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                        柔性屏超聲波清洗設備機械系統的設計與研究

                        添加時間:2020/06/03 來源:未知 作者:論文定制
                        本課題主要來源于攻讀專業碩士期間校企聯合培養的企業課題,研究的是北京清大天達光電科技股份有限責任公司為京東方設計制造的第 10.5 代基于柔性屏玻璃基板的超聲波清洗設備.
                        以下為本篇論文正文:

                          摘要

                          柔性屏是以玻璃基板作為基底,其中玻璃基板的潔凈度對于柔性屏的良品率起著關鍵的作用.玻璃基板表面懸浮顆粒的去除是決定潔凈度的關鍵因素,而傳統清洗技術已不能滿足產品加工精度的要求,所以為了達到最好的清洗效果,使用超聲波清洗設備對玻璃基板表面進行清潔.清洗的原理是設備內清洗頭的壓力腔產生的"氣刀"將玻璃基板表面包裹懸浮顆粒的附著層破壞,使其分離,最后被真空腔吸走.因此能否順利使超聲波清洗設備完成清洗動作,需要對設備的機械系統進行設計以及系統內關鍵零部件進行校核.具體研究內容如下:

                          首先,本課題從超聲波清洗設備的總體結構出 發詳細闡述了超聲波清洗設備系統組成、設備的性能指標及設備的運行原理.并通過對設備清洗頭結構的分析,闡明了設備的空氣循環原理、清洗原理.通過建立超聲波發生器橫截面的模型,分析了超聲波的透射原理及匯聚原理,加深了對設備清洗原理的理解.

                          其次,主要利用模塊化的設計思想分別對超聲波清洗設備的機械系統進行設計.主要包括:針對傳統升降機構工作原理和優缺點,提出選擇傳動精度較高的單驅動四升降的升降機構,對升降機構的動力系統、齒輪齒條和定位精度進行設計計算.并對升降系統的關鍵零部件進行了靜力學分析.本文針對傳統傳動結構的優缺點,提出傳動結構使用線性模塊進行傳動,通過所選設計結構,對線性模塊的撓度進行了校核,通過有限元分析對傳動軸的強度和剛度進行校核.并對其它關鍵支撐零部件進行靜力學分析.本文對支撐結構和頂銷結構進行模態分析,利用多目標優化法對型材優化設計,優化后的參數滿足設計要求.

                          最后,對實驗機進行裝配,利用超聲波清洗設備的清洗原理,在試驗樣機上驗證設備的清洗性能.通過改變試驗工況條件,對玻璃基板上的顆粒進行去除,計算各個工況清洗前后顆粒的除去率,通過對比,選出最佳工況,完成對清洗性能的驗證.

                          關鍵詞:超聲波清洗,結構設計,靜力學分析,模態分析,多目標優化

                          ABSTRACT

                          AMOLED display uses a glass substrate as the material, and the cleanliness of the glasssubstrate plays a key role in the yield of the flexible screen. The removal of suspendedparticles on the surface of the glass substrate is a key factor in determining the cleanliness.However, the conventional cleaning technology can not meet the requirements of productprocessing accuracy. Therefore, in order to achieve the best cleaning effect, the surface of theglass substrate is cleaned by using an ultrasonic cleaning device. The principle of cleaning isthat the "air knife" generated by the pressure chamber of the cleaning head in the devicedestroys the adhesion layer of the suspended particles on the surface of the glass substrate,separates it, and is finally sucked away by the vacuum chamber. Therefore, whether theultrasonic cleaning equipment can smoothly perform the cleaning operation requiresdesigning the mechanical system of the equipment and checking the key components in thesystem. The specific research contents are as follows:

                          First of all, this topic elaborates the composition of the ultrasonic cleaning equipmentsystem, the performance index of the equipment and the operating principle of the equipmentfrom the overall structure of the ultrasonic cleaning equipment. Through the analysis of thestructure of the equipment cleaning head, the principle of air circulation and cleaningprinciple of the equipment are clarified. By establishing a model of the cross section of theultrasonic generator, the transmission principle and convergence principle of the ultrasonicwave are analyzed, and the understanding of the principle of equipment cleaning is deepened.

                          Secondly, the mechanical design of the ultrasonic cleaning equipment is designedseparately by using the modular design idea. It mainly includes: aiming at the workingprinciple and advantages and disadvantages of the traditional Lifting mechanism it proposesto select the single-drive four-lifting Lifting mechanism with high transmission precision, and design and calculate the power system, gear rack and positioning accuracy of the Liftingmechanism. Static analysis of key components of the lifting system was carried out. In viewof the advantages and disadvantages of the traditional transmission structure, this paperproposes that the transmission structure uses a linear module for transmission. Through theselected design structure, the deflection of the linear module is checked, and the strength andstiffness of the transmission shaft are checked by finite element analysis. Static analysis ofother key support components. In this paper, the modal analysis of the supporting structureand the top pin structure is carried out, and the multi-objective optimization method is used tooptimize the design of the profile, and the optimized parameters meet the designrequirements.

                          Finally, the experimental machine was assembled, and the cleaning performance of theequipment was verified on the test sample by using the cleaning principle of the ultrasoniccleaning equipment. By changing the conditions of the test conditions, the particles on theglass substrate were removed, and the removal rate of the particles before and after cleaningin each working condition was calculated. By comparing, the best working conditions wereselected to verify the cleaning performance.

                          Keywords: Ultrasonic cleaning, Structural design, Static analysis, Modal analysis,Multi-objective optimization

                          目 錄

                          1 緒論 ................................................................................................................. 1

                          1.1 課題的研究背景 ....................................................................................................... 1

                          1.2 國內外研究現狀 ....................................................................................................... 3

                          1.2.1 超聲清洗技術國內外研究現狀 .................................................................... 3

                          1.2.2 超聲清洗技術的方式及特點 ........................................................................ 4

                          1.2.3 玻璃基板的清洗技術及相關設備研究現狀 ................................................ 6

                          1.3 課題研究的意義 ....................................................................................................... 9

                          1.4 本課題研究的主要內容 ......................................................................................... 10

                          2 超聲波清洗設備的系統組成及清洗原理 ................................................... 11

                          2.1 引言 ......................................................................................................................... 11

                          2.2 超聲波清洗設備的系統組成 ................................................................................. 11

                          2.2.1 超聲波清洗設備的主要技術參數 .............................................................. 12

                          2.2.2 超聲波清洗設備的工作原理 ...................................................................... 12

                          2.3 設備的清洗原理 ..................................................................................................... 13

                          2.3.1 空氣循環原理 .............................................................................................. 14

                          2.3.2 清洗原理 ...................................................................................................... 14

                          2.3.3 超聲波透射原理 .......................................................................................... 16

                          2.3.4 超聲波匯聚原理 .......................................................................................... 19

                          2.4 本章小結 ................................................................................................................. 21

                          3 超聲波清洗設備升降機構設計及相關零部件靜力學分析 ...................... 22

                          3.1 引言 ......................................................................................................................... 22

                          3.2 升降機構的設計 ..................................................................................................... 22

                          3.2.1 升降機構動力系統設計 .............................................................................. 25

                          3.2.2 升降機構齒輪齒條的設計 .......................................................................... 27

                          3.2.3 升降機構定位精度的分析 .......................................................................... 29

                          3.3 玻璃基板變形量的靜力學分析 ............................................................................. 31

                          3.3.1 靜力學分析相關理論 .................................................................................. 31

                          3.3.2 薄板假設理論 .............................................................................................. 32

                          3.3.3 玻璃基板變形量靜力學分析 ...................................................................... 32

                          3.4 單根支撐型材靜力學分析 ..................................................................................... 35

                          3.5 頂銷結構的設計及靜力學分析 ............................................................................. 38

                          3.5.1 頂銷結構的設計 .......................................................................................... 38

                          3.5.2 頂銷結構設計原則 ...................................................................................... 39

                          3.5.3 頂銷結構的靜力學分析 .............................................................................. 39

                          3.6 本章小結 ................................................................................................................. 41

                          4 超聲波清洗設備傳動系統結構設計及靜力學分析 ................................... 43

                          4.1 引言 ......................................................................................................................... 43

                          4.2 傳動結構的設計 ..................................................................................................... 43

                          4.2.1 線性模塊設計計算 ...................................................................................... 45

                          4.2.2 傳動結構動力系統設計 .............................................................................. 48

                          4.3 傳動系統傳動軸的強度及剛度校核 ..................................................................... 50

                          4.4 本章小結 ................................................................................................................. 53

                          5 支撐系統關鍵零部件靜力學分析及其它輔助機構的設計 ...................... 54

                          5.1 引言 ......................................................................................................................... 54

                          5.2 陰刻臺板的結構設計 ............................................................................................. 54

                          5.2.1 陰刻臺板工藝分析 ...................................................................................... 54

                          5.2.2 陰刻臺板的靜力學分析 .............................................................................. 55

                          5.3 支撐結構的靜力學分析 ......................................................................................... 57

                          5.4 其它輔助結構的設計 ............................................................................................. 62

                          5.5 本章小結 ................................................................................................................. 65

                          6 超聲波清洗設備關鍵零部件的優化設計及清洗性能驗證 ...................... 66

                          6.1 引言 ......................................................................................................................... 66

                          6.2 關鍵零部件的模態分析 ......................................................................................... 66

                          6.2.1 模態分析原理 .............................................................................................. 66

                          6.2.2 支撐結構的模態分析 .................................................................................. 67

                          6.2.3 頂銷結構的模態分析 .................................................................................. 69

                          6.3 關鍵零部件多目標優化 ......................................................................................... 70

                          6.3.1 優化設計的一般過程 .................................................................................. 70

                          6.3.2 優化設計的數學模型 .................................................................................. 71

                          6.3.3 ANSYS Workbench 多目標優化概述 ......................................................... 71

                          6.3.4 頂銷結構單根型材的多目標優化 .............................................................. 72

                          6.4 清洗性能實驗 ......................................................................................................... 78

                          6.5 本章小結 ................................................................................................................. 88

                          7 總結與展望 ................................................................................................... 89

                          7.1 總結 ......................................................................................................................... 89

                          7.2 展望 ......................................................................................................................... 90

                          參考文獻 ............................................................................................................. 91

                          攻讀碩士學位期間所取得的研究成果

                          致謝

                          1 緒論

                          1.1 課題的研究背景

                          本課題主要來源于攻讀專業碩士期間校企聯合培養的企業課題,研究的是北京清大天達光電科技股份有限責任公司為京東方設計制造的第 10.5 代基于柔性屏玻璃基板的超聲波清洗設備.

                          有源矩陣有機發光二極管(AMOLED)顯示器[1]也就是人們現在常說的柔性屏是一種新興的顯示技術,可實現美觀,高效的顯示效果的照明面板.AMOLED[2]顯示屏已經在許多移動設備和電視中使用,由于它在性能方面表現為:柔性屏的功耗較低,對傳統顯示屏而言柔性顯示屏視角比較寬廣,對用戶而言體驗效果更加,在色域方面,柔性屏具有比較寬的色域.由于采用先進的發光技術柔性屏響應較快,在生產制造方面成本較低,便于批量生產,因此受到極大的關注.柔性屏[3]是利用有機化合物并具有自發光特性的新一代顯示器,與傳統顯示屏相比,柔性顯示屏的圖像具有更高對比度,除了具有更寬的視角,更快的響應之外并且它更輕薄.柔性顯示屏應用的范圍相當廣泛,首先在智能手機上,其次在大尺寸平板電腦和以及電視上面,再者在汽車照明上等等[4].隨著這幾年科技迅猛發展,柔性屏在我國發展較快,我國目前是全球顯示產業的主要陣地,在國內京東方大量在成都和綿陽大量投資柔性屏生產線.由于液晶顯示屏的尺寸越來越大以及消費者體驗的不斷上升,新上市的曲面屏逐漸滿足人們的需求,由于柔性屏的出色性能使其在未來有可能成為電子產品的新標配.

                          隨著消費者對巨型屏幕電視、高級游戲設備和大型計算機顯示器新的玻璃技術和和世界一流的工藝的需求不斷增長,顯示器行業急于推進其技術和晶圓廠以滿足需求,以滿足更大、更薄、更輕,更經濟和更具成本效益的顯示器的不斷發展[5].需要的平板玻璃的尺寸也隨之增大,針對現有的技術,顯示器制造商的關鍵技術問題似乎沒有得到解決因為這些技術關鍵詞需要新的創新材料和生產方法,不僅僅是簡單的改造或整合現有技術[6].這些針對新顯示產品舉措不僅僅是為了顯示器制造商而且作為原材料玻璃基板已被公認為最基本的技術之一,它是顯示面板中影響功能最重要組件[7].平板的當前發展狀態,經歷了彎曲(或可彎曲),可卷曲和最終到可折疊的顯示器.在 2012 年美國的Cornin 公司研發出的一種型玻璃基板,它的厚度僅僅為 0.1mm,不僅在性能上有較大的提升而且能夠彎曲,柔性玻璃基板的成功研制刷新了人們對柔性基板的認識[8].新型的柔性玻璃基板柔性化程度更高,而且更耐高溫,在運輸和包裝商業具有較大的優勢,能夠卷起來進行運輸,這種新型的玻璃基板在韌性方面領先其它玻璃基板好多,僅僅在包裝上的方式即可看出它性能的強勁,日本旭硝子采用浮法工藝成功研制出 0.1mm 的無堿玻璃基板[9].

                          我國在柔性玻璃基板的研發起步較晚,我國洛陽的洛波集團研發出了一種新型超薄玻璃基板它的厚度僅僅為 0.25mm,這也標志著我國的超薄玻璃基板的新突破,同時也刷新了自己之前的 0.33mm 的記錄,但是還不能進行彎曲[10].因此作為原材料的玻璃基板的研發設計顯得尤為重要.現有的玻璃基板必須具有纖薄,靈活和強度高等特點[11].由于柔性屏其獨特的性能,因此其加工工藝自然就繁瑣復雜.柔性屏生產制作流程非常復雜,所用到的工藝也是種類繁多,需要對玻璃基板涂抹各種化學試劑使其表面貼合進行下一道工序.復雜的制作流程總的來說分為三段,即背板段、前工段和后工段,背板段主要的內容包括的是:素玻璃基板清洗→成膜→光刻膠涂布→曝光→顯影→清洗→蝕刻→剝離,前工段的主要內容比較關鍵,具體到:基板清洗→金屬掩膜板張網→有機蒸鍍→清洗→蓋板涂膠→封裝,后工段主要包括:切割→基板測試→偏貼→IC+FPC 綁定→TP 貼附→模組測試[12].以上是柔性屏的總體的生產制作流程,從制作過程可以看出一塊普通的玻璃基板需要經過如此繁雜的制作過程,在制作期間玻璃基板需要多次清洗,基板的潔凈程度直接決定了前后工段的產品質量[13].因此玻璃基板的清洗環節起著關鍵作用,因此超聲波清洗機的作用在顯示屏的制作方面顯得非常重要,為了提高產品的良品率在產品的整個環節基板需要多次清洗.雖然市場上的清洗設備五花八門,但是由于玻璃基板的特殊性,在清潔度方面有著極高的要求.隨著科學技術的不斷發展,通過對比市場上眾多清洗設備,超聲波這種新的技術逐漸被人們所接受,在眾多領域發揮著其獨特的優勢[14].

                          1.2 國內外研究現狀

                          1.2.1 超聲清洗技術國內外研究現狀

                          超聲技術自 20 世紀初就開始出現,在第一次世界大戰期間首先被用于進行潛艇探測,并在此之后繼續被用于不同的用途[15].直到 20 世紀 50 年代,科學家發現如果超聲波具有足夠的能量與之頻率相吻合,則它是有表面洗滌的效果.超聲波清洗為一系列恒定的波浪交替膨脹和壓縮[16].在膨脹期間,形成微小氣泡.也就是所謂的"空化效應",當氣泡壓縮時,氣泡暴露在巨大的壓力下,然后以極大的力量坍塌,理論上產生的這種力產生很高的熱量[17].并且由于這種力需要借助大量的液體產生,導致內部氣泡爆炸,所以能量釋放被緩沖,導致液體變熱.通過加熱和攪動液體氣泡之間恒定膨脹和內爆,產生了超聲波的清洗效果[18].

                          自從科學家發現超聲波技術以來,由于科學技術有限,人們一直將超聲波用于探測物體的距離,隨著技術的進步,關于超聲波的其它特點不斷被人們發掘,以 Neppira[19]為代表,他提出使用超聲波能量在清潔過程中可以發揮它的物理作用并且指出這是任何其他工業設備都無法獲得,這樣使得超聲波技術隨之誕生,但是最初的發現超聲波技術并沒有引起人們足夠的關注,使得沒有被作為任何一種已證實的理論予以公布,通過多年來不斷地用超聲波作為實驗工具來進行各種測試,這種新型技術才被廣泛應用[20].

                          20 世紀 30 年代初日 本的柴葉嘉英[21]發現,氣泡只是一種簡單的氣體爆炸,并不是由超聲波的強而密引起的,相反,它抑制甚至消除了超聲波清潔器的清潔能力.我國在超聲波技術領域也起步較早,在 20 世紀 50 年代初主要用于醫學方面,在市場上也能體現超聲波技術的優越性,超聲波可以去除表面的細微顆粒及殘留物效率可以達到 99%以上,這種高效的潔凈效果足以取代市場上其它清洗設備,因此主要應用于醫療方面、食品加工、精密元器件、機械加工、以及相機的鏡片的清洗等[22].

                          1.2.2 超聲清洗技術的方式及特點

                          由于超聲波在清洗時不與被清洗件直接接觸,因此在洗凈行業中,將這種新型的清洗技術稱之為"無刷清洗",不僅具有傳統設備的功能還能夠去除其他技術無法去除的污染物,并且能夠有效清潔使用其他技術無法進入的區域.傳統的清洗包括噴霧清洗,湍流,攪拌和刷洗等[23].一般來說,這些技術本質上是表面上的清洗,往往有時候達不到深度清洗的效果.由于超聲波傳遞的縱波能量較高,能將待清洗件表面的細微顆粒引起共振,脫離表面,達到清潔的目的.這意味著使用超聲波清潔技術可以容易地實現盲孔,螺紋根部,具有復雜幾何形狀的部件,微小的表面輪廓以及許多其他不可能到達的清潔的區域[24].相對于傳統清洗技術,超聲清洗具有以下方式及特點[25]:

                          超聲清洗的方式:

                          (1)高頻超聲清洗

                          這種新型的清洗方式主要是利用能量之間的轉化來進行的,將超聲波的聲能轉化為機械能.高頻超聲清洗并不是利用超聲波的"空化效應"產生高強度的超聲波清洗,而是利用超聲波能量的不斷變化來達到清潔的效果,這種類型主要用在精密而且容易受損的元器件,利用高頻超聲波清洗能夠很好的保護元件,所以在半導體行業應用較廣[26].

                          (2)聚焦式超聲波清洗

                          聚焦式清洗主要是利用超聲波在待清洗區域聚焦能量,將難以去除的殘留物去除,聚焦式超聲波清洗使用時頻率一般較高,產生的能量也隨之較高,往往普通清洗的能量不夠高,利用這種方法可以彌補他在這方面的不足.目前常用的頻率有 15Hz 和 20Hz,期間功率可以達到 600W,聚焦式超聲波清洗一般用在細小孔的清洗[27].

                          (3)多頻超聲波清洗

                          考慮到不同的部件需要超聲波清洗的頻率也不相同,新型的多頻超聲波清洗可以完全解決這個問題.多頻超聲波清洗,顧名思義安裝有多個頻率不同的超聲波發生器同時發出不同頻率的超聲波,針對不同的待清洗件清洗的效果各不相同,高頻的超聲波對細小的孔的清洗效果比較好,低頻的超聲波對待清洗物件的表面清洗效果最佳.如果把高頻和低頻的換能器同時放在同一環境,產生的效果會更好[28].

                          (4)振動超聲波清洗

                          振動超聲波清洗屬于非接觸清洗的一種,主要的清洗機理是所利用的元器件是聲波放大器,具體到經發生器發出的超聲波,通過超聲波放大器將其產生的能量變化為輸入時的倍數,通過高能量的聲波輸出到物體內部或者表面,達到清洗效果,較傳統清洗而言,不需要借助洗滌液[29].

                          超聲技術清洗的特點:

                          (1)高效

                          清洗效率比較高是超聲波清洗最主要的特點,在工業生產中應用最為廣泛,而且清洗的級別也是最高的,傳統清洗效果只能達到 60%-70%.例如傳統的濕式清洗,只能將其表面進行清潔,往往達不到理想效果.特別是對于奇形怪狀的部件,超聲波都能將其徹底清潔.

                          (2)安全

                          超聲波清潔器不僅可以防止工人吸入有害的化學煙霧,還可以幫助工人避免使用含有生物污染物的尖銳器具.在過去的幾年中,工人們會手工清潔醫療器械,例如手術刀和鉆頭,這些器械可能會刺破皮膚并使技術人員暴露于潛在的生物危害之中.使用超聲波清潔器,工人只需將儀器放入設備中,加水和清潔劑,然后打開機器.

                          (3)溫和清潔

                          對于更精致的物品,如珠寶或精密儀器,用手工清潔或刺激性化學品可能損壞部件.這些物品需要徹底的清潔和精細的過程.由超聲波清潔器產生的空化效應允許水和洗滌劑的混合物進入狹窄的裂縫并去除不需要的殘留物,同時保持了部件的完整[30].

                          1.2.3 玻璃基板的清洗技術及相關設備研究現狀

                          在液晶顯示行業,制作顯示器的原材料玻璃基板的潔凈度在整個生產過程起著關鍵作用,在每一個工藝流程前必須要對玻璃基板進行清洗,由于設備精度的緣故,精度需要達到±1m,而有的工藝流程例如鍍膜、蝕刻前必須對設備的精密部件進行清洗,保證將懸浮在玻璃基板表面的微米級懸浮顆粒去除,以保證所有的工藝都能滿足要求[28].

                          玻璃基板清洗是 TFT、AMOLED、半導體制造中非常關鍵、重復性最多的一道制造過程,目的是為了清除玻璃表面化學污染物殘留、灰塵顆粒,并控制玻璃基板化學性,防止原生氧化物薄膜生成,顆粒凸起造成斷路短路,各種外觀不良.

                          由于生產工藝流程長,清洗過程多,每道清洗過程對全部工藝過程的影響都是致命的,典型的 TFT 制造過程清洗工序有 20 多道.基于以上確立了玻璃基板清洗在制造過程中的關鍵地位,雖然屬于輔助加工工藝,但卻是主加工工藝良品率高低的關鍵所在[29].在所有工藝流程中清洗環節的比例占了大約 30%.對于玻璃基板的清洗方法,國外采用的技術較先進,所以效果也比較好,主要有濕洗和干洗,其中濕洗這種方法需要用到較復雜的化學試劑,例如工業中常用到的二流體清洗,清洗效率也非常高,其它的清洗技術還有滾刷清洗、高壓噴淋超聲波清洗.干式清洗技術是一種非接觸清洗技術,利用設備產生的能量達到清洗效果,常用的有干式超聲波清洗、等離子清洗、紫外清洗等[30].

                          滾刷清洗屬于濕式清洗,濕式清洗就是通常將洗滌劑、活性劑等涂在玻璃基板上,主要是對玻璃基板表面的油污和細小顆粒進行處理.有時候也會使用特殊的化學藥劑去除玻璃基板表面的特殊成分,采用濕式清洗后,往往達不到理想的效果,這時需要增加一些物理清洗的手段,常用的物理清洗方法是使用刷子清洗,使用刷子很容易將玻璃基板表面的難去除的頑固污漬徹底清理,使用的刷子上的刷毛,是用尼龍材料制作成軟毛,軟毛的直徑為 0.1mm,然后將玻璃基板上一般高于 3μm 的顆粒清除[31].清洗后的玻璃基板一方面避免了玻璃基板上的有機物及無機物對產品性能的影響.另一方面增加了玻璃基板與黏附材料的親和力,使得工藝流程更加順利[32].

                          國外的先進清洗技術二流體體清洗,即利用 CDA(Clean Dry Air)混合水,在混合物中再增加一些磨粒,然后對混合物增加壓力,通過特殊的超音速噴嘴,將混合物霧化,利用產生的微小氣泡清潔玻璃基板的表面.加入的微粒直徑一般很小,可進入細小的孔隙,清洗的速度很高一般可以達到 1000m/s[33].


                          如今新型的清洗技術利用超聲波清洗廣泛被人們所接受,美國的必能信公司于1953 年首創了全球第一臺超聲波清洗機,而且利用當時最先進的掃頻技術可以消除超聲波的駐波并產生特有的球面波,使清洗無盲區[34].第一臺清洗機最大的特點是利用高頻的工業振子,而且清洗效果也比較好.隨著人們對超聲波清洗技術的深入研究,一種新型的利用換能器[35]技術來達到預期效果的技術,超聲波換能器主要是利用壓電陶瓷的敏感元器件將產生的振動用在電極之間使其產生強弱的電位差,利用電位差將電信號轉化成超聲波信號,因此,壓電元件在其中起著非常重要的作用,其中壓電傳感器將信號轉化的特性決定著換能器的性能,例如傳感器的靈敏程度、傳感器的材料等等.隨著技術的進步利用超聲波清潔的設備很多,有接觸式超聲波清洗機和非接觸式[36].其中接觸式超聲波清洗機主要是利用聲能將污染物從表面剝離出來,在清洗過程中針對清洗對象的不同需要加入不同清洗劑.接觸式清洗機需要的工序較多,有時候需要多臺與之相匹配,占用的面積較大.非接觸式清洗設備最典型的是超聲波干式清洗機,是利用高速氣流與超聲波共同作用在待清洗件表面,將亞微米級以上的懸浮顆粒去除的新型干式清洗技術,常用在液晶顯示行業以及超精密的半導體制造行業.常用的干式清洗機有臺板式、滾輪式,其中臺板式清洗機適合單面清洗,滾輪式清洗機可以同時對玻璃基板的兩面進行清洗[31].

                          隨著我國在科學技術領域的不斷進步,以及國際間的交流日益密切,通過不斷研究學習,我國也開始自主研發新的產品,這使得我國在超聲波清洗技術方面不斷取得佳績,由之前主要用在醫療等少數領域,不斷擴展到機械加工、食品生產、航空航天、國防領域、軍事領域等等[30].

                          就目前來看超聲波清洗技術主要集中在日韓和歐美等國家,無論從機械結構的研發設計還是控制系統的開發均領先于其它國家.例如韓國 AIK SS 清洗機、日本 SHINKO公司的 VUV-F1 清洗機,它是世界上第一臺 0.2mm 玻璃基板雙面清洗設備.我國在超聲波清洗技術的研究由于起步較晚,推廣力度不是很大,目前主要依靠進口來生產制造,但是近年來隨著我國生產技術的不斷提高,國產自主研發水平逐漸增強.其中東莞友輝光電科技有限公司生產的 UVU-F-400 干式清洗機,以及北京清大天達光電科技股份有限公司的第 4.5 代干式超聲波清洗機.


                          1.3 課題研究的意義

                          隨著消費者對大屏顯示設備的需求不斷增長,帶動了液晶顯示行業的蓬勃發展,顯示屏在成為成品前需要經過多段工藝流程,其中玻璃基板作為加工的原材料在整個生產制造方面需要不斷的進行表面清潔,如果使用傳統的濕式清洗,不僅達不到效果,有時候還會增加其它污染物,使清洗效率下降,影響產品的生產.使用干式清洗不僅效率高而且成本較低.由于當前超聲波干式清洗核心技術還大量掌握在日韓和歐美等發達國家,所以目前我國主要依靠進口.例如對于超聲波清洗頭的研究、設備升降系統的設計以及精密傳動機構的研發,都對整個行業的發展有著巨大意義.如果長期依賴進口不僅會增加產品的成本,更會使企業缺乏自主創新能力.坐吃老本只是滿足眼前的發展.所以只能自己通過不斷研究、實驗來設計新產品,這才是企業正確的發展方向.

                          在自主創新對于任何一個行業來說都至關重要,才能推動社會的進步.如果長期以來進口只能固步自封,讓別人牽著鼻子走.液晶顯示行業屬于精密器械行業,涉及領域較廣,所以加強研發創新迫在眉睫.

                          隨著玻璃基板的尺寸越來越大,以及工藝的發展.設備的機械系統的設計也越來越重要.由于玻璃基板尺寸變大,傳統的滾輪式清洗設備由于玻璃基板變形量較大,急需要改進,改用臺板式清洗設備,對于臺板式清洗設備需要對其機械系統進行設計,具體到臺板式清洗設備的升降系統、傳動系統等.本文重點對關鍵零部件的設計及靜力學分析,以滿足設計要求.

                          1.4 本課題研究的主要內容

                          本課題根據實際情況,研究的是企業為京東方設計的第 10.5 代柔性屏超聲波清洗設備,針對研究的對象,重點對設備的機械系統進行設計.具體如下:

                          第一章 介紹了本課題的課題來源、研究背景和意義,對于研究對象所涉及的柔性玻璃基板以及國內外超聲清洗技術進行了詳述,并且闡明了玻璃基板的清洗技術,最后提出了本論文的主要研究內容.

                          第二章 主要闡明超聲波清洗設備的系統組成,明確要設計的對象.詳述設備的運行原理以及對設備的清洗原理進行分析.

                          第三章 對傳統升降機構的優缺點進行分析,選用最佳升降機構,對升降機構的動力系統進行設計計算.確定升降機構齒輪齒條的精度等級,通過升降機構齒輪齒條的分析計算,確定升降機構的定位精度.并且對升降系統中的關鍵零部件進行靜力學分析.

                          第四章 對傳統傳動結構優缺點進行分析,選擇最佳傳動結構.對傳動結構中線性模塊進行設計計算,對導軌的撓度進行校核,使用有限元法對傳動軸的強度和剛度進行校核.

                          第五章 對設備中的兩個重要的支撐結構進行靜力學分析,并對保護陰刻臺板的緩沖裝置進行選型設計.

                          第六章 對頂銷結構進行模態分析、通過對單根鋁型材的多目標優化,找到其避免共振的最佳尺寸.通過試驗機對玻璃基板在不同工況下的顆粒去除率進行實驗,超聲波清洗設備的清洗性能.




















                         

                          …………由于本文篇幅較長,部分內容省略,詳細全文見文末附件

                          7 總結與展望

                          7.1 總結

                          本文主要研究的對象是企業為京東方設計制造的第 10.5 代柔性屏超聲波清洗設備,針對該設備本文主要研究其機械系統,根據設備的工作環境和特點,分析研究機械系統中的關鍵零部件,使機械系統達到設計要求.以下為論文的主要研究成果:

                          (1)詳細闡述了設備的工作原理,分析了其清洗原理.通過對設備清洗頭結構的分析,闡明了設備的空氣循環原理、清洗原理.通過建立超聲波發生器橫截面的模型,解析了超聲波的透射原理及匯聚原理,得出當清洗頭的 P 壓為 20KHz 時,超聲場中的某一點的加速度為重力加速度的 1530 倍,足以清除懸浮在玻璃基板上的顆粒.

                          (2)針對傳統升降機構的工作原理和特點,選擇了傳動精度較高的單驅動四升降的升降機構,對升降機構的動力系統進行了選型計算,通過升降機構齒輪齒條的分析計算,確定了升降機構的定位精度小于 1mm.對升降系統中的其它零部件進行靜力學分析,其中玻璃基板的最大變形量 0.53546mm,在許用變形量 2mm 之內.通過單根型材在不同材料下的靜力學分析得出,選用碳纖維較合適,其最大變形量 0.16881mm.對頂銷結構進行分析得出在 Y 方向上的最大變形量 0.00096275mm,小于許用變形量,滿足設計許用要求.

                          (3)通過對傳統傳動結構的優缺點分析,選擇使用線性模塊進行傳動,對線性模塊的撓度進行了校核,最大撓度 82.21 10 mm × 小于導軌的許用撓度.對傳動軸的強度和剛度的校核,其中最大剪應力為 14.905MPa,遠小于材料的許用應力 60Mpa,滿足設計要求.

                          (4)對支撐結構進行靜力學分析,其中單塊臺板的最大變形量 0.0068752mm,最大等效應力 0.61793Mpa,在設備允許的范圍之內.清洗頭在支撐結構的三個位置進行靜力學分析,其中當清洗頭在中間時變形最大 0.0017461mm,小于線性模塊導軌的許用變形量,滿足設計要求.

                          (5)對支撐結構和頂銷結構進行模態分析,其中頂銷結構會引起共振,對其單根型材進行尺寸多目標優化,通過 CAE 軟件的分析和優化,得出鋁型材應選擇3214mm 55mm × ,壁厚 3.0mm,并對優化后的型材進行模態分析,滿足設計要求.

                          (6)通過設計好的零部件,在制造車間生產制造.對超聲波清洗機進行裝配.最后通過對現場調試階段的試驗機進行清洗性能進行驗證,對比在三個工況下顆粒去除率,得出將清洗頭與玻璃基板之間的距離設為 1.5mm 和增大壓力腔的值可以提高顆粒的清除率

                          7.2 展望

                          超聲波清洗設備是一個復雜的系統,對不同的機械系統設計方式不同和采用的方法不同,所達到的效果也不相同.與國外先進的生產設備相比還存在差距,針對本文的設計與研究,對本設備的研究提出以下展望:

                          (1)本文只是簡單的對超聲波清洗設備的清洗原理進行了研究,未來需要對超聲波發聲器發聲機理進行深入研究.

                          (2)設備的關鍵零部件之間配合密切,還需對設備零部件進一步設計.

                          (3)升降系統和傳動系統在整個設備中意義重大,針對升降系統和傳動系統還需要進行在控制方面的研究.

                          致謝

                          光陰荏苒,轉眼間在中北大學的三年研究生生涯即將結束,在校期間受到很多老師和同學們的幫助,他們不僅在學術和生活上給與我幫助和支持,而且讓我懂得了做人的道理,在此期間我要向所有給與幫助和支持的人表示最誠摯的謝意.

                          首先,我要感謝我的導師李虹,自從入學以來,在學術上老師給予我極大的指導和點撥,讓我對專業知識的理解更加深刻.不管遇到什么問題老師總是給予我支持和幫助.在生活上,老師和藹可親,我常常和老師交流,老師給予我無微不至的關懷.工作中老師嚴謹的工作精神,讓我受益終生.感謝老師對我的栽培,祝愿老師桃李滿天下.在三年的學習生涯中,還要感謝課題組的李瑞琴教授和其他老師給我們提供的學術指導.

                          其次感謝北京清大天達光電科技股份有限公司給我這次寶貴的實踐機會,讓我參與項目設計工作,也給我的論文提供了方向.感謝研發事業三部部長范兆周以及研發事業一部的部長谷海雷、閆建華在工作和生活上的幫助.感謝同事鹿雪龍、李成在工作上的幫助,祝愿清大天達全體同事工作順利.

                          在此還要感謝師兄胡楊、王超超、汪輝、李俊帥、師姐劉曉娟,在學習上給我們點撥思路、指點迷津;感謝我的同窗曹磊,在學習上互相幫助,互相學習、共同進步;感謝師妹李亞麗、師弟王新宇、張俊轅、蘇毅在論文的撰寫期間給予的幫忙和鼓勵.以及感謝室友靳偉賀、夏昊、王辰宇在學習上和生活上的幫助和支持.同時由衷的感謝我的父母,感謝他們一直以來對我的養育之恩,感謝他們一直以來默默的奉獻和付出,保證我順利的完成了學業,祝愿父母健康長壽.

                          最后,感謝各位評審專家在百忙中對我的論文進行審閱和指導.
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