气流悬浮输送技术的专利技术分析

张旭东 陈丽娟 朱明明

（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南郑州 450002）

气流悬浮输送技术的专利技术分析

张旭东 陈丽娟 朱明明

（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南郑州 450002）

气流悬浮输送技术属于无接触输送方式中的一种，其通过气流作用于被输送物体，从而使物体与输送装置的表面无接触，相较于传统的输送技术，其具有摩擦系数低、不损伤被输送物体表面的优点。该技术经过长时间的发展和改进，目前已经广泛应用于各个自动化生产线领域，而且出现了基于多种原理的气流悬浮输送技术。本文从专利文献的角度出发，探讨了该技术在国内外的技术发展路线，并对各个技术分支的特点做了简要的概括说明，为相关领域的生产企业或者研究机构提供一定的参考。

气流；悬浮；无接触；输送；搬运

随着科学技术的不断进步，自动化生产流水线已逐渐应用到各个生产企业中，从而取代传统的繁重的人力劳动。输送装置是自动化流水线中必不可少的组成部分，但是，传统的输送装置，比如带式输送、辊道输送、滑道输送等均不可避免地需要将被输送物体与输送装置的表面进行接触，这就造成了物体在输送的过程中对其接触面产生磨损［1-2］。然而，随着对物体的表面完整度、光洁度等要求越来越高，并且被输送的物体的厚度也越来越薄，传统的输送方式已经不能满足生产的实际需求。

气流悬浮输送技术由于其在输送过程中以气流为支撑介质，从而将被输送物体与输送装置表面分离，以无接触的方式对物体进行运输，从而极大地避免了对物体造成的损伤，尤其是在太阳能电池、玻璃基板等生产领域得到了广泛青睐［3］。然而，由于气流悬浮输送的摩擦系数很低且通常情况下气流是流动的状态，因此，可能会增加物件在输送过程中的不确定状态，比如波动、与侧壁撞击、粉尘污染、受力不均匀等情况。该技术的发展经历了比较长的时期，在其发展过程中技术人员不断发现存在的问题并不断做出改进，目前已取得了较大的发展，国内外关于该技术的相关专利申请量已有约6000项，其中，日本在该技术领域的发展较快且较为完善。

1 流悬浮输送技术的研究重点分布

气流悬浮输送技术由最初简单的气流直吹浮起物件的方式开始，通过不断地改进，现已出现了基于吸浮原理、多孔介质原理、气流涡旋原理、组合式气流悬浮等多种技术分支［4-5］，本部分将对各个分支技术的特点以及国内外关于该技术的专利技术发展进行简要的分析。

1.1 伯努利吸浮输送

伯努利吸浮顾名思义，该技术是指利用了伯努利原理的技术。伯努利原理是流体力学中重要的原理，该原理表明流体的流速增大必然会伴随流体压力的降低。伯努利吸浮通常是由伯努利吸盘实现的，如图1所示，伯努利吸盘通常具有一个压缩气体入口，压缩气体进入吸盘并流向物件表面时，气体的流速增大，导致气体压力降低，从而在物件上表面附近产生负压，则物件的上下表面产生了压差，此压差抵消了物件自身的重力从而实现悬浮，伯努利吸盘是将物件从上方吸浮起来，吸盘与物件表面无接触，二者之间的间隙可以由物件的重量自行调节。伯努利吸浮可以适用的物件较广，对于易碎、柔软、具有孔或者表面不均匀的工件都能实现吸浮。

图1 伯努利吸浮原理示意图

日本的FURORO MECHANIC公司在2005年开发了一种用于吸持半导体晶片的伯努利吸盘，并申请了专利（JP2007067054A）。该装置的特点在于：可以以无接触的形式方便实现晶片的转移，避免了对晶片表面的污染。

中国的上海星纳电子科技有限公司于2013年设计了一款无接触式晶片上料装置（CN203165871），该上料装置利用无接触式吸盘装置抓取晶片，吸盘采用伯努利原理。该装置的特点在于：它不但实现了无痕抓取且对晶片的表面形状没有特别的要求。

1.2 气旋吸浮输送

伯努利吸浮方式虽然能够达到无接触输送的效果，但是其需要消耗大量的压缩气体，因此，气旋吸浮作为一种可以减少气体消耗的吸浮方式应运而生，如图2所示。气旋吸浮输送是利用气流的回旋产生负压从而达到吸浮的效果。气旋吸浮输送装置通常具有一个可以产生气旋的腔室，压缩气体沿切向方向进入腔室产生气旋，然后从腔室与物件之间的间隙流出，气旋产生的负压使得物件上下表面产生了压差从而抵消物件的重力，达到无接触悬浮的效果。

图2 气旋流吸浮原理示意图

日本汉莫科技株式会社于2006年设计了一种非接触搬运装置旋流形成体（JP2007324382A）。该旋流形成体的特别之处在于其具有两个气体旋流腔，两个气体旋流腔相切且相互连通，气体由两个旋流腔交接处的侧壁喷入，从而导致两个旋流腔中的气旋方向相反，该装置能够很好地抑制被输送物件的旋转。

日本精工爱普生株式会社于2010年设计了一种非接触保持体及非接触保持柄（JP2011138877A）。该装置的特点在于：在旋流腔的吸浮面上设置多个引导槽，引导槽沿着回旋流的回旋方向进行卷绕，流入的气体沿着卷绕方向进行引导，从而使从开口流出的气体不与开口周边的气体摩擦降低流速，能够使回旋气流产生的负压稳定，使得工件保持稳定的姿态。此外，该装置的创新之处还在于：在非接触保持柄上设置成矩阵形的四个非接触保持体，位于对角位置的保持体中气旋方向相同，而位于边上的保持体中气旋方向相反，这种设置一方面增强了吸浮的效果，另一方面也避免了气旋流与物件接触时产生的旋转力导致的物件旋转现象。

1.3 小孔型气流悬浮输送

小孔型气流悬浮输送技术是一种比较简单的悬浮形式，它通常包括压缩气源和具有多个气孔的输送表面，压缩气流通过气孔直接正对物件表面喷射产生向上的推力以使物件悬浮。

韩国三发机电有限公司于2005年设计了一种基板传送装置（KR100527241B1）。该装置的特点是：在物件的输送表面安装有多个气体喷射单元和多个气体抽吸单元，在使物件悬浮的同时还能使物件保持平展，另外，还包括一个换气单元，该换气单元分别通过导管连接喷射单元和抽吸单元，从而达到集成两单元的目的。

日本翔凤技术有限公司于2006年设计了一种空气浮起单元、运送方法以及空气浮起运送装置（JP2006222209A）。该装置的特点在于：在输送表面的下游设置倾斜喷嘴，倾斜喷嘴从输送表面的下游朝向中央喷出空气，使得物件前端的悬浮量上升，从而达到防止物件在输送表面的不连续处与其它部件发生干涉。

中国东莞宏威数码机械有限公司于2009年设计了一种气浮式基板输送装置（CN201626700U），该装置的改进在于将气板上表面的喷气量从中心向边缘逐渐增大，解决了输送过程中气体容易集中在基板下部中心位置导致基板变形的问题。

中国申请人黎鑫于2011年设计了一种气悬浮传送装置（CN102363476A）。该装置的改进在于，将输送表面的喷气口设置为长的缝隙结构，可以克服传统的点状喷气造成对物件的支撑力不连续的问题，使工件的支撑力更加均衡，防止物件发生倾斜或者上下波动现象。

1.4 多孔材质型气流悬浮输送

小孔型气流悬浮输送虽然结构简单，但是也存在固有的缺陷：直接喷射会导致物件中心产生较大的应力，然而，随着科技的不断进步，有些物件正朝着大型化和超薄化的方向发展，例如第10代玻璃基板的厚度仅有0.7mm，那么当采用小孔型装置输送时极易对其造成损坏。多孔材质型气流悬浮输送装置是使用多孔质材料（例如多孔质烧结金属、可透气的陶瓷等）与气体供给路径连通，气流经过多孔质材料喷射到物件表面，从而使气流较为均匀地流出，避免产生较大的应力。

日本SMC株式会社于2004年设计了一种工件漂浮装置（JP2005191553 A），该装置通过压力流体向物件施加压力以使物件悬浮并输送，该装置具有多孔质材料构成的悬浮表面。该专利技术的特点在于：增设了流量减少器，流量减小器可为环形槽或者表面凹凸，用于减小在保持表面和工件之间流动的压力流体的流速，从而增加保持表面和工件之间的压力流体的压力，达到减小气流消耗量并提高工件漂浮稳定性的目的。

1.5 涡流悬浮输送

随着生产的要求越来越高，传统的小孔型或者多孔材质型由于无法精确控制物件的悬浮精度和高度，已逐渐不能满足需要，探寻一种可以精确悬浮精度和高度的装置成了大势所趋。涡流悬浮输送是指利用高速旋转的气旋作用于物件的下表面，使物件达到悬浮无接触的一种技术。

日本翁令司工业股份有限公司于2009年设计了一种非接触式搬运装置（WO2009119377A1），如图3所示，该装置包括涡流形成体1，涡流形成体1具有从表面贯通到里面的横截面为圆形的贯通孔1a以及向贯通孔1a内喷出空气而产生涡流的喷出口1d。该装置的特点在于：通过在涡流形成体的表面产生朝向上方的涡流使得被输送物件悬浮，并且在贯通孔的开口部产生的负压会导致向下方的空气流，产生真空吸附的效果用以保持物件上浮的高度和精度，同时与以往相比，降低了气体消耗量和能耗。

1.6 改进型涡流悬浮输送

单一的涡流悬浮输送虽然具有很大的优势，但在使用中也存在一定的问题，比如当搬运大型面板（比如FPD面板和太阳能电池面板）时，当被输送物被上升涡流作用一边悬浮一边移动的过程中，一方面，若被输送物的边缘部位处于上升涡流的中心部位，被输送物与涡流形成体仅有部分重叠，可能导致被输送物因浮力不足而与涡流形成体接触；另一方面，由于贯通孔中心附近产生负压导致向下方的吸附力，若被输送物为刚性较小的薄板，薄板的边缘部位极有可能发生弯曲而与基体或者涡流形成体触碰发生危险。因此，国内外对涡流悬浮输送做了很多改进。

图3 接触式搬运装置示意图

日本翁令司工业股份有限公司于2009年设计了一种涡流形成体和非接触式运送装置（WO2010004800A1），如图4所示，该装置的涡流形成体1包括横截面为圆形的从表面贯通到里面的贯通孔11、第一喷出口14和第二喷出口16；第一喷出口14沿贯通孔11内周侧面喷出气体，产生上升涡流，同时在贯通孔11的开口附近产生由负压导致的向里的空气流；第二喷出口16向上方喷出上升流。该装置相对于普通的涡流悬浮输送装置具有以下优点：当被输送物的边缘部位与涡流形成体1部分重叠时，可由第二喷出口16喷出的上升气流对被输送物增加辅助的浮力，以避免被输送物与其他部件接触而产生危险。

图4 涡流形成体和非接触式运送装置

浙江大学于2013年设计了一种气旋流悬浮装置（CN103662835A），如图5所示。该装置包括悬浮平面1，悬浮平面1设置有通过气体旋流产生负压的向内凹的旋流腔2，旋流腔2横截面为圆形且底部开有连通大气的通孔3，旋流腔2内壁设有喷嘴4，喷嘴4沿壁面切线方向喷射气流以形成旋流。该装置的优势在于：旋流中心产生的负压从上述通孔3中吸入气流以增加支撑物件悬浮所需的气量并减小负压对物件向下的吸力作用，防止被输送物件与其它部件相接触而产生危险，并且各个通孔3由管道进行连接，管道上安装流量调节阀，通过对吸入气体流量的调节来调整物件的悬浮高度与精度。

图5 气旋流悬浮装置

图6 上升流形成体及使用该上升流形成体的非接触运送装置

1.7 其它类型的悬浮输送

针对小孔型悬浮易产生局部应力集中的问题，涡流悬浮产生的负压易引起被输送物端部与其他物件接触产生的问题。国内外研究机构还同时寻找了其它类型的悬浮输送形式。

日本翁令司工业股份有限公司于2011年设计了一种上升流形成体及使用该上升流形成体的非接触运送装置（WO2012086279A1），如图6所示，上升流形成体包括有底的且具有圆筒内壁面的圆筒状基体部7c，至少一个流体喷出孔7j，流体喷出孔从圆筒状基体部的外周面向圆筒内壁面开口并且顶端部朝向该圆筒状基体部的中心。该装置的特点在于：从流体喷出孔喷出的气体与圆筒内壁面或者与其它喷出口喷出的气体相碰撞，使气体的喷出速度下降并且成为喷雾状分散的上升流，可极大抑制气流对被输送物件产生的应力、减小被输送物的振幅并且增大被输送物的悬浮量。此外，还可以在上升流形成体的周围设置吸引孔将周围的空气抽真空以精确控制被输送物的悬浮高度。

2 气流悬浮输送技术的发展方向

随着科技的日益发展，对于输送装置的要求也越来越高，尤其是在LCD、FPD和太阳能电池板等生产领域中，气流悬浮输送技术作为一种无接触输送方式正在得到越来越普遍的应用，国内外都进行了大量的研究，其中国内相关的专利申请已达到2000多项，国外的专利申请也有3000多项，日本在该项技术的研究较为全面，其中日本的翁令司工业股份有限公司、哈莫技术股份有限公司、SMC株式会社等研究较多。

从国内外的研究现状来看，主要是偏重于气体旋流方面的研究，在该方面需要解决的问题主要是如何更加精确地控制被输送物件的悬浮高度，如何更加方便地利用上升旋流中心产生的负压的吸附作用而又避免该负压对被输送物件造成损害，以及如何进一步节约气流的消耗量和输送能耗。此外，进一步探索不同种类的悬浮输送技术的结合，将各种技术的优势相互配合达到取长补短的效果也将成为未来的发展方向之一。

［1］王涛，杨玉贵，彭光正.半导体及平板显示制造业中的空气非接触搬运技术［J］.液晶与显示，2009，24（3）：404-407.

［2］罗清岳.非接触性大型玻璃基板搬运技术［J］.国际光电与显示，2007（6）：61-63.

［3］门连通，白淑璠.非接触式搬运设备在液晶物流中的应用［J］.物流技术，2006（5）：27-29.

［4］阮晓东，郭丽媛，傅新，邹俊.旋涡式非接触硅片夹持装置的流动计算及试验研究［J］.机械工程学报，2010，46（16）：189-194.

［5］钟伟，刘昊，陶国良，黎鑫，香川利春.多孔介质气悬浮气膜压力特性建模及试验研究［J］.浙江大学学报（工学版），2012，46（4）：616-621.

Analysis on the Patent Technology of the Flow Air Suspension Conveying

Zhang XudongChen LijuanZhu Mingming
（Patent Examination Cooperation Henan Center of The Patent Office，SIPO，Zhengzhou Henan 450002）

The technology of the flow air suspension conveying is one kind of the non-contact conveying，in which the object is transported by air acting on its surface，so that the surface of the object has non-contact with the surface of the conveyor.Comparing with the traditional conveying technology，the technology of the flow air suspension conveying has a low coefficient of friction and does not damage the surface of the object.The technology has been developed and improved for a long time，it has been widely used in various areas of the automatic pipelines now.At the same time，a variety of technology of the flow air suspension conveying based on various principles comes out.From the perspective of the patents，we discussed the developing route of the technology in China and foreign countries，and the characteristics of the various branches of the technology are briefly summarized to provide

for the company or research institutions in related fields.

air；suspension；non-contact；convey；transport

TH48

A

1003-5168（2016）07-0085-04

2016-6-28

张旭东（1989-），男，硕士，研究实习员；研究方向：机械领域发明申请的实质审查；陈丽娟（1988-），女，硕士，研究实习员；研究方向：机械领域发明申请的实质审查，等同于第一作者。