付海鵬，王 庫(kù)，王向榮

(中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司，河北 石家莊 050021)

中國(guó)地浸采鈾技術(shù)經(jīng)過(guò)20余年的科研和生產(chǎn)，在水冶裝備方面，取得了長(zhǎng)足的發(fā)展；但與國(guó)外相比，仍存在裝備適用性差、人均勞動(dòng)生產(chǎn)率低等問(wèn)題。例如在地浸水冶生產(chǎn)中，仍需要人工投放袋裝碳酸氫鈉、氫氧化鈉等，這些工作崗位，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)環(huán)境差，且需要配備大量人員，拉低了勞動(dòng)生產(chǎn)率，增加了運(yùn)行成本。為此，開(kāi)展了粉料自動(dòng)投料裝置研制工作。粉料自動(dòng)投料裝置的首要環(huán)節(jié)是上料——對(duì)物料袋進(jìn)行抓取、轉(zhuǎn)運(yùn)。工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對(duì)物件的抓取，主要采用夾抓和真空吸盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)?？紤]到小型化因素，每次只需抓取1袋物料，夾抓過(guò)程容易對(duì)料垛其他物料袋造成破壞；而真空吸盤(pán)利用負(fù)壓夾持工件，具有成本低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)[1]。經(jīng)過(guò)比選，確定采用真空吸盤(pán)來(lái)對(duì)物料袋進(jìn)行抓取試驗(yàn)。

國(guó)內(nèi)學(xué)者曾對(duì)真空吸盤(pán)用于吸取剛性物體進(jìn)行過(guò)研究分析[2-4]；對(duì)于包裝袋，也有學(xué)者對(duì)仿生吸盤(pán)和吸取空包裝袋進(jìn)行過(guò)研究分析[5-7]。但本研究中需要抓取裝滿(mǎn)物料的物料袋，且物料袋為兩層包裝，外袋為編織袋，內(nèi)袋為塑料薄膜袋。由于編織袋有孔隙，無(wú)法與吸盤(pán)形成密封，目前沒(méi)有成功的使用經(jīng)驗(yàn)供借鑒，因此需要對(duì)編織袋用真空吸盤(pán)系統(tǒng)進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。

1 真空吸盤(pán)工作原理

真空吸盤(pán)是通過(guò)真空發(fā)生裝置(真空發(fā)生器、真空泵、漩渦式高壓氣泵等)，使真空吸盤(pán)與被吸物體表面間形成負(fù)壓，進(jìn)而外界的大氣壓把物體和真空吸盤(pán)牢牢地壓在一起，實(shí)現(xiàn)對(duì)被吸物體的抓取。由于受到真空吸盤(pán)與被吸物體表面貼合狀態(tài)的影響，真空吸盤(pán)工作時(shí)存在泄漏現(xiàn)象，造成真空度降低。如果泄漏的空氣量和被吸走的空氣量達(dá)到平衡，則吸盤(pán)能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定吸附[8]。真空吸盤(pán)產(chǎn)生的吸力大小主要由吸盤(pán)內(nèi)真空度和有效吸附面積決定，吸附力計(jì)算公式為[9]23-375

FN=P×S，

(1)

式中：FN—吸附力,N；P—吸盤(pán)內(nèi)真空度，MPa；S—有效吸附面積，mm2。

2 真空吸盤(pán)選型

2.1 真空吸盤(pán)運(yùn)動(dòng)分析

本課題研發(fā)的粉料自動(dòng)投料裝置選用機(jī)械手進(jìn)行上料。機(jī)械手帶動(dòng)真空吸盤(pán)抓取物料袋后，上提到指定高度；然后水平移動(dòng)到拆包機(jī)上方，釋放物料袋，由拆包機(jī)進(jìn)行破拆。整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，真空吸盤(pán)抓取物料袋需要做垂直提起和水平移動(dòng)2個(gè)動(dòng)作。

當(dāng)吸盤(pán)做垂直提起運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要的保持力FN1為[9]23-375

FN1=m(g+a)t，

(2)

式中：FN1—垂直運(yùn)動(dòng)保持力，N；m—物料袋質(zhì)量，kg；g—重力加速度，m/s2；a—加速度，m/s2；t—安全系數(shù)。

當(dāng)吸盤(pán)做水平移動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要的保持力FN2為[9]23-375

FN2=m(g+a/μ)t，

(3)

式中：FN2—水平運(yùn)動(dòng)保持力，N；μ—摩擦系數(shù)。

2.2 被吸物體特征分析

生產(chǎn)所需投放的化工原料主要是氫氧化鈉、碳酸氫鈉、碳酸鈉，為此針對(duì)這3種物料袋進(jìn)行自動(dòng)拆包機(jī)設(shè)計(jì)。氫氧化鈉物料袋的規(guī)格為25 kg/袋，尺寸為700 mm×400 mm×100 mm；碳酸鈉物料袋的規(guī)格為40 kg/袋，尺寸為850 mm×400 mm×100 mm；碳酸氫鈉物料袋的規(guī)格為50 kg/袋，尺寸為800 mm×600 mm×100 mm。這3種物料袋均采用兩層包裝袋包裝，外袋為編織袋，內(nèi)袋為塑料薄膜袋；不同之處在于，氫氧化鈉外袋正面多粘附了一層塑料薄膜。

氫氧化鈉外袋正面多粘附的塑料薄膜，使其易與真空吸盤(pán)形成穩(wěn)定的密封空間；而碳酸氫鈉、碳酸鈉由于外袋為編織袋，無(wú)法與真空吸盤(pán)形成穩(wěn)定的密封空間，大量的空氣泄漏會(huì)降低真空吸盤(pán)與物料袋間密封空間的真空度，不利于抓取。

2.3 真空吸盤(pán)比選

真空吸盤(pán)的吸附性能主要受吸盤(pán)結(jié)構(gòu)、吸盤(pán)材料以及吸盤(pán)與被吸附物體表面貼合程度的限制[10]。

真空吸盤(pán)從尺寸上可分為大吸盤(pán)和小吸盤(pán)。大吸盤(pán)適合抓取取較重物件，對(duì)于表面不光滑物件也能抓?。欢∥P(pán)適合抓取較輕物件，組合使用，也能抓取較重物件，提高抓取可靠性，但需要物件表面光滑。

真空吸盤(pán)從材質(zhì)上可分為較硬的橡膠類(lèi)吸盤(pán)和較軟的海綿吸盤(pán)。橡膠類(lèi)吸盤(pán)適合抓取表面光滑的物件，部分材質(zhì)也可用于抓取表面粗糙的物件；而海綿吸盤(pán)適合抓取表面粗糙或不平整物件。

真空吸盤(pán)從密封形式上可分為一層吸盤(pán)和多層吸盤(pán)/唇形吸盤(pán)。一層吸盤(pán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適合抓取表面光滑物件；而多層吸盤(pán)則用來(lái)抓取表面粗糙的物件。

考慮到3種物料袋的特征，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，最終選定小吸盤(pán)、橡膠吸盤(pán)和海綿吸盤(pán)進(jìn)行試驗(yàn)。這3種吸盤(pán)的特性見(jiàn)表1。

表1 3種吸盤(pán)特性比較

由于小吸盤(pán)只適合抓取表面光滑的物體，在該試驗(yàn)里，只能抓取25 kg的氫氧化鈉包裝袋。若抓取效果好，可嘗試抓取其他2種物料袋。

根據(jù)以上分析，初設(shè)選型輸入條件：最大加速度為2 m/s2，安全系數(shù)為2，最重物料袋為50 kg，吸盤(pán)內(nèi)真空度為0.05 MPa。

將以上數(shù)據(jù)代入式(1)～式(3)進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)真空吸盤(pán)做垂直提起運(yùn)動(dòng)時(shí)，保持力為1 181 N；當(dāng)真空吸盤(pán)做水平移動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，保持力為2 981 N。按真空吸盤(pán)做水平移動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)的保持力進(jìn)行計(jì)算，得到真空吸盤(pán)有效面積不小于59 620 mm2。根據(jù)計(jì)算得到的真空吸盤(pán)有效面積，選用有效吸盤(pán)直徑φ40 mm的8個(gè)小吸盤(pán)、370 mm×250 mm的橢圓形橡膠吸盤(pán)和320 mm×200 mm的長(zhǎng)方形海綿吸盤(pán)進(jìn)行試驗(yàn)研究。

3 真空發(fā)生裝置選型

常用的真空發(fā)生裝置有真空發(fā)生器、真空泵、漩渦式高壓氣泵，這3種真空發(fā)生裝置的特性見(jiàn)表2。

表2 3類(lèi)真空發(fā)生裝置的特性比較

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，因3種真空發(fā)生裝置各有優(yōu)勢(shì)，因此將這3種真空發(fā)生裝置都進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。

真空泵、漩渦式高壓氣泵與吸盤(pán)采用5 m長(zhǎng)的DN50鋼絲軟管連接，真空發(fā)生器與吸盤(pán)間采用1 m長(zhǎng)的φ19橡膠軟管連接。將吸盤(pán)內(nèi)的真空度達(dá)到真空發(fā)生裝置最大真空度63%的時(shí)間，設(shè)定為1 s，所需真空發(fā)生裝置的最大吸入流量Qmax為[9]376

Qmax=2×60V/T，

(4)

式中：Qmax—最大吸入流量，m3/min；V—系統(tǒng)需要抽成真空的總?cè)莘e，m3；T—吸著響應(yīng)時(shí)間，s。

通過(guò)計(jì)算，最終選擇的設(shè)備型號(hào)見(jiàn)表3。可以看出，在所選的真空發(fā)生裝置中，漩渦式高壓氣泵能產(chǎn)生的真空度最低，流量最大；旋片式真空泵能產(chǎn)生的真空度最高，流量最小。

表3 真空發(fā)生裝置選型結(jié)果

4 真空吸盤(pán)系統(tǒng)試驗(yàn)

采用真空發(fā)生器、真空泵、漩渦式高壓氣泵配合小吸盤(pán)、橡膠吸盤(pán)和海綿吸盤(pán)，對(duì)氫氧化鈉物料袋、碳酸氫鈉物料袋和碳酸鈉物料袋分別進(jìn)行抓取試驗(yàn)。抓取后，靜止10 s；然后，由機(jī)械手帶動(dòng)，前后左右各運(yùn)動(dòng)2次，記錄不同組合下，3種物料袋被抓取的容易程度和穩(wěn)定程度，找出吸盤(pán)式物料抓取裝置的組合方式。

4.1 吸盤(pán)試驗(yàn)方案

4.1.1 真空發(fā)生器配吸盤(pán)試驗(yàn)方案

根據(jù)選定的多級(jí)真空發(fā)生器，試驗(yàn)過(guò)程中需要5.5 kW活塞式空壓機(jī)配合使用，該空壓機(jī)工作壓力為0.7 MPa，流量為0.67 m3/min?？諌簷C(jī)啟動(dòng)后，通過(guò)φ8橡膠軟管帶動(dòng)多級(jí)真空發(fā)生器工作，多級(jí)真空發(fā)生器通過(guò)φ20橡膠軟管使吸盤(pán)產(chǎn)生真空，然后分別對(duì)3種物料袋進(jìn)行抓取試驗(yàn)。

4.1.2 水環(huán)真空泵配吸盤(pán)試驗(yàn)方案

水環(huán)真空泵通過(guò)DN50鋼絲軟管直接與吸盤(pán)連接，啟動(dòng)后，分別對(duì)3種物料袋進(jìn)行抓取試驗(yàn)。

4.1.3 漩渦式高壓氣泵配吸盤(pán)試驗(yàn)方案

漩渦式高壓氣泵通過(guò)DN50鋼絲軟管直接與吸盤(pán)連接。試驗(yàn)時(shí)，先試驗(yàn)1臺(tái)漩渦式高壓氣泵配吸盤(pán)，對(duì)3種物料袋分別抓取的效果。如果效果不好，分別將2臺(tái)漩渦式高壓氣泵并聯(lián)、串聯(lián)后，再對(duì)3種物料袋分別進(jìn)行抓取，記錄試驗(yàn)結(jié)果。

4.1.4 旋片式真空泵配小吸盤(pán)試驗(yàn)方案

旋片式真空泵通過(guò)φ20橡膠軟管使小吸盤(pán)產(chǎn)生真空，先對(duì)氫氧化鈉物料袋進(jìn)行抓取試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)結(jié)果。若試驗(yàn)效果較好，可嘗試對(duì)其他2種物料袋進(jìn)行抓取。

4.2 吸盤(pán)試驗(yàn)結(jié)果與討論

將4種真空發(fā)生裝置與3種吸盤(pán)進(jìn)行組合，各組合方式的抓取試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 吸盤(pán)抓取試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)式(1)，吸盤(pán)的吸力和真空度、吸盤(pán)面積成正比關(guān)系。從理論上分析，應(yīng)該是水環(huán)真空泵配海綿吸盤(pán)組合的吸力最大，抓取物料袋更穩(wěn)定；但試驗(yàn)結(jié)果卻是2臺(tái)漩渦式高壓氣泵串聯(lián)配橡膠吸盤(pán)的組合抓取物料袋更穩(wěn)定，抓取效果更好。為此，在吸盤(pán)抓取過(guò)程中，割破外表層編織袋觀(guān)察試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)物料袋內(nèi)層的塑料薄膜無(wú)法被有效地吸起來(lái)，這造成吸盤(pán)內(nèi)真空密封效果不好，使得物料袋被提起瞬間的壓降無(wú)法避免。吸氣流量大的設(shè)備組合能夠迅速補(bǔ)充泄露的風(fēng)量，使得吸盤(pán)內(nèi)維持穩(wěn)定的真空度，進(jìn)而保證被吸物料袋穩(wěn)定地被吸盤(pán)吸起。而海綿吸盤(pán)，因內(nèi)腔較橡膠吸盤(pán)小，容易被物料袋空袋擠滿(mǎn)，造成密封不嚴(yán)，真空度無(wú)法保證，所以抓取效果也沒(méi)有橡膠吸盤(pán)好。

對(duì)于旋片式真空泵配小吸盤(pán)無(wú)法抓取氫氧化鈉物料袋的問(wèn)題，分析認(rèn)為是由于吸盤(pán)尺寸過(guò)小，無(wú)法適應(yīng)柔性物料袋外形變化，造成密封不嚴(yán)，無(wú)法有效形成真空狀態(tài)。

5 結(jié)論

研究了不同真空發(fā)生裝置與不同吸盤(pán)組成的真空吸盤(pán)系統(tǒng)的抓取穩(wěn)定程度，確定了2臺(tái)漩渦式高壓氣泵串聯(lián)配橡膠吸盤(pán)的真空吸盤(pán)系統(tǒng)，該真空吸盤(pán)系統(tǒng)適用于抓取氫氧化鈉、碳酸氫鈉和碳酸鈉物料袋，實(shí)現(xiàn)了對(duì)編織袋的穩(wěn)定抓取，為后續(xù)粉料自動(dòng)投料裝置的研制奠定了基礎(chǔ)。