顆粒物塑形負(fù)壓吸盤的設(shè)計與研究

陳 幸， 郭鐘華， 李小寧， 孫中圣， 滕 燕

(南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院， 江蘇南京 210094)

引言

在氣壓傳動系統(tǒng)中，負(fù)壓吸盤是實用有效的真空元件，對于表面光滑的物體具有良好的夾持效果[1]；然而，對于表面粗糙的物體，難以保證吸盤與物體接觸的氣密性，壓縮空氣易從間隙中泄漏，從而導(dǎo)致夾持失敗[2-3]。因此，如何使吸盤適應(yīng)物體形狀并保證吸附真空度，這是亟需解決的問題[4]。

相較于傳統(tǒng)負(fù)壓吸盤，為了解決氣密性問題，通常會從材料選擇和吸盤結(jié)構(gòu)等方面進行優(yōu)化。目前，制作吸盤的材料主要為經(jīng)濟實用的丁晴橡膠、硅橡膠、聚氨酯、氟化橡膠等柔性材料[5-7]。結(jié)構(gòu)型式方面，根據(jù)應(yīng)用場合的不同，負(fù)壓吸盤可分為扁平型、短波紋管型、長波紋管型、橢圓型和組合式吸盤等[8-9]。這些結(jié)構(gòu)大多通過增加真空度來增強吸盤吸附力，適形能力不足。

為適應(yīng)多工件通用夾持需求，國內(nèi)外學(xué)者進行了深入的研究，邱坤等利用仿生學(xué)原理制作了多形態(tài)章魚吸盤，其吸盤的邊緣部位能夠形成很好的密封效果[10]。本研究采用顆粒物塑形原理[11-13]制作適形吸盤，通過類流體與類固體狀態(tài)間的可逆轉(zhuǎn)換，達到塑形效果。

1 負(fù)壓塑形吸盤基本工作原理

一方面，塑形吸盤利用大氣壓力與真空壓力的壓差作用對物體進行吸附夾持作業(yè)；另一方面，吸盤邊緣設(shè)計為袋狀結(jié)構(gòu)并填充塑形顆粒。如圖1所示，吸盤主體底部形成真空腔室，同時在袋狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部填充顆粒材料以增加塑形能力和剛度。當(dāng)吸盤與物體接觸后，顆粒材料實現(xiàn)適形和塑形，真空發(fā)生器抽取真空腔室內(nèi)的空氣形成內(nèi)部真空，此時內(nèi)部壓力小于大氣壓力，被夾持物體在內(nèi)外壓差作用下與吸盤相貼合，完成物體的吸附夾持。真空元件提供的真空度越高，塑形條件越完備，吸盤產(chǎn)生的吸附夾持力就越大。

圖1 適形吸盤工作原理示意

2 顆粒物塑形負(fù)壓吸盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

顆粒物塑形負(fù)壓吸盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示，包括類軟骨骨架和硅膠軟膜。類軟骨骨架嵌于軟膜內(nèi)部，以上部固定環(huán)固定，維持了軟膜外形的同時亦增加了負(fù)壓吸盤的剛性。

類軟骨骨架結(jié)構(gòu)包括第一軟管、上部端蓋、移動骨架等。上部支撐板底部圓周均布6個卡槽，上部支撐板嵌于卡槽之中；下部端蓋上端面均布6個卡槽，支撐骨架嵌于卡槽之中。支撐骨架與移動骨架通過螺釘連接，第一軟管貫穿于上部端蓋、下部端蓋和底部支撐板，此時移動骨架的張合程度可通過下部端蓋在第一軟管上的滑動量進行調(diào)節(jié)。第二軟管和顆粒物填充管同樣貫穿于上部端蓋和底部支撐板，軟管底部與底部支撐板下端面重合，同時為了防止抽取真空時吸入顆粒物，在底部支撐板下端面鋪設(shè)有過濾網(wǎng)。

1.頂板 2.顆粒材料 3.軟膜底部上表面 4.底部支撐板 5.下部端蓋 6.螺釘孔 7.上部端蓋 8.第二軟管 9.第一軟管 10.上部固定環(huán) 11.移動骨架 12.支撐骨架 13.底部固定環(huán) 14.硅膠軟膜 15.軟膜底部下表面

為制作硅膠軟膜，3D打印模具并澆注硅膠成型，軟膜的底部向上凹陷，構(gòu)成吸盤與物體之間的真空腔室。底部支撐板與軟膜底部上端面接觸，類軟骨骨架的下部端蓋嵌于底部支撐板，骨架的張合程度得以確定。第一軟管底端與頂板相連接，頂板與軟膜底部下端面接觸，頂板與底部支撐板共同確定骨架在軟膜內(nèi)部的位置和形狀。上部端蓋和底部支撐板邊緣均有環(huán)形凹槽，由于硅膠材料兼具柔性和韌性的特點，通過上部固定環(huán)和底部固定環(huán)的凸起，擠壓軟膜填充凹槽，從而形成良好的密封效果。底部支撐板與軟膜之間的空間由顆粒物填充，形成塑形袋。

2.2 吸附夾持動作

顆粒物負(fù)壓吸盤吸附夾持動作的氣動回路如圖3所示，采用可編程邏輯控制器控制電磁閥以實現(xiàn)完整吸附夾持動作。顆粒物負(fù)壓吸盤的吸附夾持力由兩個部分組成，真空元件產(chǎn)生的吸附力Fv和顆粒物由類流體轉(zhuǎn)變?yōu)轭惞腆w后與物體之間的約束力Fr，故采用兩路正、負(fù)壓源分別實現(xiàn)吸附夾持作業(yè)。

由于兩路正、負(fù)壓源輸出壓力不同，將電磁閥10控制的支路稱為第一路正壓源，電磁閥12控制的支路稱為第二路正壓源，第一路正壓源供氣于負(fù)壓吸盤與物體的真空腔室，實現(xiàn)快速釋放動作；第二路正壓源供氣于塑形袋，使塑形袋發(fā)生輕微變形，為疏松顆粒物做準(zhǔn)備。當(dāng)負(fù)壓吸盤與物體接觸時，填充空間內(nèi)的顆粒物會隨著物體表面的形狀發(fā)生流動，被動地擬合物體的表面形狀。

1～3.氣源及附件 4～8.減壓閥 9～12.電磁閥 13.單向閥 14、18.真空發(fā)生器 15、19.真空過濾器 16、20.真空調(diào)壓閥 17、21.消聲器 22.可編程邏輯控制器 23.顆粒物負(fù)壓吸盤

真空調(diào)壓閥20可調(diào)節(jié)第一路負(fù)壓源壓力，抽取負(fù)壓吸盤內(nèi)空氣，完成吸附動作；真空調(diào)壓閥16調(diào)節(jié)第二路負(fù)壓源的壓力，抽取塑形袋內(nèi)空氣，實現(xiàn)顆粒物從疏松的類流體狀態(tài)至類固體狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。由于塑形袋被擠壓，內(nèi)部空氣將通過真空發(fā)生器回路流向大氣，以完成塑形。

3 適形吸附夾持試驗

為了試驗適形夾持效果，3D打印出不同粗糙程度的表面并粘附于一定質(zhì)量的試件上。不同粗糙程度表面的凸起量分別為1～3 mm。

設(shè)計顆粒物負(fù)壓吸盤的吸附夾持試驗回路，如圖4所示。 試件下表面連接拉力傳感器， 不斷增加試件質(zhì)量直至物體脫落。通過調(diào)節(jié)真空調(diào)壓閥20獲得不同的真空度，測量不同真空度下可吸附夾持的最大質(zhì)量。將真空調(diào)壓閥16設(shè)置為定值，改變真空調(diào)壓閥20的真空度進行相同的測試。

圖4 試驗氣動回路實物圖

試驗分別采用光滑表面試件和凸起量分別為1～3 mm的試件進行測試，采集不同真空度下提升物質(zhì)量數(shù)據(jù)，如圖5所示，試驗驗證了顆粒物塑形負(fù)壓吸盤的適形效果。真空度高于40 kPa時，對試驗的非規(guī)則平面物體均有良好的夾持效果。真空度較低時，物體表面越光滑，吸附效果越好。

圖5 真空壓力與提升物質(zhì)量的關(guān)系曲線

4 結(jié)論

本研究提出一種基于顆粒物塑形原理的負(fù)壓吸盤。該吸盤利用剛性可控的阻塞技術(shù)，將顆粒物填充于硅膠軟膜內(nèi)，硅膠氣囊充氣膨脹后貼合并固化物體輪廓以實現(xiàn)適形夾持，對非平面物體有良好的夾持效果。

試驗驗證了顆粒物塑形負(fù)壓吸盤的適形效果。真空度高于40 kPa時，對試驗的非規(guī)則平面物體均有良好的夾持效果。真空度較低時，物體表面越光滑，吸附效果越好。

針對粗糙度較大的物體，吸盤完全貼合物體表面方能獲得良好的夾持效果，因此需要較大的初始擠壓力使吸盤與物體完全貼合以完成塑形，需要改善硅膠軟膜底部結(jié)構(gòu)型式并對材料可靠性進行研究。