具有压力场反馈控制系统的大型非接触式吸附装置的研究与开发

The project develop a large-scale noncontact handling device that is mainly applied in the manufacturing automation line of large-sized liquid crystal glass substrate (thereafter, glass substrate). It can achieve noncontact handling of a glass substrate from above while having no contact with the surface of glass substrate. The developed device is the first noncontact handling device that is activated directly by electrical motors. Furthermore, compared with the traditional pneumatic methods, it is characterized by the feedback control system of pressure field. The control system can solve the technical problems of partial contact and scratch during the process of handling. Based on the development of the device, we establish the following design methods: (1) the method for determining design parameters based on least potential energy of deformation; (2) the method for calculating pressure field based on measurement-integrated method; (3) clarification of the transition between inertia-dominated flow and viscosity-dominated flow and the simplified theoretical modeling; (4) thestability-control method based on the self-balanced characteristics of suction unit.

本项目拟研发一台大型非接触式吸附装置，该装置主要应用于大型液晶玻璃基板（以下简称为"玻璃基板"）的自动化生产线，它能够实现从玻璃基板的上方实施吸附搬运的同时确保不与玻璃基板的表面发生任何接触。该装置是世界第一台采用直接电机驱动的大型非接触式吸附装置，它所具有的压力场反馈控制系统是区别于现有气动技术的一大特征，这一控制系统能够解决玻璃基板在搬运过程中发生的局部接触和应力破损等技术难题。并且，我们建立如下设计理论方法：（1）基于玻璃基板的最小形变势能的装置参数设计算法；（2）基于实测值融合算法的压力场计算方法；（3）惯性流动和粘性流动间的过渡区域的流场特征及其简化理论模型；（4）基于吸附单元的自主平衡特性的稳定性控制方法。本项目的研发成果能够填补我国在这一技术领域的空白，也有利于我们在下一代平板显示生产技术的竞争中处于优势。

本项目研制了一种非接触式吸附装置，该装置主要应用于液晶玻璃基板、半导体晶圆等精密元件的吸附搬运，基本完成了原计划的研究内容：（1）设计完成了新型吸附装置，可实现对工件的非接触式吸附以及对表面粗糙工件的吸附；（2）解析了吸附装置里的惯性流动与粘性流动的流场特征，明确了两者的支配作用区域和过渡区域的划分，并提出了简化理论模型；（3）发现了吸附装置的自主平衡特性，并通过压力场的解析阐明了自主平衡特性的形成原因，明确了工件-吸附机构所构成的惯性系统的稳定性与吸附力曲线的斜率之间的关系；（4）理论求解了工件的塑性形变方程在压力场作用下的形变及其特点，在此基础上考察了工件形变对流场的影响，以及提出了基于实测压力场的工件/流场形变推定的初步方法；（5）在精密元件的非接触传送、搬运上实施了一些应用示范，并尝试了对一些半导体生产企业（彩虹集团（合肥）液晶玻璃有限公司、深圳富士康龙华工厂，等）进行技术推介。除了既定研究内容之外，本研究还做了有意义的研究拓展，成功地把新型吸附装置应用于爬壁机器人的研制，并获得了国家自然科学基金重点支持项目的进一步资助（资助项目号：U1613203，项目名称：基于气旋流无接触式吸附技术的爬壁清洗机器人系统的关键技术研究，资助强度：246万元）。本研究的成果还有SCI论文10篇、国际会议论文5篇、国内外发明专利授权9项（中国6项、美国1项、日本2项）、在审发明专利申请8项，培养4名博士生、5名硕士生和4名本科生。