真空吸盘吸持物体的动力学分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)武汉工业学院 作者:腾红华

         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。

真空吸盘安装方位

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:ΔPu真空度;Fv为垂直负载;Aw为有效面积;Fh为水平负载;Pd密封面的表面压力;Fr为摩擦力;Ad为密封面积;Ad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;Fs为吸力;Fa为加速度力;x、y为真空吸盘受力分析坐标。

真空吸盘受力分析

        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:Fd=Pd·Ad>0,且水平安装时Fr= Fd•μ>Fh,垂直安装时Fr= Fd•μ>Fv

       设,已知被吸持物体重mkg,真空度为ΔPu,则Fs=ΔPu•Aw。再设旋转角度φ ,旋转半径r,重力加速度g,夹持时间t,Fs1为静态吸力,Fs2为动态吸力。

a. 静态负载计算:

为静态吸力:Fs1=fv=mg;当取安全系数为n时,Fs1=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:

∑Fx=0 Fh-Fr=0 即 Fh=Fr

∑Fy=0 Fv+Fd-Fs2=0

即 Fd=Fs2-Fv

因为摩擦力Fr等于密封面积的受力和摩擦系数的乘积,即:

Fr=Fd•μ=(Fs2-Fv)•μ

又因为垂直负载力Fv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。

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