CN113602813A - 具有形变控制功能的玻璃基板气浮装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有形变控制功能的玻璃基板气浮装置及控制方法，从上至下依次包括气浮平台、控制电路板和供气层，所述气浮平台上设置有若干供气单元，所述气浮平台两侧设置有检测玻璃基板边界形变的位移传感器，所述控制电路板上设置有检测气体压力的压力传感器，所述气浮平台上对应设置供压力传感器测压的测压孔，所述供气层包括气腔，所述气腔的进气孔通过两位三通阀连通两条气路，一条气路与正压气源连通，另一条气路与真空泵连通，所述气腔的出气口与供气单元连通，所述压力传感器和两位三通阀均与控制电路板电连接，控制电路板控制两位三通阀得电与失电，电磁阀的得电与失电来控制供气单元吸气和吹气。

Description

具有形变控制功能的玻璃基板气浮装置及控制方法

技术领域

本发明涉及玻璃基板气浮装置及形变控制，具体涉及一种具有形变控制功能的玻璃基板气浮装置及控制方法。

背景技术

随着科学技术的发展，在工业生产和制造过程中对产品的生产效率、良品率、精密度等提出了更高的要求。玻璃基板是液晶显示器的重要组成部分，正朝着薄型化以及大型化方向发展。玻璃基板的超薄、大型化的发展趋势不仅会面对其制造工艺的巨大挑战，而且玻璃基板生产线上的运输更是不能忽略的难题。尤其是在搬运输送方面的划伤、破损、腐蚀、形变等问题给生产制造过程中带来了很大的问题。对于传统的接触式输送方式橡胶式真空吸盘、滚轮等直接与被输送物体接触，尤其对玻璃基板等大型超薄物件，更容易损坏。

目前应用最多的无接触运输方式为气动式输送，主要有气吸浮式和气悬浮式两种。而气吸浮装置主要是在玻璃基板的上方形成负压，产生向上的吸力，使玻璃基板悬浮在装置下方；主要有伯努利吸盘和旋回流吸附装置，但其的吸附力小吸附不稳定，容易脱落，主要适用于中小型半导体晶片的搬运。而应用比较多的主要是气悬浮装置，传统的气悬浮系统是用小孔作为节流元件，大多是在下方铺设气浮平台，从下方供气，但以小孔为节流元件的气浮输送系统，会给工件带来应力集中、静电污染等问题，因此以多孔质代替小孔作为节流元件。在现有的典型的气悬浮装置中，如中国专利CN107555174A公开的非接触式硅片运输装置，中国专利CN106044225A公开的一种无接触输运与定位平台装置及控制方法，这些技术方案都只能实现物体的无接触运输，并不能对物体的形变进行检测和控制，中国专利CN106938785A公开的一种具有形变检测功能的玻璃基板气浮装置及检测方法，只是提供了形变检测方法并不能控制形变。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种具有形变控制功能的玻璃基板气浮装置及控制方法，解决现有气浮装置不能实现形变控制的问题。

技术方案：本发明所述的具有形变控制功能的玻璃基板气浮装置，从上至下依次包括气浮平台、控制电路板和供气层，所述气浮平台上设置有若干供气单元，所述气浮平台两侧设置有检测玻璃基板边界形变的位移传感器，所述控制电路板上设置有检测气体压力的压力传感器，所述气浮平台上对应设置供压力传感器测压的测压孔，所述供气层包括气腔，所述气腔的进气孔通过两位三通阀连通两条气路，一条气路与正压气源连通，另一条气路与真空泵连通，所述气腔的出气口与供气单元连通，所述压力传感器和两位三通阀均与控制电路板电连接，控制电路板控制两位三通阀得电与失电，电磁阀的得电与失电来控制供气单元吸气和吹气。

所述供气单元嵌有多孔质材料，多孔质材料下方开设供气口，供气口与气腔的出气口连通并通过密封圈密封，防止气体泄露到电路板。

所述控制电路板上设置有供所述气腔的出气口穿过的通孔，使气体通过气腔直接为气浮平台供气，避免气体流入电路板，防止气体泄漏。

所述测压孔包括四个，四个测压孔围绕供气单元均匀分布。

为了方便放置两位三通阀，所述供气层开设有凹槽，两位三通阀嵌入在凹槽中，所述控制电路板底部通过排针与两位三通阀连接。

本发明所述的具有形变控制功能的玻璃基板气浮装置的形变控制方法，包括以下步骤：

(1)将气浮平台划分为以各个供气单元为中心的计算区域；

(2)利用有限体积法，联立纳维斯托克斯方程和连续性方程得到气膜压力分布计算模型；

(3)将每个计算区域内的两个位移传感器检测的玻璃基板形变值和预设的供气单元中心的最大形变值代入二次曲线方程，得到初始形变曲线，根据步骤(2)的气膜压力分布计算模型得到供气单元气膜的理论压力，将压力传感器测得的实际压力和理论压力的差值代入比例积分计算公式得到形变高度调整值，根据形变高度调整值调整初始形变曲线并重新计算气膜的理论压力，直至实际压力与理论压力的误差在1％以内，此时的形变曲线表达式为最终的形变曲线，将各个计算区域最终的形变曲线拟合得到玻璃基板的形变曲线，根据玻璃基板的形变曲线得到玻璃基板的实际形变；

(4)判断玻璃基板实际形变和目标形变的差值是否小于预设值，若否则根据差值计算出控制量，根据控制量改变电磁阀正负编码组合和改变流量阀开口大小控制实际形变。

所述步骤(2)中具体为：针对计算单元，对x方向的Navier-Stokes方程简化，得到下式：

其中，p为气膜压力，μ为空气粘度，x和z分别代表气膜沿x方向和z方向的长度，u_x为x方向流速；

将z方向的Navier-Stokes方程可以简化为：

式中：u_z为z方向流速，对以上两式进行z方向上的积分并带入边界条件，边界条件为：u_x＝0，z＝0；u_x＝0，z＝h和u_z＝ω₀，z＝0；u_z＝0，z＝h；

可得到：

式中：h为气膜高度，ω₀为多孔质表面的平均流出速度；

笛卡尔坐标系下的连续性方程为：

式中：t为时间；

将得到的u_x和u_z带入到连续性方程中即可得气膜压力和高度之间的表达式如下：

所述步骤(3)中比例积分计算公式为：

Δh_c＝-K_p(e+K_i∑e)

其中e为实测压力与理论压力的差值，K_p为比例系数，K_i为积分系数，Δh_c是形变高度调整值。

所述步骤(4)中将预测的玻璃基板实际形变与期望形变对比，根据两者的差值e(t)，PID控制器根据差值计算出控制量u(t)，计算公式如下：

其中，K_P为比例系数，T_I为积分时间常数，T_D为微分时间常数；

根据控制量来驱动不同位置的电磁阀工作，改变供气单元的正负压编码组合，从而改变作用力的方向，根据控制量改变比例流量阀的开口大小调整吸气流量，玻璃基板的形变随着流量和电磁阀组合的改变而发生变化，重新拟合步骤(3)中的形变曲线，根据拟合的形变曲线预测实际形变，直至实际形变和目标形变的差值小于预设值，完成形变控制。

有益效果：本发明通过控制两位三通阀的通断，切换吸气和吹气状态，控制气浮装置内的气流方向和大小，实现物体与玻璃基板的无接触，通过位移和压力传感器实时检测玻璃基板的形变和气膜压力，改变供气单元的正负压编码和吸气流量来实现玻璃基板的形变控制，将所有控制电路及压力传感器集成在一块电路板上，减少接线数量，避免接线错误，易于控制和维修，能够节约成本和空间。将装置各层集成为一个整体，安装维护方便，进气和吸气采用独立结构，互不干扰，控制灵活。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是本发明气浮装置的斜侧视图；

图3是装置整体分解视图；

图4玻璃基板气浮装置的俯视图；

图5是图7沿A-A的剖视图；

图6是图7的B-B剖视图；

图7是图7沿C-C的剖视图；

图8是图7的D-D剖视图；

图9是电路板的结构示意图；

图10是本发明气浮平台气流模型原理图；

图11是本发明气浮平台玻璃基板形变预测原理图；

图12是玻璃基板形变检测拟合示意图；

图13气浮装置输入不同控制量的形变情况图；

图14是玻璃基板形变控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

如图1-9所示，本发明具有形变控制功能的玻璃基板气浮装置，包括气浮平台2，控制电路板3和供气层4。气浮平台为长方形，上面有若干个供气单元，供气单元为圆形，在其中嵌入多孔质材料5，多孔质材料5下方开设供气口，供气口与供气层的气腔15的出气口相连。在每个供气单元内周围分布着四个测压孔10，测压通孔贯穿整个气浮平台与中间电路板上的气体压力传感器6相连。在气浮平台的两侧安装有激光位移传感器11，用来实时检测玻璃基板的边界形变。控制电路板上主要有压力传感器，各个模块的电子元器件，电源接口12和用于总线连接的接口13，在电路板的下方放置排针与供气层上的两位三通阀相连，设置有供气腔穿过的通孔，通孔的直径大于气腔出气口15的直径，气腔出气口可以穿过电路板直接与气浮平台上的供气口相连接。在供气层的两侧有两条气路，气路接口分别用于连接正压气源和真空泵，在供气层中开设凹槽，将两位三通阀嵌入到其中，两位三通阀的两个进气口通过进气口8和吸气口9分别与正压气源和真空泵相连，出气口则与气腔的进气口相连，气腔通过中间电路板上的通孔与供气口相通，供气口与气腔出气口之间通过密封圈14密封，防止气体泄漏到电路板上。当两位三通阀7未得电时，气腔的进气口和进气口8相同，气体从进气口8进入，从多孔质5流出，供气单元开始吹气，当两位三通阀得电时，气腔的进气口和吸气口9相通，通过吸气口9连接到真空泵，供气单元开始吸气，即通过改变电磁阀的得电与失电来控制供气单元是进行吸气还是吹气。

电路板上的电源模块主要将接入的电源进行稳压，并转换为传感器和电磁阀需要的工作电压，传感器检测模块主要是传感器采集模拟信号，输入调理模块可将各传感器的模拟信号经过滤波调理等转换为电压信号传给AD转换模块，AD转换模块则将模拟电压转换为数字量，驱动电路通过排针的方式与下方的两位三通阀阀相连，当控制器给出控制信号时，可通过驱动电路控制阀工作，改变供气单元气源的正负压组合，总线控制器则将传感器采集到的数据以总线的方式进行通信，以电路板为从站，将数据传输到主站上，并且以总线的方式控制电磁阀的通断，控制方便。

如图10所示，在玻璃基板运输中，根据实际情况，将玻璃、气膜和气浮平台划分为n个网格计算，可利用有限体积法，联立纳维斯托克斯方程和连续性方程进行计算分析，获取气膜网格的压力分布数据。取其中一个供气单元进行分析，将x方向的Navier-Stokes方程简化，得到下式：

其中，p为气膜压力，μ为空气粘度，x和z分别代表气膜沿x方向和z方向的长度，u_x为x方向流速。

将z方向的Navier-Stokes方程可以简化为：

式中：u_z为z方向流速。对两式进行z方向上的积分并带入边界条件边界条件为：(u_x＝0，z＝0；u_x＝0，z＝h和u_z＝ω₀，z＝0；u_z＝0，z＝h)

可得到：

和

式中：h为气膜高度，ω₀为多孔质表面的平均流出速度。

笛卡尔坐标系下的连续性方程为：

式中：t为时间。

将得到的流速公式带入到连续性方程中

由此，可得到气膜压力和高度之间的表达式，平均流速ω₀可由流经多孔质的流量除以面积得到。

如图11所示，基于压力反馈值预测形变，假定玻璃基板的形变状态为二次曲线，用二次表达式ax²+bx+c来描述玻璃基板的形变情况，因为其两侧高度作为边界条件，对算法影响很大，故在平台的边缘部分安装位移传感器检测边缘形变作为基准，令供气单元中心处的最大形变值为h_c，在气浮平台中建立直角坐标系，将三个形变坐标代入二次曲线表达式，可以得到关于初始形变曲线表达式δ＝f(h_c)；基于气膜压力分布计算模型，依据形变表达式计算出的气膜的压力分布，将实测压力与理论压力的差值e带入比例积分算法中计算形变高度调整值Δh_c＝-K_p(e+K_i∑e)，其中是K_p比例系数，是K_i积分系数，Δh_c是形变高度调整值，用来调整形变曲线，形变曲线改变后，其气膜压力也受到影响，对理论压力重新计算，重复以上过程直到理论压力接近实际压力，即实际压力与理论压力的误差在1％以内，此时的形变曲线即认为是实际形变曲线，要获取玻璃基板的整体形变，可将获得到的不同位置的形变曲线如图12中的1-1、1-2、1-3、1-4、1-5，进行拟合拼接，即可得出玻璃基板整体的形变曲线。

如图13所示，本发明通过控制两位三通阀的通断来改变供气单元的供气状态，“+”代表通入正压，气流沿着Z+方向竖直向上，将玻璃基板向上吹起，使玻璃基板发生Z+方向的形变；“-”代表接入负压，气流沿着Z-方向竖直向下，使玻璃基板发生Z-方向的形变。对于单根气浮装置，根据供气单元的个数有多种不同的编码组合，(a～i为其中的10种组合)，每一种组合都会使玻璃基板发生不同的形变。如图13中的a～c当负压个数沿Y轴依次加时，玻璃基板在Z-方向上的形变也会沿着Y轴依次改变；当正负压如d和f中交错分布时，其形变情况也会类似于波浪线交错改变；在b、d、e和j中，正压个数都为3个，但因其正压位置分布不同，玻璃基板的形变情况也有很大区别；同样的，在c、f和i中，负压数量相同而位置不同时，其形变状态也不同；在g和h中，让中心处的压力状态与其它置相反时，即可控制中心处的形变与其他位置相反。由此，我们可以改变两位三通阀的通断数量和相应位置，来对玻璃基板形变进行调整。

如图14所示，在控制形变时，根据边界条件与压力反馈值对当前的玻璃基板进行预测，即为实际形变，此时给出期望形变，控制器根据两者的差值计算出要选择的电磁阀编码组合和流量大小对玻璃基板的形变进行控制。具体步骤为：

(1)根据初始化参数和边界条件，将气浮平台划分为不同的网格用于计算；

(2)根据位移传感器采集得玻璃基板的位置信息，利用压力传感器所测的压力作为各供气单元压力初始条件，根据图11中的形变预测原理与步骤，对当前的玻璃基板形变进行预测，即为实际形变；

(3)给出玻璃基板的期望形变，在各个供气单元区域内计算实际形变和目标形变的差值；判断期望形变与实际形变的差值是否小于设定值，如果否，控制器根据形变误差，根据两者的差值e(t)，PID系统根据公式

计算出控制量u(t)，其中控制器的比例系数K_P、积分时间常数T_I、微分时间常数T_D可以通过试凑法预先设定，根据控制量u1(t)来驱动两位三通阀的工作，改变供气单元的正负压编码组合，从而改变作用力的方向，通过对改变不同位置的正负压组合，可以改变玻璃基板不同位置的受力情况，通过控制量u2(t)改变比例流量阀的开口大小，调整吸气流量，通过改变气浮装置内的流量情况，改变气膜压力的分布和驱动力大小降低形变，玻璃基板的形变随着流量和电磁阀组合的改变而发生变化，此时回到步骤(2)重新拟合玻璃基板的形变曲线，再次对玻璃的形变状态进行预测，计算形变误差，直到误差小于设定值，则说明达到期望形变，即完成形变控制。

Claims (9)

1.一种具有形变控制功能的玻璃基板气浮装置，其特征在于，从上至下依次包括气浮平台(2)、控制电路板(3)和供气层(4)，所述气浮平台(2)上设置有若干供气单元，所述气浮平台(2)两侧设置有检测玻璃基板边界形变的位移传感器(11)，所述控制电路板(3)上设置有检测气体压力的压力传感器(6)，所述气浮平台上对应设置供压力传感器测压的测压孔(10)，所述供气层(4)包括气腔，所述气腔的进气孔通过两位三通阀连通两条气路，一条气路与正压气源连通，另一条气路与真空泵连通，所述气腔的出气口与供气单元连通，所述压力传感器和两位三通阀均与控制电路板连接，控制电路板控制两位三通阀得电与失电，电磁阀的得电与失电来控制供气单元吸气和吹气。

2.根据权利要求1所述的具有形变控制功能的玻璃基板气浮装置，其特征在于，所述供气单元嵌有多孔质材料，多孔质材料下方开设供气口，供气口与气腔的出气口连通并通过密封圈(14)密封。

3.根据权利要求1所述的具有形变控制功能的玻璃基板气浮装置，其特征在于，所述控制电路板上设置有供所述气腔的出气口穿过的通孔。

4.根据权利要求1所述的具有形变控制功能的玻璃基板气浮装置，其特征在于，所述测压孔(10)包括四个，四个测压孔围绕供气单元均匀分布。

5.根据权利要求1所述的具有形变控制功能的玻璃基板气浮装置，其特征在于，所述供气层(4)开设有凹槽，两位三通阀嵌入在凹槽中，所述控制电路板底部通过排针与两位三通阀连接。

6.如权利要求1所述的具有形变控制功能的玻璃基板气浮装置的形变控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将气浮平台划分为以各个供气单元为中心的计算区域；

(2)利用有限体积法，联立纳维斯托克斯方程和连续性方程得到气膜压力分布计算模型；

(3)将每个计算区域内的两个位移传感器检测的玻璃基板形变值和预设的供气单元中心的最大形变值代入二次曲线方程，得到初始形变曲线，根据步骤(2)的气膜压力分布计算模型得到供气单元气膜的理论压力，将压力传感器测得的实际压力和理论压力的差值代入比例积分计算公式得到形变高度调整值，根据形变高度调整值调整初始形变曲线并重新计算气膜的理论压力，直至实际压力与理论压力的误差在1％以内，此时的形变曲线表达式为最终的形变曲线，将各个计算区域最终的形变曲线拟合得到玻璃基板的形变曲线，根据玻璃基板的形变曲线得到玻璃基板的实际形变；

(4)判断玻璃基板实际形变和目标形变的差值是否小于预设值，若否则根据差值计算出控制量，根据控制量改变电磁阀正负编码组合和改变比例流量阀开口大小控制实际形变。

7.如权利要求1所述的具有形变控制功能的玻璃基板气浮装置的形变控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中具体为：针对计算单元，对x方向的Navier-Stokes方程简化，得到下式：

其中，p为气膜压力，μ为空气粘度，x和z分别代表气膜沿x方向和z方向的长度，u_x为x方向流速；

将z方向的Navier-Stokes方程可以简化为：

式中：u_z为z方向流速，对以上两式进行z方向上的积分并带入边界条件，边界条件为：u_x＝0,z＝0；u_x＝0,z＝h和u_z＝ω₀，z＝0；u_z＝0,z＝h；

可得到：

式中：h为气膜高度，ω₀为多孔质表面的平均流出速度；

笛卡尔坐标系下的连续性方程为：

式中：t为时间；

将得到的u_x和u_z带入到连续性方程中即可得气膜压力和高度之间的表达式如下：

8.如权利要求1所述的具有形变控制功能的玻璃基板气浮装置的形变控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中比例积分计算公式为：

Δh_c＝-K_p(e+K_i∑e)

其中e为实测压力与理论压力的差值，K_p为比例系数，K_i为积分系数，Δh_c是形变高度调整值。

9.如权利要求1所述的具有形变控制功能的玻璃基板气浮装置的形变控制方法，其特征在于，所述步骤(4)中将预测的玻璃基板实际形变与期望形变对比，根据两者的差值e(t)，PID控制器根据差值计算出控制量u(t)，计算公式如下：

其中，K_P为比例系数，T_I为积分时间常数，T_D为微分时间常数；

根据控制量来驱动不同位置的电磁阀工作，改变供气单元的正负压编码组合，从而改变作用力的方向，根据控制量改变比例流量阀的开口大小调整吸气流量，玻璃基板的形变随着流量和电磁阀组合的改变而发生变化，重新拟合步骤(3)中的形变曲线，根据拟合的形变曲线预测实际形变，直至实际形变和目标形变的差值小于预设值，完成形变控制。

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