玻璃基板的自動脫附鏟刀設計

章 壯，王恒升,2，侯力瑋

ZHANG Zhuang1 , WANG Heng-sheng1,2 , HOU Li-wei1

（1.中南大學 機電工程學院，長沙 410083；2.中南大學 高性能復雜制造國家重點實驗室，長沙 410083）

0 引言

玻璃基板是平板顯示（Flat Panel Display，FPD）產業中不可或缺的關鍵基礎部件之一，智能手機、平板電腦、液晶電視等都離不開平板顯示[1,2]。目前商業上使用的玻璃基板厚度有0.7mm、0.4mm等規格，新一代玻璃基板有進一步減薄的趨勢。平板顯示玻璃的減薄工藝主要采用化學機械拋光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）技術[3]，在玻璃基板減薄過程中，利用吸附墊將玻璃基板固定。目前采用這種加工工藝時，玻璃基板的上下料過程都由人工完成，尤其是在下料（卸片）時，依賴于人工以手指“摳”的方式揭起玻璃，導致在惡劣、單調的工作環境下玻璃基板的良品率不高且效率低下[4]，因此，市場對研磨拋光機卸片工藝的自動化操作提出了迫切要求。

本文的背景就是要實現研磨拋光機的自動卸片，這里最核心的一步是破除玻璃基板與吸附墊（1mm左右的聚氨酯發泡墊）之間的吸附狀態，實現玻璃與吸附墊的分離，這是本文的主要工作內容。

據我們所知，截止目前，尚沒有實際應用的針對玻璃研磨機的玻璃卸片的自動實現方案，也沒有相關的理論研究。類似這種薄板粘結結構的研究有一些文獻報道，梁莉[5]等人研究多層薄鋼板的分離，設計了一種吸盤式剝離機構，并推導了剝離力矩理論計算公式；但由于CMP中拋光液顆粒的存在，采用集中吸方式極易導致玻璃基板表面出現劃痕[6]，這種吸盤剝離方式無法適用于本文情況。超薄IC芯片的無損轉移同樣涉及到剝離工藝，目前采用頂針推力實現芯片與膠層的剝離[7,8]，但拋磨設備卸片時環境較惡劣且玻璃的面積遠大于芯片的面積，這種頂針式卸片也不適用本文情況。根據玻璃基板減薄工藝的卸片需求，仿照目前人工的手工剝離方式，本文設計了一種類楔形的鏟刀，從玻璃與吸附墊粘結的直角處起刀，實現從直角處解除吸附的效果，之后再采用其它方法，擴大玻璃脫附的面積，直到整塊玻璃完全從吸附墊上剝離。這種類楔形鏟刀不同于一般鏟具通過刀刃切削切斷對象[9]，而是依賴鏟刀背面的滑移分開粘接界面。也參考目前人工剝離的工藝，在用鏟刀剝離玻璃的過程中，通過沖水，以加快分離過程并對玻璃起到一定的保護作用。

本文對剝離過程中鏟刀與玻璃之間的受力進行了建模，分析了鏟刀滑移面傾角以及水流沖擊對剝離過程的影響，研究了剝離過程的功耗。在此基礎上設計了一種凸弧滑移面鏟刀，能夠有效減小剝離阻力，降低作業功耗。本文后續內容安排如下：第1節介紹玻璃基板的剝離過程和鏟刀設計；第2節建立剝離過程接觸點的力學模型；第3節計算剝離過程的阻力功耗并分析傾角等因素對功耗的影響；第4節設計凸弧形滑移面鏟刀并進行了試驗驗證；最后總結全文。

1 玻璃基板剝離的自動化方案及鏟刀設計

1.1 剝離過程的自動化方案

玻璃基板研磨拋光機對加工工件（平板顯示玻璃）的夾持普遍使用具有微細吸附能力的聚氨酯發泡墊，上料時將玻璃壓實在吸附墊上，排除吸附墊微細孔中空氣，形成真空吸附力；拋磨過程中，上定磨盤的壓力作用會使玻璃牢牢吸附在聚氨酯發泡墊上。目前人工操作時，拋磨完成后的卸片一般從邊角通過手工“摳”并配合沖水，從一處破除吸附，然后通過“揭”的方式將整塊玻璃剝離。我們提出自動卸片過程從玻璃的直角處開始，如圖1所示。這主要是考慮從“角”處用力克服的吸附力為以角為圓心的四分之一扇面，而從“邊”處用力需要克服半圓形吸附力，前者顯然更優。

圖1 鏟刀從邊、角起刀示意圖

圖2 玻璃基板脫附示意圖

我們提出的自動化卸片的基本過程為：1）接觸-鏟入過程：鏟刀作為機械臂的末端執行器定位于玻璃直角處，刀口略微下壓并往前運動鏟入玻璃基板和吸附墊的縫隙；2）穩定的界面剝離過程，如圖2所示：均勻向前推進鏟刀，使玻璃沿直角處按四分之一扇面逐漸擴大脫附區域；3）直角處玻璃基板抬高過程：待鏟刀進入60mm后機械臂帶動鏟刀上抬5mm；4）整塊玻璃的分離過程：滾輪平板狀小車從已脫附的直角處插入到玻璃基板與吸附墊之間的夾縫中，并逐漸向前推進直到完成整塊玻璃與吸附墊的分離，分離的同時玻璃就被傳輸到了滾輪小車上，達到自動化卸片及后續運輸的目的。

1.2 剝離過程的控制要求

針對上述玻璃基板的脫附剝離過程，根據工藝要求，提出以下控制要求：1）在第一階段，因為對鏟刀定位的位置精度要求極高，使用位置控制無法達到要求，需要根據鏟刀實際接觸吸附墊的壓力大小判斷鏟刀是否在垂直方向上到位，需要使用接觸力控制的方式實現接觸定位。2）在第二階段，為防止鏟刀對玻璃的鏟力過大或推進過快，在保持垂直方向接觸力的同時對鏟刀向前的推力和速度均有限制，機械臂的控制方式采用前向推力控制和速度限制兩種措施。3）在第三階段，鏟刀的推進長度和抬起高度，是根據玻璃工藝邊的大小和產生的脫附扇面大小共同決定，對機械臂末端應采取點對點位置控制方式。4）小車的滾輪及承載平臺有特殊的設計和控制要求，以滿足無損及快速地把玻璃從吸附墊上全部分離。

這里介紹自動化過程的基本流程主要是為了說明本文工作在系統中的地位，本文僅針對上述第二步界面剝離過程中的關鍵執行器鏟刀進行設計，并分析剝離過程中鏟刀與玻璃基板接觸點的受力情況，為優化鏟刀設計提出理論支撐。

1.3 鏟刀的結構設計

鏟刀整體設計為楔形，如圖3所示。最前端為刀口，用于鏟入玻璃基板和吸附墊的縫隙；中間段為刀背滑移面，實現玻璃基板與吸附墊分離；滑移面中部設有玻璃尖角避讓槽，既能避免直角抵觸刮擦，又能接入細水管作為沖水槽；機械臂末端與鏟刀通過刀柄固定，刀背滑移面與刀柄的過渡處設有用于防止玻璃邊角和刀柄相互損傷的V形防切口。鏟刀整體使用合金鋼材質，可避免表面被刮傷，延長鏟刀作用壽命，而且能夠減小鏟刀和玻璃基板的切削阻力。鏟刀各部分的結構設計參數分別為刀口寬度A（0.025m）、滑移面寬度B（0.04m）、槽口寬度C（0.006m）、槽口長度L1（0.05m）和底面長度L（0.06m）。

鏟刀的作業參數是影響玻璃基板自動化脫附效率的關鍵因素，包括滑移面傾角φ、滑移面高度H和進給速度v，其中不同大小的鏟刀傾角對應剝離過程的玻璃基板受力點的力學行為各有不同，進而剝離過程的阻力功耗產生影響，因此分析鏟刀傾角與阻力功耗的相互聯系是傾角設計的前提。

2 剝離過程力學建模

圖3 斜面鏟刀的結構參數示意圖

從接觸點受力角度建立玻璃基板脫附過程的質點動力學微分方程，確定鏟刀在恒定速度下使玻璃基板與吸附墊發生剝離的基礎條件，并分析水流沖擊對玻璃基板表面力學行為的影響。

2.1 剝離過程的一些基本假設

為了研究方便，根據剝離過程中的力學特性進行如下假設：

1）鏟刀看作剛性體，滑移面不發生形變。

2）玻璃基板各向同性，在彈性范圍內的變形與外載荷線性相關。

3）玻璃基板翹起區域的重力和重力引起的變形忽略不計。

2.2 接觸點力學分析

玻璃基板受拋光時的上定盤擠壓，與吸附墊緊緊貼合。在鏟刀滑移面支撐力的作用下，玻璃基板受本征強度和厚度方向上應力梯度的影響發生微小變形，這種變形使得吸附墊的微小單元吸附力失效[10]。玻璃基板的彎曲變形與滑移面的接觸點相關，鏟刀過大速度或推力導致的顯著大撓度和非線性變形容易使其碎裂。由于受力特征的復雜性，玻璃基板不同部位的點，也呈現出復雜各異的力學屬性[11,12]。為不失一般性，取玻璃基板與鏟刀滑移面接觸的一質點M作為研究對象，置于xoy坐標系中，質點M位于兩平面的相切處，鏟刀后背固定在機械臂末端，伺服電機力矩控制模式下，鏟刀沿著x軸水平進給（如圖4所示），對玻璃基板實施起翹的過程中，由相對運動可知，質點M沿著τ方向（滑移面切向方向）及n（滑移面法線方向）的質點動力學方程可描敘為：

式中，m為玻璃基板某一質點M的質量，kg；為楔形滑移面的傾角，°；FN為質點受到滑移面法向反力，N；為質點受到玻璃基板反抗變形的水平恢復力，N；為滑移面對質點的滑動摩擦力，N；Fk為玻璃基板邊緣與滑移面刮擦產生的切削阻力，N；ae為質點的牽連加速度，m/s2；aτ為質點相對滑移面的加速度，m/s2。

式中，γ為質點與滑移面之間的摩擦角[13]，°。聯立式(1)和式(2)可得：

由式(3)易知，在FN＞0時，要想aτ＜0，即質點M與滑移面之間由靜止發生相對移動產生剝離動作需滿足：

2）玻璃基板邊緣與鏟刀滑移面產生的切削阻力Fk趨近于零。

圖4 玻璃與鏟刀接觸點受力示意圖

2.3 水流沖擊對力學行為的影響

玻璃基板剝離的實際操作中，鏟刀推進過程往往以水流輔之，通過圖5中的槽口噴水作用于玻璃基板的已剝離區域，用于加速和擴大吸附作用的解除范圍以防止玻璃發生碎裂。

玻璃基板翹起一定高度時，水流漫布由玻璃基板、吸附墊和鏟刀滑移面三者構成的腔體，如圖5灰色區域所示。當玻璃基板彎曲變形較小時，可以認為剝離角β即為兩條虛線的夾角，為了簡化模型，假設解除吸附狀態的剝離角β為定值，且臨界角度為5°。此時，Fw可看作水流沖擊對玻璃基板的作用力，N，則M點的法向合力變為：

圖5 水流沖擊作用力示意圖

玻璃基板在流場作用下的力學行為可看作流固耦合問題[14,15]，為了計算水流沖擊對玻璃基板的作用力（在此對流體力學不作具體分析），通過使用fluent軟件對不同傾角狀態下的腔體進行仿真計算，分析水流沖擊作用力與傾角之間的相關性。仿真過程中鏟刀結構參數設置為刀口寬度A（0.025m）、鏟面寬度B（0.04m）、槽口寬度C（0.006m）、鏟刀長度L（0.06m），剝離高度為H（0.02m），槽口水流壓強為0.02Mpa。腔體的邊界壓力云圖如圖6所示，不同傾角仿真計算得到的玻璃基板表面壓力數值如表1所示。

圖6 腔體的邊界壓力云圖

由表1可得，從宏觀上來說，沖擊力在允許范圍內可看作是勻變的，擬合表1中的數據，則水流沖擊對玻璃基板的作用力與鏟面傾角的數學關系為：

表1 在高度H下得到的不同傾角對應的沖擊力

3 阻力功耗分析

3.1 剝離功耗計算

機械臂在進行剝離動作時，末端鏟刀功耗主要由鏟刀底面和吸附墊的滑動摩擦力做功和鏟刀剝離功耗組成。為了減少吸附墊損耗和延長其使用壽命，機械臂在y方向采用力控方式，使得鏟刀與吸附墊的接觸力始終保持在3N，即底面滑動摩擦力功耗只與推進位移有關。因此，為了簡化模型，本文著重分析玻璃基板滑移過程的剝離功耗。如圖7所示，m和m'分別為剝離初始接觸點和剝離結束終點，則玻璃基板滑移動作在理想狀態下所產生的各距離之間的幾何關系可表示為：

式中，s1為鏟刀推進距離，m；s2為沿著τ方向的滑移距離，m；s3為滑移面法線方向的移動距離，m，h為玻璃基板需要翹起的高度，m。假設鏟刀推進過程中的平均速度為ve，則從剝離開始到結束的時間為：

理想狀態下，玻璃基板滑移面接觸點受到的法向反力FN恒定，切削阻力Fk大小與玻璃變形無關，則由式(3)可知aτ為定值，因此沿著τ方向的滑移距離為：

剝離過程中玻璃基板相對于鏟刀的加速移動主要表現在τ方向，而在水平方向則近似表現為鏟刀的勻速運動，由受力平衡可知：

為了分析玻璃基板剝離過程中鏟刀滑移傾角對剝離功耗的影響，建立剝離功耗與傾角的數學關系，則無水流沖擊下的近似功耗方程為：

聯立式(2)、式(3)和式(6)～式(10)化簡得：

有水流沖擊下的近似功耗方程為：

將式(4)代入式(12)可得：

式(11)、式(13)分別為兩種狀態下鏟刀的滑移面傾角、剝離高度和進給速度等因素與剝離過程建立的函數關系，即為界面剝離過程中鏟刀的剝離功耗模型。

圖7 滑動位移示意圖

3.2 作業參數對阻力功耗的影響

圖8為不同的剝離速度時鏟面傾角對剝離功耗的影響曲線。鏟刀材料為合金鋼，因此，玻璃與鏟刀滑移面的摩擦角γ約為35°[16]，其他主要參數設置為：s1=0.06m，ve=0.01～0.025m/s，Fk=0.01N，h=0.016m。

圖8 鏟面傾角對剝離功耗的影響曲線

圖9為水流沖擊對剝離功耗的影響曲線。主要參數設置為：S1=0.06m，γ=35°，ve=0.01m/s，h=0.016m?？梢钥闯?，鏟面傾角越小，水流沖擊對剝離功耗的影響越大，在傾角為15°～25°時，功耗較為接近。盡管水流沖擊的反作用力增大了阻力功耗，但卻能夠起到潤滑和破除真空的效果，在傾角較小時提供一定的輔助剝離作用。

圖9 水流沖擊對剝離功耗的影響曲線

圖10為切削阻力Fk對剝離功耗的影響曲線。主要參數設置為：s1=0.06m，γ=35°，ve=0.01m/s，h=0.016m，5°<<25°?？梢钥闯?，無論有無切削阻力，剝離功耗在傾角=15°時呈現最小。由于切削阻力的功耗與滑移面位移呈線性遞增，因此滑移面越光滑越能夠減小切削阻力功耗。

圖10 切削阻力對剝離功耗的影響曲線

4 鏟刀傾角設計及剝離試驗

4.1 鏟刀滑移面傾角設計

對剝離過程進行力學建模及功耗分析的根本目的是得到合理的鏟面傾角，理論計算結果表明鏟面傾角φ的設計優選值為15°。進一步研究發現，切削阻力主要來源于玻璃邊緣與鏟面的刮擦，因此將鏟刀滑移面設計成凸弧面，可有效消除邊緣切削力，減小剝離功耗。

凸弧線輪廓設計由三次Bezier曲線生成，表2為4個控制點坐標及曲線上對應橫坐標的點的切線傾角，凸弧面鏟刀設計示意圖如圖11(a)所示，原15°傾角的斜面視為鏟刀虛擬面?？梢钥闯?，由于弧形面與虛擬面結構相近且凸弧線的切線傾角平均值為14.8°，因此可以在一定程度上認為弧形面與虛擬面具有相同的力學行為，即上述剝離理論模型依然有效。依據此，設計加工出的凸弧面鏟刀實物圖如圖11(b)所示。

表2 Bezier曲線控制點坐標參數

圖11 凸弧面鏟刀

4.2 剝離試驗

玻璃基板剝離功耗試驗系統如圖12所示，將若干把具有固定傾角的鏟刀（如表3所示，不同鏟刀傾角相差5°），分別安裝在WEF-6A200-4-RC24型WACOH六維力傳感器上，力傳感器與MZ04型NACHI六軸機械臂末端固定。0.7mm厚度玻璃基板貼附與吸附墊上，設置鏟刀底面與吸附墊接觸力為3N，機械臂以恒定速度（0.01m/s）對玻璃基板進行剝離，實時記錄進給力和位移數據。由于鏟刀與吸附墊的接觸力始終保持在3N，即底面摩擦力為定值，故剝離階段的功耗計算公式為：

式中，FR為力傳感器測得水平方向的進給力，N；Ff為鏟刀底面摩擦力，N；se為機械臂行進距離，m。

表3 試驗鏟刀的結構參數

圖12 剝離功耗試驗現場圖片

分別采用6把不同傾角的鏟刀（斜面和凸弧面），依次對吸附后的玻璃基板進行剝離對比試驗，根據式(12)計算剝離功耗，每組重復4次，剔除不合理數據并計算平均值，圖13為剝離功耗的試驗結果?？梢钥闯?，當傾角較小或較大時，水流沖擊對剝離功耗的影響較大，在鏟面傾角為15°時，剝離功耗為最小。試驗結果表明凸弧滑移面鏟刀能減小剝離功耗，性能較優。

圖13 剝離功耗試驗結果

由于在研究過程中，為了簡化模型，忽略了一些非主要因素，模型誤差和測量儀器的測量誤差導致試驗結果和理論值有一定偏差，但試驗結果與本文理論功耗模型在變化趨勢上基本吻合，從而驗證了數學模型的正確性和鏟刀傾角設計的合理性。

5 結論

本文闡述了研磨拋光機自動卸片工藝中玻璃基板的剝離過程并設計了鏟刀的結構，提出了從直角處鏟起玻璃破除吸附作用的方法。針對剝離行為建立了鏟刀滑移面和玻璃接觸點的動力微分方程模型，確定發生剝離基礎條件；通過分析剝離過程阻力功耗和鏟刀滑移面傾角、水流沖擊等因素的關系，建立鏟刀功耗數學模型，得到合理鏟刀傾角，并進行試驗驗證。主要結論如下：

本文的理論及鏟刀從直角處破除吸附的方法可行。無論有無水流沖擊作用，鏟刀滑移面傾角過大或過小都會增大阻力功耗，當傾角為15°時功耗最小，凸弧滑移面鏟刀在試驗條件下性能優于楔形斜面鏟刀，可作為結構設計參考。

為了突出主體變化規律，在建模過程中，對玻璃變形行為和受力情況進行了適當性的理想化假設，因此理論值和試驗值會有偏差，但變化趨勢基本吻合，設計出的鏟刀能夠滿足實際工程應用需求。