模塊十

真空吸附回路的設(shè)計(jì)1課題一電池片抓取系統(tǒng)的認(rèn)知課題二玻璃抓取機(jī)械手真空元件的選擇2課題一電池片抓取系統(tǒng)的認(rèn)知

3學(xué)習(xí)目標(biāo)1.了解真空度及真空發(fā)生系統(tǒng)的特點(diǎn)。2.掌握真空發(fā)生器的工作原理。3.熟悉真空用氣閥的類型及作用。4任務(wù)引入晶體硅電池片厚度只有160～300μm，特點(diǎn)是輕、薄、脆，因此生產(chǎn)中一般選用真空吸附系統(tǒng)作為電池片的運(yùn)輸裝置。圖1所示為光伏電池片的真空抓取機(jī)械手，主要完成電池片的抓取、移動(dòng)和釋放，抓取主要靠真空吸附完成，那么電池片抓取機(jī)械手的真空是怎么產(chǎn)生的呢？5圖1電池片抓取機(jī)械手6任務(wù)分析氣動(dòng)元件包括氣源發(fā)生裝置、執(zhí)行元件、控制元件及各種輔件，通常都是在高于大氣壓力的氣壓作用下工作的，這些元件組成的系統(tǒng)稱為正壓系統(tǒng)。另有一類元件可以在低于大氣壓力下工作，這類元件稱為真空元件，所組成的系統(tǒng)稱為負(fù)壓系統(tǒng)，又稱真空系統(tǒng)。電池片抓取機(jī)械手就是利用真空系統(tǒng)完成電池片的吸附的，要了解電池片抓取機(jī)械手的工作原理，就需要知道電池片抓取的真空系統(tǒng)的組成以及各組成部分的作用。7ISO規(guī)定的壓力單位是帕斯卡（Pa）：1Pa=1N/m2。工程上有兩種計(jì)壓方法，以絕對(duì)真空為計(jì)壓起點(diǎn)所計(jì)壓力稱為絕對(duì)壓力；以“當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Α睘橛?jì)壓起點(diǎn)所計(jì)壓力稱為相對(duì)壓力。在氣動(dòng)技術(shù)中，壓力是用壓力表測(cè)得的。由于壓力表所測(cè)得的壓力是相對(duì)壓力，故相對(duì)壓力又稱表壓力，用符號(hào)Pg表示。一、真空度在真空技術(shù)中，將低于當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Φ膲毫ΨQ為真空度。在工程計(jì)算中，為簡(jiǎn)化計(jì)算常取當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?kPa。以此為基準(zhǔn)，絕對(duì)壓力、相對(duì)壓力及真空度如圖2所示。真空度按其大小分為低度真空（105～102Pa）、中度真空（102～10-1Pa）、高度真空（10-1～10-5Pa）和超高度真空（<10-5Pa）。89圖2絕對(duì)壓力、相對(duì)壓力和真空度10二、典型真空回路及其應(yīng)用真空系統(tǒng)的真空度是依靠真空發(fā)生裝置產(chǎn)生的，真空發(fā)生裝置有真空泵和真空發(fā)生器兩種。真空泵是吸入口形成負(fù)壓，排氣口直接通大氣，兩端壓力比很大的抽出氣體的機(jī)械。主要用于連續(xù)大流量、集中使用且啟停不頻繁的場(chǎng)合。真空發(fā)生器是利用壓縮空氣的流動(dòng)而形成一定真空的氣動(dòng)元件，適合從事流量不大的間歇工作和表面光滑的工件。由真空泵或真空發(fā)生器組成的典型真空回路如圖3所示。11圖3典型真空回路1-冷凍式干燥器2-空氣過(guò)濾器3-油霧分離器4-減壓閥5-真空破壞閥（換向閥）6-節(jié)流閥7-真空壓力開(kāi)關(guān)8-真空過(guò)濾器9-真空表

10-真空吸盤(pán)11-工件12-真空切換閥13-真空罐14-真空調(diào)壓閥15-真空泵16-消聲器17-供給閥(換向閥)18-真空發(fā)生器19-單向閥12兩種真空發(fā)生裝置的比較見(jiàn)表1。真空泵與真空發(fā)生器回路真空形成方法的主要差別是：真空泵通常要連接一個(gè)氣罐，使其隨時(shí)都有高的抽吸流量；而對(duì)于真空發(fā)生器來(lái)說(shuō)，不需要附帶氣罐。13表1兩種真空發(fā)生裝置的比較14續(xù)表以真空吸附為動(dòng)力源，作為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的一種手段，已在電子或半導(dǎo)體元件組裝、汽車(chē)組裝、自動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械等許多方面得到廣泛應(yīng)用，例如：在真空包裝機(jī)械中，包裝紙的吸附、送標(biāo)、貼標(biāo)，包裝袋的開(kāi)啟；電視機(jī)顯像管的運(yùn)輸；薄的柔軟的塑料膜運(yùn)送；印刷紙張的檢測(cè)、輸送等等，都可使用真空吸附來(lái)完成作業(yè)。15161．真空泵1.1真空泵的類型在原理上，真空泵同空氣壓縮機(jī)幾乎沒(méi)有差異，區(qū)別在于連接在進(jìn)口端還是出口端。真空發(fā)生器是利用空氣或水噴射出氣流或水流的流體動(dòng)能，從一個(gè)容積中（如吸盤(pán)或類似空腔）抽吸出空氣，使其建立真空（負(fù)壓）。真空泵是指去除特定空間內(nèi)的氣體，以減少氣體分子的數(shù)目，形成某種程度真空狀態(tài)的裝置。表2所列為工業(yè)中常見(jiàn)的真空泵種類、工作壓力范圍及特性等。三、真空發(fā)生裝置17表2常見(jiàn)真空泵的種類、工作壓力范圍及特性181．真空泵1.2真空泵工作原理在工業(yè)用氣動(dòng)真空系統(tǒng)中，常用回轉(zhuǎn)式真空泵，其主要種類有旋片泵，爪式泵、羅茨泵、離心泵和齒輪泵。下面以旋片泵為例分析其工作原理。圖4所示為旋片泵的工作原理示意圖，旋片泵主要由定子、轉(zhuǎn)子、旋片、定蓋、彈簧等零件組成。19圖4旋片泵工作原理示意圖1-泵體2-旋片3-轉(zhuǎn)子4-彈簧5-排氣閥201．真空泵1.3真空泵的技術(shù)參數(shù)衡量真空泵的主要技術(shù)參數(shù)有抽氣速率、終極壓力和抽氣能量。1.3.1抽氣速率是指泵在正常運(yùn)轉(zhuǎn)下，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)進(jìn)口截面的氣體體積。1.3.2終極壓力是指泵所能抽到氣體的最低壓力。1.3.3抽氣能量為泵的抽氣速率乘以壓力。212．真空發(fā)生器真空發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，無(wú)可動(dòng)機(jī)械部分，使用壽命長(zhǎng)，安裝使用方便，真空度可達(dá)88kPa。盡管產(chǎn)生的負(fù)壓（真空度）不大，流量也不大，但可控、可調(diào)，穩(wěn)定可靠，瞬時(shí)開(kāi)關(guān)特性好，無(wú)殘余負(fù)壓，同一輸出口可正負(fù)壓交替使用。222．真空發(fā)生器2.1真空發(fā)生器的工作原理圖5所示為真空發(fā)生器的工作原理，它由噴嘴、接收室、混合室和擴(kuò)散室組成。壓縮空氣通過(guò)收縮的噴射后，從噴嘴內(nèi)噴射出來(lái)的一束流體的流動(dòng)稱為射流。射流能卷吸周?chē)撵o止流體和它一起向前流動(dòng)，這稱為射流的卷吸作用。23圖5真空發(fā)生器的工作原理a）真空發(fā)生器b）卷吸現(xiàn)象1-噴嘴2-接收室3-混合室4-擴(kuò)散室242．真空發(fā)生器2.2真空發(fā)生器的結(jié)構(gòu)典型真空發(fā)生器的結(jié)構(gòu)如圖6所示，它是由先收縮后擴(kuò)張的拉伐爾噴管1、負(fù)壓腔2、收縮管3等組成，有供氣口、排氣口和真空口。當(dāng)供氣口的供氣壓力高于一定值后，噴管射出超聲速射流，射流能卷吸走負(fù)壓腔內(nèi)的氣體，使該腔形成很高的真空度，在真空口處接上真空吸盤(pán)，即可吸取物體。25圖6典型真空發(fā)生器的結(jié)構(gòu)a）結(jié)構(gòu)圖b）職能符號(hào)1-拉伐爾噴管2-負(fù)壓腔3-收縮管26真空吸盤(pán)是利用吸盤(pán)內(nèi)形成的負(fù)壓（真空）來(lái)吸附工件的一種氣動(dòng)元件，常用作機(jī)械手的抓取機(jī)構(gòu)。其吸力為1～10000N。真空吸盤(pán)通常由丁腈橡膠、硅橡膠、氟橡膠和聚氨酯等材料與金屬骨架壓制成碗狀或杯狀。適用于抓取薄片狀的工件，如塑料片、硅鋼片、紙張（盒）及易碎的玻璃器皿等，要求工件表面平整光滑、無(wú)孔和無(wú)油污。圖7所示為常見(jiàn)吸盤(pán)的形狀。四、真空吸盤(pán)27圖7常見(jiàn)吸盤(pán)的形狀281．真空電磁閥真空電磁閥與普通電磁閥在結(jié)構(gòu)、工作原理方面沒(méi)什么兩樣，區(qū)別僅在于密封。氣動(dòng)元件的密封有兩種方式，即彈性密封和唇形密封。真空電磁閥一般采用彈性密封。真空組件里常用兩種真空電磁閥：真空發(fā)生用電磁閥和真空釋放用電磁閥。圖8所示為一種真空組件動(dòng)作原理。五、真空用氣閥29圖8真空組件動(dòng)作原理a）真空發(fā)生用電磁閥通電b）真空釋放用電磁閥通電302．減壓閥正壓管路應(yīng)使用正壓減壓閥，真空管路中的減壓閥應(yīng)使用真空減壓閥，真空減壓閥可調(diào)節(jié)真空壓力并保持其穩(wěn)定。真空減壓閥的結(jié)構(gòu)如圖9所示。五、真空用氣閥31圖9真空減壓閥的結(jié)構(gòu)1-主閥芯2-閥桿3-大氣吸入閥芯4-手輪5-設(shè)定彈簧6-真空室7-膜片8-大氣室323．換向閥用于真空發(fā)生器回路中的換向閥，有供給閥和真空破壞閥。用于真空泵回路中的換向閥，有真空切換閥和真空選擇閥。供給閥用于供給真空發(fā)生器壓縮空氣。真空破壞閥用于破壞吸盤(pán)內(nèi)的真空狀態(tài)，將真空壓力變成大氣壓力或正壓力，使工件脫離吸盤(pán)。真空切換閥就是接通或斷開(kāi)真空壓力源的閥。真空選擇閥可控制吸盤(pán)對(duì)工件的吸持或脫離。真空回路中換向閥的連接方法見(jiàn)表3。真空破壞閥、真空切換閥一般使用二位二通閥。五、真空用氣閥33表3真空回路中換向閥的連接方法34續(xù)表354．節(jié)流閥真空系統(tǒng)中的節(jié)流閥用于控制真空破壞的快慢。節(jié)流閥的出口壓力不得高于0.5MPa，以保護(hù)真空壓力開(kāi)關(guān)和抽吸過(guò)濾器，可使用彎頭型帶快換接頭的速度控制閥，對(duì)進(jìn)氣節(jié)流型，螺紋接頭應(yīng)接在真空口一側(cè)。5．真空單向閥真空單向閥有兩個(gè)作用：一是當(dāng)供氣閥停止供氣時(shí)，保持吸盤(pán)內(nèi)的真空壓力不變，可節(jié)省能量；二是一旦停電，可延緩被吸吊工件脫落的時(shí)間，以便采取安全對(duì)策。五、真空用氣閥366．真空安全閥真空安全閥能確保在一個(gè)吸盤(pán)失效后，仍維持系統(tǒng)的真空不變。圖10所示為同時(shí)使用多個(gè)真空吸盤(pán)的真空系統(tǒng)，系統(tǒng)中裝有真空安全閥。如果系統(tǒng)中有一個(gè)或幾個(gè)吸盤(pán)密封失效，將影響系統(tǒng)的真空度，導(dǎo)致其他的吸盤(pán)都不能吸持工件而無(wú)法工作。37圖10同時(shí)使用多個(gè)真空吸盤(pán)的真空系統(tǒng)1-真空發(fā)生器2-分配器3-真空安全閥4-吸盤(pán)但是，如果使用真空安全閥，則可以避免這種情況發(fā)生，即當(dāng)一個(gè)吸盤(pán)失效或不能密封時(shí)，其他吸盤(pán)的真空度不受影響，圖11所示為真空安全閥。3839圖11真空安全閥a）結(jié)構(gòu)圖b）職能符號(hào)407．真空順序閥

真空順序閥如圖12所示，壓力控制口X在上方，調(diào)節(jié)彈簧壓縮量可調(diào)整控制壓力（真空度）。只要X口的真空度達(dá)到真空順序閥的設(shè)定值，則與其相連的閥動(dòng)作。五、真空用氣閥41圖12真空順序閥a）結(jié)構(gòu)圖b）職能符號(hào)圖13所示為真空順序閥的應(yīng)用實(shí)例，真空順序閥的X口與真空發(fā)生器U口相連。啟動(dòng)手動(dòng)閥向真空發(fā)生器供給壓縮空氣即產(chǎn)生負(fù)壓，對(duì)吸盤(pán)進(jìn)行抽吸，在吸盤(pán)內(nèi)真空度達(dá)到調(diào)定值時(shí)，真空順序閥打開(kāi)，基本閥5動(dòng)作有輸出，使控制閥6換向，氣缸活塞桿伸出。4243圖13真空順序閥的應(yīng)用實(shí)例1-真空發(fā)生器2-工件3-吸盤(pán)4-真空順序閥5-基本閥6-控制閥44課題二玻璃抓取機(jī)械手真空元件的選擇

45學(xué)習(xí)目標(biāo)1.掌握真空吸盤(pán)的選擇方法。2.熟悉真空發(fā)生器及真空切換閥的選定方法。3.了解真空系統(tǒng)使用的注意事項(xiàng)。46任務(wù)引入圖1所示為玻璃抓取機(jī)械手的示意圖，需要把玻璃水平搬運(yùn)至傳輸帶上，玻璃在提升過(guò)程中是水平提吊，每塊玻璃重20kg，已知吸附容積V=0.11L，連接管長(zhǎng)為l=1m，要求吸附響應(yīng)時(shí)間T≤1.0s，試選擇吸盤(pán)和真空發(fā)生器。47圖1

玻璃抓取機(jī)械手的示意圖48任務(wù)分析在真空系統(tǒng)中，吸取物體的重量主要取決于吸力的大小，而吸力的大小又取決真空吸盤(pán)的大小和真空度，真空度是由真空發(fā)生器決定的。因此，本任務(wù)主要是確定吸盤(pán)的直徑和真空發(fā)生器的具體規(guī)格。49除材料、形狀和安裝形式外，真空吸盤(pán)的一個(gè)重要使用性能就是吸力，在使用工作中，真空吸盤(pán)相當(dāng)于正壓系統(tǒng)的氣缸。真空吸盤(pán)的外徑稱為公稱直徑，其吸持工件被抽空的直徑稱為有效直徑。吸盤(pán)的理論吸力F為：式中De——吸盤(pán)的有效直徑；ΔpV——真空度。一、真空吸盤(pán)的吸力計(jì)算這樣，若已知一個(gè)真空吸盤(pán)，只要設(shè)定真空度，就可以計(jì)算吸盤(pán)的理論吸力。根據(jù)吸盤(pán)安裝位置和帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（方向和快慢、直線運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）的不同，吸盤(pán)的實(shí)際吸力應(yīng)考慮一個(gè)安全系數(shù)n，即實(shí)際吸力Fr為：5051如在水平安裝提升物體時(shí)n為8，如果吸盤(pán)吸取物體后要高速運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)，則需計(jì)算要克服的慣性力和離心力，甚至風(fēng)阻力，加大安全系數(shù)，增加吸盤(pán)尺寸。對(duì)大型物體宜采用多個(gè)吸盤(pán)同時(shí)吸取。真空吸盤(pán)使用時(shí)應(yīng)該注意吸盤(pán)的安裝位置，如圖2所示，水平安裝位置和垂直安裝位置兩者吸持工件時(shí)的受力狀態(tài)是不同的。吸盤(pán)水平安裝時(shí)，除了要吸持住工件負(fù)載，還應(yīng)該考慮吸盤(pán)移動(dòng)時(shí)工件的慣性力對(duì)吸力的影響。吸盤(pán)垂直安裝時(shí)，吸盤(pán)的吸力必須大于工件與吸盤(pán)間的摩擦力。52圖2吸盤(pán)的安裝位置a）水平安裝b）垂直安裝53吸盤(pán)的理論吸力是吸盤(pán)內(nèi)真空度p與吸盤(pán)的有效吸著面積A的乘積。吸盤(pán)的實(shí)際吸力應(yīng)考慮被吸工件的重量及搬運(yùn)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，還應(yīng)留有足夠的余量，以保證吸吊的安全。搬運(yùn)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)加速度，應(yīng)考慮啟動(dòng)加速度、停止加速度、平移加速度和轉(zhuǎn)動(dòng)加速度（包括搖晃）。對(duì)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，為防止被吊物的脫落，通常使用多個(gè)吸盤(pán)進(jìn)行吸吊。這些吸盤(pán)應(yīng)合理配置，以使吸吊合力作用點(diǎn)與被吸吊重物的重心盡量靠近。二、吸盤(pán)的選擇54使用n個(gè)同一直徑的吸盤(pán)吸吊重物，其吸盤(pán)直徑D可按此式確定：式中D——吸盤(pán)直徑，mm；W——吸吊物重力，N；t——安全率，水平吊≥4，垂直吊≥8；p——吸盤(pán)內(nèi)的真空度，MPa。吸盤(pán)內(nèi)的真空度p應(yīng)在真空發(fā)生器（或真空泵）的最大真空度pV的63%～95%范圍內(nèi)選擇，以提高真空的吸附能力，又不致使吸附響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。551．吸附響應(yīng)時(shí)間吸附響應(yīng)時(shí)間是指從供給閥（或真空切換閥）換向開(kāi)始，使吸盤(pán)內(nèi)到達(dá)吸附工件所必需真空度的時(shí)間。供給閥（或真空切換閥）換向后，吸盤(pán)內(nèi)的真空度與到達(dá)時(shí)間的關(guān)系：T1——吸附響應(yīng)時(shí)間，s；V——供給閥（或真空切換閥）至吸盤(pán)的配管容積，L；式中qv——通過(guò)真空發(fā)生器（或真空切換閥）的平均流量qv1和通過(guò)配管內(nèi)的平均吸入量qv2中的小值，L/min。三、真空發(fā)生器及真空切換閥的選擇56上式中d——配管的內(nèi)徑，mm；l——配管的長(zhǎng)度，m。對(duì)于配管：式中S——配管的有效截面積，mm2。57對(duì)于真空發(fā)生器：對(duì)于真空切換閥：式中qve——真空發(fā)生器的最大吸入量，L/min；Sc——真空切換閥的有效截面積，mm2；Cq——系數(shù)，Cq=1/3～1/2，一般取Cq為1/2，若真空管路中流動(dòng)阻力偏大，Cq可取1/3。582．工件吸附時(shí)的泄漏量吸盤(pán)在吸附透氣性工件（如紙張、表面粗糙的工件等）時(shí)會(huì)產(chǎn)生泄漏，故在選定真空發(fā)生器（或真空切換閥）時(shí)，必須考慮吸著工件的泄漏量qvL。知道吸附工件的有效截面積SL，則泄漏量：式中qvL——工件吸附時(shí)的泄漏量，L/min；SL——吸附漏氣工件的有效截面積，mm2。三、真空發(fā)生器及真空切換閥的選擇593．真空發(fā)生器及真空切換閥的確定3.1無(wú)漏氣量qvL時(shí)最大吸入流量：三、真空發(fā)生器及真空切換閥的選擇60式中qVmax——最大吸入量，L/min；T——吸附響應(yīng)時(shí)間，s。由最大吸入量qVmax查找真空發(fā)生器的排氣特性曲線，選定真空發(fā)生器的規(guī)格。若使用真空泵，則按真空切換閥的有效截面積Sc（mm2）不小于qVmax/11.1（mm2）來(lái)選定真空切換閥的規(guī)格。613．真空發(fā)生器及真空切換閥的確定3.2有漏氣量qvL時(shí)按最大吸入量：選定真空發(fā)生器的規(guī)格。若使用真空泵，選定真空切換閥的規(guī)格與無(wú)漏氣量時(shí)相同。62工件重W=2