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研究生： 廖家宏
Liao, Chia-Hung
論文名稱： 創新進氣結構氣浮平台之設計與分析
Design and Analysis of an Air Floating Table with Novel Injection Patterns
指導教授： 楊鏡堂
Yang, Jing-Tang
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 動力機械工程學系
Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年： 2007
畢業學年度： 95
語文別： 中文
論文頁數： 137
中文關鍵詞： 氣浮 、氣靜壓軸承 、氣體潤滑 、面板傳輸 、搬運系統
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    • 本文旨在設計高穩定度及高抗震性之氣浮平台，提出創新進氣結構設計，特點在節流器及氣袋的結合使用，氣體流經節流器形成壓力降，當承載高度改變時流阻會產生變化，節流器可根據外部負載變化，自行調節氣墊層內之壓力，以提昇平台的抗震效果。平台性能的檢驗方式是運用暫態模擬加入應力模組及網格變形模組，將平台類比成單自由度低阻尼的自由振動系統。從位移應答(response)曲線可得知承載高度、阻尼比與最大振幅差，藉此推估平台承載性能。實驗部分則進行承載高度量測進而與模擬結果相互比對，得知模擬結果趨勢正確。本文設計三種創新進氣幾何結構：NPAT1節流器孔徑與氣袋深度最小；NPAT次之，NPAT2最大。歸納結果顯示：承載高度與供氣速度及節流器孔徑有關，若節流器孔徑太大會喪失節流功能，承載高度則由供氣速度主導。阻尼比分析顯示：NPATI及NPVT1因節流器孔徑尺寸最小阻尼比最大；創新進氣導管NPAT1及NPVT1較佳操作條件是供氣速度為0.50~1.25 m/s及3.75~4.00 m/s， NPVT1阻尼比最多可提昇約34.1％，性能表現卓越。最大振幅差則受供氣速度、節流器孔徑及收縮係數的影響，供應氣體速度增加，最大振幅差增加，在供氣速度為3.75~4.00 m/s，NPAT1最大振幅差最多可降低約42.0%。增設抽氣裝置有助於提升承載性能， NPVT1比NPAT1減小約8~18 之最大振幅差。綜合結果說明附有創新進氣結構之氣浮平台對承載特性有正面的成效，驗證靜壓氣體軸承設計理念可有效提昇平台承載性能。

    目 錄 摘 要 i 目 錄 iv 圖表目錄 vii 符號說明 xii 第一章 前 言 1 第二章 文獻回顧 5 2-1 氣體軸承簡介 6 2-1.1 原理及分類 6 2-1.2 氣體軸承之優點 8 2-1.3 氣體軸承之缺點 9 2-2 氣體靜壓軸承工作原理 9 2-2.1 節流器（restrictor）的分類 10 2-2.2 氣鎚現象 11 2-3 承載機制與承載特性 12 2-4 專利分析 14 2-5 文獻總結 22 2-6 研究動機 24 第三章 實驗方析 26 3-1 無因次參數分析 29 3-2 習用氣浮平台之研製 32 3-3 創新氣浮平台之研製 37 3-3.1 平台本體之設計 37 3-3.2 平台之設計 40 3-4 實驗儀器設備 43 3-4.1 玻璃基板 43 3-4.2 氣體供應系統 43 3-4.3 壓力計 44 3-4.4 雷射位移量測系統 45 3-5 實驗架構與實驗流程 46 第四章 數值模擬分析 49 4.1 數值分析模型分類 50 4-2 模擬軟體分析簡介與基本設定 51 4-3 模擬之邊界條件及參數設定 53 4-4 網格獨立 57 4-5 數據後處理－阻尼比分析法 65 第五章 結果與討論 69 5-1 附有鰭片進氣導管鰭片擺設位置之影響 70 5-2 NEW SASO進氣導管出口長度之影響 72 5-2.1 間距(gap, h)為60 μm不同出口長度之影響 73 5-2.2 間距(gap, h)為100 μm不同出口長度之影響 75 5-3 各進氣導管所承載物件在不同間距下的受力分析 77 5-3.1 直式進氣導管 78 5-3.2沒有出口長度NEW SASO進氣導管 79 5-3.3出口長度為2 mm之NEW SASO進氣導管 80 5-3.4 進氣導管施於承載物件的壓力分佈 80 5-3.5 進氣導管對承載力之影響 83 5-4 二維暫態流場的模擬分析 84 5-4.1 模擬模型之建立 85 5-4.2 排氣壓力條件之影響 87 5-5 實驗量測不準度分析 90 5-6 平台性能分析 92 5-6.1 位移應答曲線分析 92 5-6.2 實驗與模擬之承載高度分析 102 5-6.3 阻尼比分析 110 5-6.4 最大振幅差分析 117 5-7 氣袋深度(hp)對平台承載性能之影響 122 第六章 結論與展望 129 6-1 結論 129 6-2 展望 132 6-3 本文貢獻 133 第七章 參考文獻 134 圖表目錄 表 2-1 習用不同型式進氣導管之優缺點比較表 23 表 3-1 平台本體直式進氣導管幾何尺寸 35 表 3-2 平台本體創新進氣裝置幾何尺寸 40 表 3-3 空氣壓縮機性能表 43 表 3-4 冷凍式空氣乾燥機性能表 44 表 4-1 正交格點長度與其相對之格點數目關係表 59 表 4-2 各格點長度在x = 0產生之速度誤差指標 63 表 4-3 各格點長度在y = 0產生之速度誤差指標 63 表 5-1 不同出口長度下的網格數及進氣導管長度(h = 60 □m) 74 表 5-2 不同出口長度模型網格數及進氣導管長度(h = 100 □m) 76 表 5-3 直式進氣導管在不同間距下之網格數 79 表 5-4 不具出口長度之NEW SASO進氣導管在不同間距下之網格數 80 表 5-5 出口長度為2 mm之NEW SASO進氣導管在不同間距下之網格數 80 表 5-6 三種模型在不同間距下之承載力量 83 表 5-7 進氣結構幾何尺寸 87 表 5-9 實驗量測不準度分析表 91 表 5-10 各型進氣導管於不同速度之對數衰減率 102 表 5-11 NPAT1不同氣袋深度之對數衰減率 125 表 5-12 NPAT1不同氣袋深度之最大振幅差 128 圖 1-1 各世代玻璃基板尺寸示意圖 1 圖 2-1 氣體軸承的種類 7 圖 2-2 靜壓氣體軸承的節流種類 11 圖 2-3 反向襯墊系統之類比電路法 13 圖 2-4 空氣推力機構附屬於平台之氣浮裝置(Wilde et al.) 15 圖 2-5 傳輸及清洗矽晶圓之“氣浮”裝置(Kobayashi) 15 圖 2-6 Hoetzl等人提出彎曲相對之平台進氣通道結構(Hoetzl et al.) 16 圖 2-7 平台表面鑽有若干孔洞之氣浮平台(Yamamoto et al.) 17 圖 2-8 羅思湧提出之新型頂針式氣浮平台(羅思湧) 18 圖 2-9 直立式面板輸送裝置及其多孔性材料通氣裝置(Hayashi) 18 圖 2-10 直立式面板輸送裝置及其混泥土通氣裝置(黃錦煒) 19 圖 2-11 佈有鰭片結構之通氣管(Levin et al.) 19 圖 2-12 氣房內之渦流大小會隨負載不同而改變(Levin et al.) 20 圖 2-13 長形板體組成之基板運輸承載裝置(李炳寰等人) 21 圖 2-14 氣室與氣孔交界附有多孔性材料之氣浮裝置(蔡鴻儒等人) 21 圖 2-15 具雙向氣浮之位置定位檢測機台 22 圖 2-16 文獻回顧架構圖 24 圖 2-17 研究動機示意圖 25 圖 3-1 正壓大氣型示意圖(PAT) 27 圖 3-2 正壓真空型示意圖(PVT) 27 圖 3-3 正壓型示意圖(PT) 27 圖 3-4 雙面正壓大氣型示意圖(PAPAT) 28 圖 3-5 雙面正壓真空型示意圖(PVPVT) 28 圖 3-6 創新正壓大氣型示意圖(NPAT) 29 圖 3-7 創新正壓真空型示意圖(NPVT) 29 圖 3-8 模型參數 30 圖 3-9 幾何參數示意圖 30 圖 3-10 PAT及PVT氣浮平台平台本體 33 圖 3-11 PAT及PVT氣浮平台配流板 33 圖 3-12 PAT及PVT氣浮平台供排氣板 33 圖 3-13 PAT及PVT氣浮平台組合前視圖 34 圖 3-14 直式進氣導管設計參數 35 圖 3-15習用平台尺寸及進氣裝置配置示意圖 36 圖 3-16 貼矽膠(silicon gel)條防止平台氣漏 37 圖 3-17 平台本體之立體局部剖面圖 38 圖 3-18 創新進氣裝置設計參數 39 圖 3-19 創新平台尺寸及進氣裝置配置示意圖 40 圖 3-20 NPAT及NPVT氣浮平台平台本體剖面圖 41 圖 3-21 NPAT及NPVT氣浮平台配流板剖面圖 42 圖 3-22 NPAT及NPVT氣浮平台供排氣板剖面圖 42 圖 3-23 NPAT及NPVT氣浮平台組合前視圖 42 圖 3-24 壓力計實體圖 44 圖 3-25 鏡面反射型感測頭安裝方式(KEYENCE) 45 圖 3-26 感測器控制器實體圖 46 圖 3-27 實驗系統架構圖 47 圖 3-28 實驗系統實體圖 48 圖 4-1 數值分析方法架構圖 49 圖 4-2 數值分析之模型分類圖 51 圖 4-3 穩態流場模擬之模型相關位置指示圖 53 圖 4-4 穩態流場模擬之模型相關位置指示圖 54 圖 4-5 二維進氣裝置幾何結構示意圖 58 圖 4-6 座標位置關係示意圖 58 圖 4-7 不同格點尺寸在x = 0處x方向速度隨y軸變化之分佈曲線圖 61 圖 4-8 不同格點尺寸在y = 0處y方向速度隨x軸變化之分佈曲線圖 62 圖 4-9 在x = 0處，各格點尺寸隨y軸變化之x方向速度分佈比較圖 63 圖 4-10 在y = 0處，各格點尺寸隨x軸變化之y方向速度分佈比較圖 64 圖 4-11 質量、彈簧及阻尼組成之機械振動系統 65 圖 4-12 系統受到外力擾動與位移應答曲線示意圖 68 圖 5-1 結果與討論架構流程圖 69 圖 5-2 SASO與NEW SASO進氣導管示意圖 70 圖 5-3 SASO與NEW SASO進氣導管速度場 71 圖 5-4 SASO及NEW SASO進氣導管速度向量場 72 圖 5-5 探討出口長度影響之NEW SASO進氣導管幾何示意圖 73 圖 5-6 不同出口長度的壓力分佈(h = 60 □m) 75 圖 5-7 不同出口長度的壓力分佈局部放大圖(h = 60 □m) 75 圖 5-8 不同出口長度的壓力分佈 (h = 100 □m) 77 圖 5-9 不同出口長度的壓力分佈局部放大圖(h = 100 □m) 77 圖 5-10 影響承載物件受壓分佈之進氣導管 78 圖 5-11 具直式進氣導管之模型幾何 79 圖 5-12 不具出口長度之NEW SASO進氣導管之模型幾何 79 圖 5-13 出口長度為2 mm之NEW SASO進氣導管之模型幾何 80 圖 5-14 直式進氣導管在不同間距下之壓力分佈圖 82 圖 5-15 NEW SASO進氣導管在不同間距下之壓力分佈圖(lo = 0) 82 圖 5-16 NEW SASO進氣導管在不同間距下之壓力分佈圖(lo = 2 mm) 82 圖 5-17 三種進氣導管在不同間距下與承載力量關係圖 83 圖 5-18 習用及創新氣浮平台進氣結構之幾何參數 86 圖 5-19 PAT及PVT氣浮平台施於承載物件下表面之壓力分佈 88 圖 5-20 NPAT及NPVT氣浮平台施於承載物件下表面之壓力分佈 89 圖 5-21 NPAT2及NPVT2氣浮平台施於承載物件下表面之壓力分佈 89 圖 5-22 NPAT1及NPVT1氣浮平台施於承載物件下表面之壓力分佈 89 圖5-23 PAT及PVT高度實驗量測之重複性分析 90 圖5-24 NPAT及NPVT高度實驗量測之重複性分析 91 圖 5-25 排氣端為一大氣壓，供氣速度為1 m/s之位移應答曲線 94 圖 5-26 排氣端為一大氣壓，供氣速度為2 m/s之位移應答曲線 95 圖 5-26 排氣端為一大氣壓，供氣速度為3 m/s之位移應答曲線 96 圖 5-28 排氣端為一大氣壓，供氣速度為4 m/s之位移應答曲線 97 圖 5-29 排氣端為-10 Pa，供氣速度為1 m/s之位移應答曲線 98 圖 5-30 排氣端為-10 Pa，供氣速度為2 m/s之位移應答曲線 99 圖 5-31 排氣端為-10 Pa，供氣速度為3 m/s之位移應答曲線 100 圖 5-32 排氣端為-10 Pa，供氣速度為4 m/s之位移應答曲線 101 圖 5-33 PAT供氣流率與承載高度關係圖 104 圖 5-34 PVT供氣流率與承載高度關係圖 104 圖 5-35 PAT與PVT承載高度實驗量測比較圖 105 圖 5-36 PAT模擬與實驗之承載高度比較圖 106 圖 5-37 PVT模擬與實驗之承載高度比較圖 106 圖 5-38 壓損源示意圖 107 圖 5-39 排氣端為一大氣壓，創新進氣裝置供氣速度與承載高度關係圖 108 圖 5-40 排氣端為-10 Pa，創新進氣裝置供氣速度與承載高度關係圖 109 圖 5-41 習用進氣導管與創新進氣導管之承載高度 110 圖 5-42 排氣端為一大氣壓，創新進氣裝置供氣速度與阻尼比關係圖 111 圖 5-43 排氣端為-10 Pa，創新進氣裝置供氣速度與阻尼比關係 113 圖 5-44 創新進氣裝置供氣速度與阻尼比關係 113 圖 5-45 排氣端為一大氣壓，習用與創新進氣導管阻尼比比較圖 114 圖 5-46 排氣端為-10 Pa，習用與創新進氣導管阻尼比比較圖 115 圖 5-47 習用進氣導管與創新進氣導管之阻尼比 116 圖 5-48 排氣端為一大氣壓，創新進氣裝置供氣速度與最大振幅差關係圖 118 圖 5-49 排氣端為-10 Pa，創新進氣裝置供氣速度與最大振幅差關係 119 圖 5-50 排氣端為一大氣壓，習用與創新進氣導管最大振幅差比較圖 120 圖 5-51 排氣端為-10 Pa，習用與創新進氣導管最大振幅差比較圖 121 圖 5-52 習用進氣導管與創新進氣導管之最大振幅差 122 圖 5-53 氣袋深度與位移應答曲線關係圖 124 圖 5-54 氣袋深度與承載高度關係圖 126 圖 5-55 氣袋深度與阻尼比關係圖 127 圖 5-56 氣袋深度與最大振幅差關係圖 128

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