完美体育玻璃基板动态特性研究综述报告docx

　　完美体育玻璃基板动态特性研究综述报告 1.1 课题研究的背景与意义 以液晶显示器为代表的平板显示技术广泛应用于人们的日常生产和生活中。平板显示玻璃基板在生产制造过程中，存在着诸多工序和各种检测环节，使得玻璃基板要频繁的输运到各个工作环节，玻璃基板在输运过程中极易因为刮痕、形变以及局部应力集中等原因而产生损坏，传统的液晶玻璃基板传输采用接触式输运方式，即，工件与输运装置表面直接接触，采用滚轮驱动，这容易造成玻璃基板表面出现刮痕、裂纹，同时还存在静电和金属污染等诸多问题，严重影响产品质量，已无法适应当前技术发展的需求。另一方面，这种接触式的输运方式由于受到摩擦力的制约，难以提高输运速度，也限制了生产效率的进一步提高。当前，玻璃基板朝着大型化、薄型化的方向发展，新一代玻璃基板制造对输运系统提出了高精度、高洁净和高可靠性的要求，无摩擦非接触的输运方式在满足这些技术要求方面具有极大优势。非接触式输运的基本思想是通过对物体施加非接触作用力以抵消其自身重力从而实现悬浮，有效地抑制了表面刮痕及静电的产生。 玻璃基板表面缺陷的在线的污渍和缺陷都会破坏显示屏的显像质量并导致次品的产生，需要在气浮传输过程中进行光学自动检测。随着液晶显示器广泛的应用于各种电子设备中。对更大型的电视显示器的需求，使得玻璃基板变得越来越大，越来越薄。目前第11世代玻璃基板的尺寸已经达到3000mm×3320mm。玻璃基板尺寸增大的同时，也对玻璃基板缺陷检测的精度有了更高的要求。 常见的光学缺陷检测有图1所示两种方式（液晶玻璃基板表面及内部缺陷检测设备光学原理）。图1a的检测方式采用平行光源，图1中相机1和相机2表示玻璃和相机运动过程中两个扫描时间点的相对位置。如果缺陷在玻璃上表面，缺陷和其阴影各自的成像距离较远。随着缺陷的位置向玻璃下表面移动，缺陷和其阴影各自的成像距离越来越近。当缺陷位于玻璃下表面，两个图像完全重合。可以通过判断缺陷和其阴影各自的成像距离来确定缺陷在玻璃中的深度。为了防止检测出的缺陷的深度有较大误差，这种检测方法对玻璃基板的平面度要求高。图1b检测方式采用漫反射光源，检测单个缺陷时相机相对于玻璃位置固定。在玻璃和相机相对静止的状态下，相机通过不断的调整光学镜头变换焦距取像，相当于相机在玻璃厚度方向的不同位置照取多张照片（假设取10层照片），如果缺陷处在某一取像层，那么此层所取得的缺陷图像是最清楚的，其他层的图像较模糊，以此判断缺陷在玻璃中的深度。 a.平行光源 b.漫反射光源 图1 缺陷检测方法 气浮支承与传输的原理图如图1所示：恒定压力的气体经过节流孔阵列节流后经过喷嘴喷出，在气浮平台与玻璃基板间形成一层具有刚度（添加）的气膜来承载玻璃基板的重量；夹持系统通过真空吸盘加持住玻璃基板并沿着线性导轨来进行运输，在运输的同时，玻璃基板上方的相机会对玻璃基板同时进行光学缺陷检测。玻璃基板在气浮支承下由于气膜压力分布不均匀气膜厚度不稳定等因素会产生相应的变形或振动。结合光学缺陷检测原理，玻璃基板的变形和振动势必会影响缺陷检测的精度。 本文主要聚焦于气浮支撑下薄板的振动特性，分析影响其振动的因素，以期提高薄板在气浮支承输运中的稳定性。 图2气浮支承传输原理图 1.2 非接触输运技术的国内外研究现状 非接触输运就是指在不接触工件的情况下，完成对工件输运，其基本实现形式是通过对工件施加能够抵消其自身重力的非接触力。通过非接触的输运方式，可以有效减少工件输运过程中产生的划痕以及静电污染等。典型的非接触式输运技术除了本文选用的气动悬浮技术外，还可以根据作用方式的不同分为以下三种，分别是电磁悬浮技术、静电悬浮技术和超声波式悬浮技术（如图3）。 图3典型的非接触技术 1.2.1电磁悬浮技术 电磁悬浮技术的原理是利用电流磁效应产生的磁场与外部磁场相互作用产生特定方向的洛沦兹力，平衡物体重力。只需调节外部磁场方向，就可以在物体上加载一个与重力方向相反的力，而物体重力的平衡，则可以通过改变电流大小，使洛沦兹力与物体重力大小相等，最终达到让物体悬浮的效果。但由于磁悬浮技术仅限于高磁性和低温环境使用，使用范围较为狭窄目前只在轨道交通上有所应用。 1.2.2静电悬浮技术 静电悬浮技术的原理是带电物体处于静电场中，利用电场产生的洛伦兹力平衡物体重力实现物体悬浮，而且静电场还可以利用感应极化效应去悬浮不带电粒子。这种技术适用于表面可以携带电荷的工件，但工件表面积聚的电荷容易会受到周围环境影响随时间流失而衰弱，所以一般只适用于悬浮较小物体。 1.2.3超声波式悬浮技术 超声波悬浮技术按照声辐射工作原理的不同可以分为驻波式悬浮和近场式超声悬浮。超声波驻波悬浮主要利用声辐射产生的压力抵消悬浮物体的重力，从而达到稳定或驱动悬浮物移动的效果。超声波近场悬浮是利用高频震荡产生的声压来抵消物体重力。但一般情况下，物体的悬浮高度较低，最高也只能达到几百微米。总的来说，超声波悬浮装置复杂、成本很高且控制难度很大完美体育，应用具有很大的局限性。 1.2.4气动悬浮技术 气动悬浮技术主要利用物体表面气体流动产生的压力差抵消悬浮物体的重力。因此相比于其它类型的悬浮技术，气动悬浮技术的适用范围更加广阔，成为人们对非接触输运技术的首要选择。气动悬浮技术按照悬浮实现方式可以划分为正压悬浮和负压吸浮两大类。其中，根据工作原理的区别又可以将负压吸浮细分为伯努利吸浮和旋回流吸浮两种。 （1）伯努利效应吸浮方式 如下图4所示是伯努利效应吸浮的实现方式。压缩气体从吸盘上方通入，工作时增大气体流速完美体育，气体流过物体表面,流场部分压力迅速降低，形成压力差平衡工件重力，实现了工件的悬浮。 图4伯努利效应吸附方式 图5JEL半导体搬运机械臂 在半导体制造业中，这种非接触方式还是比较流行的，如图5所示的JEL公司生产的半导体搬运机械手臂，能够有效地对晶圆进行输运，就目前来说属于世界领先水平。但是伯努利效应吸浮方式需要使用大量的高压气体，且运输效率低，成本较高。 （2）旋回流吸浮方式 如下图6所示为旋回流吸浮的实现方式，压缩气体进入涡室后，在旋回装置与工件之间的空间内做旋回运动产生负压，工件在负压的作用力下被吸浮起来。 图6旋回流吸附方式 图7旋回流式非接触搬运装置 与伯努利式吸浮相比，旋回流吸浮消耗的空气较少，但相应的吸浮力也小。因此人们在设计基于旋回流吸浮构建的非接触式输运装置时（如图7），常采用多组旋回流吸浮机构共同作用的方法，来提高输运装置的吸浮能力。但旋回流吸浮装置仍然存在吸浮不稳定的问题，物体被吸浮时常会出现因气体喷射而导致的旋转等现象。 （3）静压气浮输运方式 采用负压吸浮的方式对大型工件进行搬运显得不是非常经济，要吸浮质量大的工件需要很大的能耗才能产生足够大吸浮力，而且稳定性也比较差。因此对于大型的玻璃基板、太阳能电池板则通常采用静压气浮导轨输运的方式。静压气浮通过小孔或多孔介质作为节流元件，从工件下方进行供气，在工件与导轨之间形成空气膜，从而实现减少工件与装置相接触的效果。静压气浮输运其实是基于空气轴承作用原理工作，通常人们认为空气轴承内的摩擦力可以忽略不计。但实际上，空气是具有有粘性的，空气的粘性摩擦效果亦可以加以利用使之成为驱动力。在忽略速度滑移现象的前提下，韩国的G.Lee等科学家建立了一维坐标系下，多孔质气阻表面间隙内的简易气流模型，同时研究了基板的形变问题，并进行了试验验证（如图8）。 图8 G.Lee的试验设备 图9 SMC气浮式玻璃基板搬运系统 图9是世界著名的气动元件制造商SMC公司研制开发的空气悬浮式玻璃基板搬运系统。在玻璃基板的下方利用多孔质形成均匀的压力气膜，来平衡玻璃基板本身的重量，并通过相应的水平驱动方法来达到非接触搬运目的。 图10 CKD气浮输运导轨模块 图11 Convum的非接触运输系统 美国的NewWayPrecision公司设计了一种新型的气浮输运装置，采用正负压联合加载的方法降低玻璃基板的悬浮高度，在一定程度上缓解了不稳定振动的问题。在上述气浮输运系统中，供气单元周围区域缝隙中的气流速度分布大致呈辐射状，因此气膜仅起到对玻璃基板的支承作用，基板在水平方向上的运动还必须通过施加外力进行驱动。CKD公司研发了基于多气浮模块（如图10）联动作用原理的无接触输运设备，可以根据搬运方式的不同动态调节气浮模块，所以该无接触输运设备的适用范围较广。CONVUM公司也在此基础上研发了一种新型非接触式输运系统（如图11），其设计思路通和CKD公司相似完美体育，但增加了输运物体良品检测和压力流量调节功能，输运性能更为优越。以色列Orbotech开发的空气漂浮搬运技术“SmartNozzic”，可以实现搬运装置与基板始终保持一定距离的效果，另外还使用了图象识别良品检测装置以提高基板的良品率。美国佳能公司开发了液晶玻璃母板加工装置，加工母板尺寸可达2500×2200×0.7mm，质量接近10kg。Festo于2008年6月表示已发展出TFT-LCD面板校位气浮平台，面板尺寸最大可到65英寸[23]。利用倾斜气浮平台方式将面板调整到中间位置，真空产生器产生真空到气浮平台，以控制面板的位置，可以准确的控制面板放置位置，误差小于0.1mm。此外也可应用在旋转输送带设备旋转输送带设备，以齿轮皮带电动缸DGE作为驱动组件，及气浮平台作为玻璃基板的支撑组件。 1.3气浮支承在非接触输运中的发展 气体润滑技术是一项于上世纪中期迅速发展的高新技术，它的出现打破了液体润滑的主导地位，使润滑技术有了较大层次的飞跃。气体轴承便是以这项技术为基础开发的重要产品，它利用了气膜来支承载荷或是减少摩擦。与传统的滑动、滚动轴承相比较，气体轴承具有高速度、高精度、低功耗等特点完美体育。 气体轴承主要是通过利用气体的粘性，增加间隙中气体的承载压力，从而将物体支撑起来。目前气浮支承的类型大致可以分为动压型、静压型和压膜形三类。 图12 气浮支承类型 图12a所示即为动压型气体轴承，上下两个面做相对运动，其间隙为楔形，且沿着移动方向间隙逐渐变小。当两面相对移动时，气体由于其自身粘性的作用而被挤压进楔形间隙中，如此便产生气浮力将物体支承起。 图12b所示为压膜型气体轴承，相互接触的面沿着垂直方向振动，由于气体具有粘性，间隙内的气体无法快速进出，从而间隙内的压力平均值会高于周围环境的压力，以此来将物体支承起。 图12c所示为静压型气体轴承，其原理是加压气体通过节流器节流后以稳定的流量流入间隙之中，通过气膜的静压将物体支承起来。节流器可以在间隙变化时，起到调整间隙内气膜压力的作用，从而使得气浮支承的气膜具有刚度。 静压气体轴承作为气体轴承中的一种，因其承载力较大的优点得到了广泛的应用。各国的科研工作者也对静压气体轴承进行了大量的研究，研究的内容主要集中于承载能力、刚度和数学模型等。 宛敏红利用解析法建立了简单孔节流静压气体轴承的数学模型，对轴承刚度的最大值进行了优化；陈小刚基于有限差分法对气体静压轴承进行了性能分析和优化设计，并根据分析结论成功研制了用于光学先进制造的气浮导轨和超精密切割气浮转台；梁宏民采用有限元法对真空环境下静压气体轴承的流场进行了模拟，分析结构和工作参数对轴承性能的影响；李洁等基于Darcy定理建立了多控制静压气体轴承的理论模型，并研究了速度滑移对轴承承载力以及刚度的影响；毛宁宁等基于CFD方法分析了四种表面结构对气体静压轴承的刚度和承载力的影响，研究得出对静压轴承表面圆周和直径方向的均压槽参数进行优化可以提高承载力和改善刚度； Gao等研究了流固耦合现象对静压气体轴承性能的影响完美体育，并基于有限元法为静压气体轴承设计提供了一种有效的建模方法；Maamari等建立动力学模型对具有结构柔度的轴承刚度特性进行了研究，结果表明与传统气体静压轴承相比，刚度增加了三倍。 随着静压气体轴承设计的不断成熟，这种技术被应用到了大型玻璃基板的非接触输运装置中，如以色列Orbotech公司、日本CONVUM公司、美国NewWayAirBearings公司均有开发大型玻璃基板气浮输运装置，众多的学者专家也对这种输运方式展开了研究。AMANO等对研究玻璃基板在多孔质气垫下变形情况展开了研究，指出通过调整正负压供气压力数值和优化流量分布都可以减小玻璃基板的变形量；钟伟等通过修正Forchheimer方程建立了基于雷诺方程的气膜压力分布理论模型，该模型可以预测玻璃基板的变形情况，并通过实验发现供气流量一定的情况下，减小气膜厚度可以提高多孔质气浮支承的承载力与刚度；LEE等设计了一种气缝式气浮支承装置，当玻璃基板最大变形量与最小变形量相差较小时，气缝式的耗气量要比多孔质式小10%以上；CHANDRA等采用有限元法对小孔式气浮支承的气膜的压力分布进行了研究，其研究结果表明供气孔数增多时气膜的负载能力会增加，但所消耗的气体流量也会增多；OIWA等基于雷诺方程和薄板变形理论对玻璃基板在多孔质气浮支承下的变形情况进行了理论计算，理论与实验表明玻璃基板会在负压孔处存在下凹的变形，同时指出玻璃基板在气浮输运过程中容易发生倾斜，通过减小负压孔间距和气浮板间距可以提高玻璃基板在输运过程中的稳定性；为避免玻璃基板在跨越两块气浮板时与气浮板面发生碰撞，MIYATAKE等通过数值计算和实验研究了玻璃基板传输过程中跨越气浮板时的形变情况，研究结果表明通过合理的调整正负压供气压力以及供气区域可以时玻璃基板的最大跨越距离达到75mm；黄斌等建立了玻璃基板在小孔式气浮支承下变形的数学模型，并根据模型对气孔间距进行优化，使得玻璃基板的变形量满足光学缺陷检测要求，傅腾等在研究气浮支

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