貼膜機氣動裝置參數設計

馬 巖 ，黃 鵬 ，李兆鋼

（1.沈陽儀表科學研究院有限公司，遼寧 沈陽110043；2.友達光電有限公司，江蘇 蘇州 215021）

貼膜機是專門用于電子、通訊、半導體等行業貼保護膜及防暴膜的機器，可確保無氣泡無擦痕貼膜。料帶上的自粘性零件在驅動裝置的牽引到吸料裝置下面的剝料板上，自粘性領引下，通過一系列張緊導向裝置被送件剝離后，再經機械手校正后，被自動貼裝到用治具定位的工件上。貼膜機要求實現箱蓋的升起與下降、夾膜夾子的打開和夾緊以及滾筒的升降。考慮設計機構簡單方便，操作容易，與成本問題，選用氣動裝置實現這些動作。

1 氣缸的種類

氣缸是氣壓傳動中將壓縮氣體的壓力能轉換為機械能的氣動執行元件。氣缸有做往復直線運動的和做往復擺動兩種類型。做往復直線運動的氣缸又可分為單作用氣缸、雙作用氣缸、膜片式氣缸和沖擊氣缸等。在箱蓋和滾筒的升降及夾子的夾緊中，所要求的行程比較短，耗氣量較少，而且精度要求不高，運動簡單。考慮夾子和滾筒上升與下降所需要的力及設計[1，2]結構與成本，選用單作用氣缸。氣缸是由缸筒、端蓋、活塞、活塞桿和密封件等組成。單作用氣缸又分為柱塞式氣缸、活塞式氣缸、薄膜式氣缸等。支撐箱蓋氣缸、滾筒的升降、夾子的開閉都需要氣缸來執行驅動，所以都涉及到氣缸的選擇。根據不同氣缸需要的不同進氣量及不同的容積，再按需要選擇合適的壓縮氣體裝置進行裝配。

2 氣動裝置參數設計

氣缸的工作特性是指氣缸的輸出力，氣缸內壓力的變化以及氣缸的運動速度等。根據箱蓋載荷、滾筒的升降載荷、夾具松緊所要施加的力，確定氣缸的直徑，單作用氣缸的輸出力；獲得氣缸尺寸，空氣的消耗流量，進而選擇氣動裝置[3-5]。

設計結果是否合理，通過所設計的氣動裝置是否能夠滿足箱蓋的載荷、滾筒升降載荷、夾具松緊所要施加的力來判斷，同時綜合考慮實用性與經濟性進行產品選擇。

（1）箱蓋氣動裝置參數設計

箱蓋長寬高尺寸：500 mm×500mm×10mm.所選用的材料為鋁。箱蓋的重量10 kg.箱蓋的運動速度不高，屬于低速運動，滾珠絲杠副的傳動效率η=0.5.

初選氣缸的直徑D=32mm，活塞桿d=12mm

得 p1=0.24 MPa；p2=0.1 MPa；氣缸低速運動，v=20mm/s，得到 Ft=200 N.

氣缸的直徑D：

單作用氣缸活塞上輸出的推力，考慮效率時，計算公式如下：

式中：η為氣缸的效率。

氣缸材料選鑄造鋁合金ZL203，[σ]＝30 MPa.

活塞桿的直徑d要求滿足如下強度校核：

式中：F為活塞桿所受的外力；[σ]為活塞桿材料的許用應力。

根據η=0.5，則單作用氣缸的輸出力F=ηFt=0.5×200＝100 N

如公式（1）所示，符合活塞桿直徑的要求。

活塞的行程L=100 mm，活塞的寬度H=10 mm，得到氣缸筒長度，則

l≥L+H=100+10=110mm

氣缸筒的壁厚δ公式如下：

式中：p為氣缸的工作壓力（MPa）；D為氣缸內徑（mm）；[σ]為氣缸材料的許用拉應力（MPa）；C 為考慮到剛度、加工制造、腐蝕等要求所加的裕量。

氣缸的理論耗氣量：

實際自由空氣耗氣量：

氣缸每分鐘伸縮兩次，則選用微型排量為3 L/min的氣動裝置。箱蓋選用重力自動復位。

（2）滾筒升降氣動裝置參數設計

滾筒直徑為50 mm，長400 mm，其材料可選用塑料。滾筒大概重量為2 kg，加上其他部件，氣動裝置需要使5 kg的重物上升。

初選氣缸的直徑D=20 mm，活塞桿d=8 mm，p1=0.33 MPa，p2=0.1 MPa，求得 Ft=100 N.

活塞的行程L=15 mm，活塞的寬度H=5 mm，氣缸筒長度，則

l≥L+H=15+5=20mm

圓整取D=20mm，則d=8mm

氣缸材料選鑄造鋁合金ZL203，[σ]＝30 MPa

則根據η=0.5，則F=ηFt=0.5×100＝50N（裕量C取零）取δ=2mm

氣缸的理論耗氣量：

實際耗氣量：

加壓耗氣流量：

實際自由空氣耗氣量：

實際自由空氣的消耗流量：

（3）夾具松緊氣動裝置參數設計

拉動薄膜所需要的初拉力約為10 N，加上中間傳動一系列阻力，夾具與薄膜間的摩擦系數為0.8，則夾具所要施加的力為20 N.因為需要兩邊夾緊，所以一邊所需要的力為10 N.

初選氣缸的直徑D=20mm，活塞桿d=5mm

活塞桿運動速度v=50mm/s，屬于低速運動，傳動效率η=0.5

求得：p1=0.19 MPa；p1=0.1 MPa，得 Ft=20 N

氣缸的直徑D：

圓整取D=20mm，則d=5mm

氣缸材料選鑄造鋁合金ZL203，[σ]＝30 MPa；

根據η=0.5，則F=ηFt=0.5×20＝10N符合活塞桿直徑的要求。

活塞的行程L=15 mm，活塞的寬度H=5 mm，氣缸筒長度：

l≥L+H=15+5=20mm

氣缸的理論耗氣量：

實際耗氣量：

加壓耗氣流量：

實際自由空氣耗氣量：

實際自由空氣的消耗流量：

對于滾筒和夾具所用的氣動裝置，總的實際耗氣量為V＝10 391 mm3.

滾筒和夾具氣動裝置都采用彈簧力復位。

借助三維軟件，建立箱體氣動裝置，夾具松緊氣動裝置與滾筒升降氣動裝置的模型，分別如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 箱體氣動裝置

圖2 夾具松緊氣動裝置

圖3 滾筒升降氣動裝置

3 結束語

本文分析了貼膜機氣動裝置部分，設計了貼膜機氣動裝置部分，同時確定了氣缸的直徑，氣缸壁厚等一系列參數，計算了所需氣體的體積。在機械領域，一代又一代的工程師在實際生產中不斷優化產品結構和數據。前人經驗非常值得參考與借鑒，但也應該不斷創新。只有這樣，才能將知識應用于實際，才有更好的產品。

[1]鞏云鵬，田萬祿，張偉華，等.機械設計課程設計[M].北京：科學出版社，2008.

[2]孔志禮，馬星國，黃秋波，等.機械設計[M].北京：科學出版社，2008.

[3]謝 群，崔廣臣，王 健.液壓與氣壓傳動[M].2版.北京：國防工業出版社，2015.

[4]田政方.小型雙螺桿空氣壓縮機結構研究與設計[D].武漢：武漢理工大學，2014.

[5]唐 萌.平動活塞式空氣壓縮機的理論和仿真分析[D].南寧：廣西大學，2011.