柔性屏超声波清洗设备机械系统的设计与研究

　　摘要

　　柔性屏是以玻璃基板作为基底,其中玻璃基板的洁净度对于柔性屏的良品率起着关键的作用.玻璃基板表面悬浮颗粒的去除是决定洁净度的关键因素,而传统清洗技术已不能满足产品加工精度的要求,所以为了达到最好的清洗效果,使用超声波清洗设备对玻璃基板表面进行清洁.清洗的原理是设备内清洗头的压力腔产生的"气刀"将玻璃基板表面包裹悬浮颗粒的附着层破坏,使其分离,最后被真空腔吸走.因此能否顺利使超声波清洗设备完成清洗动作,需要对设备的机械系统进行设计以及系统内关键零部件进行校核.具体研究内容如下:

　　首先,本课题从超声波清洗设备的总体结构出 发详细阐述了超声波清洗设备系统组成、设备的性能指标及设备的运行原理.并通过对设备清洗头结构的分析,阐明了设备的空气循环原理、清洗原理.通过建立超声波发生器横截面的模型,分析了超声波的透射原理及汇聚原理,加深了对设备清洗原理的理解.

　　其次,主要利用模块化的设计思想分别对超声波清洗设备的机械系统进行设计.主要包括:针对传统升降机构工作原理和优缺点,提出选择传动精度较高的单驱动四升降的升降机构,对升降机构的动力系统、齿轮齿条和定位精度进行设计计算.并对升降系统的关键零部件进行了静力学分析.本文针对传统传动结构的优缺点,提出传动结构使用线性模块进行传动,通过所选设计结构,对线性模块的挠度进行了校核,通过有限元分析对传动轴的强度和刚度进行校核.并对其它关键支撑零部件进行静力学分析.本文对支撑结构和顶销结构进行模态分析,利用多目标优化法对型材优化设计,优化后的参数满足设计要求.

　　最后,对实验机进行装配,利用超声波清洗设备的清洗原理,在试验样机上验证设备的清洗性能.通过改变试验工况条件,对玻璃基板上的颗粒进行去除,计算各个工况清洗前后颗粒的除去率,通过对比,选出最佳工况,完成对清洗性能的验证.

　　关键词:超声波清洗,结构设计,静力学分析,模态分析,多目标优化

　　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 录

　　1 绪论 ................................................................................................................. 1

　　1.1 课题的研究背景 ....................................................................................................... 1

　　1.2 国内外研究现状 ....................................................................................................... 3

　　1.2.1 超声清洗技术国内外研究现状 .................................................................... 3

　　1.2.2 超声清洗技术的方式及特点 ........................................................................ 4

　　1.2.3 玻璃基板的清洗技术及相关设备研究现状 ................................................ 6

　　1.3 课题研究的意义 ....................................................................................................... 9

　　1.4 本课题研究的主要内容 ......................................................................................... 10

　　2 超声波清洗设备的系统组成及清洗原理 ................................................... 11

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

　　2.2 超声波清洗设备的系统组成 ................................................................................. 11

　　2.2.1 超声波清洗设备的主要技术参数 .............................................................. 12

　　2.2.2 超声波清洗设备的工作原理 ...................................................................... 12

　　2.3 设备的清洗原理 ..................................................................................................... 13

　　2.3.1 空气循环原理 .............................................................................................. 14

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

　　2.3.3 超声波透射原理 .......................................................................................... 16

　　2.3.4 超声波汇聚原理 .......................................................................................... 19

　　2.4 本章小结 ................................................................................................................. 21

　　3 超声波清洗设备升降机构设计及相关零部件静力学分析 ...................... 22

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

　　3.2 升降机构的设计 ..................................................................................................... 22

　　3.2.1 升降机构动力系统设计 .............................................................................. 25

　　3.2.2 升降机构齿轮齿条的设计 .......................................................................... 27

　　3.2.3 升降机构定位精度的分析 .......................................................................... 29

　　3.3 玻璃基板变形量的静力学分析 ............................................................................. 31

　　3.3.1 静力学分析相关理论 .................................................................................. 31

　　3.3.2 薄板假设理论 .............................................................................................. 32

　　3.3.3 玻璃基板变形量静力学分析 ...................................................................... 32

　　3.4 单根支撑型材静力学分析 ..................................................................................... 35

　　3.5 顶销结构的设计及静力学分析 ............................................................................. 38

　　3.5.1 顶销结构的设计 .......................................................................................... 38

　　3.5.2 顶销结构设计原则 ...................................................................................... 39

　　3.5.3 顶销结构的静力学分析 .............................................................................. 39

　　3.6 本章小结 ................................................................................................................. 41

　　4 超声波清洗设备传动系统结构设计及静力学分析 ................................... 43

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

　　4.2 传动结构的设计 ..................................................................................................... 43

　　4.2.1 线性模块设计计算 ...................................................................................... 45

　　4.2.2 传动结构动力系统设计 .............................................................................. 48

　　4.3 传动系统传动轴的强度及刚度校核 ..................................................................... 50

　　4.4 本章小结 ................................................................................................................. 53

　　5 支撑系统关键零部件静力学分析及其它辅助机构的设计 ...................... 54

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

　　5.2 阴刻台板的结构设计 ............................................................................................. 54

　　5.2.1 阴刻台板工艺分析 ...................................................................................... 54

　　5.2.2 阴刻台板的静力学分析 .............................................................................. 55

　　5.3 支撑结构的静力学分析 ......................................................................................... 57

　　5.4 其它辅助结构的设计 ............................................................................................. 62

　　5.5 本章小结 ................................................................................................................. 65

　　6 超声波清洗设备关键零部件的优化设计及清洗性能验证 ...................... 66

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

　　6.2 关键零部件的模态分析 ......................................................................................... 66

　　6.2.1 模态分析原理 .............................................................................................. 66

　　6.2.2 支撑结构的模态分析 .................................................................................. 67

　　6.2.3 顶销结构的模态分析 .................................................................................. 69

　　6.3 关键零部件多目标优化 ......................................................................................... 70

　　6.3.1 优化设计的一般过程 .................................................................................. 70

　　6.3.2 优化设计的数学模型 .................................................................................. 71

　　6.3.3 ANSYS Workbench 多目标优化概述 ......................................................... 71

　　6.3.4 顶销结构单根型材的多目标优化 .............................................................. 72

　　6.4 清洗性能实验 ......................................................................................................... 78

　　6.5 本章小结 ................................................................................................................. 88

　　7 总结与展望 ................................................................................................... 89

　　7.1 总结 ......................................................................................................................... 89

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

　　参考文献 ............................................................................................................. 91

　　攻读硕士学位期间所取得的研究成果

　　致谢

　　1 绪论

　　1.1 课题的研究背景

　　本课题主要来源于攻读专业硕士期间校企联合培养的企业课题,研究的是北京清大天达光电科技股份有限责任公司为京东方设计制造的第 10.5 代基于柔性屏玻璃基板的超声波清洗设备.

　　有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)显示器[1]也就是人们现在常说的柔性屏是一种新兴的显示技术,可实现美观,高效的显示效果的照明面板.AMOLED[2]显示屏已经在许多移动设备和电视中使用,由于它在性能方面表现为:柔性屏的功耗较低,对传统显示屏而言柔性显示屏视角比较宽广,对用户而言体验效果更加,在色域方面,柔性屏具有比较宽的色域.由于采用先进的发光技术柔性屏响应较快,在生产制造方面成本较低,便于批量生产,因此受到极大的关注.柔性屏[3]是利用有机化合物并具有自发光特性的新一代显示器,与传统显示屏相比,柔性显示屏的图像具有更高对比度,除了具有更宽的视角,更快的响应之外并且它更轻薄.柔性显示屏应用的范围相当广泛,首先在智能手机上,其次在大尺寸平板电脑和以及电视上面,再者在汽车照明上等等[4].随着这几年科技迅猛发展,柔性屏在我国发展较快,我国目前是全球显示产业的主要阵地,在国内京东方大量在成都和绵阳大量投资柔性屏生产线.由于液晶显示屏的尺寸越来越大以及消费者体验的不断上升,新上市的曲面屏逐渐满足人们的需求,由于柔性屏的出色性能使其在未来有可能成为电子产品的新标配.

　　随着消费者对巨型屏幕电视、高级游戏设备和大型计算机显示器新的玻璃技术和和世界一流的工艺的需求不断增长,显示器行业急于推进其技术和晶圆厂以满足需求,以满足更大、更薄、更轻,更经济和更具成本效益的显示器的不断发展[5].需要的平板玻璃的尺寸也随之增大,针对现有的技术,显示器制造商的关键技术问题似乎没有得到解决因为这些技术关键词需要新的创新材料和生产方法,不仅仅是简单的改造或整合现有技术[6].这些针对新显示产品举措不仅仅是为了显示器制造商而且作为原材料玻璃基板已被公认为最基本的技术之一,它是显示面板中影响功能最重要组件[7].平板的当前发展状态,经历了弯曲(或可弯曲),可卷曲和最终到可折叠的显示器.在 2012 年美国的Cornin 公司研发出的一种型玻璃基板,它的厚度仅仅为 0.1mm,不仅在性能上有较大的提升而且能够弯曲,柔性玻璃基板的成功研制刷新了人们对柔性基板的认识[8].新型的柔性玻璃基板柔性化程度更高,而且更耐高温,在运输和包装商业具有较大的优势,能够卷起来进行运输,这种新型的玻璃基板在韧性方面领先其它玻璃基板好多,仅仅在包装上的方式即可看出它性能的强劲,日本旭硝子采用浮法工艺成功研制出 0.1mm 的无碱玻璃基板[9].

　　我国在柔性玻璃基板的研发起步较晚,我国洛阳的洛波集团研发出了一种新型超薄玻璃基板它的厚度仅仅为 0.25mm,这也标志着我国的超薄玻璃基板的新突破,同时也刷新了自己之前的 0.33mm 的记录,但是还不能进行弯曲[10].因此作为原材料的玻璃基板的研发设计显得尤为重要.现有的玻璃基板必须具有纤薄,灵活和强度高等特点[11].由于柔性屏其独特的性能,因此其加工工艺自然就繁琐复杂.柔性屏生产制作流程非常复杂,所用到的工艺也是种类繁多,需要对玻璃基板涂抹各种化学试剂使其表面贴合进行下一道工序.复杂的制作流程总的来说分为三段,即背板段、前工段和后工段,背板段主要的内容包括的是:素玻璃基板清洗→成膜→光刻胶涂布→曝光→显影→清洗→蚀刻→剥离,前工段的主要内容比较关键,具体到:基板清洗→金属掩膜板张网→有机蒸镀→清洗→盖板涂胶→封装,后工段主要包括:切割→基板测试→偏贴→IC+FPC 绑定→TP 贴附→模组测试[12].以上是柔性屏的总体的生产制作流程,从制作过程可以看出一块普通的玻璃基板需要经过如此繁杂的制作过程,在制作期间玻璃基板需要多次清洗,基板的洁净程度直接决定了前后工段的产品质量[13].因此玻璃基板的清洗环节起着关键作用,因此超声波清洗机的作用在显示屏的制作方面显得非常重要,为了提高产品的良品率在产品的整个环节基板需要多次清洗.虽然市场上的清洗设备五花八门,但是由于玻璃基板的特殊性,在清洁度方面有着极高的要求.随着科学技术的不断发展,通过对比市场上众多清洗设备,超声波这种新的技术逐渐被人们所接受,在众多领域发挥着其独特的优势[14].

　　1.2 国内外研究现状

　　1.2.1 超声清洗技术国内外研究现状

　　超声技术自 20 世纪初就开始出现,在第一次世界大战期间首先被用于进行潜艇探测,并在此之后继续被用于不同的用途[15].直到 20 世纪 50 年代,科学家发现如果超声波具有足够的能量与之频率相吻合,则它是有表面洗涤的效果.超声波清洗为一系列恒定的波浪交替膨胀和压缩[16].在膨胀期间,形成微小气泡.也就是所谓的"空化效应",当气泡压缩时,气泡暴露在巨大的压力下,然后以极大的力量坍塌,理论上产生的这种力产生很高的热量[17].并且由于这种力需要借助大量的液体产生,导致内部气泡爆炸,所以能量释放被缓冲,导致液体变热.通过加热和搅动液体气泡之间恒定膨胀和内爆,产生了超声波的清洗效果[18].

　　自从科学家发现超声波技术以来,由于科学技术有限,人们一直将超声波用于探测物体的距离,随着技术的进步,关于超声波的其它特点不断被人们发掘,以 Neppira[19]为代表,他提出使用超声波能量在清洁过程中可以发挥它的物理作用并且指出这是任何其他工业设备都无法获得,这样使得超声波技术随之诞生,但是最初的发现超声波技术并没有引起人们足够的关注,使得没有被作为任何一种已证实的理论予以公布,通过多年来不断地用超声波作为实验工具来进行各种测试,这种新型技术才被广泛应用[20].

　　20 世纪 30 年代初日 本的柴叶嘉英[21]发现,气泡只是一种简单的气体爆炸,并不是由超声波的强而密引起的,相反,它抑制甚至消除了超声波清洁器的清洁能力.我国在超声波技术领域也起步较早,在 20 世纪 50 年代初主要用于医学方面,在市场上也能体现超声波技术的优越性,超声波可以去除表面的细微颗粒及残留物效率可以达到 99%以上,这种高效的洁净效果足以取代市场上其它清洗设备,因此主要应用于医疗方面、食品加工、精密元器件、机械加工、以及相机的镜片的清洗等[22].

　　1.2.2 超声清洗技术的方式及特点

　　由于超声波在清洗时不与被清洗件直接接触,因此在洗净行业中,将这种新型的清洗技术称之为"无刷清洗",不仅具有传统设备的功能还能够去除其他技术无法去除的污染物,并且能够有效清洁使用其他技术无法进入的区域.传统的清洗包括喷雾清洗,湍流,搅拌和刷洗等[23].一般来说,这些技术本质上是表面上的清洗,往往有时候达不到深度清洗的效果.由于超声波传递的纵波能量较高,能将待清洗件表面的细微颗粒引起共振,脱离表面,达到清洁的目的.这意味着使用超声波清洁技术可以容易地实现盲孔,螺纹根部,具有复杂几何形状的部件,微小的表面轮廓以及许多其他不可能到达的清洁的区域[24].相对于传统清洗技术,超声清洗具有以下方式及特点[25]:

　　超声清洗的方式:

　　(1)高频超声清洗

　　这种新型的清洗方式主要是利用能量之间的转化来进行的,将超声波的声能转化为机械能.高频超声清洗并不是利用超声波的"空化效应"产生高强度的超声波清洗,而是利用超声波能量的不断变化来达到清洁的效果,这种类型主要用在精密而且容易受损的元器件,利用高频超声波清洗能够很好的保护元件,所以在半导体行业应用较广[26].

　　(2)聚焦式超声波清洗

　　聚焦式清洗主要是利用超声波在待清洗区域聚焦能量,将难以去除的残留物去除,聚焦式超声波清洗使用时频率一般较高,产生的能量也随之较高,往往普通清洗的能量不够高,利用这种方法可以弥补他在这方面的不足.目前常用的频率有 15Hz 和 20Hz,期间功率可以达到 600W,聚焦式超声波清洗一般用在细小孔的清洗[27].

　　(3)多频超声波清洗

　　考虑到不同的部件需要超声波清洗的频率也不相同,新型的多频超声波清洗可以完全解决这个问题.多频超声波清洗,顾名思义安装有多个频率不同的超声波发生器同时发出不同频率的超声波,针对不同的待清洗件清洗的效果各不相同,高频的超声波对细小的孔的清洗效果比较好,低频的超声波对待清洗物件的表面清洗效果最佳.如果把高频和低频的换能器同时放在同一环境,产生的效果会更好[28].

　　(4)振动超声波清洗

　　振动超声波清洗属于非接触清洗的一种,主要的清洗机理是所利用的元器件是声波放大器,具体到经发生器发出的超声波,通过超声波放大器将其产生的能量变化为输入时的倍数,通过高能量的声波输出到物体内部或者表面,达到清洗效果,较传统清洗而言,不需要借助洗涤液[29].

　　超声技术清洗的特点:

　　(1)高效

　　清洗效率比较高是超声波清洗最主要的特点,在工业生产中应用最为广泛,而且清洗的级别也是最高的,传统清洗效果只能达到 60%-70%.例如传统的湿式清洗,只能将其表面进行清洁,往往达不到理想效果.特别是对于奇形怪状的部件,超声波都能将其彻底清洁.

　　(2)安全

　　超声波清洁器不仅可以防止工人吸入有害的化学烟雾,还可以帮助工人避免使用含有生物污染物的尖锐器具.在过去的几年中,工人们会手工清洁医疗器械,例如手术刀和钻头,这些器械可能会刺破皮肤并使技术人员暴露于潜在的生物危害之中.使用超声波清洁器,工人只需将仪器放入设备中,加水和清洁剂,然后打开机器.

　　(3)温和清洁

　　对于更精致的物品,如珠宝或精密仪器,用手工清洁或刺激性化学品可能损坏部件.这些物品需要彻底的清洁和精细的过程.由超声波清洁器产生的空化效应允许水和洗涤剂的混合物进入狭窄的裂缝并去除不需要的残留物,同时保持了部件的完整[30].

　　1.2.3 玻璃基板的清洗技术及相关设备研究现状

　　在液晶显示行业,制作显示器的原材料玻璃基板的洁净度在整个生产过程起着关键作用,在每一个工艺流程前必须要对玻璃基板进行清洗,由于设备精度的缘故,精度需要达到±1m,而有的工艺流程例如镀膜、蚀刻前必须对设备的精密部件进行清洗,保证将悬浮在玻璃基板表面的微米级悬浮颗粒去除,以保证所有的工艺都能满足要求[28].

　　玻璃基板清洗是 TFT、AMOLED、半导体制造中非常关键、重复性最多的一道制造过程,目的是为了清除玻璃表面化学污染物残留、灰尘颗粒,并控制玻璃基板化学性,防止原生氧化物薄膜生成,颗粒凸起造成断路短路,各种外观不良.

　　由于生产工艺流程长,清洗过程多,每道清洗过程对全部工艺过程的影响都是致命的,典型的 TFT 制造过程清洗工序有 20 多道.基于以上确立了玻璃基板清洗在制造过程中的关键地位,虽然属于辅助加工工艺,但却是主加工工艺良品率高低的关键所在[29].在所有工艺流程中清洗环节的比例占了大约 30%.对于玻璃基板的清洗方法,国外采用的技术较先进,所以效果也比较好,主要有湿洗和干洗,其中湿洗这种方法需要用到较复杂的化学试剂,例如工业中常用到的二流体清洗,清洗效率也非常高,其它的清洗技术还有滚刷清洗、高压喷淋超声波清洗.干式清洗技术是一种非接触清洗技术,利用设备产生的能量达到清洗效果,常用的有干式超声波清洗、等离子清洗、紫外清洗等[30].

　　滚刷清洗属于湿式清洗,湿式清洗就是通常将洗涤剂、活性剂等涂在玻璃基板上,主要是对玻璃基板表面的油污和细小颗粒进行处理.有时候也会使用特殊的化学药剂去除玻璃基板表面的特殊成分,采用湿式清洗后,往往达不到理想的效果,这时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,使用刷子很容易将玻璃基板表面的难去除的顽固污渍彻底清理,使用的刷子上的刷毛,是用尼龙材料制作成软毛,软毛的直径为 0.1mm,然后将玻璃基板上一般高于 3μm 的颗粒清除[31].清洗后的玻璃基板一方面避免了玻璃基板上的有机物及无机物对产品性能的影响.另一方面增加了玻璃基板与黏附材料的亲和力,使得工艺流程更加顺利[32].

　　国外的先进清洗技术二流体体清洗,即利用 CDA(Clean Dry Air)混合水,在混合物中再增加一些磨粒,然后对混合物增加压力,通过特殊的超音速喷嘴,将混合物雾化,利用产生的微小气泡清洁玻璃基板的表面.加入的微粒直径一般很小,可进入细小的孔隙,清洗的速度很高一般可以达到 1000m/s[33].

　　如今新型的清洗技术利用超声波清洗广泛被人们所接受,美国的必能信公司于1953 年首创了全球第一台超声波清洗机,而且利用当时最先进的扫频技术可以消除超声波的驻波并产生特有的球面波,使清洗无盲区[34].第一台清洗机最大的特点是利用高频的工业振子,而且清洗效果也比较好.随着人们对超声波清洗技术的深入研究,一种新型的利用换能器[35]技术来达到预期效果的技术,超声波换能器主要是利用压电陶瓷的敏感元器件将产生的振动用在电极之间使其产生强弱的电位差,利用电位差将电信号转化成超声波信号,因此,压电元件在其中起着非常重要的作用,其中压电传感器将信号转化的特性决定着换能器的性能,例如传感器的灵敏程度、传感器的材料等等.随着技术的进步利用超声波清洁的设备很多,有接触式超声波清洗机和非接触式[36].其中接触式超声波清洗机主要是利用声能将污染物从表面剥离出来,在清洗过程中针对清洗对象的不同需要加入不同清洗剂.接触式清洗机需要的工序较多,有时候需要多台与之相匹配,占用的面积较大.非接触式清洗设备最典型的是超声波干式清洗机,是利用高速气流与超声波共同作用在待清洗件表面,将亚微米级以上的悬浮颗粒去除的新型干式清洗技术,常用在液晶显示行业以及超精密的半导体制造行业.常用的干式清洗机有台板式、滚轮式,其中台板式清洗机适合单面清洗,滚轮式清洗机可以同时对玻璃基板的两面进行清洗[31].

　　随着我国在科学技术领域的不断进步,以及国际间的交流日益密切,通过不断研究学习,我国也开始自主研发新的产品,这使得我国在超声波清洗技术方面不断取得佳绩,由之前主要用在医疗等少数领域,不断扩展到机械加工、食品生产、航空航天、国防领域、军事领域等等[30].

　　就目前来看超声波清洗技术主要集中在日韩和欧美等国家,无论从机械结构的研发设计还是控制系统的开发均领先于其它国家.例如韩国 AIK SS 清洗机、日本 SHINKO公司的 VUV-F1 清洗机,它是世界上第一台 0.2mm 玻璃基板双面清洗设备.我国在超声波清洗技术的研究由于起步较晚,推广力度不是很大,目前主要依靠进口来生产制造,但是近年来随着我国生产技术的不断提高,国产自主研发水平逐渐增强.其中东莞友辉光电科技有限公司生产的 UVU-F-400 干式清洗机,以及北京清大天达光电科技股份有限公司的第 4.5 代干式超声波清洗机.

　　1.3 课题研究的意义

　　随着消费者对大屏显示设备的需求不断增长,带动了液晶显示行业的蓬勃发展,显示屏在成为成品前需要经过多段工艺流程,其中玻璃基板作为加工的原材料在整个生产制造方面需要不断的进行表面清洁,如果使用传统的湿式清洗,不仅达不到效果,有时候还会增加其它污染物,使清洗效率下降,影响产品的生产.使用干式清洗不仅效率高而且成本较低.由于当前超声波干式清洗核心技术还大量掌握在日韩和欧美等发达国家,所以目前我国主要依靠进口.例如对于超声波清洗头的研究、设备升降系统的设计以及精密传动机构的研发,都对整个行业的发展有着巨大意义.如果长期依赖进口不仅会增加产品的成本,更会使企业缺乏自主创新能力.坐吃老本只是满足眼前的发展.所以只能自己通过不断研究、实验来设计新产品,这才是企业正确的发展方向.

　　在自主创新对于任何一个行业来说都至关重要,才能推动社会的进步.如果长期以来进口只能固步自封,让别人牵着鼻子走.液晶显示行业属于精密器械行业,涉及领域较广,所以加强研发创新迫在眉睫.

　　随着玻璃基板的尺寸越来越大,以及工艺的发展.设备的机械系统的设计也越来越重要.由于玻璃基板尺寸变大,传统的滚轮式清洗设备由于玻璃基板变形量较大,急需要改进,改用台板式清洗设备,对于台板式清洗设备需要对其机械系统进行设计,具体到台板式清洗设备的升降系统、传动系统等.本文重点对关键零部件的设计及静力学分析,以满足设计要求.

　　1.4 本课题研究的主要内容

　　本课题根据实际情况,研究的是企业为京东方设计的第 10.5 代柔性屏超声波清洗设备,针对研究的对象,重点对设备的机械系统进行设计.具体如下:

　　第一章 介绍了本课题的课题来源、研究背景和意义,对于研究对象所涉及的柔性玻璃基板以及国内外超声清洗技术进行了详述,并且阐明了玻璃基板的清洗技术,最后提出了本论文的主要研究内容.

　　第二章 主要阐明超声波清洗设备的系统组成,明确要设计的对象.详述设备的运行原理以及对设备的清洗原理进行分析.

　　第三章 对传统升降机构的优缺点进行分析,选用最佳升降机构,对升降机构的动力系统进行设计计算.确定升降机构齿轮齿条的精度等级,通过升降机构齿轮齿条的分析计算,确定升降机构的定位精度.并且对升降系统中的关键零部件进行静力学分析.

　　第四章 对传统传动结构优缺点进行分析,选择最佳传动结构.对传动结构中线性模块进行设计计算,对导轨的挠度进行校核,使用有限元法对传动轴的强度和刚度进行校核.

　　第五章 对设备中的两个重要的支撑结构进行静力学分析,并对保护阴刻台板的缓冲装置进行选型设计.

　　第六章 对顶销结构进行模态分析、通过对单根铝型材的多目标优化,找到其避免共振的最佳尺寸.通过试验机对玻璃基板在不同工况下的颗粒去除率进行实验,超声波清洗设备的清洗性能.

　　…………由于本文篇幅较长,部分内容省略,详细全文见文末附件

　　7 总结与展望

　　7.1 总结

　　本文主要研究的对象是企业为京东方设计制造的第 10.5 代柔性屏超声波清洗设备,针对该设备本文主要研究其机械系统,根据设备的工作环境和特点,分析研究机械系统中的关键零部件,使机械系统达到设计要求.以下为论文的主要研究成果:

　　(1)详细阐述了设备的工作原理,分析了其清洗原理.通过对设备清洗头结构的分析,阐明了设备的空气循环原理、清洗原理.通过建立超声波发生器横截面的模型,解析了超声波的透射原理及汇聚原理,得出当清洗头的 P 压为 20KHz 时,超声场中的某一点的加速度为重力加速度的 1530 倍,足以清除悬浮在玻璃基板上的颗粒.

　　(2)针对传统升降机构的工作原理和特点,选择了传动精度较高的单驱动四升降的升降机构,对升降机构的动力系统进行了选型计算,通过升降机构齿轮齿条的分析计算,确定了升降机构的定位精度小于 1mm.对升降系统中的其它零部件进行静力学分析,其中玻璃基板的最大变形量 0.53546mm,在许用变形量 2mm 之内.通过单根型材在不同材料下的静力学分析得出,选用碳纤维较合适,其最大变形量 0.16881mm.对顶销结构进行分析得出在 Y 方向上的最大变形量 0.00096275mm,小于许用变形量,满足设计许用要求.

　　(3)通过对传统传动结构的优缺点分析,选择使用线性模块进行传动,对线性模块的挠度进行了校核,最大挠度 82.21 10 mm × 小于导轨的许用挠度.对传动轴的强度和刚度的校核,其中最大剪应力为 14.905MPa,远小于材料的许用应力 60Mpa,满足设计要求.

　　(4)对支撑结构进行静力学分析,其中单块台板的最大变形量 0.0068752mm,最大等效应力 0.61793Mpa,在设备允许的范围之内.清洗头在支撑结构的三个位置进行静力学分析,其中当清洗头在中间时变形最大 0.0017461mm,小于线性模块导轨的许用变形量,满足设计要求.

　　(5)对支撑结构和顶销结构进行模态分析,其中顶销结构会引起共振,对其单根型材进行尺寸多目标优化,通过 CAE 软件的分析和优化,得出铝型材应选择3214mm 55mm × ,壁厚 3.0mm,并对优化后的型材进行模态分析,满足设计要求.

　　(6)通过设计好的零部件,在制造车间生产制造.对超声波清洗机进行装配.最后通过对现场调试阶段的试验机进行清洗性能进行验证,对比在三个工况下颗粒去除率,得出将清洗头与玻璃基板之间的距离设为 1.5mm 和增大压力腔的值可以提高颗粒的清除率

　　7.2 展望

　　超声波清洗设备是一个复杂的系统,对不同的机械系统设计方式不同和采用的方法不同,所达到的效果也不相同.与国外先进的生产设备相比还存在差距,针对本文的设计与研究,对本设备的研究提出以下展望:

　　(1)本文只是简单的对超声波清洗设备的清洗原理进行了研究,未来需要对超声波发声器发声机理进行深入研究.

　　(2)设备的关键零部件之间配合密切,还需对设备零部件进一步设计.

　　(3)升降系统和传动系统在整个设备中意义重大,针对升降系统和传动系统还需要进行在控制方面的研究.

　　致谢

　　光阴荏苒,转眼间在中北大学的三年研究生生涯即将结束,在校期间受到很多老师和同学们的帮助,他们不仅在学术和生活上给与我帮助和支持,而且让我懂得了做人的道理,在此期间我要向所有给与帮助和支持的人表示最诚挚的谢意.

　　首先,我要感谢我的导师李虹,自从入学以来,在学术上老师给予我极大的指导和点拨,让我对专业知识的理解更加深刻.不管遇到什么问题老师总是给予我支持和帮助.在生活上,老师和蔼可亲,我常常和老师交流,老师给予我无微不至的关怀.工作中老师严谨的工作精神,让我受益终生.感谢老师对我的栽培,祝愿老师桃李满天下.在三年的学习生涯中,还要感谢课题组的李瑞琴教授和其他老师给我们提供的学术指导.

　　其次感谢北京清大天达光电科技股份有限公司给我这次宝贵的实践机会,让我参与项目设计工作,也给我的论文提供了方向.感谢研发事业三部部长范兆周以及研发事业一部的部长谷海雷、闫建华在工作和生活上的帮助.感谢同事鹿雪龙、李成在工作上的帮助,祝愿清大天达全体同事工作顺利.

　　在此还要感谢师兄胡杨、王超超、汪辉、李俊帅、师姐刘晓娟,在学习上给我们点拨思路、指点迷津;感谢我的同窗曹磊,在学习上互相帮助,互相学习、共同进步;感谢师妹李亚丽、师弟王新宇、张俊辕、苏毅在论文的撰写期间给予的帮忙和鼓励.以及感谢室友靳伟贺、夏昊、王辰宇在学习上和生活上的帮助和支持.同时由衷的感谢我的父母,感谢他们一直以来对我的养育之恩,感谢他们一直以来默默的奉献和付出,保证我顺利的完成了学业,祝愿父母健康长寿.

　　最后,感谢各位评审专家在百忙中对我的论文进行审阅和指导.
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