氣流懸浮輸送技術(shù)的專利技術(shù)分析

張旭東 陳麗娟 朱明明

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南鄭州 450002）

氣流懸浮輸送技術(shù)的專利技術(shù)分析

張旭東 陳麗娟 朱明明

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南鄭州 450002）

氣流懸浮輸送技術(shù)屬于無(wú)接觸輸送方式中的一種，其通過(guò)氣流作用于被輸送物體，從而使物體與輸送裝置的表面無(wú)接觸，相較于傳統(tǒng)的輸送技術(shù)，其具有摩擦系數(shù)低、不損傷被輸送物體表面的優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展和改進(jìn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)自動(dòng)化生產(chǎn)線領(lǐng)域，而且出現(xiàn)了基于多種原理的氣流懸浮輸送技術(shù)。本文從專利文獻(xiàn)的角度出發(fā)，探討了該技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的技術(shù)發(fā)展路線，并對(duì)各個(gè)技術(shù)分支的特點(diǎn)做了簡(jiǎn)要的概括說(shuō)明，為相關(guān)領(lǐng)域的生產(chǎn)企業(yè)或者研究機(jī)構(gòu)提供一定的參考。

氣流；懸??；無(wú)接觸；輸送；搬運(yùn)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，自動(dòng)化生產(chǎn)流水線已逐漸應(yīng)用到各個(gè)生產(chǎn)企業(yè)中，從而取代傳統(tǒng)的繁重的人力勞動(dòng)。輸送裝置是自動(dòng)化流水線中必不可少的組成部分，但是，傳統(tǒng)的輸送裝置，比如帶式輸送、輥道輸送、滑道輸送等均不可避免地需要將被輸送物體與輸送裝置的表面進(jìn)行接觸，這就造成了物體在輸送的過(guò)程中對(duì)其接觸面產(chǎn)生磨損［1-2］。然而，隨著對(duì)物體的表面完整度、光潔度等要求越來(lái)越高，并且被輸送的物體的厚度也越來(lái)越薄，傳統(tǒng)的輸送方式已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)的實(shí)際需求。

氣流懸浮輸送技術(shù)由于其在輸送過(guò)程中以氣流為支撐介質(zhì)，從而將被輸送物體與輸送裝置表面分離，以無(wú)接觸的方式對(duì)物體進(jìn)行運(yùn)輸，從而極大地避免了對(duì)物體造成的損傷，尤其是在太陽(yáng)能電池、玻璃基板等生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛青睞［3］。然而，由于氣流懸浮輸送的摩擦系數(shù)很低且通常情況下氣流是流動(dòng)的狀態(tài)，因此，可能會(huì)增加物件在輸送過(guò)程中的不確定狀態(tài)，比如波動(dòng)、與側(cè)壁撞擊、粉塵污染、受力不均勻等情況。該技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了比較長(zhǎng)的時(shí)期，在其發(fā)展過(guò)程中技術(shù)人員不斷發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題并不斷做出改進(jìn)，目前已取得了較大的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外關(guān)于該技術(shù)的相關(guān)專利申請(qǐng)量已有約6000項(xiàng)，其中，日本在該技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展較快且較為完善。

1 流懸浮輸送技術(shù)的研究重點(diǎn)分布

氣流懸浮輸送技術(shù)由最初簡(jiǎn)單的氣流直吹浮起物件的方式開(kāi)始，通過(guò)不斷地改進(jìn)，現(xiàn)已出現(xiàn)了基于吸浮原理、多孔介質(zhì)原理、氣流渦旋原理、組合式氣流懸浮等多種技術(shù)分支［4-5］，本部分將對(duì)各個(gè)分支技術(shù)的特點(diǎn)以及國(guó)內(nèi)外關(guān)于該技術(shù)的專利技術(shù)發(fā)展進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析。

1.1 伯努利吸浮輸送

伯努利吸浮顧名思義，該技術(shù)是指利用了伯努利原理的技術(shù)。伯努利原理是流體力學(xué)中重要的原理，該原理表明流體的流速增大必然會(huì)伴隨流體壓力的降低。伯努利吸浮通常是由伯努利吸盤(pán)實(shí)現(xiàn)的，如圖1所示，伯努利吸盤(pán)通常具有一個(gè)壓縮氣體入口，壓縮氣體進(jìn)入吸盤(pán)并流向物件表面時(shí)，氣體的流速增大，導(dǎo)致氣體壓力降低，從而在物件上表面附近產(chǎn)生負(fù)壓，則物件的上下表面產(chǎn)生了壓差，此壓差抵消了物件自身的重力從而實(shí)現(xiàn)懸浮，伯努利吸盤(pán)是將物件從上方吸浮起來(lái)，吸盤(pán)與物件表面無(wú)接觸，二者之間的間隙可以由物件的重量自行調(diào)節(jié)。伯努利吸浮可以適用的物件較廣，對(duì)于易碎、柔軟、具有孔或者表面不均勻的工件都能實(shí)現(xiàn)吸浮。

圖1 伯努利吸浮原理示意圖

日本的FURORO MECHANIC公司在2005年開(kāi)發(fā)了一種用于吸持半導(dǎo)體晶片的伯努利吸盤(pán)，并申請(qǐng)了專利（JP2007067054A）。該裝置的特點(diǎn)在于：可以以無(wú)接觸的形式方便實(shí)現(xiàn)晶片的轉(zhuǎn)移，避免了對(duì)晶片表面的污染。

中國(guó)的上海星納電子科技有限公司于2013年設(shè)計(jì)了一款無(wú)接觸式晶片上料裝置（CN203165871），該上料裝置利用無(wú)接觸式吸盤(pán)裝置抓取晶片，吸盤(pán)采用伯努利原理。該裝置的特點(diǎn)在于：它不但實(shí)現(xiàn)了無(wú)痕抓取且對(duì)晶片的表面形狀沒(méi)有特別的要求。

1.2 氣旋吸浮輸送

伯努利吸浮方式雖然能夠達(dá)到無(wú)接觸輸送的效果，但是其需要消耗大量的壓縮氣體，因此，氣旋吸浮作為一種可以減少氣體消耗的吸浮方式應(yīng)運(yùn)而生，如圖2所示。氣旋吸浮輸送是利用氣流的回旋產(chǎn)生負(fù)壓從而達(dá)到吸浮的效果。氣旋吸浮輸送裝置通常具有一個(gè)可以產(chǎn)生氣旋的腔室，壓縮氣體沿切向方向進(jìn)入腔室產(chǎn)生氣旋，然后從腔室與物件之間的間隙流出，氣旋產(chǎn)生的負(fù)壓使得物件上下表面產(chǎn)生了壓差從而抵消物件的重力，達(dá)到無(wú)接觸懸浮的效果。

圖2 氣旋流吸浮原理示意圖

日本漢莫科技株式會(huì)社于2006年設(shè)計(jì)了一種非接觸搬運(yùn)裝置旋流形成體（JP2007324382A）。該旋流形成體的特別之處在于其具有兩個(gè)氣體旋流腔，兩個(gè)氣體旋流腔相切且相互連通，氣體由兩個(gè)旋流腔交接處的側(cè)壁噴入，從而導(dǎo)致兩個(gè)旋流腔中的氣旋方向相反，該裝置能夠很好地抑制被輸送物件的旋轉(zhuǎn)。

日本精工愛(ài)普生株式會(huì)社于2010年設(shè)計(jì)了一種非接觸保持體及非接觸保持柄（JP2011138877A）。該裝置的特點(diǎn)在于：在旋流腔的吸浮面上設(shè)置多個(gè)引導(dǎo)槽，引導(dǎo)槽沿著回旋流的回旋方向進(jìn)行卷繞，流入的氣體沿著卷繞方向進(jìn)行引導(dǎo)，從而使從開(kāi)口流出的氣體不與開(kāi)口周邊的氣體摩擦降低流速，能夠使回旋氣流產(chǎn)生的負(fù)壓穩(wěn)定，使得工件保持穩(wěn)定的姿態(tài)。此外，該裝置的創(chuàng)新之處還在于：在非接觸保持柄上設(shè)置成矩陣形的四個(gè)非接觸保持體，位于對(duì)角位置的保持體中氣旋方向相同，而位于邊上的保持體中氣旋方向相反，這種設(shè)置一方面增強(qiáng)了吸浮的效果，另一方面也避免了氣旋流與物件接觸時(shí)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力導(dǎo)致的物件旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

1.3 小孔型氣流懸浮輸送

小孔型氣流懸浮輸送技術(shù)是一種比較簡(jiǎn)單的懸浮形式，它通常包括壓縮氣源和具有多個(gè)氣孔的輸送表面，壓縮氣流通過(guò)氣孔直接正對(duì)物件表面噴射產(chǎn)生向上的推力以使物件懸浮。

韓國(guó)三發(fā)機(jī)電有限公司于2005年設(shè)計(jì)了一種基板傳送裝置（KR100527241B1）。該裝置的特點(diǎn)是：在物件的輸送表面安裝有多個(gè)氣體噴射單元和多個(gè)氣體抽吸單元，在使物件懸浮的同時(shí)還能使物件保持平展，另外，還包括一個(gè)換氣單元，該換氣單元分別通過(guò)導(dǎo)管連接噴射單元和抽吸單元，從而達(dá)到集成兩單元的目的。

日本翔鳳技術(shù)有限公司于2006年設(shè)計(jì)了一種空氣浮起單元、運(yùn)送方法以及空氣浮起運(yùn)送裝置（JP2006222209A）。該裝置的特點(diǎn)在于：在輸送表面的下游設(shè)置傾斜噴嘴，傾斜噴嘴從輸送表面的下游朝向中央噴出空氣，使得物件前端的懸浮量上升，從而達(dá)到防止物件在輸送表面的不連續(xù)處與其它部件發(fā)生干涉。

中國(guó)東莞宏威數(shù)碼機(jī)械有限公司于2009年設(shè)計(jì)了一種氣浮式基板輸送裝置（CN201626700U），該裝置的改進(jìn)在于將氣板上表面的噴氣量從中心向邊緣逐漸增大，解決了輸送過(guò)程中氣體容易集中在基板下部中心位置導(dǎo)致基板變形的問(wèn)題。

中國(guó)申請(qǐng)人黎鑫于2011年設(shè)計(jì)了一種氣懸浮傳送裝置（CN102363476A）。該裝置的改進(jìn)在于，將輸送表面的噴氣口設(shè)置為長(zhǎng)的縫隙結(jié)構(gòu)，可以克服傳統(tǒng)的點(diǎn)狀噴氣造成對(duì)物件的支撐力不連續(xù)的問(wèn)題，使工件的支撐力更加均衡，防止物件發(fā)生傾斜或者上下波動(dòng)現(xiàn)象。

1.4 多孔材質(zhì)型氣流懸浮輸送

小孔型氣流懸浮輸送雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是也存在固有的缺陷：直接噴射會(huì)導(dǎo)致物件中心產(chǎn)生較大的應(yīng)力，然而，隨著科技的不斷進(jìn)步，有些物件正朝著大型化和超薄化的方向發(fā)展，例如第10代玻璃基板的厚度僅有0.7mm，那么當(dāng)采用小孔型裝置輸送時(shí)極易對(duì)其造成損壞。多孔材質(zhì)型氣流懸浮輸送裝置是使用多孔質(zhì)材料（例如多孔質(zhì)燒結(jié)金屬、可透氣的陶瓷等）與氣體供給路徑連通，氣流經(jīng)過(guò)多孔質(zhì)材料噴射到物件表面，從而使氣流較為均勻地流出，避免產(chǎn)生較大的應(yīng)力。

日本SMC株式會(huì)社于2004年設(shè)計(jì)了一種工件漂浮裝置（JP2005191553 A），該裝置通過(guò)壓力流體向物件施加壓力以使物件懸浮并輸送，該裝置具有多孔質(zhì)材料構(gòu)成的懸浮表面。該專利技術(shù)的特點(diǎn)在于：增設(shè)了流量減少器，流量減小器可為環(huán)形槽或者表面凹凸，用于減小在保持表面和工件之間流動(dòng)的壓力流體的流速，從而增加保持表面和工件之間的壓力流體的壓力，達(dá)到減小氣流消耗量并提高工件漂浮穩(wěn)定性的目的。

1.5 渦流懸浮輸送

隨著生產(chǎn)的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的小孔型或者多孔材質(zhì)型由于無(wú)法精確控制物件的懸浮精度和高度，已逐漸不能滿足需要，探尋一種可以精確懸浮精度和高度的裝置成了大勢(shì)所趨。渦流懸浮輸送是指利用高速旋轉(zhuǎn)的氣旋作用于物件的下表面，使物件達(dá)到懸浮無(wú)接觸的一種技術(shù)。

日本翁令司工業(yè)股份有限公司于2009年設(shè)計(jì)了一種非接觸式搬運(yùn)裝置（WO2009119377A1），如圖3所示，該裝置包括渦流形成體1，渦流形成體1具有從表面貫通到里面的橫截面為圓形的貫通孔1a以及向貫通孔1a內(nèi)噴出空氣而產(chǎn)生渦流的噴出口1d。該裝置的特點(diǎn)在于：通過(guò)在渦流形成體的表面產(chǎn)生朝向上方的渦流使得被輸送物件懸浮，并且在貫通孔的開(kāi)口部產(chǎn)生的負(fù)壓會(huì)導(dǎo)致向下方的空氣流，產(chǎn)生真空吸附的效果用以保持物件上浮的高度和精度，同時(shí)與以往相比，降低了氣體消耗量和能耗。

1.6 改進(jìn)型渦流懸浮輸送

單一的渦流懸浮輸送雖然具有很大的優(yōu)勢(shì)，但在使用中也存在一定的問(wèn)題，比如當(dāng)搬運(yùn)大型面板（比如FPD面板和太陽(yáng)能電池面板）時(shí)，當(dāng)被輸送物被上升渦流作用一邊懸浮一邊移動(dòng)的過(guò)程中，一方面，若被輸送物的邊緣部位處于上升渦流的中心部位，被輸送物與渦流形成體僅有部分重疊，可能導(dǎo)致被輸送物因浮力不足而與渦流形成體接觸；另一方面，由于貫通孔中心附近產(chǎn)生負(fù)壓導(dǎo)致向下方的吸附力，若被輸送物為剛性較小的薄板，薄板的邊緣部位極有可能發(fā)生彎曲而與基體或者渦流形成體觸碰發(fā)生危險(xiǎn)。因此，國(guó)內(nèi)外對(duì)渦流懸浮輸送做了很多改進(jìn)。

圖3 接觸式搬運(yùn)裝置示意圖

日本翁令司工業(yè)股份有限公司于2009年設(shè)計(jì)了一種渦流形成體和非接觸式運(yùn)送裝置（WO2010004800A1），如圖4所示，該裝置的渦流形成體1包括橫截面為圓形的從表面貫通到里面的貫通孔11、第一噴出口14和第二噴出口16；第一噴出口14沿貫通孔11內(nèi)周側(cè)面噴出氣體，產(chǎn)生上升渦流，同時(shí)在貫通孔11的開(kāi)口附近產(chǎn)生由負(fù)壓導(dǎo)致的向里的空氣流；第二噴出口16向上方噴出上升流。該裝置相對(duì)于普通的渦流懸浮輸送裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)被輸送物的邊緣部位與渦流形成體1部分重疊時(shí)，可由第二噴出口16噴出的上升氣流對(duì)被輸送物增加輔助的浮力，以避免被輸送物與其他部件接觸而產(chǎn)生危險(xiǎn)。

圖4 渦流形成體和非接觸式運(yùn)送裝置

浙江大學(xué)于2013年設(shè)計(jì)了一種氣旋流懸浮裝置（CN103662835A），如圖5所示。該裝置包括懸浮平面1，懸浮平面1設(shè)置有通過(guò)氣體旋流產(chǎn)生負(fù)壓的向內(nèi)凹的旋流腔2，旋流腔2橫截面為圓形且底部開(kāi)有連通大氣的通孔3，旋流腔2內(nèi)壁設(shè)有噴嘴4，噴嘴4沿壁面切線方向噴射氣流以形成旋流。該裝置的優(yōu)勢(shì)在于：旋流中心產(chǎn)生的負(fù)壓從上述通孔3中吸入氣流以增加支撐物件懸浮所需的氣量并減小負(fù)壓對(duì)物件向下的吸力作用，防止被輸送物件與其它部件相接觸而產(chǎn)生危險(xiǎn)，并且各個(gè)通孔3由管道進(jìn)行連接，管道上安裝流量調(diào)節(jié)閥，通過(guò)對(duì)吸入氣體流量的調(diào)節(jié)來(lái)調(diào)整物件的懸浮高度與精度。

圖5 氣旋流懸浮裝置

圖6 上升流形成體及使用該上升流形成體的非接觸運(yùn)送裝置

1.7 其它類(lèi)型的懸浮輸送

針對(duì)小孔型懸浮易產(chǎn)生局部應(yīng)力集中的問(wèn)題，渦流懸浮產(chǎn)生的負(fù)壓易引起被輸送物端部與其他物件接觸產(chǎn)生的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)還同時(shí)尋找了其它類(lèi)型的懸浮輸送形式。

日本翁令司工業(yè)股份有限公司于2011年設(shè)計(jì)了一種上升流形成體及使用該上升流形成體的非接觸運(yùn)送裝置（WO2012086279A1），如圖6所示，上升流形成體包括有底的且具有圓筒內(nèi)壁面的圓筒狀基體部7c，至少一個(gè)流體噴出孔7j，流體噴出孔從圓筒狀基體部的外周面向圓筒內(nèi)壁面開(kāi)口并且頂端部朝向該圓筒狀基體部的中心。該裝置的特點(diǎn)在于：從流體噴出孔噴出的氣體與圓筒內(nèi)壁面或者與其它噴出口噴出的氣體相碰撞，使氣體的噴出速度下降并且成為噴霧狀分散的上升流，可極大抑制氣流對(duì)被輸送物件產(chǎn)生的應(yīng)力、減小被輸送物的振幅并且增大被輸送物的懸浮量。此外，還可以在上升流形成體的周?chē)O(shè)置吸引孔將周?chē)目諝獬檎婵找跃_控制被輸送物的懸浮高度。

2 氣流懸浮輸送技術(shù)的發(fā)展方向

隨著科技的日益發(fā)展，對(duì)于輸送裝置的要求也越來(lái)越高，尤其是在LCD、FPD和太陽(yáng)能電池板等生產(chǎn)領(lǐng)域中，氣流懸浮輸送技術(shù)作為一種無(wú)接觸輸送方式正在得到越來(lái)越普遍的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外都進(jìn)行了大量的研究，其中國(guó)內(nèi)相關(guān)的專利申請(qǐng)已達(dá)到2000多項(xiàng)，國(guó)外的專利申請(qǐng)也有3000多項(xiàng)，日本在該項(xiàng)技術(shù)的研究較為全面，其中日本的翁令司工業(yè)股份有限公司、哈莫技術(shù)股份有限公司、SMC株式會(huì)社等研究較多。

從國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來(lái)看，主要是偏重于氣體旋流方面的研究，在該方面需要解決的問(wèn)題主要是如何更加精確地控制被輸送物件的懸浮高度，如何更加方便地利用上升旋流中心產(chǎn)生的負(fù)壓的吸附作用而又避免該負(fù)壓對(duì)被輸送物件造成損害，以及如何進(jìn)一步節(jié)約氣流的消耗量和輸送能耗。此外，進(jìn)一步探索不同種類(lèi)的懸浮輸送技術(shù)的結(jié)合，將各種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)相互配合達(dá)到取長(zhǎng)補(bǔ)短的效果也將成為未來(lái)的發(fā)展方向之一。

［1］王濤，楊玉貴，彭光正.半導(dǎo)體及平板顯示制造業(yè)中的空氣非接觸搬運(yùn)技術(shù)［J］.液晶與顯示，2009，24（3）：404-407.

［2］羅清岳.非接觸性大型玻璃基板搬運(yùn)技術(shù)［J］.國(guó)際光電與顯示，2007（6）：61-63.

［3］門(mén)連通，白淑璠.非接觸式搬運(yùn)設(shè)備在液晶物流中的應(yīng)用［J］.物流技術(shù)，2006（5）：27-29.

［4］阮曉東，郭麗媛，傅新，鄒俊.旋渦式非接觸硅片夾持裝置的流動(dòng)計(jì)算及試驗(yàn)研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46（16）：189-194.

［5］鐘偉，劉昊，陶國(guó)良，黎鑫，香川利春.多孔介質(zhì)氣懸浮氣膜壓力特性建模及試驗(yàn)研究［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2012，46（4）：616-621.

Analysis on the Patent Technology of the Flow Air Suspension Conveying

Zhang XudongChen LijuanZhu Mingming
（Patent Examination Cooperation Henan Center of The Patent Office，SIPO，Zhengzhou Henan 450002）

The technology of the flow air suspension conveying is one kind of the non-contact conveying，in which the object is transported by air acting on its surface，so that the surface of the object has non-contact with the surface of the conveyor.Comparing with the traditional conveying technology，the technology of the flow air suspension conveying has a low coefficient of friction and does not damage the surface of the object.The technology has been developed and improved for a long time，it has been widely used in various areas of the automatic pipelines now.At the same time，a variety of technology of the flow air suspension conveying based on various principles comes out.From the perspective of the patents，we discussed the developing route of the technology in China and foreign countries，and the characteristics of the various branches of the technology are briefly summarized to provide

for the company or research institutions in related fields.

air；suspension；non-contact；convey；transport

TH48

A

1003-5168（2016）07-0085-04

2016-6-28

張旭東（1989-），男，碩士，研究實(shí)習(xí)員；研究方向：機(jī)械領(lǐng)域發(fā)明申請(qǐng)的實(shí)質(zhì)審查；陳麗娟（1988-），女，碩士，研究實(shí)習(xí)員；研究方向：機(jī)械領(lǐng)域發(fā)明申請(qǐng)的實(shí)質(zhì)審查，等同于第一作者。