真空吸盘吸持物体的动力学分析

         在产品包装、物体传输和机械装配等自动作业线，使用真空吸盘来抓取物体的案例越来越多。柔而有弹性的吸盘可以很方便地实现诸如工件的吸持、脱开、传递等搬运功能，并确保不损坏其作用之对象。而吸持力靠真空系统维持，真空的产生可以是由电动机、真空泵以及各种真空器件所组成的真空系统来提供，也可以由压缩空气通过真空发生器所产生的二次真空来提供。前者需要配置独立的真空系统，而后者可以利用一般生产过程中已有的空气压缩系统。因此，特别在各种包装作业过程中，利用二次真空方法显得十分方便、经济。真空发生器的原理是：压缩空气通过收缩的喷嘴后，从喷嘴喷射出的高速气流卷吸周围的静止流体和它一起向前流动，从而在接受室形成负压，诱导二次真空。这样的真空系统，尤其对于不需要大流量真空的工况条件更显出它的优越性。作者在《大气喷射器的真空发生机制及其主要参数的设计》一文中对真空发生器的结构及参数设计进行了详细的分析，可以根据所需的真空度设计出所需的真空发生器。用真空吸盘来抓取物体，可以根据物体的不同形状来实现任意角度的传递。以下将从两种特殊位置，即水平和垂直两个方向，对真空吸盘的受力进行动态分析。

1、真空吸盘安装方位

        如图1所示为真空吸盘用于两种不同位置工作时的安装方位。在图1a吸盘水平安装时，除了要吸持住工件负载外，还应该考虑吸盘移动时因工件的惯性力对吸力的影响。而图1b吸盘垂直安装时，吸盘的吸力与吸盘与工件间的摩擦力有密切关系。

2、受力分析

        真空吸盘良种工作情况下的力学模型如图2所示，图中个参数说明如下：ΔP_u为真空度；F_v为垂直负载；A_w为有效面积；F_h为水平负载；P_d为密封面的表面压力；F_r为摩擦力；A_d为密封面积；A_d为密封面积的受力；F为负载力；μ为真空吸盘与工件间的摩擦系数；F_s为吸力；F_a为加速度力；x、y为真空吸盘受力分析坐标。

        由真空吸盘工作原理及上述受力图可知，要满足正常的吸持物体的要求，即能够正常作业的条件为：F_d=P_d·A_d＞0，且水平安装时F_r= F_d•μ＞F_h，垂直安装时F_r= F_d•μ＞F_v。

       设，已知被吸持物体重mkg，真空度为ΔP_u，则F_s=ΔP_u•A_w。再设旋转角度φ ，旋转半径r，重力加速度g，夹持时间t，F_s1为静态吸力，F_s2为动态吸力。

a． 静态负载计算：

为静态吸力：F_s1=f_v=mg；当取安全系数为n时，F_s1=nmg

b． 动态负载计算：

①当真空吸盘处于水平位置时，受力处于平衡状态，即：

∑F_x=0 F_h-F_r=0 即 F_h=F_r

∑F_y=0 F_v+F_d-F_s2=0

即 F_d=F_s2-F_v

因为摩擦力F_r等于密封面积的受力和摩擦系数的乘积，即：

F_r=F_d•μ=(F_s2-F_v)•μ

又因为垂直负载力F_v等于物体质量与加速度的乘积，即 则：

当真空吸盘处于垂直位置时，受力处于平衡状态，即：

    (2)

3 吸盘的选用

        上面导出的式(1)和式(2)即为真空吸盘吸持物体时所需要的动态吸力计算公式。对面积大的吸吊物，重的吸吊物，有振动的吸吊物或要求快速搬运的吸吊物，在应用公式时，必须计及工作环境系数、安全系数。实际中，为防止吸吊物脱落，通常使用多个吸盘进行吸吊，此时应注意使这些协同工作的吸盘合理配置，使吸吊合力作用点与被吸吊物的重心尽量靠近。

4 结论

        真空吸盘的动态设计使吸盘的工作更安全可靠。在对吸盘两个典型工位的受力进行静态和动态分析和比较的基础上，为真空吸盘的设计应用提供更科学、更安全的设计依据。