单位文秘网 2021-07-07 08:08:18 点击: 次
摘要:为拓展真空吸盘应用领域而设计新型刚性真空吸盘,以确保新型刚性真空吸盘的安全性,对新型刚性真空吸盘的两种典型安装方式进行了静力学和动力学的研究,得出了吸持力计算公式以及针对具体产品所需要的吸盘主要尺寸和吸附响应时间的计算公式,为新型刚性真空吸盘的设计与应用提供依据。
关键词:新型刚性吸盘;动力学分析;吸盘尺寸;响应时间
作者简介:范增良(1984—),男,山东临沂人,江南大学 机械工程学院硕士研究生。
中图分类号:TH122
文献标识码:A
文章编号:16749944(2011)10021803
1 引言
真空吸盘由于其结构更简单、使用方便、外形美观、无污染等特点,在产品包装、物体传输和机械装配等自动作业线上使用越来越多。目前常见的真空吸盘材料主要有丁腈橡胶、硅橡胶、聚氨酯、氟橡胶等,而这些材料的普遍特性就是都有比较好的柔韧性,所以这类吸盘可以大致归结为柔性吸盘[1]。
柔性吸盘由于材料的限制,也存在一些不足,如难以吸附柔性对象,若吸附柔性对象,则贴合面为柔-柔贴合,受力情况下容易变形,难以维持良好的密封性,所以不易进行稳定的吸附;容易磨损,且不易清洗。
针对柔性吸盘的上述不足,可以采用陶瓷、金属等不易变形的材料制作的吸盘,这类吸盘则可以称为刚性吸盘。刚性吸盘与柔性吸盘比较,可以吸附柔性对象,不易磨损,容易清洗。
在目前的应用中,这种可以吸附柔性对象的刚性吸盘还非常少见,所以对刚性吸盘的研究对于真空吸盘的发展具有非常重要的意义。
2 新型刚性真空吸盘的结构和工作原理
2.1 新型刚性真空吸盘的设计理念
吸盘的吸附效果是否理想,关键在于吸盘与被吸附工件之间密封性的优劣。而影响两者之间的密封性的关键又在于两者的贴合程度,那么要使得两者之间能够很好的贴合,就需要有一方具有可调性,可以随时调节两者之间的贴合状况,所以在传统的吸盘理念中都是柔-刚贴合的模式。即吸盘用具有柔性的橡胶制作,而应用的对象都具有一定刚度且有可以用来吸附的较平整的平面,从而在二者贴合时可以紧密的贴合,得到良好的密封效果。
而新型刚性真空吸盘的设计中,将贴合方式转换为刚-柔贴合,即用刚性材料制造吸盘,可吸附软袋包装的产品。在吸附过程中,虽然软袋包装的产品没有平整的面可以吸附,但是在受到吸盘的吸附力后,会发生变形,从而可以与刚性吸盘紧密贴合,得到良好的密封效果。
采用刚性材料制造吸盘,最重要的意义在于可以吸附柔性对象,使得通过吸盘来运送一些柔性对象成为可能,从而拓展了真空吸盘的应用领域。
2.2 新型刚性真空吸盘的结构
新型刚性真空吸盘的结构见图1,主要由吸盘主体、外圈隔网和内圈隔网3部分组成。由于新型刚性真空吸盘吸附的对象是软袋包装,所以被吸附物可以在吸持力的影响下发生变形,以贴合吸盘,从而达到密封的效果。然而被吸持物也有可能在吸持力作用下由于变形较大而直接贴合在吸盘的抽气孔,从而使有效吸附面积只有抽气孔的面积,所以在被吸持物和抽气孔之间增加隔网,以消除被吸持物直接贴合抽气孔的可能,从而在被吸持物和抽气孔之间形成密封腔,增加有效的吸附面积。
2.3 新型刚性真空吸盘的工作原理
新型刚性真空吸盘的吸附回路设计见图2,为了能够实现安全、快速的吸附和释放工件,笔者采用三位三通阀控制真空吸附和真空破坏。需要吸附工件时,三位三通阀5的A端电磁铁得电,真空发生器2与真空吸盘11接通,真空开关7检测真空度并发出信号给控制器,吸盘将工件吸起。需要保持吸附状态时,三位三通阀断电,即可实现真空度的保持。需要释放工件时,三位三通阀5的B端电磁铁得电,压缩空气进入吸盘,即可实现快速破坏真空,释放工件[2]。
真空吸盘在吸附工件时最主要的失效形式是吸盘与工件贴合不理想产生大量泄露而导致真空被破坏,失去吸附性能。与传统的柔性吸盘吸附刚性工件的应用相比,刚性吸盘吸附柔性工件难度更大。因为柔性的工件在自然放置状态下很难形成一个平整的平面以便吸盘贴合吸附,所以在刚性吸盘吸附柔性工件的应用中,吸盘因为漏气而失效的机率会增加。为了减小这种失效,新型刚性真空吸盘的设计中,与传统的吸附回路相比,增加了“或门”元件,从而将一个吸盘,划分为两个可以同步吸附且吸附效果相对独立的部分,在其中一个部分出现因为泄露而失效时,不会影响另一个部分的吸附效果,吸盘可以继续正常工作,从而有效提高了吸盘的安全性。
3 新型刚性真空吸盘的受力分析
新型刚性真空吸盘工作中受力情况见图3。
图中各参数说明如下:ΔPu为真空度,Pd为密封面的表面压力,Fd为格网对被吸持物体的作用反力,Fc为吸力,Fg为垂直负载,Fh为水平负载,Ff为吸盘与被吸持物体之间的摩擦力,Fn为吸盘与被吸持物有相对滑动趋势时吸盘内壁对贴合部分包装袋的反作用力,Ad为密封面积,Adn为内圈密封面积,Adw为外圈密封面积,Ac为有效吸附面积,Acn为内圈有效吸附面积,Acw为外圈有效吸附面积,Abn为内圈隔网面积,Abw为外圈隔网面积,x、y为真空吸盘受力分析坐标。
由上述图示和真空吸盘工作原理可知,要使吸盘能够正常作业,需要满足以下要求:,同时满足,
Fd=Pd•Ad>0。
且同时满足,水平安装时:
Ff+Fn=Fd•μ+Fn>Fh。
垂直安装时:
Ff+Fn=Fd•μ+Fn>Fg。
为方便推导计算,下面给出一组假设条件,被吸持物体重量为m,真空度为ΔPu,吸持物体后,吸盘与被吸持物体作为整体做旋转运动,旋转角度φ,旋转半径为r,重力加速度g,吸持时间t,摩擦力μ,设定安全系数为n,Fc1为静态吸力,Fc2为动态吸力,以水平安装为例计算[3]。
静负载计算, 代入安全系数n,则静态吸力为:Fc1=nFg=nmg。
动态负载计算, 搬运过程中的角加速度为a=2φt2,搬运过程中的角速度为ω=at=2φt,搬运过程中的切向力为Ft=mar=2φmrt2,搬运过程中的离心力为Fz=mω2r=4φ2mrt2。则搬运过程中的水平合力为:
Fh=F2z+F2T=2mrφt24Φ2+1。
在搬运过程中,受力处于平衡状态:ΣFx=0,Fn+Ff-Fh=0,即Fh=Fn+Ff。 ΣFy=0,Fd+Fg-Fc2=0,即Fd=Fc2-Fg。
若此时将被吸持物体视为刚性物体,则反作用力Fn会有:Fn=Fh,但是本设计中被吸持物体为柔性物体,所以Fn≠Fh,但是被吸持物体也是可以保持一定的形状的,所以Fn必定存在,即Fn>0,在计算中,可以不作为主要参考的力进行计算,而作为安全因素存在。
因此,搬运过程中,平衡方程为:ΣFx=0,Ff+Fh=0,即Fh=Ff。
ΣFy=0,Fd+Fg-Fc2=0,即Fd=Fc2+Fg。
因为Ff=Fdμ=(Fc2-Fg)μ,Fg=mg,所以Fc2=Fhμ+mg。代入安全系数n,则动态吸力为:
Fc2=nFhμ+nmg.(1)
因为本吸盘分为内圈和外圈都可以独立吸持物体,所以:
Fc2=ΔPu•Acn=ΔPu•Acw,
Acn=Acw=Fc2ΔPu=nΔPuFhμ+mg。
按有效吸附面积与隔网总面积之比为1∶2计算,则隔网面积为:
Abn=Abw=2Acw=2nΔPuFhμ+mg。
进而可得内圈隔网半径:
r1=Abnπ.(2)
那么可取环形外圈隔网的内圈半径为:
r2=r1+5。 (3)
环形外圈隔网的外圈半径:
Abw=π(r23-r22),r3=
2Abwπ+10Abwπ+25。(4)
可确定吸盘最大半径:
r4=r3+5。(5)
当吸盘垂直安装时,吸盘受力平衡,则:
ΣFx=0,F′c2-Fh-F′d=0,即
F′d=F′c2-Fh。ΣFy=0,F′f-Fg=0, 即
F′f=Fg,F′c2=Fh+F′d=mgμ+Fh。
代入安全系数n,则动态吸力为:
F′c2=n(Fh+F′d)=nmgμ+nFh(6)
吸盘垂直安装时,吸盘各尺寸计算公式(2)(3)(4)(5)依然适用,只需将原计算公式中的Fc2以垂直安装时的动态吸持力F′c2即可。
4 新型刚性真空吸盘的响应时间计算
由于在吸盘上安放隔网时,需要一定的支撑,所以吸盘密的封腔需要有凸台以支撑隔网(图4)。
图4 新型刚性真空吸盘凸台结构
其中,r5=r1-2,r6=r2+2,r7=r3-2。设隔网与吸盘内壁之间距离为H1,空间体积为V1;隔网厚度为H2,隔网网孔总体积为V2;隔网外预留高度为H3,隔网外预留体积为V3[4]。
吸盘内圈密封腔体积为:
Vn1=πr25H1=π(r1-2)2H1,Vn2=12πr21H2,Vn3=πr21H3,Vn=Vn1+Vn2+Vn3。
内圈吸附响应时间:
tn=VnQ=
πQ
(r1-2)2H1+r21H22+r21H3
。
(2)吸盘外圈密封腔体积:
Vw1=π(r27-r26)H1,
Vw2=12π(r23-r22)H2,
Vw3=π(r23-r22)H3,
Vw=Vw1+Vw2+Vw3。
外圈吸附响应时间:
tw=VwQ=
π(r27-r26)H1+(r23-r22)H22+H3Q。
其中,Q为选用真空发生器的抽吸流量。
5 结语
通过对新型刚性真空吸盘的静力学和动力学分析,推导出吸盘的吸附力公式,并导出吸盘关键尺寸和吸附响应时间的计算公式,为吸盘的设计和选用提供一定参考。在实际应用中将被吸持物体的重量或期望的吸附响应时间代入公式,即可得到响应吸盘的尺寸,为吸盘的选用提供理论依据。
参考文献:
[1]
李雪梅.真空吸盘的设计与应用[J].液压与气动,2004(3):17~18.
[2] 许福玲,陈尧明.液压与气压传动[M].,北京:机械工业出版社.2007.
[3] 滕红华.真空吸盘吸持物体的动力学分析[J].包装工程,2004,25(2):125~126.
[4] Qian Zhiyuan,Zhao Yanzheng,Fu Zhuang,et al.Fluid Model of Sliding Suction Cup of Wall-climbing Robots[J].International Journal of Advanced Robotic Systems,2006(3):612~613.
Research on Kinematics and Application of the New Rigid Suction Cup
Fan Zengliang,Zhou Yijie,Ouyang Huan,Cao Haiyan
(School of Mechanical Engineering,Jiangnan University,Wuxi 214122,China)
Abstract:In order to develop the application fields of the suction cup,this paper designs a new kind of rigid suction cups.to assure the safety of the type,the paper carries out a statics and dynamics study of the new rigid suction cup under two typical installation way,and achieves the suction formulas、the measurement of the new rigid suction cup for idiographic production and the response time of the new cup.All of studies mentioned aboveprovides references for the future design of Rigid suction cups.
Key words:new rigid suction cups;dynamics;measurement;response time
(责任编辑:单位文秘网) )地址:https://www.kgf8887.com/show-128-60269-1.html
上一篇:土压平衡式盾构机的组成及工作原理
版权声明:
本站由单位文秘网原创策划制作,欢迎订阅或转载,但请注明出处。违者必究。单位文秘网独家运营 版权所有 未经许可不得转载使用