章 壯，王恒升,2，侯力瑋

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

（1.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長沙 410083；2.中南大學(xué) 高性能復(fù)雜制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410083）

0 引言

玻璃基板是平板顯示（Flat Panel Display，F(xiàn)PD）產(chǎn)業(yè)中不可或缺的關(guān)鍵基礎(chǔ)部件之一，智能手機(jī)、平板電腦、液晶電視等都離不開平板顯示[1,2]。目前商業(yè)上使用的玻璃基板厚度有0.7mm、0.4mm等規(guī)格，新一代玻璃基板有進(jìn)一步減薄的趨勢。平板顯示玻璃的減薄工藝主要采用化學(xué)機(jī)械拋光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）技術(shù)[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(shí)，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(shí)，依賴于人工以手指“摳”的方式揭起玻璃，導(dǎo)致在惡劣、單調(diào)的工作環(huán)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(jī)卸片工藝的自動(dòng)化操作提出了迫切要求。

本文的背景就是要實(shí)現(xiàn)研磨拋光機(jī)的自動(dòng)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(fā)泡墊）之間的吸附狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)玻璃與吸附墊的分離，這是本文的主要工作內(nèi)容。

據(jù)我們所知，截止目前，尚沒有實(shí)際應(yīng)用的針對玻璃研磨機(jī)的玻璃卸片的自動(dòng)實(shí)現(xiàn)方案，也沒有相關(guān)的理論研究。類似這種薄板粘結(jié)結(jié)構(gòu)的研究有一些文獻(xiàn)報(bào)道，梁莉[5]等人研究多層薄鋼板的分離，設(shè)計(jì)了一種吸盤式剝離機(jī)構(gòu)，并推導(dǎo)了剝離力矩理論計(jì)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(dǎo)致玻璃基板表面出現(xiàn)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(zhuǎn)移同樣涉及到剝離工藝，目前采用頂針推力實(shí)現(xiàn)芯片與膠層的剝離[7,8]，但拋磨設(shè)備卸片時(shí)環(huán)境較惡劣且玻璃的面積遠(yuǎn)大于芯片的面積，這種頂針式卸片也不適用本文情況。根據(jù)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(shè)計(jì)了一種類楔形的鏟刀，從玻璃與吸附墊粘結(jié)的直角處起刀，實(shí)現(xiàn)從直角處解除吸附的效果，之后再采用其它方法，擴(kuò)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(hù)作用。

本文對剝離過程中鏟刀與玻璃之間的受力進(jìn)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(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種凸弧滑移面鏟刀，能夠有效減小剝離阻力，降低作業(yè)功耗。本文后續(xù)內(nèi)容安排如下：第1節(jié)介紹玻璃基板的剝離過程和鏟刀設(shè)計(jì)；第2節(jié)建立剝離過程接觸點(diǎn)的力學(xué)模型；第3節(jié)計(jì)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(jié)設(shè)計(jì)凸弧形滑移面鏟刀并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證；最后總結(jié)全文。

1 玻璃基板剝離的自動(dòng)化方案及鏟刀設(shè)計(jì)

1.1 剝離過程的自動(dòng)化方案

玻璃基板研磨拋光機(jī)對加工工件（平板顯示玻璃）的夾持普遍使用具有微細(xì)吸附能力的聚氨酯發(fā)泡墊，上料時(shí)將玻璃壓實(shí)在吸附墊上，排除吸附墊微細(xì)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(huì)使玻璃牢牢吸附在聚氨酯發(fā)泡墊上。目前人工操作時(shí)，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(dòng)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(yōu)。

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(dòng)化卸片的基本過程為：1）接觸-鏟入過程：鏟刀作為機(jī)械臂的末端執(zhí)行器定位于玻璃直角處，刀口略微下壓并往前運(yùn)動(dòng)鏟入玻璃基板和吸附墊的縫隙；2）穩(wěn)定的界面剝離過程，如圖2所示：均勻向前推進(jìn)鏟刀，使玻璃沿直角處按四分之一扇面逐漸擴(kuò)大脫附區(qū)域；3）直角處玻璃基板抬高過程：待鏟刀進(jìn)入60mm后機(jī)械臂帶動(dòng)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(jìn)直到完成整塊玻璃與吸附墊的分離，分離的同時(shí)玻璃就被傳輸?shù)搅藵L輪小車上，達(dá)到自動(dòng)化卸片及后續(xù)運(yùn)輸?shù)哪康摹?/p>

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(jù)工藝要求，提出以下控制要求：1）在第一階段，因?yàn)閷︾P刀定位的位置精度要求極高，使用位置控制無法達(dá)到要求，需要根據(jù)鏟刀實(shí)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(shí)現(xiàn)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(jìn)過快，在保持垂直方向接觸力的同時(shí)對鏟刀向前的推力和速度均有限制，機(jī)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(jìn)長度和抬起高度，是根據(jù)玻璃工藝邊的大小和產(chǎn)生的脫附扇面大小共同決定，對機(jī)械臂末端應(yīng)采取點(diǎn)對點(diǎn)位置控制方式。4）小車的滾輪及承載平臺(tái)有特殊的設(shè)計(jì)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(dòng)化過程的基本流程主要是為了說明本文工作在系統(tǒng)中的地位，本文僅針對上述第二步界面剝離過程中的關(guān)鍵執(zhí)行器鏟刀進(jìn)行設(shè)計(jì)，并分析剝離過程中鏟刀與玻璃基板接觸點(diǎn)的受力情況，為優(yōu)化鏟刀設(shè)計(jì)提出理論支撐。

1.3 鏟刀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鏟刀整體設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)玻璃基板與吸附墊分離；滑移面中部設(shè)有玻璃尖角避讓槽，既能避免直角抵觸刮擦，又能接入細(xì)水管作為沖水槽；機(jī)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(shè)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(zhì)，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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)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(yè)參數(shù)是影響玻璃基板自動(dòng)化脫附效率的關(guān)鍵因素，包括滑移面傾角φ、滑移面高度H和進(jìn)給速度v，其中不同大小的鏟刀傾角對應(yīng)剝離過程的玻璃基板受力點(diǎn)的力學(xué)行為各有不同，進(jìn)而剝離過程的阻力功耗產(chǎn)生影響，因此分析鏟刀傾角與阻力功耗的相互聯(lián)系是傾角設(shè)計(jì)的前提。

2 剝離過程力學(xué)建模

圖3 斜面鏟刀的結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

從接觸點(diǎn)受力角度建立玻璃基板脫附過程的質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)微分方程，確定鏟刀在恒定速度下使玻璃基板與吸附墊發(fā)生剝離的基礎(chǔ)條件，并分析水流沖擊對玻璃基板表面力學(xué)行為的影響。

2.1 剝離過程的一些基本假設(shè)

為了研究方便，根據(jù)剝離過程中的力學(xué)特性進(jìn)行如下假設(shè)：

1）鏟刀看作剛性體，滑移面不發(fā)生形變。

2）玻璃基板各向同性，在彈性范圍內(nèi)的變形與外載荷線性相關(guān)。

3）玻璃基板翹起區(qū)域的重力和重力引起的變形忽略不計(jì)。

2.2 接觸點(diǎn)力學(xué)分析

玻璃基板受拋光時(shí)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(qiáng)度和厚度方向上應(yīng)力梯度的影響發(fā)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(diǎn)相關(guān)，鏟刀過大速度或推力導(dǎo)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(fù)雜性，玻璃基板不同部位的點(diǎn)，也呈現(xiàn)出復(fù)雜各異的力學(xué)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(zhì)點(diǎn)M作為研究對象，置于xoy坐標(biāo)系中，質(zhì)點(diǎn)M位于兩平面的相切處，鏟刀后背固定在機(jī)械臂末端，伺服電機(jī)力矩控制模式下，鏟刀沿著x軸水平進(jìn)給（如圖4所示），對玻璃基板實(shí)施起翹的過程中，由相對運(yùn)動(dòng)可知，質(zhì)點(diǎn)M沿著τ方向（滑移面切向方向）及n（滑移面法線方向）的質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)方程可描敘為：

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

式中，γ為質(zhì)點(diǎn)與滑移面之間的摩擦角[13]，°。聯(lián)立式(1)和式(2)可得：

由式(3)易知，在FN＞0時(shí)，要想aτ＜0，即質(zhì)點(diǎn)M與滑移面之間由靜止發(fā)生相對移動(dòng)產(chǎn)生剝離動(dòng)作需滿足：

2）玻璃基板邊緣與鏟刀滑移面產(chǎn)生的切削阻力Fk趨近于零。

圖4 玻璃與鏟刀接觸點(diǎn)受力示意圖

2.3 水流沖擊對力學(xué)行為的影響

玻璃基板剝離的實(shí)際操作中，鏟刀推進(jìn)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(qū)域，用于加速和擴(kuò)大吸附作用的解除范圍以防止玻璃發(fā)生碎裂。

玻璃基板翹起一定高度時(shí)，水流漫布由玻璃基板、吸附墊和鏟刀滑移面三者構(gòu)成的腔體，如圖5灰色區(qū)域所示。當(dāng)玻璃基板彎曲變形較小時(shí)，可以認(rèn)為剝離角β即為兩條虛線的夾角，為了簡化模型，假設(shè)解除吸附狀態(tài)的剝離角β為定值，且臨界角度為5°。此時(shí)，F(xiàn)w可看作水流沖擊對玻璃基板的作用力，N，則M點(diǎn)的法向合力變?yōu)椋?/p>

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(xué)行為可看作流固耦合問題[14,15]，為了計(jì)算水流沖擊對玻璃基板的作用力（在此對流體力學(xué)不作具體分析），通過使用fluent軟件對不同傾角狀態(tài)下的腔體進(jìn)行仿真計(jì)算，分析水流沖擊作用力與傾角之間的相關(guān)性。仿真過程中鏟刀結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)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(qiáng)為0.02Mpa。腔體的邊界壓力云圖如圖6所示，不同傾角仿真計(jì)算得到的玻璃基板表面壓力數(shù)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(nèi)可看作是勻變的，擬合表1中的數(shù)據(jù)，則水流沖擊對玻璃基板的作用力與鏟面傾角的數(shù)學(xué)關(guān)系為：

表1 在高度H下得到的不同傾角對應(yīng)的沖擊力

3 阻力功耗分析

3.1 剝離功耗計(jì)算

機(jī)械臂在進(jìn)行剝離動(dòng)作時(shí)，末端鏟刀功耗主要由鏟刀底面和吸附墊的滑動(dòng)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(jī)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(dòng)摩擦力功耗只與推進(jìn)位移有關(guān)。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(diǎn)和剝離結(jié)束終點(diǎn)，則玻璃基板滑移動(dòng)作在理想狀態(tài)下所產(chǎn)生的各距離之間的幾何關(guān)系可表示為：

式中，s1為鏟刀推進(jìn)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(dòng)距離，m，h為玻璃基板需要翹起的高度，m。假設(shè)鏟刀推進(jìn)過程中的平均速度為ve，則從剝離開始到結(jié)束的時(shí)間為：

理想狀態(tài)下，玻璃基板滑移面接觸點(diǎn)受到的法向反力FN恒定，切削阻力Fk大小與玻璃變形無關(guān)，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(dòng)主要表現(xiàn)在τ方向，而在水平方向則近似表現(xiàn)為鏟刀的勻速運(yùn)動(dòng)，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(shù)學(xué)關(guān)系，則無水流沖擊下的近似功耗方程為：

聯(lián)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(tài)下鏟刀的滑移面傾角、剝離高度和進(jìn)給速度等因素與剝離過程建立的函數(shù)關(guān)系，即為界面剝離過程中鏟刀的剝離功耗模型。

圖7 滑動(dòng)位移示意圖

3.2 作業(yè)參數(shù)對阻力功耗的影響

圖8為不同的剝離速度時(shí)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(shù)設(shè)置為：s1=0.06m，ve=0.01～0.025m/s，F(xiàn)k=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(shù)設(shè)置為：S1=0.06m，γ=35°，ve=0.01m/s，h=0.016m?？梢钥闯觯P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(shí)，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(shí)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(shù)設(shè)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(shí)呈現(xiàn)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(shè)計(jì)及剝離試驗(yàn)

4.1 鏟刀滑移面傾角設(shè)計(jì)

對剝離過程進(jìn)行力學(xué)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(jì)算結(jié)果表明鏟面傾角φ的設(shè)計(jì)優(yōu)選值為15°。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)由三次Bezier曲線生成，表2為4個(gè)控制點(diǎn)坐標(biāo)及曲線上對應(yīng)橫坐標(biāo)的點(diǎn)的切線傾角，凸弧面鏟刀設(shè)計(jì)示意圖如圖11(a)所示，原15°傾角的斜面視為鏟刀虛擬面。可以看出，由于弧形面與虛擬面結(jié)構(gòu)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(rèn)為弧形面與虛擬面具有相同的力學(xué)行為，即上述剝離理論模型依然有效。依據(jù)此，設(shè)計(jì)加工出的凸弧面鏟刀實(shí)物圖如圖11(b)所示。

表2 Bezier曲線控制點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)

圖11 凸弧面鏟刀

4.2 剝離試驗(yàn)

玻璃基板剝離功耗試驗(yàn)系統(tǒng)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(jī)械臂末端固定。0.7mm厚度玻璃基板貼附與吸附墊上，設(shè)置鏟刀底面與吸附墊接觸力為3N，機(jī)械臂以恒定速度（0.01m/s）對玻璃基板進(jìn)行剝離，實(shí)時(shí)記錄進(jìn)給力和位移數(shù)據(jù)。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(jì)算公式為：

式中，F(xiàn)R為力傳感器測得水平方向的進(jìn)給力，N；Ff為鏟刀底面摩擦力，N；se為機(jī)械臂行進(jìn)距離，m。

表3 試驗(yàn)鏟刀的結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖12 剝離功耗試驗(yàn)現(xiàn)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(jìn)行剝離對比試驗(yàn)，根據(jù)式(12)計(jì)算剝離功耗，每組重復(fù)4次，剔除不合理數(shù)據(jù)并計(jì)算平均值，圖13為剝離功耗的試驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯?，當(dāng)傾角較小或較大時(shí)，水流沖擊對剝離功耗的影響較大，在鏟面傾角為15°時(shí)，剝離功耗為最小。試驗(yàn)結(jié)果表明凸弧滑移面鏟刀能減小剝離功耗，性能較優(yōu)。

圖13 剝離功耗試驗(yàn)結(jié)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(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果和理論值有一定偏差，但試驗(yàn)結(jié)果與本文理論功耗模型在變化趨勢上基本吻合，從而驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的正確性和鏟刀傾角設(shè)計(jì)的合理性。

5 結(jié)論

本文闡述了研磨拋光機(jī)自動(dòng)卸片工藝中玻璃基板的剝離過程并設(shè)計(jì)了鏟刀的結(jié)構(gòu)，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(diǎn)的動(dòng)力微分方程模型，確定發(fā)生剝離基礎(chǔ)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(guān)系，建立鏟刀功耗數(shù)學(xué)模型，得到合理鏟刀傾角，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。主要結(jié)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(huì)增大阻力功耗，當(dāng)傾角為15°時(shí)功耗最小，凸弧滑移面鏟刀在試驗(yàn)條件下性能優(yōu)于楔形斜面鏟刀，可作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考。

為了突出主體變化規(guī)律，在建模過程中，對玻璃變形行為和受力情況進(jìn)行了適當(dāng)性的理想化假設(shè)，因此理論值和試驗(yàn)值會(huì)有偏差，但變化趨勢基本吻合，設(shè)計(jì)出的鏟刀能夠滿足實(shí)際工程應(yīng)用需求。