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工業機器人

虛擬量測技術在電子玻璃缺陷預測中的應用

  2020年07月31日  

  電子玻璃是液晶屏、觸摸屏的核心材料,價值高、生產難度很大。科技部2017年數據顯示,僅G8.5世代面板我國產能就已達到世界50%,然而電子玻璃產線國產化率還不到5%。好在物聯網、大數據等技術的普及,正在加快中國追趕發達國家的速度。中國電子6月份官宣旗下彩虹集團首條高世代G8.5+溢流法電子玻璃產線順利通過鑒定,代表了該領域國產化的較高水平,不過與康寧等一流企業仍然有較大的差距。那么,大數據、工業互聯網是如何提升光電制造水平的,今天我們就給大家分享一個基于大數據的虛擬量測技術在電子玻璃缺陷預測中的應用。

  溢流法制造工藝的挑戰

  “世代”是電子玻璃產線“水平”或者“級別”的行業說法,目前已經有G11世代、G10.5世代等高世代技術。其差異點主要在單片玻璃產品的尺寸等,世代越高尺寸越大,制造難度也更大。比如G10世代電子玻璃基板面積已經達到2.85米*3.05米,G8.5世代產品為2.2米*2.5米。大家日常使用的電子產品屏幕都是從這些電子玻璃上分割來的。電子玻璃又有基板、蓋板等分類,基板主要用于液晶屏幕,蓋板主要用于觸摸屏。其中基板的厚度僅為0.5毫米左右,生產難度最高。

  溢流法工藝流程示意圖(紅框處為關鍵成型、冷卻設備)

  溢流法是目前電子玻璃較為先進的制造工藝,包含熔解、澄清、均質化、供給、成型、冷卻、切斷、磨削、研磨、清洗、檢查、包裝等工序。其中成型、冷卻是核心工序,熔融的玻璃原料呈半液態膠狀體,在成型環節溢流成初步的平板形狀玻璃,之后在冷卻環節通過拉伸以及精確控制每個平方單位的退火時間和溫度,實現符合目標平整度的電子玻璃的生產。

  僅在成型、冷卻等關鍵工序方面,行業翹楚康寧就有上百項專利。成型和冷卻環節最大的挑戰在于讓五六平米、甚至近十平米大小且不到一毫米厚的玻璃,避免出現超標的厚度偏差、翹曲和應變等缺陷。厚度偏差的控制關鍵在成型過程通過驟冷降低兩端處玻璃的粘度,而翹曲和應變的避免則在于冷卻過程中精確控制玻璃塑性變形區域的溫度。總之,這些缺陷都需要通過精確控制好每一個平方單位的玻璃溫度來避免。因此,成型爐和冷卻爐一般都布滿了溫度采集和控制設備。

  電子玻璃翹曲的問題

  在檢查工序中,質檢工程師會使用專業的光學儀器測量玻璃片不同位置的厚度,對厚度進行對比。如果不同區域的厚度差值超過一定范圍,就會影響電子玻璃的成色,導致色差,這類質量缺陷就叫做翹曲。如前所述,翹曲一般產生在冷卻工序,根本原因在于玻璃冷卻過程溫度沒有控制好。

  而玻璃溫度的控制并不容易,雖然冷卻設備中呈柵格狀部署了數百個熱電偶,以對玻璃冷卻過程中的每個平方單位溫度進行控制,但為了保證在不同環境和產品生產過程中的穩健性,這些熱電偶的控制門限往往都是靜態門限,不會自動調整,而且通常會設置得較為寬泛,因此當控制門限沒有隨產品、工藝的改變而調整,它們即使工作在容忍限以內,仍然會出現翹曲的缺陷問題。

  翹曲一旦在檢查工序中發現,傳統的解決方案是基于翹曲產生位置的離線報告,由技術人員手動挑選出來厚度數據,再根據專家的經驗去調整退火爐特定位置的熱電偶控制參數。同時,熱電偶控制參數的調整范圍也是根據專家的模糊經驗,并沒有明確的量化值,只能不斷去嘗試增大或者減少熱電偶的功率并反復嘗試。

  但同時我們還要看到,上游的成型和冷卻溫度調整與下游的質檢相隔了幾個小時,這樣即使上游溫度調整再次出現了偏差,也只能在幾個小時后的下游光學檢驗中才能再次發現。因此調整工藝參數到發現問題改進之間隔了幾個小時的時間,導致每次參數調整都會花很長時間。正是因為這些問題的存在,導致一旦出現翹曲,產線就有可能幾個星期都無法正常生產,非常影響綜合的良率和產量。

  針對翹曲的虛擬量測系統

  寄云科技與中國電子彩虹集團特種玻璃的工藝技術人員,聯合開發了針對翹曲的虛擬量測系統,并且取得了不錯的效果。

  系統主要工作內容如下:

01 自動采集質檢數據,并且將其和熱電偶控制參數進行關聯分析

  翹曲的質檢數據是以csv格式的文件,保存在檢驗儀器內置的ftp服務器上;而實時的熱電偶控制參數數據,則是保存在退火爐的DCS系統中。

  通過自動的文件提取和格式解析,寄云提取了玻璃片不同區域的厚度數據,并為其打上時間標簽;同時,通過OPC接口,讀取退火爐DCS的實時數據。將厚度數據和實時數據都保存在寄云時序數據庫中。

02 根據翹曲厚度數據,自動定位發生異常的熱電偶

  將不同時間段(正常和出現翹曲)的工藝數據進行對比,確定正常和異常時間段哪些熱電偶的控制參數發生了變化。

  針對玻璃片沒有批次號碼,因而無法按照批次進行質量追蹤的問題,寄云開發了基于相關性搜索的算法,通過分析確定了跟翹曲變化規律相似度最高的若干個控制變量,并確定了工藝參數變化到翹曲檢測之間的時間差。

  基于以上的分析,自動的定位了導致翹曲的特定的、有最大嫌疑的熱電偶控制參數,并得到了工藝工程師的確定。

  通過以上的分析,幫助工藝工程師實現了問題原因的快速定位。

03 根據歷史的熱電偶數據和質檢數據,建立起翹曲值和熱電偶控制之間的模型

  在大量正常工藝數據和質檢數據的基礎上,構建了熱電偶的歷史數據(因)和質檢數據(果)之間的回歸方程,得到一個表征了因果關系的映射函數。

  在映射函數上可以做兩件事情:

  量化調參:在翹曲發生的時候,根據特定翹曲的目標值,反推出對應的熱電偶控制參數對應的調整范圍,進行精確調參;

  虛擬量測:根據熱電偶控制參數的當前數據,基于映射函數,實時預測未來數小時之后的翹曲值,一旦當翹曲超過預設的門限,立即告警,甚至需要停產。

  應用效果

  通過與彩虹特種玻璃工藝工程師的聯合開發,實現了自動化的工藝數據和質檢數據的集成,提高了問題分析和問題產生原因的定位效率,并首次實現了基于實時工藝數據對未來數小時之后的翹曲缺陷的精準預測。

  應用場景推廣

  “只要能測量,就一定能改進”。這句話雖然不假,但是在很多生產過程中,確實存在著無法測量的現象。

  首先,在自動化連續生產過程中,由于控制參數和環境變量太多,導致中間環節半成品的產出會有很大的不確定性。而大量中間環節的半成品是沒有辦法在當前階段直接測量的,只有到了階段性的檢驗或者最終檢驗環節,通過特定的質量檢測儀器,才能確定是否出現了問題。這種滯后的檢測會產生缺陷的時間窗口現象,即從產生問題的點到檢驗環節之間的延遲會引起大量缺陷產品。

  其次,在一些生產過程中,由于測試成本、安裝部署物理條件的限制,有大量關鍵的生產參數,如高溫爐中心溫度、材料的化學成分、液面高度等,都無法直接測量。而為了取得這些參數,往往采用人工監視、經驗判斷,或者采集樣本、離線檢驗的方式,或者采用抽檢而不是全檢的方式,都會極大的影響產能和質量。

  虛擬量測(也有人稱軟測量)是最近幾年廣泛應用在連續生產(半導體、光電、能源、化工等流程行業)的數據分析技術,它的原理是通過大量的設備實時數據和質檢數據的采集,通過數據分析建模構建因果映射關系,通過當前可以直接測量的參數,計算出未來在檢驗環節才能發現的異常和缺陷;通過當前的測量值,間接推測出無法直接測量的指標,如前述的高爐中心溫度、材料成分等。由于成本低、部署快、收效明顯,已經在半導體、光電、能源、化工行業得到了大量的驗證。

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