一種基于可擺動吸盤的多用途高效真空吸取器設計

張明樹，李 強，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

真空吸附技術作為一種清潔環保的柔性生產技術，廣泛應用在自動化物流和物料搬運等眾多領域，比如金屬薄板及汽車行業的快速搬運、包裝行業的產品包裝與碼垛、塑膠行業的無痕跡脫模等場合[1,2]。作為真空吸附技術應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外氣壓差，從而達到吸住工件和搬運工件的目的[3,4]。隨著真空吸取器應用日趨廣泛，一般真空吸取器已經能夠滿足大多數真空吸附應用需求，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；二是現有真空吸取器幾何設計多依賴人工經驗，造成其幾何參數選取（如壁厚等）較為保守，使得真空吸取器質量較大，增加了自動上下料機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、實現多用途吸取和結構輕量化為目的，從真空吸附組件設計和真空吸取器結構設計兩方面進行基于可擺動吸盤的多用途高效真空吸取器設計研究，為實現自動化真空吸附打下一定基礎。

1 真空吸附組件設計

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行單元，是真空吸取器的關鍵部分，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構形態固定，不能響應多用途真空吸附的需求，故采用真空吸盤作為真空吸附執行元件。為了滿足多用途真空吸附的要求，設計了一套由吸盤、角度調整器、高度調整器和安全閥組成的真空吸附組件，通過角度調整器實現真空吸附組件的角度調整，通過高度調整器實現真空吸附組件的高度調整，構成了由吸盤、角度調整器和高度調整器構成的可擺動吸盤，從而可通過真空吸附組件的角度調整與高度調整實現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，其主要設計內容如圖1所示。

圖1 真空吸附組件構成設計

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行驗算，以確保吸附的可靠性。以自動化真空吸附為應用背景，模擬采用上下料機器人搬運質量約為50kg工件的應用工況，考慮機器人加速性能1s內達到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堅進行吸盤選型計算。

1.1.2 吸盤選型計算

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

1.2 角度調整器選取

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

1.3 高度調整器選取

根據角度調整器接口尺寸，選取高度調整器型號為Festo的VAL-1/8-10，其接口尺寸與角度調整器接口尺寸相同，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。根據真空吸盤、角度調整器和高度調整器具體幾何參數可以確定真空吸附組件整體長度為94.5mm～108.5mm，利用高度調整器的高度可變特性實現真空吸附組件的高度調整。

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。根據上述計算與分析，可確定真空吸附組件構成如表1所示。

表1 真空吸附組件構成表

2 真空吸取器骨架結構設計

真空吸取器骨架是真空吸附組件的固定裝置，為了實現多用途吸附目標，需對其結構進行設計，具體設計目標如下：一是通過吸取器骨架結構幾何設計，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，以實現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構有限元分析，驗證骨架結構的可行性，通過減輕吸取器骨架重量達到降低自動化搬運裝置的承載要求。

2.1 吸取器骨架結構幾何設計

2.1.1 吸取器結構總體方案

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

圖2 吸取器結構總體方案

2.1.2 吸取器骨架幾何結構設計與優選

為了避免吸取器骨架與被吸附工件表面發生碰撞干涉造成工件磕碰損壞等質量問題，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小；因此以吸取曲面作為分析對象，結合角度調整器和高度調整器調整范圍，均勻設計四組如圖3所示吸取器骨架幾何結構。

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計表

根據各方案骨架表面與被吸附工件表面間距相對大小進行間距降序排序，排序結果為方案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構最終方案，通過可擺動吸盤的角度與高度配合調整實現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，并設計如圖4所示吸取器骨架三維結構。

圖4 吸取器骨架三維結構

2.2 吸取器骨架結構有限元分析

吸取器骨架結構有限元分析分為結構模態分析和動力響應分析兩部分；結構模態分析用于獲得結構的固有頻率，從而避免零部件固有振動頻率與輸入頻率或外界強迫作用頻率一致引起的共振問題；結構動力響應分析主要研究結構在動載荷或強迫運動作用下結構應力、應變等物理量的響應情況，驗證零、部件的應力與位移是否低于產品設計和材料許可值，達到校核結構強度和剛度、分析出主要失效形式和危險點的目的[5～8]。

2.2.1 骨架結構模態分析

針對優選得到的吸取器骨架幾何結構進行結構模態分析，采用UG軟件Lanczos method求解器[9,10]獲得結構前5階固有頻率及其相應振型如圖5所示。

圖5 吸取器骨架結構固有頻率及其振型圖

結果分析：

1）利用Lanczos法進行吸取器骨架結構模態分析，獲得結構前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，自動上下料機器人的輸入頻率應避開上述吸取器結構固有頻率，從而避免共振情況的發生。

2）振型圖如圖5可知吸取器骨架結構整體模態較好，可結合試驗結果驗證結構的可行性與可靠性。

2.2.2 骨架結構瞬態分析

1）骨架結構模態與振型求解

為模擬自動上下料機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，并進行吸取器骨架結構10個正則模態和4個約束模態的解算，獲得其前4階正則模態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階正則模態位移圖

圖7 吸取器骨架約束模式位移圖

2）骨架結構響應仿真

首先建立響應仿真，查看與各階正則模態相對應的動態特性指標（如頻率、質量和剛度）如圖8所示。

然后編輯粘性阻尼和遲滯阻尼兩個阻尼系數，并抑制對后續動態響應（Z向）貢獻較弱的模態（模態4～9），以減小后續計算規模，修改結果如圖9所示。

并進行傳遞性評估，在吸取器骨架與自動上下料機器人末端執行器連接處（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點，通過響應分析評估吸取器骨架結構的頻響性能，響應情況如圖10所示。

圖8 吸取器骨架正則模態動態特性指標圖

圖9 阻尼系數修改與模態抑制示意圖

圖10 吸取器骨架結構動態響應傳遞性評估圖

結果分析：

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

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

3）骨架瞬態響應分析

為模擬自動上下料機器人從靜止狀態加速到1m/s2，創建加速度時域脈沖信號如圖11所示。

圖11 響應分析加速度時域脈沖信號

新建瞬態激勵事件，并進行加速度、應力響應分析，獲得吸取器骨架安裝爪的四個對稱單元的加速度響應曲線和動態應力響應曲線，結果如圖12和圖13所示。

圖12 響應分析加速度響應曲線圖

結果分析：

經查機械設計手冊可知，各類鋁合金的抗拉強度和屈服強度都大于100MPa；由上述分析結果可初步判斷吸取器骨架強度驗算滿足要求。

3 結論

通過真空吸附組件設計和真空吸取器結構設計研究，取得如下研究結論：

圖13 響應分析動態應力響應曲線圖

1）構建了由吸盤、角度調整器和高度調整器組成的可擺動吸盤替代傳統鋁制吸具，可通過其角度調整器和高度調整器實現可擺動吸盤的角度和高度調整，可滿足輕量化設計要求。

2）確定了真空吸取器骨架幾何結構優選方案，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，從而實現吸取器的多用途使用。

3）通過吸取器骨架結構模態分析獲得其結構前5階固有頻率，可作為上下料機器人選型依據之一；通過吸取器骨架結構瞬態分析初步驗證其強度滿足要求，為下一步工程實驗打下基礎。

[1]張洪雙,何暉,鄭東陽,等.柔性真空吸附夾具的設計與研究[J].機械設計與制造,2014,09：252-254.

[2]張保全.生產線真空搬運技術應用簡介[J].科技創業家,2013,11：25.

[3]吳祉群.一種內外球面多功能吸取器[J].機械,2003,30：28-32.

[4]高尚雪,劉延龍,張珍.一種平面真空吸取器的改進[J].機械,2011,01(38)：78-80.

[5]Bing Yi, Zhenyu Liu,Guifang Duan,et al.Finite Element Method and Sharp Features Enhanced Laplacian for Interactive Shape Design of Mechanical Parts[J].Journal of Computing and Information Science in Engineering,2014,2(14)：1-9.

[6]Hongan Xu,W.L.Li,Jingtao Du.Modal Analysis of General Plate Structures[J].Journal of Vibration and Acoustics,2014,2(136)：1-11.

[7]Joshua H.Gordis, Beny Neta.Fast Transient Analysis for Locally Nonlinear Structures by Recursive Block Convolution[J].Journal of Vibration and Acoustics,2001,4(123)：545-547.

[8]梁尚明,羅偉,徐俊光,等.擺動活齒減速器系統有限元模態分析[J].四川大學學報,2004,2(36)：77-80.

[9]趙運才,鄧庚發,高彩云.基于UG的電動輪橡膠墊車斗底架有限元分析[J].煤礦機械,2009,09(30)：110-112.

[10]吳軍,張元翔,鄭小軍.基于UG的空壓機活塞設計及有限元分析[J].制造業自動化,2013,05(35)：127-128.