基于Fluent 的真空搬運吸盤的多因素仿真分析

宋兆峰，袁銳波，趙豐

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大學(xué) 機電工程學(xué)院）

0 引言

伴隨著我國汽車保有量的增加，對汽車用密閉式閥控鉛酸蓄電池的需求量也不斷上升。其中，蓄電池的搬運工作需要消耗工人大量體力和時間，所以，針對蓄電池形狀的不規(guī)則，將吸盤作為工業(yè)碼垛機器人的末端執(zhí)行器是一種良好的解決方案[1-2]。吸盤吸附蓄電池是通過氣腔中氣流的穩(wěn)定來實現(xiàn)的，要求氣腔內(nèi)具有一定的真空度且壓力、流速均勻且穩(wěn)定[3]。

對于吸盤的吸附性能，文獻(xiàn)[4]研究認(rèn)為,氣吸室形狀對氣吸室流場壓力的均勻分布均沒有較大影響；文獻(xiàn)[5]研究發(fā)現(xiàn)，氣室負(fù)壓和吸孔形式對吸盤的影響較大，吸種孔導(dǎo)程變化對吸孔最大氣流速度距離的影響較??；文獻(xiàn)[6]對于氣管口接管類型又進(jìn)行了進(jìn)一步研究，得出了各種不同接管口類型對于氣腔中氣流穩(wěn)定的影響因素。

在實際問題中，吸盤與被吸附物體之間會存在多孔墊板起保護(hù)和緩沖作用，多孔墊板也會對吸盤的吸附能力存在影響。所以,本文對墊板孔直徑與其他因素之間進(jìn)行了多因素分析，并對于多孔模型網(wǎng)格劃分采用了O 型劃分方式，使精度得以提高。

本文在SolidWorks 軟件下建立模型，之后在ICEM CFD 軟件下進(jìn)行網(wǎng)格的劃分與加密，從而得到高質(zhì)量的網(wǎng)格，最終在Fluent 中進(jìn)行邊界條件的設(shè)定并進(jìn)行仿真實驗，最后比較結(jié)果，確定各種因素的影響，為提高吸盤的吸附效果提供了參考。

1 理論分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計

吸附車載用蓄電池的吸盤可設(shè)計為3 個部分，第1 部分為氣腔，便于氣體穩(wěn)定與均勻地流動；第2 部分為帶孔吸板，在板上分布著均勻排布的細(xì)孔；第3 部分為起緩沖作用的海綿橡膠墊板。其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 車載用蓄電池吸盤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of suction cup structure for vacuum handling

墊板末端平面的吸附力決定了真空吸盤的吸附效果，其吸附力為

式中：d1——墊板孔直徑；d0——細(xì)板孔直徑；C——阻尼系數(shù)，與負(fù)載電池的物料特性；μ——安全系數(shù)。當(dāng)μ≥4 時，吸盤工作狀態(tài)為水平吸；當(dāng)μ≥8 時，吸盤工作狀態(tài)為垂直吸;ΔP0——真空度。

本設(shè)計不涉及垂直運動，僅涉及水平運動。

2 模型的的建立

2.1 CFD 模型的建立

通過擬訂正交表不同水平條件的組合，本文利用SolidWorks 對9 種不同的參數(shù)進(jìn)行模型的建立，氣腔大小為長100 mm、寬40 mm、高20 mm的長方體模型，管道為直徑30 mm、高30 mm 的圓柱體模型。由于針對本文吸盤帶孔吸板孔數(shù)數(shù)量多、密集的特點，所以，應(yīng)該保證前處理時劃分網(wǎng)格的質(zhì)量，故采用ICEM CFD 來劃分六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，從而提高求解精度，增強求解的收斂性，并針對里面圓柱體流道單獨進(jìn)行了O 型結(jié)構(gòu)的劃分，參見圖2。

圖2 ICEM CFD 網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.2 ICEM CFD meshing results

本文在ANSYS/Fluent 中進(jìn)行求解，流體假設(shè)為理想流體，根據(jù)雷諾數(shù)計算公式Re=ρUL/μ，對于內(nèi)流而言得 Re＞2 300，即為湍流流動。湍流模型采用工程流體計算中主要應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)湍流模型。

設(shè)定邊界條件。因文本模型為負(fù)壓模型，壓力出口邊界條件設(shè)定為不同的真空度。壓力進(jìn)口邊界條件為1 個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓即101 325 Pa，壁面函數(shù)選用計算量小且又有高精度的標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法。求解器采用基于SIMPLE 算法的壓力求解器。最大迭代次數(shù)為150 次，模型收斂并且所有殘差均小于0.01。

2.2 正交數(shù)值模型的建立

分析上述理論可得，抓取車載蓄電池吸盤性能取決于細(xì)孔直徑、細(xì)孔深度、墊板直徑、真空發(fā)生裝置的真空度。所以，將上述4 個指標(biāo)作為單因素正交試驗的4 個因素。由于只考慮單因素之間的影響，采用的正交表為L9（34），一共做了9 次實驗。仿真實驗因素水平見表1。

表1 仿真實驗因素水平Tab.1 Factor level of simulation experiment

2.3 單因素模型的建立

為了對吸盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在正交試驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行了單因素數(shù)值模擬試驗。參考模型可知，細(xì)孔直徑、墊板直徑、細(xì)孔深度和真空度的改變會對吸盤吸附力產(chǎn)生影響，所以，單因素采用上述4 種水平。設(shè)定邊界條件。因本文模型為負(fù)壓模型，將吸孔處的邊界條件設(shè)置為壓力入口，即1 個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強101 325 Pa。壁面函數(shù)選用同時兼顧計算量小與高精度的標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法，求解器采用基于SIMPLE 算法的壓力求解器，最大迭代次數(shù)為150 次，模型收斂并且所有殘差均小于0.01。

3 仿真結(jié)果

3.1 正交實驗結(jié)果

按上述四因素三水平正交試驗進(jìn)行9 組數(shù)值模擬試驗，并用ANSYS/Fluent 計算結(jié)果。邊界條件同多因素模型，并采用軟件CFD-Pos 進(jìn)行后處理。吸孔處的最大流速如表2 所示，吸孔處的速度流線圖如圖3 所示。

圖3 實驗切面速度云圖Fig.3 Cloud diagram of experimental section velocity

表2 出口最大流速實驗仿真表Tab.2 Experimental simulation of maximum flow rate at the outlet

圖4 為實驗速度流線圖，可以方便清楚地看出每組實驗流速的變化。

3.2 單因素實驗結(jié)果

為了探究各種不同因素對吸盤吸附能力的影響，在正交試驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行了單因素數(shù)值模擬試驗，分別選取細(xì)孔直徑、墊板直徑、細(xì)孔深度和真空度進(jìn)行了5 組仿真，共計20 組實驗結(jié)果，仿真內(nèi)容及條件如下所示：

（1）對于細(xì)孔直徑進(jìn)行單因素數(shù)值分析，墊板直徑取15 mm，細(xì)孔深度1.5 mm，真空度為30 kPa，細(xì)孔直徑為0.8～1.6 mm，間隔0.2 mm。

（2）對于墊板直徑進(jìn)行單因素數(shù)值分析，細(xì)孔直徑取1.2 mm，細(xì)孔深度取1.5 mm，真空度為30 kPa，墊板直徑為10～20 mm，間隔2.5 mm。

（3）對于細(xì)孔深度進(jìn)行單因素數(shù)值分析，細(xì)孔直徑取1.2 mm，墊板直徑取15 mm，真空度為30 kPa，深度為1～2 mm，間隔0.25 mm。

（4）對于真空度進(jìn)行單因素數(shù)值分析，細(xì)孔直徑取1.2 mm，墊板直徑取15 mm，細(xì)孔深度取1.5 mm，真空度為10～50 kPa，間隔10 kPa。

各因素下吸孔處的最大速度如圖5 所示。

4 實驗結(jié)果分析

對正交試驗采用方差分析，并通過查文獻(xiàn)可知，墊板直徑影響因素較小，故將墊板直徑作為誤差列[7]。利用數(shù)理統(tǒng)計軟件SPSS 進(jìn)行分析，得到表3 所示的多因素方差分析表。

表3 多因素方差分析結(jié)果Tab.3 Results of multi-factor analysis of variance

結(jié)合對表1、2、3 的分析，通過方差分析得出：細(xì)孔直徑和真空度對實驗結(jié)果具有顯著影響（P＜0.01），墊板直徑和細(xì)孔深度無顯著影響（P＞0.05），吸口處最大氣流速度的性能因素由高到低分別為：D 真空度，A 細(xì)孔直徑，C 細(xì)孔深度，B 墊板直徑，吸孔最大氣流速度的因素組合為A1，B1，C2，D3，即真空度40 kPa、細(xì)孔直徑0.8 mm、細(xì)孔深度1.25 mm、墊板直徑15 mm。

通過圖3、圖4 觀察到，隨著細(xì)孔的增大，氣流在管道內(nèi)更趨近于平穩(wěn)，這是由于隨著流速的降低，氣流趨于穩(wěn)定，減少了渦流的產(chǎn)生，與單因素結(jié)果相吻合。

圖4 實驗速度流線圖Fig.4 Experimental velocity flow diagram

由圖5 分析知，隨著細(xì)孔直徑的增加，吸孔處最大流速成階梯性下降。根據(jù)伯努利方程和連續(xù)性方程可知，細(xì)孔流速×細(xì)孔截面積A=墊板流速×墊板截面積。截面流量不變，流體從墊板通道流到直徑較小的細(xì)孔通道時，細(xì)孔面積越小，流速會越大。

圖5 不同因素下入口處最大速度Fig.5 Maximum inlet speeds with different vacuum degrees

墊板直徑對于吸盤的吸附效果影響較小，最大出口速度不隨墊板直徑的變化而變化，這是由于墊板對流經(jīng)墊板區(qū)域進(jìn)入吸孔的氣體起到了穩(wěn)定的作用，墊板直徑遠(yuǎn)大于細(xì)孔直徑，所以，在合理范圍內(nèi)，墊板直徑的變化對結(jié)果影響不明顯。

隨著細(xì)孔深度的增加，最大出口速度逐漸變小，但變化不明顯。

吸盤吸孔直徑為0.8 mm，壓力入口為1 個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，壓力出口處真空度分別為10，20，30，40 kPa 時，氣力部件出口處的最大速度表明，真空度的變化對氣吸室內(nèi)氣流的分布形態(tài)影響很大，在不同真空度下入口氣流最大速度表明，真空度增大時，入口氣流平均速度增大，增加了吸附性能，與公式結(jié)果相吻合。

5 結(jié)論

吸盤的最大影響因素為真空度，其次是細(xì)孔直徑、細(xì)孔深度，最后為墊板直徑。其中，真空度和細(xì)孔直徑對于入口處最大流速具有顯著影響，細(xì)孔直徑和細(xì)孔深度具有非顯著影響。

在有限范圍內(nèi)，達(dá)到最優(yōu)吸附效果的條件即真空度40 kPa，細(xì)孔直徑0.8 mm，細(xì)孔深度1.25 mm，墊板直徑15 mm。

隨著細(xì)孔直徑的增加，吸孔處最大流速成階梯性的下降；隨著細(xì)孔直徑的增加，吸孔處最大流速成階梯性的下降；隨著細(xì)孔深度的增加，最大出口速度逐漸變小，但變化不明顯。

基于ICEM CFD 軟件中O 型的網(wǎng)格劃分，能夠大幅度提高試驗精度。與傳統(tǒng)的六面體網(wǎng)格劃分相比，解決了六面體網(wǎng)格在劃分圓形區(qū)域網(wǎng)格不規(guī)則、不精確的缺點，進(jìn)一步加強了仿真的準(zhǔn)確性。