柔性吸盤真空吸附性能試驗(yàn)

聶俊峰1， 王 濤1， 許英南， 陳 忠1， 馬全成

(1.海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 海南 ?？?570228； 2.蘇州和瑞科自動(dòng)化科技有限公司， 江蘇 蘇州 215100)

引言

真空吸附原理被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程中。隨著科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步與發(fā)展，在食品[1-2]、醫(yī)療[3-4]、工業(yè)[5-7]、電子[8]等各個(gè)領(lǐng)域有著極其廣泛的作用[9]。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，一般采用真空吸盤對(duì)包裝袋進(jìn)行吸附開袋裝料[10-11]。然而，由于運(yùn)動(dòng)沖擊和包裝袋變形等因素，使得在真空吸附過程中，吸盤存在吸附不穩(wěn)定、脫離袋子的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致機(jī)構(gòu)功能異常，嚴(yán)重制約生產(chǎn)效率。因此，對(duì)真空吸附進(jìn)行研究，提高吸附效果，對(duì)改善穩(wěn)定性具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此皆展開深入的研究。國(guó)內(nèi)學(xué)者們根據(jù)吸附原理研制了多種吸附裝置并進(jìn)行了分析。例如在取料上，潘繼生等[12]采用振動(dòng)和吸附相配合的真空吸附裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)不易分離物體的分離吸附；在吸附方式上，陳幸等[13]和范增良[14]分別設(shè)計(jì)了由顆粒填充的負(fù)壓吸盤和針對(duì)液體軟包裝進(jìn)行吸附的剛性吸盤，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)有吸盤進(jìn)行的改進(jìn)和升級(jí)；在工藝上，張肖慶[15]通過試驗(yàn)研究了吸附開袋的影響因素，對(duì)吸附開袋工藝提供數(shù)據(jù)參考，王嵩等[16]通過對(duì)吸附對(duì)象進(jìn)行研究，得出不同包裝袋的吸附特性。這些研究具有重要的參考價(jià)值，但是缺乏對(duì)現(xiàn)有常見吸盤吸附力的理論分析，具有一定的局限性。

國(guó)外學(xué)者們?yōu)樘岣呶叫Ч诶碚撋线M(jìn)行深入的研究。在真空度上，JUN L等[17]討論了吸附機(jī)構(gòu)真空度分配對(duì)吸吊力利用率的影響，提高了動(dòng)力利用率；在吸盤研究上，MANTRIOTA G等[18]對(duì)平底吸盤在切向載荷下進(jìn)行分析研究，得出保障吸吊力最小值和黏附系數(shù)；GE Dingxin等[19]對(duì)常用的吸盤進(jìn)行全過程受力分析，并用試驗(yàn)驗(yàn)證最佳吸吊力，對(duì)吸附面積和彈性變形內(nèi)力因素進(jìn)行試驗(yàn)。在使用對(duì)象上，DAI J S等[20]研究包裝紙箱運(yùn)動(dòng)過程中3個(gè)階段褶皺剛度特性變化，為吸附對(duì)象特性研究提供方法依據(jù)。國(guó)外在理論方面研究具有一定的成果，研究方法可以適用于其他類別上，但是缺少吸盤吸吊力與吸盤種類、盤徑、真空度等關(guān)系的研究。

為了實(shí)現(xiàn)裝袋機(jī)構(gòu)高效率穩(wěn)定生產(chǎn)，采用目前市面上普遍使用的柔性吸盤，探究對(duì)包裝袋的吸附效果，對(duì)吸附裝置進(jìn)行包括吸盤類型、真空度、盤徑等多方面影響因素的試驗(yàn)分析，設(shè)計(jì)出最佳吸附方案，具有重要的意義。

1 吸附裝置及工作原理

1.1 吸附裝置結(jié)構(gòu)組成及工作流程

如圖1所示為真空吸附試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖，由吸盤安裝板2、吸附氣缸3、提升氣缸4、固定支架5、工作臺(tái)面6、高精度電子秤7、導(dǎo)桿調(diào)節(jié)塊8、導(dǎo)桿9、護(hù)板10、柔性吸盤11構(gòu)成。高精度電子秤7放置于工作臺(tái)面6上，固定支架5分布在電子秤兩側(cè)，由多塊加工件組成，與工作臺(tái)面通過螺絲固定，并可通過腰型孔調(diào)節(jié)與電子秤的距離，提升氣缸4安裝在固定支架5上，在其導(dǎo)桿伸出端上，通過安裝板與吸附氣缸3固定，吸附氣缸3前端安裝有吸盤安裝板2，柔性吸盤11安裝在吸盤安裝板2上，導(dǎo)桿調(diào)節(jié)塊8安裝在固定支架5兩側(cè)，導(dǎo)桿9一頭與導(dǎo)桿調(diào)節(jié)塊8螺紋連接，另一頭與護(hù)板10固定，通過調(diào)節(jié)導(dǎo)桿伸出的長(zhǎng)短來調(diào)節(jié)護(hù)板10之間距離，從而調(diào)節(jié)與包裝袋的間隙。

1.包裝袋 2.吸盤安裝板 3.吸附氣缸 4.提升氣缸5.固定支架 6.工作臺(tái)面 7.高精度電子秤8.導(dǎo)桿調(diào)節(jié)塊 9.導(dǎo)桿 10.護(hù)板 11.柔性吸盤圖1 真空吸附試驗(yàn)平臺(tái)

開始動(dòng)作時(shí)，將裝有物料的包裝袋放置于高精度電子秤上，調(diào)節(jié)導(dǎo)桿距離設(shè)置最佳間隙，防止包裝袋夾起來時(shí)晃動(dòng)，待準(zhǔn)備工作完成后，兩側(cè)吸附氣缸導(dǎo)桿伸出，將其前端柔性吸盤伸出吸附包裝袋，待柔性吸盤完全吸附后，提升氣缸導(dǎo)桿向上伸出，帶動(dòng)吸附裝置以及包裝袋向上提升，柔性吸盤破真空后，袋子從吸盤上脫落，包裝袋重新落回電子秤上，吸盤停止工作，吸附氣缸縮回，提升氣缸導(dǎo)桿縮回帶動(dòng)吸附機(jī)構(gòu)回位，試驗(yàn)動(dòng)作流程周期結(jié)束。

1.2 吸吊力測(cè)量原理

包裝袋受力圖如圖2所示，包裝袋放置在電子秤上時(shí)，受到重力G豎直向下的作用,電子秤對(duì)袋子向上的支持力Fn,一對(duì)吸盤在水平方向上對(duì)袋子邊緣的吸附力Ft,以及在豎直方向上對(duì)包裝袋總的吸吊力W。

圖2 包裝袋受力圖

試驗(yàn)時(shí)，以吸盤對(duì)包裝袋的吸吊力的大小來作為吸附包裝袋的性能指標(biāo)。由于無法直接測(cè)量吸吊力W的值，故采用高精度電子秤間接方法來測(cè)量：首先根據(jù)吸吊力的大小將包裝袋及其物料重量設(shè)置為20 kg，然后將裝有物料的包裝袋放置于天平上，此時(shí)顯示示數(shù)20.00 kg。接著兩側(cè)一對(duì)吸盤左右夾緊吸附包裝袋，通過調(diào)節(jié)調(diào)速閥氣壓流速大小，使提升氣缸帶著吸附裝置緩慢向上提升，在此過程中觀察電子秤顯示示數(shù)。當(dāng)電子秤示數(shù)到達(dá)某一刻最小值Fn時(shí)，吸盤到達(dá)吸附臨界值脫落，包裝袋重新落到電子秤上，電子秤示數(shù)回到原先值，在此過程中，吸吊力W的大小即為包裝袋重力G與電子秤示數(shù)Fn的差值。

根據(jù)受力分析圖可得：

W=G-Fn

(1)

其中，重力G為200 N。已知理論真空吸附力與真空度大小以及吸盤面積有關(guān)。為了進(jìn)一步探究吸吊力與影響因素的變化關(guān)系，通過設(shè)置不同的真空度數(shù)值與不同吸盤盤徑來進(jìn)行試驗(yàn)，已知真空發(fā)生器能夠達(dá)到的真空度大小范圍在- 30～- 90 kPa之間，常見的吸盤盤徑多處于20～50 mm之間；同時(shí)，為了了解不同類型吸盤的吸附特性之間的區(qū)別，故選取波紋吸盤、平底吸盤、帶溝吸盤3種不同類型吸盤同時(shí)進(jìn)行研究。

1.3 真空回路設(shè)計(jì)

圖3為真空吸附試驗(yàn)裝置氣動(dòng)回路圖，主要由氣源、氣動(dòng)處理元件(過濾器、調(diào)壓閥)、二位五通電磁閥、氣缸、真空發(fā)生器、真空壓力顯示表、柔性吸盤組成[21]。

1.氣源 2.氣源處理元件 3～5.電磁閥 6、7.提升氣缸8、9.吸附氣缸 10.真空發(fā)生器 11.消聲器12.真空數(shù)字壓力顯示表 13、14.柔性吸盤圖3 真空吸附裝置氣動(dòng)回路圖

空氣經(jīng)過氣體壓縮機(jī)將壓縮氣體通過氣管進(jìn)入過濾器凈化，凈化后的氣體通過調(diào)壓閥調(diào)節(jié)后經(jīng)過氣管接頭分成3條支路，分別流入3個(gè)二位五通電磁閥，其中4號(hào)和5號(hào)電磁閥分別控制提升氣缸和吸附氣缸的動(dòng)作，3號(hào)電磁閥氣體流入真空發(fā)生器，將正壓氣體轉(zhuǎn)化為負(fù)壓氣體后排出。再分別流入吸盤與氣壓顯示表。柔性吸盤進(jìn)行吸附，同時(shí)真空數(shù)字顯示表實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)柔性吸盤內(nèi)氣壓示數(shù)。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

試驗(yàn)電子秤采用CHS高精度電子計(jì)數(shù)天平，最大秤量20 kg，精度為0.1 g；氣源處理原件采用GFC200系列調(diào)壓及過濾器；電磁閥采用SK-8232-NC二位五通雙控電磁閥；真空發(fā)生裝置采用EV-25真空發(fā)生器；真空數(shù)字壓力顯示表選用高精度數(shù)字式微壓開關(guān)ZSE40AF，顯示范圍- 100～100 kPa。提升氣缸與吸附氣缸分別選用FESTO的雙導(dǎo)桿氣缸DFM-50-100和DFM-20-100，缸徑分別為50 mm與20 mm，行程都為100 mm。包裝袋為PE袋，規(guī)格為450 mm×340 mm×170 mm×0.25 mm。柔性吸盤為橡膠材質(zhì)，摩擦系數(shù)約為0.5[22]。試驗(yàn)元器件實(shí)物圖如圖4所示。

2.2 試驗(yàn)對(duì)象

試驗(yàn)對(duì)象采用常用的3種類型吸盤，分別為波紋吸盤、平底吸盤、帶溝吸盤。實(shí)物如圖5所示。波紋吸盤主要擁有多層型腔，具有比較大的變形壓縮量，可以吸附弧面，具備一定的抗變形能力；平底吸盤底盤較為光滑平整，應(yīng)用廣泛，吸附接觸面積大，與吸附對(duì)象貼合緊密，氣密性好；帶溝吸盤底部帶有筋條，可以有效防止在吸附過程中產(chǎn)生形變,適合吸附柔性產(chǎn)品。為了對(duì)比3種吸盤吸附性能，選擇20， 30， 40， 50 mm 4種盤徑吸盤進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，通過調(diào)節(jié)真空度大小，探究各吸盤吸附效果變化情況。

圖4 吸附試驗(yàn)部分元器件實(shí)物圖

圖5 3種柔性吸盤實(shí)物圖

3 吸附效果試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

為了測(cè)定柔性吸盤對(duì)包裝袋吸附效果，以吸盤吸吊力為試驗(yàn)指標(biāo)；以真空度、吸盤類型、吸盤盤徑為影響因素；分別測(cè)試波紋吸盤、平底吸盤、帶溝吸盤3種不同類型柔性吸盤在30～90 kPa真空度以及20, 30, 40, 50 mm盤徑情況下對(duì)包裝袋的吸附情況。試驗(yàn)方案如下：

(1) 將包裝袋放置于電子秤上，查看電子秤示數(shù)，往包裝袋內(nèi)放入物料，待電子秤顯示示數(shù)為20.00 kg時(shí)，停止放置物料，并記錄下袋子重量。調(diào)整袋子兩側(cè)護(hù)板距離，目的是防止袋子提升過程中左右晃動(dòng)。待準(zhǔn)備工作結(jié)束后，開始啟動(dòng)試驗(yàn)裝置進(jìn)行吸附試驗(yàn)。

(2) 在吸附安裝板上安裝波紋吸盤進(jìn)行試驗(yàn)，將真空度和盤徑均調(diào)為最小值，先依次加大真空度，連續(xù)測(cè)量3次有效數(shù)值，再取三者之間平均值記錄數(shù)據(jù)；照此方式記錄下每次的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。等一組數(shù)據(jù)記錄結(jié)束后，將盤徑加大，重復(fù)上一組試驗(yàn)方式，并記錄數(shù)據(jù)。其中真空度試驗(yàn)范圍大小分別為：30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 kPa。盤徑大小分別為20, 30, 40, 50 mm。

(3) 將波紋吸盤所有數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)束后，依次更換為平底吸盤、帶溝吸盤繼續(xù)重復(fù)上述試驗(yàn)。最后整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，制作3種類型吸盤吸吊力W在4種盤徑下隨著真空度變化曲線對(duì)比圖。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果分別如圖6和圖7所示。其中圖6為3種吸盤在相同盤徑下對(duì)比圖，從圖中可得，3種吸盤在同樣的盤徑和真空度下各自具有不同的吸附特性。

圖6 3種吸盤在不同盤徑下吸吊力隨真空度變化情況圖

圖7 3種吸盤在不同盤徑下吸吊力隨真空度變化情況圖

在20 mm盤徑下，三者吸吊力對(duì)比為平底吸盤>波紋吸盤>帶溝吸盤；其中，在70 kPa真空度時(shí)，使用平底吸盤可達(dá)到最大吸吊力，最大吸吊力為36.8 N。

在30 mm盤徑下，平底吸盤與帶溝吸盤吸吊力相近，整體吸吊力對(duì)比為平底吸盤≈帶溝吸盤>波紋吸盤；其中，在90 kPa真空度時(shí)，使用平底吸盤可達(dá)到最大吸吊力，最大吸吊力為44.8 N。

在40 mm盤徑下，三者整體吸吊力對(duì)比仍為平底吸盤≈帶溝吸盤>波紋吸盤；其中平底吸盤與帶溝吸盤分別在60 kPa真空度和90 kPa真空度下，達(dá)到最大吸吊力，最大吸吊力為69 N。

在50 mm盤徑下，三者吸吊力對(duì)比為帶溝吸盤>波紋吸盤>平底吸盤；其中，在90 kPa真空度時(shí)，使用帶溝吸盤可達(dá)到最大吸吊力，最大吸吊力為143 N。

圖7為同類型吸盤在不同盤徑下的吸吊力隨真空度變化對(duì)比圖。據(jù)圖可知，3種吸盤吸吊力總體上隨著吸盤盤徑的增大而增大。對(duì)于波紋吸盤，吸吊力在20 mm和30 mm盤徑下差距較小，隨著吸盤盤徑的逐步增加，在40 mm與50 mm盤徑時(shí)，吸吊力增加明顯，其中在50 mm盤徑下，在50 kPa真空度時(shí)吸吊力達(dá)到最大值；對(duì)于平底吸盤，吸吊力在20 mm與30 mm盤徑下吸附效果相近，在40 mm與50 mm 盤徑下吸附效果相近，其中在40 mm盤徑下，吸吊力達(dá)到最大值，此時(shí)真空度為60 kPa；其中波紋吸盤與平底吸盤在盤徑達(dá)到40 mm以上時(shí)，真空度在50～60 kPa左右能夠達(dá)到最佳吸吊力，隨著真空度的增大，吸吊力降低，當(dāng)達(dá)到80 kPa以上時(shí)，吸盤出現(xiàn)無法吸附包裝袋的現(xiàn)象。

對(duì)于帶溝吸盤，在20, 30, 40 mm盤徑下，吸吊力保持穩(wěn)步增加，到50 mm盤徑時(shí)，在60 kPa以上真空度下，吸吊力快速增加，未出現(xiàn)吸吊力降低的現(xiàn)象。

3.3 結(jié)果分析

綜合圖6和圖7結(jié)果對(duì)比可以得出，相比理論上吸盤吸附力與真空度和吸附面積成正比的結(jié)論，總體上滿足這一趨勢(shì)。但是，過大的真空度也會(huì)導(dǎo)致吸吊力的降低。另外，不同種類吸盤會(huì)有不同的吸附特性，吸盤盤徑總體上越大吸吊力也越大，但是不同盤徑之間也存在吸吊力相近的情況。這是由于吸盤本身理論吸附力是隨著真空度的增大而增大的。但是當(dāng)?shù)竭_(dá)某一值時(shí)，吸盤吸附力過大會(huì)在所吸附物體表面形成較大形變，使吸盤無法與吸附對(duì)象完全貼合，真空氣壓泄漏，真空度驟降，導(dǎo)致吸吊力迅速降低甚至吸盤脫落，因此會(huì)出現(xiàn)過高的真空度下吸附效果降低的現(xiàn)象。對(duì)于帶溝吸盤，由于表面帶有筋條，可以有效地防止吸附對(duì)象變形，從而在真空度越大的情況下可以牢牢的吸附。

利用這種現(xiàn)象，在選用吸盤和設(shè)置真空度的過程中，當(dāng)所需吸吊力在吸盤可以達(dá)到的區(qū)間內(nèi)時(shí)，從經(jīng)濟(jì)角度考慮優(yōu)先使用較小盤徑或者其他類型的吸盤，同樣可以達(dá)到最佳的吸附效果。同時(shí)，無需過多追求增大真空度，針對(duì)不同吸盤選擇其合適的最佳真空度，便可達(dá)到更優(yōu)的效果，可以有效的節(jié)約成本。

此次試驗(yàn)通過比較3種吸盤的吸附特性隨真空度以及盤徑變化情況，為柔性吸盤的選擇及最佳真空度的設(shè)置提供了參考意義，同時(shí)，在試驗(yàn)過程中，由于試驗(yàn)裝置和場(chǎng)地的限制，導(dǎo)致試驗(yàn)可能存在一些誤差和因素影響試驗(yàn)結(jié)果，如包裝袋表面存在的污漬和多次吸附后產(chǎn)生皺褶從而影響后面吸附效果，以及多次試驗(yàn)后袋子位置發(fā)生偏移導(dǎo)致吸附位置發(fā)生改變可能會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。在后續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)中需要進(jìn)行改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方案，改善這些問題。

4 結(jié)論

(1) 針對(duì)吸附試驗(yàn)搭建了真空吸附試驗(yàn)平臺(tái)，并介紹了主體結(jié)構(gòu)和工作過程，對(duì)吸附原理進(jìn)行了研究。設(shè)計(jì)了真空吸附試驗(yàn)氣動(dòng)回路，繪制了真空氣路原理圖；

(2) 根據(jù)氣路原理整理所需試驗(yàn)設(shè)備及材料，以吸盤吸吊力為試驗(yàn)指標(biāo)，柔性吸盤為試驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行了吸附效果試驗(yàn)。探究了不同真空度、盤徑和不同吸盤類型對(duì)吸附效果的影響；

(3) 試驗(yàn)結(jié)果得出，在盤徑方面，3種吸盤吸吊力總體隨著盤徑的增加而增加。在真空度方面，在30 mm 盤徑以下，3種吸盤吸吊力隨著真空度增加整體呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)；在盤徑40 mm以上時(shí)，波紋吸盤和平底吸盤在60 kPa真空度以上吸附性能下降甚至失去吸附能力，而帶溝吸盤吸附能力則明顯增加。在吸盤類型方面，20 mm盤徑下，平底吸盤擁有更好的吸附性能，隨著盤徑的增加，平底吸盤在3種吸盤中的吸附性能逐漸下降，帶溝吸盤吸附性能逐漸增強(qiáng)，在50 mm 盤徑下帶溝吸盤吸附性能最好。該試驗(yàn)為同類型吸盤的選取和真空度大小的設(shè)置提供了參考。