真空吸盤型板料抓取裝置吸盤布置設(shè)計

王國棟，徐尚超，馮寧寧，王先強(qiáng)，張 巖

（山東泰開高壓開關(guān)有限公司，泰安 271000）

0 引言

隨著我國沖壓技術(shù)水平的不斷提高，各種沖壓自動化裝置在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越普遍。沖壓自動化具有安全、高效、節(jié)材等優(yōu)點(diǎn)，在板料沖壓加工行業(yè)中自動化送料機(jī)構(gòu)的應(yīng)用越來越多[1]。料抓取裝置是用于完成沖壓板料抓取、送料、放料等工作的執(zhí)行裝置，也是自動化送料系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的部分之一。目前在板料沖壓加工生產(chǎn)中板料抓取裝置多采用真空吸附技術(shù)進(jìn)行設(shè)計，通常以真空壓力為動力源，借助于真空吸盤等真空元件制成的抓取裝置來完成對板料工件的抓取、送料、放料等工作。由于沖壓板料尺寸大小不一致，抓取裝置上的真空吸盤需根據(jù)板料尺寸大小調(diào)整布置位置，以保證板料抓取的安全可靠。

1 真空吸附技術(shù)

真空吸附技術(shù)廣泛應(yīng)用于板料的抓取和搬運(yùn)，廣泛應(yīng)用在電子、汽車、醫(yī)藥等自動化生產(chǎn)中[2]。真空吸附作為一項易于掌握且可靠的傳送技術(shù)，在沖壓板料自動化抓取裝置及設(shè)備中應(yīng)用非常多。用來解決板料的抓取、起吊、搬運(yùn)、放料等諸多問題。對于任何具有較光滑表面的物體，尤其對于那些不適合其他方式進(jìn)行抓取、搬運(yùn)的工件，如非鐵、非金屬制品等都可使用真空吸附來完成。

2 真空吸盤型板料抓取裝置

2.1 真空吸盤

真空吸盤是真空系統(tǒng)的執(zhí)行元件，它可以抓取、升舉、轉(zhuǎn)運(yùn)和夾持十幾克至幾十千克重的物料[3]。利用真空吸盤來實現(xiàn)抓取和搬運(yùn)，這是一種比較經(jīng)濟(jì)且實用的方法。真空吸盤型抓取裝置具有可靠、使用方便、價格低廉等特點(diǎn)。因此，對拆垛上料機(jī)板料的抓取采用真空吸盤型抓取機(jī)構(gòu)。真空吸盤型是利用橡膠或塑料吸盤壓在板料表面上，使其產(chǎn)生真空把板料吸住。

在選擇吸盤的材料時，要根據(jù)吸盤的應(yīng)用場合、材料的力學(xué)性能、溫度環(huán)境以及被吸附物的表面狀況及重量決定。目前常用的吸盤材料為丁睛橡膠， 聚氨酷，硅橡膠、氟橡膠， 氨基甲酸乙酯橡膠等[4]。在板料沖壓生產(chǎn)中零部件一般表面光滑且質(zhì)量較大，所選用的吸盤應(yīng)具有較好的耐磨性、耐撕扯性、小的透氣性等特點(diǎn)，采用丁腈橡膠材料制作的吸盤，具有較大的扯斷力，通常選用丁睛橡膠材質(zhì)的吸盤即可滿足要求。

2.2 模塊化板料抓取裝置

模塊化是產(chǎn)品設(shè)計中一種非常重要且常用的設(shè)計理念，其基本思想是化整為零，將產(chǎn)品的總功能分解成若干個子功能。然后將各個子功能視為一個小的功能模塊，根據(jù)不同產(chǎn)品的功能需求，將各個不同小的功能模塊相互組合就可以形成不同功能不同結(jié)構(gòu)形式的產(chǎn)品。隨著敏捷制造時代的到來，模塊化設(shè)計會越來越顯示出其獨(dú)到的優(yōu)越性[5]。

在板料沖壓生產(chǎn)加工的板料，因用途不一，大小和形狀各式各樣。這就要求根據(jù)實際加工板料的不同，適時調(diào)整或更換的抓取裝置。因此采用模塊化設(shè)計可方便快速裝配組合出所需要的裝置。

典型的真空吸盤型板料抓取裝置一般由：拾取元件（真空吸盤）、關(guān)節(jié)連接件、支撐桿、主桿和副桿組成，基本構(gòu)成如圖1所示。

圖1 典型的模塊化板料抓取裝置的構(gòu)成

模塊化真空吸盤型板料抓取裝置具有以下特點(diǎn)：1）經(jīng)濟(jì)性好；2）設(shè)計周期短；3）互換性強(qiáng)；4）維修方便性好。在實際工業(yè)生產(chǎn)中，根據(jù)所抓取板料的尺寸、重量、材料的不同，通過更換或調(diào)整主桿、副桿、支撐桿、真空吸盤來實現(xiàn)不同板料的抓取工作。

3 真空吸盤的布置設(shè)計

3.1 真空吸盤數(shù)量選定

為保證抓取工件的穩(wěn)定和可靠性真空吸盤的數(shù)量必須與所抓取板料的重量相匹配。對于搬運(yùn)金屬與塑料等具有氣密性表面的材料，真空吸盤工作氣壓范圍為通常在0.05MPa～0.08MPa之間，若采用中高真空則不甚經(jīng)濟(jì)[6]。

根據(jù)相關(guān)真空吸盤樣本計算吸盤所能承受的力，以某型號吸盤為例，吸盤直徑為90mm，在真空度為0.65MPa時，單個吸盤所能承受的力為350N，吸盤所承受的總力F由可由以下公式計算。

式中，F(xiàn)為理論最大吸力，N；m為板料質(zhì)量，kg；g是重力加速度，9.8m/s2；a為提升系統(tǒng)的加速度，m/s2；μ為摩擦系數(shù)，0.2～0.5；s是安全系數(shù)，一般取1.5～2。（以某抓取裝置抓取的65kg板料為例，m=65kg，a=4.5m/s2，μ=0.4，s=2）。

根據(jù)以上計算結(jié)果，需要選用8個吸盤，總力2800N。

3.2 真空吸布置設(shè)計

真空吸盤型板料抓取裝置的真空吸盤是執(zhí)行元件，板料抓取過程中須保證吸盤與板料之間接觸可靠。如果真空吸盤的布置方式不合理，板料在抓取時會產(chǎn)生一個較大的彎曲變形，直接減小吸盤與板料之間的接觸面積。在極端情況下大的彎曲變形甚至?xí)苯訉?dǎo)致吸盤和板料分離使板料直接脫落，產(chǎn)生不安全的生產(chǎn)因素[7]。選擇一種合理的真空吸盤布置方式是保證生產(chǎn)安全必不可少的一個重要環(huán)節(jié)。

彎曲變形的大小與彎矩大小、跨度長短、工件截面的慣性矩和材料的彈性模量E有關(guān)。通過調(diào)整結(jié)構(gòu)形式可減小彎矩從而達(dá)到減小彎曲變形目的。

本文以2500×1200重量為65kg的板材為例，通過MATLAB對真空吸盤的布置方式進(jìn)行設(shè)計。根據(jù)上述選定的8個吸盤，并根據(jù)板料尺寸，吸盤布置形式初步設(shè)計為，寬度方向布置2個，長度方向布置4個。

3.2.1 寬度方向上布置設(shè)計

首先確定真空吸盤在板料寬度方向的布置方式。為了簡化計算，可將板料視為一個桿件，對其進(jìn)行受力分析如圖2所示，分別為受力圖和彎矩圖。

圖2 寬度方向上的彎矩圖

板料的總長度為L=1.2m，設(shè)吸盤中心距離板料邊沿的長度為a，均布載荷為q。根據(jù)受力分析：R1=R2=qL/2。由圖2分析計算可得：

在AB段，Mmax=-1/2 qa^2

在BC段，Mmax=1/8 qL^2-1/2 qLa

在CD段，Mmax=-1/2 qa^2

利用MATLAB對0≤a≤0.6m的范圍內(nèi)取不同的值，a以0.05m為一個單位進(jìn)行取值。其中L=1.2m，q=mg/L=65×9.8/1.2=530N/m，MAB=MCD=-265a2，MBC=95.4-318a。對MAB和MBC進(jìn)行計算，在MATLAB中輸入以下命令：

得到如下結(jié)果：

MAB和MBC的對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

圖3 MAB和MBC的對應(yīng)關(guān)系

通過上述圖標(biāo)分析可知：當(dāng)α=0.25m時，兩個彎矩值的大小較為相近且不是太大，此時MAB=-16.56，MBC=15.9彎矩較為合理。即吸盤在寬度方向上布置時吸盤中心距離兩邊均為0.25m。

3.2.2 長度方向上布置設(shè)計

吸盤在長度方向上的布置位置同樣可以采用上述的方法，使板料的彎曲變形達(dá)到最小。受力分析如圖4所示。

圖4 長度方向上的彎矩圖

為便于計算假設(shè)R1=R2=R3=R4=mg/4，其中L=2.5m，q=mg/L=65×9.8/2.5=254.8N/m。

得到如下結(jié)果：

MAB和MBC的對應(yīng)關(guān)系如圖5所示。

圖5 不同a1值下MAB和MBC的對應(yīng)關(guān)系

由圖標(biāo)可看出：當(dāng)a1=0.25m時，兩個彎矩值的大小較為相近且不是太大，此時MAB=-7.96，MBC=9.98彎矩較為合理。

當(dāng)a1=0.25m，MCD=199-318.5a1-159.25b=119.375-159.25b。由此可得：當(dāng)b=0.75m時，MCD=0。由此可知在長度方向上的吸盤布置方式為：吸盤中心距板料外沿為0.25m，兩個吸盤中心間距為0.75m。最終真空吸盤布置方式如圖6所示。

圖6 真空吸盤布置方式

公司某型號板料抓取裝置通過該種方式進(jìn)行真空吸盤布置，并進(jìn)行調(diào)試試驗，效果良好，運(yùn)行幾個月以來未發(fā)生板料抓取不牢，板料脫離的情況。

4 結(jié)語

真空吸盤的布置方式的合理性，是影響板料抓取抓取、轉(zhuǎn)運(yùn)、放置等作業(yè)安全性能的主要因素。通過MATLAB協(xié)助進(jìn)行真空吸盤布置設(shè)計，可快速實現(xiàn)針對不同板料真空吸盤布置方式的設(shè)計，該方式也可應(yīng)用于類似布置結(jié)構(gòu)的設(shè)計。