CN103662835A

CN103662835A - 气旋流悬浮装置

Info

Publication number: CN103662835A
Application number: CN201310395881.7A
Authority: CN
Inventors: 黎鑫
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-09-03
Filing date: 2013-09-03
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2033-09-03
Also published as: CN103662835B

Abstract

本发明公开了一种气旋流悬浮装置，包括悬浮平面，所述的悬浮平面设置有通过气体旋流产生负压的向内凹的旋流腔，所述的旋流腔的横截面为圆形，旋流腔的底部开有连通大气的通孔，所述的通孔位于旋流腔的中心，且通孔的直径小于旋流腔底部直径；所述的旋流腔与供给压缩气源相连接，所述的供给压缩气源连接旋流腔的壁面上的喷嘴，所述的喷嘴朝向旋流腔的壁面的切线方向；旋流腔内的旋流形成中心负压从所述的通孔中吸入气流，用于增加支撑工件悬浮的气量，同时，被吸入的气流能够降低中心的负压从而削弱负压对工件的向下拉拽的作用。因此，我们能够通过在旋流腔中心设置通孔来增加工件的悬浮高度。

Description

气旋流悬浮装置

技术领域

本发明涉及一种气旋流悬浮装置。

背景技术

以液晶基板显示器和智能触屏手机为代表的平板显示技术及其产品大量地应用于我们的日常生产和生活中。平板显示玻璃基板（以下简称为“玻璃基板”）的生产制造过程存在着众多的工序和各类检测环节。各工序及检测环节的切换使得玻璃基板频繁地移动于各作业台和车间之间。如何实现安全、低伤害、高速地传送搬运玻璃基板是一项非常关键的大型制造装配技术，是保证生产效率和良品率的关键一环。一方面，随着玻璃基板朝着大型化和薄型化的方向发展（例如，第10代的玻璃基板长宽达2850mm×3050mm，而厚度只有0.7mm），玻璃基板在传送过程中极易因为局部应力集中、形变以及划痕等原因而产生破损，严重影响了生产的良品率。传统的接触式搬运方式（比如，滚轮搬运，参见图1a）的局限性越来越凸显。因此，生产制造商在高代玻璃基板生产线上更多的是采用气悬浮装置来进行非接触式的悬浮传送搬运（参见图1b）。

气悬浮装置是玻璃基板生产线的主要组成部分，其主要作用是在各工艺作业平台、各工序车间之间传送玻璃基板。例如，一条8代液晶显示基板的生产线需要数百米长的气悬浮装置。图1b的气悬浮装置由悬浮平面和出气口组成，压缩空气从出气口流出后在玻璃基板下方形成流动的气膜，从而玻璃基板能够悬浮于气膜之上。图2a至2c是三种常见的气悬浮装置的局部放大剖面图。它们的不同点在于：小孔型（图2a）直接将气流从正面喷射到工件上，这会导致工件中心受到的较大的应力；多孔材质型（图2b）能够将压缩空气低速均匀地流出，避免了压力峰值的形成和局部的应力集中，但是多孔材质造价高昂，不易维护；图2c和2d是应用气旋流来构成气悬浮装置（申请公布号为CN102083720A，“涡流形成体和非接触式运送装置”），该元素通过切向设置出气孔来避免气流从正面直接喷射到工件上，因此能够有效地降低作用在工件上的应力；但是，其缺点是：涡流所形成的负压对工件施加一个吸附力，吸附力对工件的拉拽作用会降低工件的悬浮高度，并且，当工件的前端进入一个气旋流区域时，工件的前端会被负压吸附从而导致工件前端的悬浮高度大幅降低；这个问题在薄型玻璃基板的传送过程中尤为突出，因为薄型玻璃基板的前端刚性很低，在负压的吸附拉拽作用下会产生触碰气悬浮装置的安全隐患（参见图3）。以上所述的三种气悬浮装置的一个共同点是:流经工件和装置之间的空气流量等于供给的空气流量。

在玻璃基板的悬浮传送过程中，玻璃基板的悬浮高度，即玻璃基板和气悬浮装置之间的间距，越大越好，大的悬浮高度能够减少玻璃基板在传送的过程中与装置之间发生接触的概率。为了提高悬浮高度，我们就必须增加玻璃基板与气轨道之间流动的气膜的厚度；通常，我们是通过增加空气的供给流量来增加流动气膜的厚度；但是，增加空气的供给流量无疑会增加气悬浮装置的运行成本和玻璃基板的生产成本。

发明内容

在现行的玻璃基板悬浮保持及传送过程中，流经玻璃基板和气悬浮装置之间的空气流量等于供给的空气流量，因此，我们只能通过增加空气的供给流量来提高玻璃基板的悬浮高度，这导致了气悬浮装置的运行成本和玻璃基板的生产成本上升。为了克服这一技术难题，本发明提供一种气旋流悬浮装置。

本发明采用的技术方案是：

气旋流悬浮装置，包括悬浮平面，其特征在于：所述的悬浮平面设置有通过气体旋流产生负压的向内凹的旋流腔，所述的旋流腔的横截面为圆形，旋流腔的底部开有连通大气的通孔，所述的通孔位于旋流腔的中心，且通孔的直径小于旋流腔底部直径；所述的旋流腔与供给压缩气源相连接，所述的供给压缩气源连接旋流腔的壁面上的喷嘴，所述的喷嘴朝向旋流腔的壁面的切线方向；旋流腔内的旋流形成中心负压从所述的通孔中吸入气流，用于增加支撑工件悬浮的气量，同时，被吸入的气流能够降低中心的负压从而削弱负压对工件的向下拉拽的作用。因此，我们能够通过在旋流腔中心设置通孔来增加工件的悬浮高度。

进一步，所述的悬浮平面的底面开设有与所述的旋流腔内侧壁相联通的可供压缩气体流通的气体通道，所述的气体通道的进口端与供给压缩气源连接，出口端设置有切线喷嘴。

进一步，所述的旋流腔内侧壁上设置有多个气体通道的出口，出口沿旋流腔的圆周方向等间距配置，每个出口端均设置有切线喷嘴。

进一步，所述的悬浮平面等间距设置有若干排，所述的旋流腔在所述的各排的悬浮平面上等间距配置有多个；每排相邻两个旋流腔之间气旋流的方向相反。

进一步，各排所述的旋流腔上的吸气孔通过管道连通，在其连通管道上设置调节流量的节流阀。

本发明提出一种新的气悬浮装置，压缩空气高速进入旋流腔后沿着横截面为圆形的壁面旋转产生气旋流，气旋流中的负压从吸气孔中吸入额外的空气；被吸入的空气随后流入工件和悬浮平面之间的缝隙，形成支撑工件的气膜。

本发明的有益效果体现在：

（1）节气节能效果：因为气旋流的负压通过吸气孔从大气吸入了额外的空气流量，所以在悬浮平面和工件之间流动的空气流量是供给流量和吸入流量的总和，我们能够获得大于供给流量的空气来实施悬浮保持和传送。换句话说，我们可以用更少的压缩空气供给流量来实现相同的悬浮高度。我们进行了简单的验证实验，如图6所示，实验结果表明，当悬浮高度大于100微米的时候中心通孔就能够吸入空气，当悬浮高度增加至200微米的时候，中心通孔能够吸入约等同于供给流量的空气，流量增幅约为一倍，这意味着实现了将近50%的节气节能效果。

（2）削弱了负压对工件的向下拉拽作用：在专利申请公开（申请公布号为CN102083720A，“涡流形成体和非接触式运送装置”）中描述到：气旋流的负压会对工件施加一个向下的吸附力，这会降低工件的悬浮高度。另外，该专利文献还描述到一个问题：在悬浮传送薄型玻璃基板的应用中，玻璃基板的前端在经过一个气旋流区域时，因为受到负压的吸引，玻璃基板的前端会发生严重的弯曲导致与悬浮平面发生接触。本发明通过在中心增加吸气的中心通孔能够很好地解决这一问题。被吸入的空气对旋流腔里的负压产生一个“充填效应”，因此旋流腔里的负压会降低。并且，空气被吸入的时候不具备有圆周方向的速度分量和半径方向的速度分量；在旋流腔里旋转的气流的带动下，被吸入的空气分别在圆周方向和半径方向做加速运动；在圆周方向的加速会形成对整体旋转气流的阻力，这一阻力会削弱气旋流的旋转；另外，在半径方向上的加速会导致气旋流的离心力效果的减弱；也就是说，在这两个方向上的加速会在很大程度上降低旋腔里的负压，从而大幅削弱负压对玻璃基板的向下拉拽作用。综上所述，在旋流腔中心设置通孔有利于提高工件的悬浮高度和防止工件前端在传送过程中与悬浮平面发生接触的问题。

附图说明

图1a是接触式搬运方式中的滚轮搬运装置示意图。

图1b是采用气悬浮装置来进行非接触式的悬浮保持及传送搬运装置示意图；其中a-玻璃基板；b-出气孔；c-悬浮平面；d-压缩空气。

图2a是小孔型的气悬浮装置示意图。

图2b是多孔材质型的气悬浮装置示意图。

图2c是应用气旋流的气悬浮装置示意图。

图2d是图2c的俯视图。

图3是在玻璃基板的传送过程中，当玻璃基板的前端进入上述图2c所示的一个气旋流区域时，玻璃基板的前端被负压向下拉拽从而导致玻璃基板的前端触碰气悬浮装置的示意图。

图4a是本发明俯视图。

图4b是本发明A-A剖视图。

图5是本发明在封堵中心通孔情况下的旋流腔内的压力分布与（悬浮平面和工件之间的）间距的关系图。

其中A-外周悬浮平面，B-旋流腔内，C-外周悬浮平面，E-工件较重，悬浮间距较小的情况，F-工件较轻，悬浮间距较大的情况。

图6是本发明的悬浮高度与中心通孔吸入空气流量的关系图。

图7是本发明在封堵中心通孔与打开中心通孔两种情况下的旋流腔内的压力分布示意图。

图8是本发明应用于悬浮保持及传送大型玻璃基板的示意图。

图9是本发明各中心通孔之间通过调节阀控制吸入空气的流量示意图。

具体实施方式

参照图4a至图9，气旋流悬浮装置，包括悬浮平面1，所述的悬浮平面1设置有通过气体旋流产生负压的向内凹的旋流腔2，所述的旋流腔2的横截面为圆形，旋流腔的底部开有连通大气的通孔3，所述的通孔3位于旋流腔2的中心，且通孔3的直径小于旋流腔2底部直径；所述的旋流腔2与供给压缩气源相连接，所述的供给压缩气源连接旋流腔的壁面上的喷嘴4，所述的喷嘴4朝向旋流腔的壁面的切线方向；旋流腔2内的旋流形成中心负压从所述的通孔中吸入气流，用于增加支撑工件悬浮的气量，同时，被吸入的气流能够降低中心的负压从而削弱负压对工件的向下拉拽作用。因此，旋腔中心的通孔能够增加工件的悬浮高度。

进一步，所述的悬浮平面1底面开设有与所述的旋流腔内侧壁相联通的可供压缩气体流通的气体通道5，所述的气体通道5的进口端与供给压缩气源连接，出口端设置有切线喷嘴。

进一步，所述的悬浮平面等间距设置有若干排，所述的旋流腔在所述的各排的悬浮平面上等间距配置有多个；每排相邻两个旋流腔之间的气旋流的方向相反。

进一步，各排所述的旋流腔上的吸气孔通过管道连通，在其连通管道上设置调节流量的节流阀6。

我们研究发现，当我们封堵住中心通孔时，气旋流在旋流腔内会形成凹陷的压力分布，该压力分布受到外周悬浮平面和工件之间的间距影响（参见图5）。当所悬浮的工件上比较重的时候，间距很小，外周悬浮面和工件之间的缝隙流动会形成很高的正压分布，从而会整体拉高旋流腔内的压力分布。但是，当所悬浮的工件较轻的时候（如，薄型的玻璃基板），间距会变得比较大，于是，外周悬浮面和工件之间的缝隙流动所形成的正压分布会降低，同时，旋流腔内的压力分布也会下降至负压。基于这一研究结果，我们在旋流腔中心的底部设置了通孔，该通孔连接旋流腔中心和大气环境。在搬运传送较轻的工件时，旋流腔内的负压会从大气环境吸入空气。

图7的实验结果显示：本发明通过在旋流腔中心设置通孔能够使中心的负压大幅减低至略低于大气压的压力值；而在封堵中心通孔的情况下，旋流腔中心生成了很低的负压。

图8是本发明的一个应用例。由多排悬浮平面构成一台用于悬浮保持及传送大型玻璃基板的装置，每排悬浮平面上配置有多个旋流腔。每一个旋流腔的气旋流会给玻璃基板一个旋转的力矩，因此，每排悬浮平面上的相邻两个旋流腔之间气旋流的方向设置为相反，这样整体作用于玻璃基板的旋转力矩就为零。

如图9所示，我们可以将各排的中心通孔通过管道连接，并在管道里加入节流阀来调节吸入的流量，从而实现控制基板悬浮高度的功能。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims

1.气旋流悬浮装置，包括悬浮平面，其特征在于：所述的悬浮平面表面设置有通过气体旋流产生负压的向内凹的旋流腔，所述的旋流腔的横截面为圆形，旋流腔的底部开有连通大气的通孔，所述的通孔位于旋流腔的中心，且通孔的直径小于旋流腔底部直径；所述的旋流腔与供给压缩气源相连接，所述的供给压缩气源连接旋流腔的壁面上的喷嘴，所述的喷嘴朝向旋流腔的壁面的切线方向；旋流腔内的旋流形成中心负压从所述的通孔中吸入气流，用于增加支撑工件悬浮的气量并削弱负压对工件的向下拉拽作用。

2.如权利要求1所述的气旋流悬浮装置，其特征在于：所述的悬浮平面的底面开设有与所述的旋流腔内侧壁相联通的可供压缩气体流通的气体通道，所述的气体通道的进口端与供给压缩气源连接，出口端设置有切线喷嘴。

3.如权利要求2所述的气旋流悬浮装置，其特征在于：所述的旋流腔内侧壁上设置有多个气体通道的出口，出口沿旋流腔的圆周方向等间距配置，每个出口端均设置有切线喷嘴。

4.如权利要求1或2所述的气旋流悬浮装置，其特征在于：所述的悬浮平面等间距设置有若干排，所述的旋流腔在所述的各排的悬浮平面上等间距配置有多个；每排相邻两个旋流腔之间气旋流的方向相反。

5.如权利要求4所述的气旋流悬浮装置，其特征在于：各排所述的旋流腔上的吸气孔通过管道连通，在其连通管道上设置调节流量的节流阀。