其原理是将入射光线经过水平偏光片后使水平方向的光线通过，另一部分垂直方向的光线则被吸收，或者利用反射和散射等作用使其屏蔽[3]，所以如果拿一片偏光片对着光源看，就会感觉光线变得较暗。但是如果把两片偏光片重叠在一起，当旋转两片的偏光板的相对角度，会发现随着相对角度的不同，光线的亮度会明暗交替变化。当两片偏光片的角度互相垂直时，光线就完全无法通过了。偏光片工作原理如图1所示。

图1 偏光片工作原理

2 偏光片角度精度在液晶显示器中的重要性

裁切的偏光片角度相差过大，贴合于液晶显示器的两侧就不是处于相互垂直的方向置入，就会直接影响偏光片的透光性能，从而直接影响液晶显示器的质量。另外，随着科学技术的发展，新工艺、新材料、新技术的不断涌现，置入液晶显示器的偏光片随着液晶显示器尺寸的增大而越来越大，裁切角度精度就尤为重要，就要求裁切的角度更加精确[2]。如果偏斜角度一定，对于小尺寸的偏光片来说，尺寸偏斜就小；对于大尺寸的偏光片来说，尺寸偏斜就会更大。偏光片角度偏差示意图如图2所示。

图2 偏光片角度偏差示意图

根据三角函数公式tan θ= t/L，t= L·tan θ，其中：θ 为偏斜角度，t 为偏斜尺寸，L 为偏光片尺寸。当尺寸偏斜角度θ 不变时，随着偏光片尺寸L的增大，偏斜尺寸t 也会增大（见图3）。因此我部研制了可以精确控制角度的大跨度偏光片斜角裁切设备。

图3 偏差坐标图

3 偏光片斜角裁切工艺流程

偏光片斜角裁切工艺流程如图4所示。

偏光片经过一系列动作和检测之后，传送到斜角裁切平台上，系统依照所接收的指令进行裁切机构＋45°～-45°角度旋转，如果旋转角度达到指令要求，气动系统控制的刹车系统就会发挥作用，使裁切机构快速、平稳的停止，然后，裁切机构上下动作进行精确的斜角裁切。如果旋转角度没有达到指令要求，就会继续旋转，直至旋转到位，完成刹车、裁切动作。

图4 偏光片斜角裁切工艺流程

考虑到偏光片自身的结构特点以及所裁切偏光片跨度较大，能够精确的控制裁切角度是研究的关键一步。角度旋转完全实现自动化和采用电液联合控制裁切是提高效率的关键措施。

4 结构设计

偏光片的裁切角度精度是影响偏光片质量的关键因素，同时是影响液晶显示器良品率的关键因素。我们研制的斜角裁切设备是针对大跨度整卷偏光片的裁切，由于偏光片自身的特性，整卷偏光片传送到裁切机构处，偏光片较卷曲，而且跨度较大，导致裁切角度精度难以保证，致使偏光片裁切不合格。偏光片斜角裁切必须严格控制角度，需要通过PLC 和编码器精确控制角度的旋转，采用迅速、平稳的气动控制来控制角度旋转的停止。通过电液联合实现大跨度裁切机构的动作，与同步机构的配合来完成偏光片裁切。

5 斜角裁切设备中裁切角度精确控制的实现

5.1 角度旋转机构的设计

角度旋转机构示意图如图5所示。角度旋转机构由电机、导轨1、丝杠、导轨2、滚动轴承、交叉滚柱轴环等组成。设计以导轨1 作为导向，电机带动丝杠的旋转运动转化为裁切刀的直线运动，想要裁切刀以中心为原点进行＋45°～-45°角度旋转，旋转中心应用了交叉滚柱轴环进行精密旋转。由机械自由度决定，要使裁切刀能顺利进行旋转运动，必须使用滚动轴承才能很好的实现。交叉滚柱轴环的设计应用，使旋转裁切刀可以精密旋转，达到设备使用要求。RB 型交叉滚柱轴环独特的设计可以很好地承受径向、轴向负荷，以及力矩负荷，具有高的钢性，可以进行精密旋转，在角度旋转机构的设计中起到了至关重要的作用。

图5 角度旋转机构示意图

5.2 电气控制系统

角度检测控制结构示意图如图6所示。精密的角度旋转电器控制系统由连接板、主动转动轮、从动转动轮、编码器和PLC 等组成。连接板与裁切刀相连接，裁切刀转动带动角度旋转机构进行旋转，裁切刀的角度旋转是通过电机、丝杠、轴环等自动控制来完成的，设计采用了一套编码器来进行精确的角度值的读取。在整个旋转过程中，编码器会把每一个当前值反馈给PLC，PLC 来控制角度旋转，当转动角度与设定角度相同时，裁切刀转动停止，期间编码器会实时的显示当前角度值。严谨的角度旋转结构设计加之精密的电器编码控制的应用是角度精密旋转的重要保证，更是偏光片裁切角度精度的重要保证。

5.3 刹车系统

刹车系统示意图如图7所示。刹车系统主要由刹车气缸和刹车板组成。严谨的角度旋转机构设计加之精密的电器编码控制的应用在角度精密旋转中起到关键的作用，但是旋转的停止也是我们必须考虑的。由于惯性的作用，没有很好地刹车系统的作用，角度的旋转也会增大偏差，故刹车系统的作用也是非常关键，不可或缺。刹车系统采用了气动控制，利用气动控制的优点，反应快，动作迅速来控制裁切刀角度旋转的及时停止，给角度的精确旋转把好了重要的一关。

图7 刹车系统示意图

6 偏光片大跨度裁切的实现

随着科学技术的发展，偏光片的使用尺寸越来越大，要求的角度偏差越来越小，为了解决大尺寸偏光片精确裁切，设计了大跨度的斜角裁切机构，我们设计的裁切跨度大于国外同类产品，设计大跨度斜角裁切设备在很大程度上提高了偏光片原材料的利用率。考虑到偏光片自身的结构特点，偏光片是一种层状结构的类似塑料的物质，是可以弯曲和柔软的[1]；斜角裁切设备所裁切的偏光片是整卷偏光片经过一系列运动传送到裁切机构处，故部分所要裁切的偏光片翘曲比较严重，裁切时产生弹性变形，对一次性顺利裁切提出了更高的要求。

6.1 上下切梁设计

考虑到大跨度斜角裁切设备的需求和偏光片自身的结构特性以及外在因素，裁切机构的上下切梁的平面度要求、质量、可靠性等都是该机构的关键设计。基于设备的跨度大，高平面度要求，设计采用了焊接工艺进行上下切梁的设计，焊接产品比铆接件、铸件、锻件质量轻，对于交通运输来说可以减轻自重，节约能量，并且进行了去除焊接加工应力的处理，同时采用磨削加工保证上下切梁的平面度要求。

6.2 电液联合控制系统

电液机构示意图如图8所示。电液机构主要由电液系统、液压缸和上切梁等组成。液压系统的优点很多，其中最为突出的是传动平稳，能在低速下稳定运动，输出力大。由于需要裁切的偏光片在斜角裁切机构处一端处于自由状态和后续的送料的影响，裁切速度较低。综合偏光片和设计结构的特点，裁切大跨度偏光片需要的压力较大，故采用了液压传动来完成裁切动作。液压缸活塞杆的上下动作推动上切梁完成偏光片的裁切，同时电液联合控制裁切提高了设备的自动化程度和设备的裁切效率。

图8 电液机构示意图

6.3 同步工艺结构

同步结构示意图如图9所示。同步结构主要由上切梁、齿轮和齿条等组成。虽然液压传动较平稳，但由于设备跨度和质量都过大，可能使裁切机构上切梁上升下降过程中左右同步性太差，导致导向磨损，缩短寿命，或直接卡死损坏设备，故设计了同步结构来解决这一关键问题。

图9 同步结构示意图

此结构跨度两侧各装有一组齿轮、齿条，当液压缸活塞杆升降带动上切梁上下动作时，两端的齿轮会上下同步运动，保证上切梁同步动作来裁切偏光片。

6.4 硬限位工艺结构

硬限位结构示意图如图10所示。由于裁切的偏光片厚度不同，故上切梁裁切下降的高度也不是固定不变的，设计了硬限位结构来解决这一问题。该结构主要是由一组厚度不等的刚性垫片组成，上面安装有方便拆装的压紧块，随着裁切厚度的不同，可方便进行增加或减少限位垫片，有效解决限位问题。

图10 硬限位结构示意图

由于裁切刀跨度较大，故在机构两侧各安装有两组限位结构，可以很好地解决裁切不同厚度大跨度偏光片的问题。

7 提高生产效率的措施

在旋转和裁切过程中所有结构均实现了完全自动化，不需人工干预，大大提高了设备的工作效率。在角度旋转过程中，由编码器实时快速的检测并反馈给PLC，并由PLC 快速的控制角度旋转；由电气和液压联合控制裁切刀的升降动作，均为提高生产效率发挥了很大的作用，提高了转角和裁切效率也就在很大程度上提高了液晶显示器产品的生产效率。

8 结束语

所研制的大跨度偏光片斜角裁切设备是液晶显示器生产后工序的关键设备，是对整卷偏光片进行＋45°～-45°可调角度精确裁切的专用设备，它适用于裁切跨度为1 400 mm 以内的所有偏光片，其性能指标达到了生产企业提出的要求。同时，该设备不仅可以对偏光片进行加工，还可以推广应用于类似薄膜材料的加工处理中。

[1]贾霞彦，刘玉成，马增刚.偏光片磨边工艺设备的开发与研制[J].电子工艺技术，2010，31(2)：112-115.

[2]贺智.TFT-LCD 偏光片加工工艺与设备探索[J].电子工艺技术，2008，29(4)：222-224.

[3]李玉刚，许睿，杜民栋.XQJ-1400 斜角裁切机的电气控制技术[J].数字技术与应用，2011(07)：160-161.