一種基于可擺動吸盤的多用途高效真空吸取器設(shè)計

張明樹，李 強(qiáng)，遲永剛，單東偉

ZHANG Ming-shu, LI Qiang, CHI Yong-gang, SHAN Dong-wei

（中國工程物理研究院材料研究所，綿陽 621900）

0 引言

真空吸附技術(shù)作為一種清潔環(huán)保的柔性生產(chǎn)技術(shù)，廣泛應(yīng)用在自動化物流和物料搬運等眾多領(lǐng)域，比如金屬薄板及汽車行業(yè)的快速搬運、包裝行業(yè)的產(chǎn)品包裝與碼垛、塑膠行業(yè)的無痕跡脫模等場合[1,2]。作為真空吸附技術(shù)應(yīng)用中最主要的裝置之一，真空吸取器是與工件貼合形成封閉的真空腔，通過對真空腔抽真空而形成內(nèi)外氣壓差，從而達(dá)到吸住工件和搬運工件的目的[3,4]。隨著真空吸取器應(yīng)用日趨廣泛，一般真空吸取器已經(jīng)能夠滿足大多數(shù)真空吸附應(yīng)用需求，但面對近年來搬運效率提升和自動化程度提高的迫切要求，現(xiàn)有真空吸取器尚存在如下兩方面的不足：一是由于一般真空吸取器的吸附表面幾何形狀多為專用設(shè)計，造成其在吸取同一對象或者不同對象的不同類型表面時，需要更換不同的真空吸取器，增加了工裝更換時間，降低了真空吸附搬運效率；二是現(xiàn)有真空吸取器幾何設(shè)計多依賴人工經(jīng)驗，造成其幾何參數(shù)選取（如壁厚等）較為保守，使得真空吸取器質(zhì)量較大，增加了自動上下料機(jī)器人等自動搬運裝置的承載要求。因此，以提高吸取器使用效率、實現(xiàn)多用途吸取和結(jié)構(gòu)輕量化為目的，從真空吸附組件設(shè)計和真空吸取器結(jié)構(gòu)設(shè)計兩方面進(jìn)行基于可擺動吸盤的多用途高效真空吸取器設(shè)計研究，為實現(xiàn)自動化真空吸附打下一定基礎(chǔ)。

1 真空吸附組件設(shè)計

真空吸取器主要由真空吸附組件和吸取器骨架兩部分組成，其中真空吸附組件是真空吸取器吸附被搬運工件的直接執(zhí)行單元，是真空吸取器的關(guān)鍵部分，其大致分為鋁制吸具和真空吸盤兩大類。由于鋁制吸具幾何結(jié)構(gòu)形態(tài)固定，不能響應(yīng)多用途真空吸附的需求，故采用真空吸盤作為真空吸附執(zhí)行元件。為了滿足多用途真空吸附的要求，設(shè)計了一套由吸盤、角度調(diào)整器、高度調(diào)整器和安全閥組成的真空吸附組件，通過角度調(diào)整器實現(xiàn)真空吸附組件的角度調(diào)整，通過高度調(diào)整器實現(xiàn)真空吸附組件的高度調(diào)整，構(gòu)成了由吸盤、角度調(diào)整器和高度調(diào)整器構(gòu)成的可擺動吸盤，從而可通過真空吸附組件的角度調(diào)整與高度調(diào)整實現(xiàn)單一真空吸取器同時滿足曲面與平面類工件表面的吸附需求，其主要設(shè)計內(nèi)容如圖1所示。

圖1 真空吸附組件構(gòu)成設(shè)計

1.1 吸盤選型計算

1.1.1 吸盤承載力計算

真空吸盤作為真空吸附組件的核心元件，需要對其承載能力進(jìn)行驗算，以確保吸附的可靠性。以自動化真空吸附為應(yīng)用背景，模擬采用上下料機(jī)器人搬運質(zhì)量約為50kg工件的應(yīng)用工況，考慮機(jī)器人加速性能1s內(nèi)達(dá)到2m/s，其加速度a為2m/s2，計算垂直提升時吸盤承載力如式(1)所示，計算得到堅直承載力F堅為590N。

式中：M為工件總質(zhì)量；g為重力加速度。

計算水平移動時吸盤承載力如式(2)所示，計算得到水平承載力F水平為500N。

由于F堅>F水平，取F堅進(jìn)行吸盤選型計算。

1.1.2 吸盤選型計算

根據(jù)式(3)校核計算所需吸盤型號與數(shù)量，按照《真空吸取器》中危險工件吸附的計算要求，安全系數(shù)S取5；由于F堅>F水平，令F承載=F堅，并根據(jù)Festo產(chǎn)品手冊，初步選定吸盤型號為ESS-100-EN（該型號吸盤材質(zhì)為丁腈橡膠，該材質(zhì)具有在輕薄表面留下最少印痕的優(yōu)點），其脫離力F脫離為440.8N，則計算得到吸盤數(shù)量N須大于6.69；考慮吸取器呈對稱布置，吸盤數(shù)量選為8。

1.2 角度調(diào)整器選取

根據(jù)所選吸盤接口尺寸，選取角度調(diào)整器型號為Festo的ESWA-5，其接口尺寸與吸盤接口尺寸相同，帶±15°擺角，利用角度調(diào)整器的角度可變特性實現(xiàn)真空吸附組件的角度調(diào)整。

1.3 高度調(diào)整器選取

根據(jù)角度調(diào)整器接口尺寸，選取高度調(diào)整器型號為Festo的VAL-1/8-10，其接口尺寸與角度調(diào)整器接口尺寸相同，總長為66mm，安裝后其位于吸取器底面以下部分的長度為31mm～45mm。根據(jù)真空吸盤、角度調(diào)整器和高度調(diào)整器具體幾何參數(shù)可以確定真空吸附組件整體長度為94.5mm～108.5mm，利用高度調(diào)整器的高度可變特性實現(xiàn)真空吸附組件的高度調(diào)整。

1.4 安全閥選取

為了防止在一個或多個吸盤接觸不充分的情況下出現(xiàn)真空耗散，確保只有100%接觸才能吸附保持真空，擬購安全閥型號為Festo的ISV-M10。根據(jù)上述計算與分析，可確定真空吸附組件構(gòu)成如表1所示。

表1 真空吸附組件構(gòu)成表

2 真空吸取器骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計

真空吸取器骨架是真空吸附組件的固定裝置，為了實現(xiàn)多用途吸附目標(biāo)，需對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，具體設(shè)計目標(biāo)如下：一是通過吸取器骨架結(jié)構(gòu)幾何設(shè)計，保證真空吸附組件固定于吸取器骨架時能夠獲得理想的空間姿態(tài)，以實現(xiàn)單一真空吸附組件同時滿足曲面與平面類工件表面的吸附需求，二是通過吸取器骨架結(jié)構(gòu)有限元分析，驗證骨架結(jié)構(gòu)的可行性，通過減輕吸取器骨架重量達(dá)到降低自動化搬運裝置的承載要求。

2.1 吸取器骨架結(jié)構(gòu)幾何設(shè)計

2.1.1 吸取器結(jié)構(gòu)總體方案

根據(jù)真空吸附組件構(gòu)成及具體吸附要求，制定如下圖所示吸取器結(jié)構(gòu)總體方案，吸取器由吸取器骨架、真空吸附組件和真空源構(gòu)成，真空吸附組件均勻分布于吸取器骨架圓周位置。

圖2 吸取器結(jié)構(gòu)總體方案

2.1.2 吸取器骨架幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)選

為了避免吸取器骨架與被吸附工件表面發(fā)生碰撞干涉造成工件磕碰損壞等質(zhì)量問題，吸取器骨架表面與被吸附工件表面之間須保持一定的間距，且間距越大吸附的安全性越好。由于相對于吸取表面為平面的應(yīng)用情況，吸取表面為曲面時骨架表面與被吸附工件表面間距明顯更??；因此以吸取曲面作為分析對象，結(jié)合角度調(diào)整器和高度調(diào)整器調(diào)整范圍，均勻設(shè)計四組如圖3所示吸取器骨架幾何結(jié)構(gòu)。

圖3中黑色粗實線表示被吸附工件的曲面輪廓，紅色粗實線表示吸取器幾何輪廓。分別測量上述四組方案的骨架表面與被吸附工件表面間距，測量結(jié)果如表2所示。

表2 吸取器骨架表面與被吸附工件表面的最小距離統(tǒng)計表

根據(jù)各方案骨架表面與被吸附工件表面間距相對大小進(jìn)行間距降序排序，排序結(jié)果為方案ⅳ→方案ⅲ→方案ⅱ→方案ⅰ，所以選取方案ⅳ作為吸取器骨架幾何結(jié)構(gòu)最終方案，通過可擺動吸盤的角度與高度配合調(diào)整實現(xiàn)單一真空吸附組件同時滿足曲面與平面類工件表面的吸附需求，并設(shè)計如圖4所示吸取器骨架三維結(jié)構(gòu)。

圖4 吸取器骨架三維結(jié)構(gòu)

2.2 吸取器骨架結(jié)構(gòu)有限元分析

吸取器骨架結(jié)構(gòu)有限元分析分為結(jié)構(gòu)模態(tài)分析和動力響應(yīng)分析兩部分；結(jié)構(gòu)模態(tài)分析用于獲得結(jié)構(gòu)的固有頻率，從而避免零部件固有振動頻率與輸入頻率或外界強(qiáng)迫作用頻率一致引起的共振問題；結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析主要研究結(jié)構(gòu)在動載荷或強(qiáng)迫運動作用下結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變等物理量的響應(yīng)情況，驗證零、部件的應(yīng)力與位移是否低于產(chǎn)品設(shè)計和材料許可值，達(dá)到校核結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度、分析出主要失效形式和危險點的目的[5～8]。

2.2.1 骨架結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

針對優(yōu)選得到的吸取器骨架幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，采用UG軟件Lanczos method求解器[9,10]獲得結(jié)構(gòu)前5階固有頻率及其相應(yīng)振型如圖5所示。

圖5 吸取器骨架結(jié)構(gòu)固有頻率及其振型圖

結(jié)果分析：

1）利用Lanczos法進(jìn)行吸取器骨架結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，獲得結(jié)構(gòu)前5階固有頻率分別為2.062×102Hz、2.332×102Hz、3.208×102Hz、3.437×102Hz和4.252×102Hz，自動上下料機(jī)器人的輸入頻率應(yīng)避開上述吸取器結(jié)構(gòu)固有頻率，從而避免共振情況的發(fā)生。

2）振型圖如圖5可知吸取器骨架結(jié)構(gòu)整體模態(tài)較好，可結(jié)合試驗結(jié)果驗證結(jié)構(gòu)的可行性與可靠性。

2.2.2 骨架結(jié)構(gòu)瞬態(tài)分析

1）骨架結(jié)構(gòu)模態(tài)與振型求解

為模擬自動上下料機(jī)器人夾持與搬運吸取器的真實工況，在吸取器骨架中心圓臺處增加約束，并進(jìn)行吸取器骨架結(jié)構(gòu)10個正則模態(tài)和4個約束模態(tài)的解算，獲得其前4階正則模態(tài)位移圖和約束模式下位移圖如圖6和圖7所示。

圖6 吸取器骨架前4階正則模態(tài)位移圖

圖7 吸取器骨架約束模式位移圖

2）骨架結(jié)構(gòu)響應(yīng)仿真

首先建立響應(yīng)仿真，查看與各階正則模態(tài)相對應(yīng)的動態(tài)特性指標(biāo)（如頻率、質(zhì)量和剛度）如圖8所示。

然后編輯粘性阻尼和遲滯阻尼兩個阻尼系數(shù)，并抑制對后續(xù)動態(tài)響應(yīng)（Z向）貢獻(xiàn)較弱的模態(tài)（模態(tài)4～9），以減小后續(xù)計算規(guī)模，修改結(jié)果如圖9所示。

并進(jìn)行傳遞性評估，在吸取器骨架與自動上下料機(jī)器人末端執(zhí)行器連接處（吸取器骨架凸圓臺中心）輸入一個加速度運動信號，選取吸取器骨架安裝爪的四個對稱中心點作為輸出節(jié)點，通過響應(yīng)分析評估吸取器骨架結(jié)構(gòu)的頻響性能，響應(yīng)情況如圖10所示。

圖8 吸取器骨架正則模態(tài)動態(tài)特性指標(biāo)圖

圖9 阻尼系數(shù)修改與模態(tài)抑制示意圖

圖10 吸取器骨架結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)傳遞性評估圖

結(jié)果分析：

1）所輸入強(qiáng)迫運動對各節(jié)點的影響程度不一致，可清楚地觀察到產(chǎn)生共振時各節(jié)點的相對位移。

2）通過分析可明確引起共振的頻率為30Hz、250Hz左右，該數(shù)據(jù)可作為自動上下料機(jī)器工作頻率選擇依據(jù)之一。

3）骨架瞬態(tài)響應(yīng)分析

為模擬自動上下料機(jī)器人從靜止?fàn)顟B(tài)加速到1m/s2，創(chuàng)建加速度時域脈沖信號如圖11所示。

圖11 響應(yīng)分析加速度時域脈沖信號

新建瞬態(tài)激勵事件，并進(jìn)行加速度、應(yīng)力響應(yīng)分析，獲得吸取器骨架安裝爪的四個對稱單元的加速度響應(yīng)曲線和動態(tài)應(yīng)力響應(yīng)曲線，結(jié)果如圖12和圖13所示。

圖12 響應(yīng)分析加速度響應(yīng)曲線圖

結(jié)果分析：

經(jīng)查機(jī)械設(shè)計手冊可知，各類鋁合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都大于100MPa；由上述分析結(jié)果可初步判斷吸取器骨架強(qiáng)度驗算滿足要求。

3 結(jié)論

通過真空吸附組件設(shè)計和真空吸取器結(jié)構(gòu)設(shè)計研究，取得如下研究結(jié)論：

圖13 響應(yīng)分析動態(tài)應(yīng)力響應(yīng)曲線圖

1）構(gòu)建了由吸盤、角度調(diào)整器和高度調(diào)整器組成的可擺動吸盤替代傳統(tǒng)鋁制吸具，可通過其角度調(diào)整器和高度調(diào)整器實現(xiàn)可擺動吸盤的角度和高度調(diào)整，可滿足輕量化設(shè)計要求。

2）確定了真空吸取器骨架幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)選方案，可滿足單一真空吸取器同時滿足曲面與平面類工件表面的吸附需求，從而實現(xiàn)吸取器的多用途使用。

3）通過吸取器骨架結(jié)構(gòu)模態(tài)分析獲得其結(jié)構(gòu)前5階固有頻率，可作為上下料機(jī)器人選型依據(jù)之一；通過吸取器骨架結(jié)構(gòu)瞬態(tài)分析初步驗證其強(qiáng)度滿足要求，為下一步工程實驗打下基礎(chǔ)。

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