局部多孔质气浮输运的气膜特性及控制策略研究

The tendency of larger and thinner for the glass panel requires a non-contact mode during the conveying process in order to prevent scratch on the surface.Partial porous aerostatic conveyor has several advantages such as clean, magnetic free, and generating little heat, and therefore comes to dominate in the non-contact conveying field. However, the absence of porous flow based theory model for air film characteristics undoubtedly restricts the improvement of the technologies greatly. According to earlier research on flow rate characteristics of porous media, an efficiency method, based on the combined model of the radial flow and the Hele-Shaw flow between two parallel disks, is proposed to calculate the pressure distribution for the case that glass panel supported by aerostatic array. Influencing factors of the load capacity and stiffness of the air film are investigated, and static characteristics related theory is revised and established by experimental validation. An air film dynamic model is estabished considering a velocity-slip boundary on the porous surface, and factors that have impacts on decay speed of free vibration, such as supply flow, aerostatic array distribution, are analyzed theoretically and experimentally. As for improving the stability of aerostatic conveying, a robust controller is developed to conduct active control of the floating height by loading positive and nagative pressure jointly. The present research is expected to lay a theoretical foundation for optimal design of the partial porous aerostatic conveyor systems.

玻璃基板的大型化、薄型化趋势要求其在输运过程中必须采用无摩擦非接触的方式以确保表面无损伤。局部多孔质气浮输运凭借其清洁无污染、不发热、不生磁等优势，成为非接触式输运领域的主流。然而，基于多孔质流动规律的气膜特性理论模型的匮缺在很大程度上限制了技术的发展。本项目将以自身前期开展的多孔质流量特性研究作为基础，针对局部多孔质阵列气浮支承的工况，采用平行圆板间放射状间隙流模型与Hele-Shaw势流模型相结合的方式提出气膜压力分布的高效计算方法，研究气膜承载力与刚度的影响因素，根据试验结果进行修正并建立气膜静态特性相关理论体系；建立包含多孔区域表面速度滑移边界的气膜动态特性模型，仿真结合试验分析供给流量、气浮阵列分布等对自由振荡衰减速度的影响；通过采用正负压联合加载的方式，设计鲁棒控制器对气浮间隙进行主动控制以提高输运的稳定性。课题研究可望为局部多孔质气浮输运系统的优化设计奠定理论基础。

玻璃基板的大型化、薄型化趋势要求其在输运过程中必须采用无摩擦非接触的方式以确保表面无损伤。本项目通过理论分析和试验研究相结合的方法研究局部多孔质气浮输运系统的气膜静态特性和动态特性，并在此基础上研究玻璃基板气浮输运系统的悬浮间隙控制策略。本项目研究成果在一定程度上可以为非接触式输运系统设计予以理论指导。. 课题的主要研究内容和成果有：.1）建立了局部多孔质阵列气浮支承工况下气膜静态特性模型。多孔质气阻元件的流量特性通过改进的Forchheimer方程和Ergun方程进行描述，并通过试验对流量特性表达式进行了验证。基于流量特性模型，提出了基于改进雷诺方程的气膜压力分布高效计算方法。完成了气膜压力分布测试装置和气膜承载力测试装置的搭建并开展了相关实验，测试结果验证了数学模型的准确性。.2）对局部多孔质气浮导轨进行了优化研究。优化的目的在于降低供气流量的同时提高气膜静压承载能力。基于气膜静态特性理论模型，将多目标非支配排序遗传算法NSGA-II用于气浮导轨结构优化设计，得到了均匀分布的Pareto最优解集。将多孔质位置尺寸、区域半径及供气压力等参数作为设计变量，分析了各参数对气浮性能的影响敏感程度。.3）完成了流固耦合计算及玻璃基板形变分析。分别利用气膜静态特性模型计算气膜压力分布和利用ANSYS有限元模型计算玻璃基板的形变。在具有代表性的单元区域内着重分析了气膜压力分布、流场分布与玻璃基板形变之间的相关性问题。分析结果表明，在对气浮导轨进行结构优化时，必须对其承载能力进行限制以抑制玻璃基板的过度形变。.4）建立了气膜动态特性模型。在具有代表性的区域单元内考虑玻璃基板振动情况下产生的挤压膜效应，建立了包含多孔质特性和间隙流特性在内的二维气膜压力分布的动态模型。利用有限差分法求解从而获得基板运动过程中的气膜压力变化情况，并通过动态特性试验进行模型验证。试验结果表明，当往复挤压空气薄膜时，压力响应存在明显的滞环现象，表现出弹性特性和阻尼特性。.5）对玻璃基板气浮系统进行了建模仿真及控制策略研究。为研究玻璃基板悬浮高度控制策略，针对第5世代的玻璃基板搭建了气浮输运系统。对气浮系统进行了建模仿真，所建立模型包含阀芯运动方程、气体流量方程、气体热力过程方程、气膜压力分布方程、薄板运动方程。设计了PI控制器用于玻璃基板悬浮高度控制，增强了系统的稳定性和鲁棒性。