液晶玻璃光學(xué)檢測(cè)儀器氣浮板研究設(shè)計(jì)*

李程偉，王曉夢(mèng)，易嘉靖

(合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，合肥 230009)

液晶玻璃光學(xué)檢測(cè)儀器氣浮板研究設(shè)計(jì)*

李程偉，王曉夢(mèng)，易嘉靖

(合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，合肥 230009)

為了比較通孔陣列不同排布方式對(duì)氣膜壓力、速度分布的影響，運(yùn)用氣體潤(rùn)滑理論以及空氣靜壓軸承設(shè)計(jì)的相關(guān)理論，對(duì)毛細(xì)管節(jié)流模型進(jìn)行理論分析，得到液晶玻璃氣浮流場(chǎng)壓力的計(jì)算公式。基于毛細(xì)管節(jié)流的平面靜壓氣體支承的對(duì)稱性，利用Gambit建立均勻和非均勻毛細(xì)管陣列氣浮軸承的三維模型和劃分網(wǎng)格，利用Fluent進(jìn)行數(shù)值仿真，得到氣膜的壓力分布。在氣浮系統(tǒng)其他幾何參數(shù)不變的情況下，分析比較均勻和非均勻毛細(xì)管陣列以及供氣壓力對(duì)氣浮支承靜態(tài)特性的影響，結(jié)果得出均勻毛細(xì)管陣列靜態(tài)特性更優(yōu)，從而根據(jù)研究結(jié)果設(shè)計(jì)出均勻毛細(xì)管陣列的液晶玻璃光學(xué)檢測(cè)儀器的氣浮支承平臺(tái)。

氣浮支承；毛細(xì)管節(jié)流；靜態(tài)特性；Fluent仿真

0 引言

當(dāng)前平板顯示技術(shù)與器件處于飛速發(fā)展時(shí)期，以TFT-LCD為代表的平板顯示技術(shù)正快速替代傳統(tǒng)彩色顯像管(CRT)為代表的傳統(tǒng)顯示技術(shù)[1]。液晶玻璃平板在線檢測(cè)過(guò)程中對(duì)承載方式有很高的要求，任何3μm以上的劃痕和污物都會(huì)影響最終顯示屏的顯像質(zhì)量并導(dǎo)致次品的產(chǎn)生，因而檢測(cè)過(guò)程中工件運(yùn)載最合適的方案是采用基于靜壓氣浮技術(shù)的非接觸承載傳輸。靜壓氣浮平臺(tái)通過(guò)平臺(tái)與玻璃基板之間形成一層具有一定剛度的氣膜來(lái)承載玻璃基板的重量，如果設(shè)計(jì)的氣浮系統(tǒng)的穩(wěn)定性不佳，出現(xiàn)壓力波動(dòng)，氣浮平臺(tái)在工作中會(huì)產(chǎn)生震蕩，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)氣錘現(xiàn)象，這將使得高分辨的光學(xué)鏡頭無(wú)法獲得玻璃基板清晰的成像。

氣浮平臺(tái)作為液晶玻璃平板的重要載體，氣膜表面壓力的均勻性是其性能的重要指標(biāo)，氣浮平臺(tái)所消耗的質(zhì)量流量是影響經(jīng)濟(jì)性的重要因素。在氣浮支承研究領(lǐng)域，趙宗琴[2]比較了毛細(xì)管階梯腔動(dòng)靜壓軸承的階梯腔深度變化對(duì)氣膜壓力分布的影響,并求出具有最佳階梯效應(yīng)的滑動(dòng)軸承的階梯腔深度； Hee-Do Jang等[3]提出了了一種改進(jìn)的高速穩(wěn)定的空氣靜壓軸承(轉(zhuǎn)子系統(tǒng)主動(dòng)磁軸承；張?jiān)诖旱萚4]分析了不同偏心率和供氣壓力對(duì)軸承承載能力和剛度的影響；李國(guó)芹等[5]利用Fluent數(shù)值仿真分析了節(jié)流孔數(shù)和氣膜厚度對(duì)軸承承載力的影響。趙建軍等[6]也分別利用Fluent對(duì)氣體軸承的特性進(jìn)行了數(shù)值仿真，黃斌等對(duì)一種氣浮平臺(tái)的氣膜流場(chǎng)特性進(jìn)行了研究[7-10]。這些研究大部分是針對(duì)大承載雙向氣體軸承且沒(méi)有關(guān)于毛細(xì)管陣列排布規(guī)律對(duì)氣膜壓力穩(wěn)定性的研究，本文研究的用于支承液晶玻璃平板的氣膜壓力低且是單向，穩(wěn)定性要求高，并且要求氣膜流場(chǎng)壓力分布和速度分布平緩，以防止玻璃基板變形，針對(duì)液晶玻璃平板在線檢測(cè)儀器氣浮傳輸系統(tǒng)，利用Fluent仿真技術(shù)研究氣浮面板上噴氣孔排布方式、供氣壓力對(duì)氣膜流場(chǎng)特性的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)液晶玻璃氣浮支承系統(tǒng)。

1 氣浮系統(tǒng)特性計(jì)算

1.1 毛細(xì)管節(jié)流器工作原理

毛細(xì)管節(jié)流器具有節(jié)流和降壓的效果，是氣浮系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，其構(gòu)造如圖1所示：當(dāng)氣體從中流過(guò)時(shí)，產(chǎn)生一定壓降，壓降通常與流過(guò)氣體的流量正相關(guān)。當(dāng)載荷增大時(shí)，氣膜厚度減小，氣體沿周邊的泄漏阻力增大，流量下降，節(jié)流器的壓降也減小，使得節(jié)流器出口處壓強(qiáng)相應(yīng)增大，以平衡增大的載荷，使系統(tǒng)處于新的平衡位置，因此節(jié)流器也是一種承載力調(diào)節(jié)控制元件。節(jié)流器能對(duì)靜壓氣膜入口壓力起到補(bǔ)償作用，使之能適應(yīng)外界條件的變化而保持穩(wěn)定，從而使靜壓氣膜具有良好的靜態(tài)承載能力和剛度。

圖1 毛細(xì)管節(jié)流系統(tǒng)示意圖

1.2 理論計(jì)算

為了得到氣膜中壓力與承載力的分布規(guī)律，運(yùn)用氣體潤(rùn)滑理論以及空氣靜壓軸承設(shè)計(jì)的相關(guān)理論，對(duì)毛細(xì)管節(jié)流模型進(jìn)行理論分析。本文中氣膜中氣體流速馬赫數(shù)小于0.3，潤(rùn)滑流動(dòng)可視為不可壓縮流，即流體密度ρ保持不變，又為層流動(dòng)過(guò)程可視為恒溫，滿足簡(jiǎn)化分析條件[11]，即①加速度引起的慣性力遠(yuǎn)小于粘性引起的內(nèi)摩擦力，可以忽略不計(jì)；②氣膜中任一點(diǎn)均滿足層流條件；③垂直于氣流流動(dòng)方向的任何截面上壓力均恒定；④氣體與氣浮板的接觸處不存在滑動(dòng)。得到簡(jiǎn)化的諾維-斯托克斯方程：

(1)

將式(1)進(jìn)行兩次積分并進(jìn)行分離變量、積分得氣膜壓降方程，從通孔出口邊緣積分到r處：

(2)

式中，Pt為通孔出口壓力，往往也是氣膜內(nèi)壓力的峰值。其中還暗含著這樣的邊界條件：r=a/2時(shí)，p=Pout，即：

(3)

式(2)除以式(3)得：

(4)

模型中方形氣膜的承載力略高于半徑為a/2的圓盤形氣膜，將式(2)代入圓盤形氣膜承載力計(jì)算公式[11]，再除以支承面積a2得到單元?dú)饽さ钠骄休d力，化簡(jiǎn)得：

(5)

由于供氣壓力較低，氣體流速較慢，流動(dòng)中發(fā)熱少，金屬制成的毛細(xì)管散熱很快，流過(guò)毛細(xì)管的過(guò)程可視為恒溫，毛細(xì)管的長(zhǎng)徑比足夠大時(shí)，由式(2)可得圓形截面毛細(xì)管節(jié)流的質(zhì)量流量m為：

(6)

由式(2)可得毛細(xì)管進(jìn)口壓力Pa、出口壓力Pd：

(7)

(8)

通過(guò)計(jì)算由式(8)可以看出穩(wěn)定后氣膜中的壓力分布應(yīng)近似為一條逐步下降的負(fù)自然對(duì)數(shù)曲線，在毛細(xì)管出口處壓力處于峰值，并且隨著供氣壓力的增大而增大。式(5)表明單元?dú)饽さ钠骄休d力與氣膜內(nèi)壓力峰值和出口壓力之差成正比。

2 數(shù)值仿真

2.1 毛細(xì)管陣列的影響

本文氣浮模型具有對(duì)稱性，在Gambit中只需建構(gòu)1/4的氣浮板支承模型。模型的重要參數(shù)包括毛細(xì)管長(zhǎng)度50mm、半徑60μm，1/4氣膜長(zhǎng)275mm，寬40mm，基于此建模思想，以通孔均勻分布為例，在Gambit中建構(gòu)的劃分好網(wǎng)格氣浮板支承模型，設(shè)置好邊界條件后導(dǎo)出msh文件。

通孔在氣浮板上一般呈陣列排布，從陣列間距變化角度而言，可分為如均勻陣列和非均勻陣列，本文將比較均勻和非均勻陣列對(duì)氣浮支承特性的影響。非均勻陣列排布是指隨著陣列所處的位置不同，陣列間的間距不同，以圖1所示的模型為藍(lán)本，確定如下三種代表模型：①橫向四排通孔陣列兩兩間距均為20mm，代表a型均勻陣列；②中間兩排孔間距為20mm，各自與外側(cè)陣列間距為25mm，代表b型內(nèi)密外疏陣列；③中間兩排孔間距25mm，各自與外側(cè)陣列間距20mm，代表c型內(nèi)疏外密陣列；縱向通孔陣列的間距則均保持25mm不變，以b型通孔陣列為例，示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 b型通孔陣列示意圖

將Gambit劃分好的網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent由于三維模型氣體流動(dòng)復(fù)雜，整體構(gòu)建壓力云圖難以清晰的展示氣膜內(nèi)壓力分布的細(xì)節(jié)，所以選擇在氣膜中間層做出若干特征路徑，以這些路徑上的壓力、速度分布反映氣膜內(nèi)的壓力、速度分布。考慮到通孔的三種陣列形式，確定如圖3所示分別對(duì)應(yīng)著各模型中橫、縱向通孔陣列及陣列中心線位置的特征路徑。

對(duì)這三種模型進(jìn)行仿真計(jì)算，當(dāng)氣膜頂層的平均壓力達(dá)到24.5Pa，即能支撐一塊液晶玻璃板的負(fù)載時(shí)，各模型橫向通孔陣列及中心線處壓力分布曲線分別見(jiàn)圖3、圖4所示，縱向通孔陣列及中心線處壓力分布曲線分別見(jiàn)圖5、圖6所示。

圖3 橫向通孔陣列處壓力分布 圖4 橫向通孔陣列中心線處壓力分布

圖5 縱向通孔陣列處壓力分布 圖6 縱向通孔陣列中心線處壓力分布

在上面四幅壓力分布圖中，曲線“a1”和“ax1”分別代表a模型中“y=y1”和“x=x1”特征路徑上的壓力分布，其余曲線含義以此類推。通過(guò)這四幅圖本身及相互對(duì)比可看到，就三組模型下氣膜橫、縱兩向壓力分布對(duì)比而言，分布曲線的宏觀走勢(shì)基本相同，但在細(xì)節(jié)上有差別，這是由于三組模型的壓力分布都呈負(fù)對(duì)數(shù)曲線分布，但不同排布方式毛細(xì)管之間的距離不同。a型均勻陣列處橫向壓力波動(dòng)幅度最小，b型內(nèi)密外疏陣列橫向壓力波動(dòng)幅度最大，a型均勻陣列處縱向內(nèi)外壓力平臺(tái)間差值最小，b型內(nèi)密外疏陣列縱向內(nèi)外壓力平臺(tái)間差值最大。這是因?yàn)閍型均勻排布，毛細(xì)管間距相同，使得每列毛細(xì)管之間壓力分布趨于一致。總體上，a型陣列下氣膜壓力分布狀況較好。

此外，氣膜流速過(guò)快也會(huì)在一定程度上影響支承的穩(wěn)定性，而由于氣壓較低，三組模型下氣膜流速均較為緩慢，不會(huì)影響支承，以c模型為例，如圖7所示，與壓力分布類似，陣列處通孔出口速度波動(dòng)很大，陣列中心線處速度則要平穩(wěn)很多，不過(guò)氣膜整體流速很低，對(duì)氣浮支承的穩(wěn)定性影響很小。

(a)橫向速度分布

(b)縱向速度分布圖7 模型c中氣膜橫向與縱向速度分布

三種模型支承負(fù)載為單塊液晶玻璃板時(shí)，所需的供氣壓力及產(chǎn)生的質(zhì)量流量見(jiàn)表1。易看出，相同負(fù)載情況下，三種陣列模型所需的供氣壓力及產(chǎn)生的質(zhì)量流量差別不大，其中a模型所需供氣壓力和產(chǎn)生質(zhì)量流量均最小，可見(jiàn)均勻陣列支承在經(jīng)濟(jì)性上更有優(yōu)勢(shì)。

表1 三種模型所需供氣壓力及產(chǎn)生質(zhì)量流量

氣膜性能模型代號(hào) 供氣壓力P0(kPa)質(zhì)量流量Q(×10-06kg/s)氣膜平均壓力P(Pa)a10．81．595124．389b12．81．900424．509c11．81．747324．479

2.2 供氣壓力的影響

如表1所示，顯然支承單塊液晶玻璃板時(shí)所需的供氣壓力較低，這就必須考慮供氣壓力波動(dòng)對(duì)氣膜壓力分布帶來(lái)的影響。以a模型均勻陣列在表1所示的壓力值附近，以200Pa(2%)為間隔小幅變動(dòng)供氣壓力，a模型橫向通孔陣列及中心線處壓力分布曲線分別見(jiàn)圖8、圖9所示，縱向通孔陣列及中心線處壓力分布曲線分別見(jiàn)圖10、圖11所示,以及氣膜面上的壓力分布云圖見(jiàn)圖12所示。

圖8 橫向通孔陣列處壓力分布 圖9 橫向通孔陣列中心線處 壓力分布

圖10 縱向通孔陣列處壓力分布 圖11 縱向通孔陣列中心線處 壓力分布

圖12 氣膜面壓力云圖

仿真發(fā)現(xiàn)均勻型陣列橫、縱向壓力分布基本一致，氣膜質(zhì)量流量、平均壓力與供氣壓力間關(guān)系基本一致，均為近似線性；這與理論分析一致，同一個(gè)模型下，壓力分布都是相同的，隨著供氣壓力的增大氣膜壓力也隨之增大。且三種模型下質(zhì)量流量與平均壓力的變化率也基本一致，供氣壓力每增大200Pa，前者約增大3×10-8kg/s，后者約增大0.4Pa，如表2。

表2 不同供氣壓力產(chǎn)生的質(zhì)量流量和平均壓力

氣膜性能供氣壓力P(kPa) 質(zhì)量流量Q(×10-06kg/s)氣膜平均壓力P(Pa)10．61．564323．99810．81．595124．389111．627124．792

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)氣浮板支承流場(chǎng)模型的建模和仿真，對(duì)比了均勻、內(nèi)密外疏及內(nèi)疏外密三類陣列以及均勻型陣列不同供氣壓力下氣膜壓力分布、質(zhì)量流量等性能，得出以下結(jié)論：①氣浮支承性能方面，均勻型陣列的表現(xiàn)優(yōu)勢(shì)明顯；②在經(jīng)濟(jì)性方面，均勻型陣列所需供氣壓力和產(chǎn)生質(zhì)量流量均最少；③在滿足所需承載力的基礎(chǔ)上，得到供氣壓力為10.8kPa；故綜合以上三點(diǎn)，氣浮板上通孔排布宜采用均勻陣列為佳，陣列間距20mm，采用10.8kPa的供氣壓力。

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(編輯 李秀敏)

Research Design for Air Floating Plate of LCD Glass Optical Detection Instrument

LI Cheng-wei, WANG Xiao-meng, YI Jia-jing

(School of Instrument Science and Opto-electronics Engineering,HeFei University of Technology,Hefei 230009, China)

In order to compare the influence of different hole array configuration mode to the gas film pressure and the velocity distribution,to study the static performance of flat static pressure gas bearing, using the gas lubrication theory and related theory of aerostatic bearing design, theoretical analysis of capillary throttle model and the pressure calculation formula were obtained. Based on the symmetry of capillary throttle plane static pressure gas bearing, using Gambit to establish uniform and non-uniform 3D model of capillary array gas bearing and division of grid, and using Fluent software to do numerical simulation, gas bearing film pressure distribution was obtained. Under the condition of other geometrical parameters were invariable, analyzing and comparing the uniform and non-uniform capillary array, and the influence of gas pressure on the static characteristic of gas bearing. The results was uniform capillary array had better static characteristic. Thus, we design a uniform plane static pressure gas bearing of capillary array according to the results of the study.

flat static pressure bearing;capillary throttle;static characteristic;Fluent simulation

1001-2265(2017)02-0014-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.02.004

2016-05-10；

2016-06-13

國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)(2013YQ220749)

李程偉(1991—)，男，安徽安慶人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)閮x器及裝備精度保障技術(shù)，(E-mail)836277034@qq.com。

TH122;TG65

A