真空拾取器拾取动作响应时间与影响因素的研究(2)

　　图2 所示为本文所完成的众多计算中的一例模型,结构参数为:直径d = 3mm 的标准吸盘,样品与吸盘距离δ= 2mm;抽气管道直径6mm ,长300mm;阀门直径4mm , 长10mm; 储气罐直径20mm , 长度45mm(折合容积约14mL) ,初始压力为1kPa 。

　　图3 给出了该模型的模拟计算结果—真空拾取器入口处气体压力与抽气时间的关系曲线。对照式(3)计算得出的样品启动压力条件,可以直接查找出抽气降压响应时间t2 。如前例的启动压力为ps =97.2kPa ,则对应的抽气降压响应时间t2 = 11ms。依照曲线的斜率,还可以计算出该系统的压力递减系数α= 346 (s ^-1) 。

4、影响因素的分析

4.1、真空吸盘的尺寸

　　从式(3)和(7)可以看出,对于提高启动压力ps和减少样品运动时间t3 ,选择较大直径的吸盘都是有利的。实际工程中更多考虑的是,样品尺寸能够容纳多大的吸盘而不出界? 以及大尺寸吸盘和高真空度是否会导致薄片样品(如石英片) 中心部位发生变形?

　　样品与吸盘间的初始距离δ总是越小越好,对响应时间有十分明显的影响。这一尺寸实际上完全是受搬运机构机械运动精度所限制的。

4.2、抽气管道的长度与直径

　　抽气管道越短,抽气响应时间t2 就越短。但实际上很少有将阀门直联到吸盘之上的。因为将阀门安放在搬运机构之上,会大大降低搬运机构的灵活性和运动速度,反而增加了移动样品所需要的总体时间。因此,通常只是将灵巧轻便的吸盘和抽气管道安置在搬运机构之上随之移动,而将阀门安置在合适的位置处固定不动。这样,抽气管道的长度就由搬运机构的运动距离所限定了。图4 给出了内径6mm、长度从30mm 到300mm 十一种情况的管路、达到不同工作压力的响应时间曲线,当然是长度越长、工作压力越低,响应时间就越长。

　　图4 　直径为6mm管道不同长度不同工作压力下的响应时间曲线,由上至下压力分别是2617kPa、40. 0kPa、53. 3kPa、66. 7kPa　　图5 　管道直径D 与响应时间的关系曲线

　　在抽气管道长度确定之后,其管道直径对应有最佳值。在储气罐容积为14mL ,初始工作压力为53.3kPa 的条件下,图5 给出了长度为150mm、直径分别为3mm～8mm 六种情况的管路的响应时间关系曲线。从计算来看直径6mm 为最佳值。

4.3、真空阀门的尺寸

　　模拟计算中,阀门被简化成一段直圆管道,来表征对气体扩散流动的影响。关于阀门尺寸的影响,做了如下模拟:抽气管道长300mm ,直径6mm;忽略吸盘进气和储气罐影响;阀门出口压力1kPa 。在阀门等效长度10mm 不变条件下,计算了阀门直径分别为2、3、4、5mm 时管道内气体平均压力随时间的变化,如图6 所示,从中可以看出阀门内径对管路内气体压力变化的影响非常大。在阀门直径4mm 不变条件下,计算了阀门长度分别为50、40、30、20、10mm时管道内气体平均压力随时间的变化,如图7所示,可以看出阀门等效长度对被抽管道内压力变化的影响不大。因此建议选择通径大的真空阀门。

　　图6 　长度相同的阀门不同阀门直径时,管道内平均压力变化,由上至下阀门直径分别为:2、3、4、5mm　　图7 　阀门直径相同、阀门长度不同时管道内平均压力变化,由上至下阀门长度分别为:50、40、30、20、10mm

4.4、储气罐的容积

　　储气罐容积的确定,可以从气体量守恒方程加以分析。当阀门开启后,抽气管道内容积为V1 、初始压力为P0 的气体,与储气罐内容积为V2 、本底压力为PB 的气体相互扩散混合, 若平衡后的压力达到启动压力PS ,则可求得储气罐容积

　　考虑到在抽气响应时间内,真空吸盘会向管道内持续进气使气体总量增多,沿抽气管道气体压力逐渐降低而非完全平衡,达到启动压力后还需要继续抽气,因此储气罐的实际容积应该比式(8) 的计算值大数倍乃至数十倍。而对于那些对抽气响应时间没有严格要求的真空拾取器系统,不设置储气罐也可以。

5、结论

　　真空拾取器吸取样品动作的响应时间由真空阀门动作响应时间t1 、真空管道抽气响应时间t2 和样品运动时间t3 组成。本文给出样品开始运动的启动条件和t3 的计算公式;介绍了利用FLUENT 软件模拟计算t2 的方法;并分析了真空管道和阀门的长度与直径、储气罐容积等结构参数对t2 的影响作用。一实例计算结果为t2 = 11ms , t3=4.66ms。