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真空吸盤吸持物體的動(dòng)力學(xué)分析

在產(chǎn)品包裝、物體傳輸和機(jī)械裝配等自動(dòng)作業(yè)線,使用真空吸盤來抓取物體的案例越來越多。柔而有彈性的吸盤可以很方便地實(shí)現(xiàn)諸如工件的吸持、脫開、傳遞等搬運(yùn)功能,并確保不損壞其作用之對象。而吸持力靠真空系統(tǒng)維持,真空的產(chǎn)生可以是由電動(dòng)機(jī)、真空以及各種真空器件所組成的真空系統(tǒng)來提供,也可以由壓縮空氣通過真空發(fā)生器所產(chǎn)生的二次真空來提供。前者需要配置獨(dú)立的真空系統(tǒng),而后者可以利用一般生產(chǎn)過程中已有的空氣壓縮系統(tǒng)。因此,特別在各種包裝作業(yè)過程中,利用二次真空方法顯得十分方便、經(jīng)濟(jì)。真空發(fā)生器的原理是:壓縮空氣通過收縮的噴嘴后,從噴嘴噴射出的高速氣流卷吸周圍的靜止流體和它一起向前流動(dòng),從而在接受室形成負(fù)壓,誘導(dǎo)二次真空。這樣的真空系統(tǒng),尤其對于不需要大流量真空的工況條件更顯出它的優(yōu)越性。作者在《大氣噴射器的真空發(fā)生機(jī)制及其主要參數(shù)的設(shè)計(jì)》一文中對真空發(fā)生器的結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的分析,可以根據(jù)所需的真空度設(shè)計(jì)出所需的真空發(fā)生器。用真空吸盤來抓取物體,可以根據(jù)物體的不同形狀來實(shí)現(xiàn)任意角度的傳遞。以下將從兩種特殊位置,即水平和垂直兩個(gè)方向,對真空吸盤的受力進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。

1、真空吸盤安裝方位

如圖1所示為真空吸盤用于兩種不同位置工作時(shí)的安裝方位。在圖1a吸盤水平安裝時(shí),除了要吸持住工件負(fù)載外,還應(yīng)該考慮吸盤移動(dòng)時(shí)因工件的慣性力對吸力的影響。而圖1b吸盤垂直安裝時(shí),吸盤的吸力與吸盤與工件間的摩擦力有密切關(guān)系。

真空吸盤吸持物體的動(dòng)力學(xué)分析

2、受力分析

真空吸盤良種工作情況下的力學(xué)模型如圖2所示,圖中個(gè)參數(shù)說明如下:ΔPu為真空度;Fv為垂直負(fù)載;Aw為有效面積;Fh為水平負(fù)載;Pd密封面的表面壓力;Fr為摩擦力;Ad為密封面積;Ad為密封面積的受力;F為負(fù)載力;μ為真空吸盤與工件間的摩擦系數(shù);Fs為吸力;Fa為加速度力;x、y為真空吸盤受力分析坐標(biāo)。

真空吸盤吸持物體的動(dòng)力學(xué)分析

 由真空吸盤工作原理及上述受力圖可知,要滿足正常的吸持物體的要求,即能夠正常作業(yè)的條件為:Fd=Pd·Ad>0,且水平安裝時(shí)Fr= Fd•μ>Fh,垂直安裝時(shí)Fr= Fd•μ>Fv。

設(shè),已知被吸持物體重mkg,真空度為ΔPu,則Fs=ΔPu•Aw。再設(shè)旋轉(zhuǎn)角度φ ,旋轉(zhuǎn)半徑r,重力加速度g,夾持時(shí)間t,F(xiàn)s1為靜態(tài)吸力,F(xiàn)s2為動(dòng)態(tài)吸力。

a. 靜態(tài)負(fù)載計(jì)算:

為靜態(tài)吸力:Fs1=fv=mg;當(dāng)取安全系數(shù)為n時(shí),F(xiàn)s1=nmg

b. 動(dòng)態(tài)負(fù)載計(jì)算:

①當(dāng)真空吸盤處于水平位置時(shí),受力處于平衡狀態(tài),即:

∑Fx=0 Fh-Fr=0 即 Fh=Fr

∑Fy=0 Fv+Fd-Fs2=0

即 Fd=Fs2-Fv

因?yàn)槟Σ亮r等于密封面積的受力和摩擦系數(shù)的乘積,即:

Fr=Fd•μ=(Fs2-Fv)•μ

又因?yàn)榇怪必?fù)載力Fv等于物體質(zhì)量與加速度的乘積,即 則:

真空吸盤吸持物體的動(dòng)力學(xué)分析

當(dāng)真空吸盤處于垂直位置時(shí),受力處于平衡狀態(tài),即:(2)

3 吸盤的選用

 上面導(dǎo)出的式(1)和式(2)即為真空吸盤吸持物體時(shí)所需要的動(dòng)態(tài)吸力計(jì)算公式。對面積大的吸吊物,重的吸吊物,有振動(dòng)的吸吊物或要求快速搬運(yùn)的吸吊物,在應(yīng)用公式時(shí),必須計(jì)及工作環(huán)境系數(shù)、安全系數(shù)。實(shí)際中,為防止吸吊物脫落,通常使用多個(gè)吸盤進(jìn)行吸吊,此時(shí)應(yīng)注意使這些協(xié)同工作的吸盤合理配置,使吸吊合力作用點(diǎn)與被吸吊物的重心盡量靠近。

4 結(jié)論

真空吸盤的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)使吸盤的工作更安全可靠。在對吸盤兩個(gè)典型工位的受力進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析和比較的基礎(chǔ)上,為真空吸盤的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供更科學(xué)、更安全的設(shè)計(jì)依據(jù)。

標(biāo)簽: 真空吸盤吸持動(dòng)力學(xué)  

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