柔性吸盤真空吸附性能試驗

聶俊峰1， 王 濤1， 許英南， 陳 忠1， 馬全成

(1.海南大學 機電工程學院， 海南 海口 570228； 2.蘇州和瑞科自動化科技有限公司， 江蘇 蘇州 215100)

引言

真空吸附原理被廣泛應用于工業生產過程中。隨著科學技術不斷進步與發展，在食品[1-2]、醫療[3-4]、工業[5-7]、電子[8]等各個領域有著極其廣泛的作用[9]。在工業生產過程中，一般采用真空吸盤對包裝袋進行吸附開袋裝料[10-11]。然而，由于運動沖擊和包裝袋變形等因素，使得在真空吸附過程中，吸盤存在吸附不穩定、脫離袋子的現象，從而導致機構功能異常，嚴重制約生產效率。因此，對真空吸附進行研究，提高吸附效果，對改善穩定性具有重要意義。

國內外學者對此皆展開深入的研究。國內學者們根據吸附原理研制了多種吸附裝置并進行了分析。例如在取料上，潘繼生等[12]采用振動和吸附相配合的真空吸附裝置實現了對不易分離物體的分離吸附；在吸附方式上，陳幸等[13]和范增良[14]分別設計了由顆粒填充的負壓吸盤和針對液體軟包裝進行吸附的剛性吸盤，實現了對現有吸盤進行的改進和升級；在工藝上，張肖慶[15]通過試驗研究了吸附開袋的影響因素，對吸附開袋工藝提供數據參考，王嵩等[16]通過對吸附對象進行研究，得出不同包裝袋的吸附特性。這些研究具有重要的參考價值，但是缺乏對現有常見吸盤吸附力的理論分析，具有一定的局限性。

國外學者們為提高吸附效果在理論上進行深入的研究。在真空度上，JUN L等[17]討論了吸附機構真空度分配對吸吊力利用率的影響，提高了動力利用率；在吸盤研究上，MANTRIOTA G等[18]對平底吸盤在切向載荷下進行分析研究，得出保障吸吊力最小值和黏附系數；GE Dingxin等[19]對常用的吸盤進行全過程受力分析，并用試驗驗證最佳吸吊力，對吸附面積和彈性變形內力因素進行試驗。在使用對象上，DAI J S等[20]研究包裝紙箱運動過程中3個階段褶皺剛度特性變化，為吸附對象特性研究提供方法依據。國外在理論方面研究具有一定的成果，研究方法可以適用于其他類別上，但是缺少吸盤吸吊力與吸盤種類、盤徑、真空度等關系的研究。

為了實現裝袋機構高效率穩定生產，采用目前市面上普遍使用的柔性吸盤，探究對包裝袋的吸附效果，對吸附裝置進行包括吸盤類型、真空度、盤徑等多方面影響因素的試驗分析，設計出最佳吸附方案，具有重要的意義。

1 吸附裝置及工作原理

1.1 吸附裝置結構組成及工作流程

如圖1所示為真空吸附試驗平臺結構圖，由吸盤安裝板2、吸附氣缸3、提升氣缸4、固定支架5、工作臺面6、高精度電子秤7、導桿調節塊8、導桿9、護板10、柔性吸盤11構成。高精度電子秤7放置于工作臺面6上，固定支架5分布在電子秤兩側，由多塊加工件組成，與工作臺面通過螺絲固定，并可通過腰型孔調節與電子秤的距離，提升氣缸4安裝在固定支架5上，在其導桿伸出端上，通過安裝板與吸附氣缸3固定，吸附氣缸3前端安裝有吸盤安裝板2，柔性吸盤11安裝在吸盤安裝板2上，導桿調節塊8安裝在固定支架5兩側，導桿9一頭與導桿調節塊8螺紋連接，另一頭與護板10固定，通過調節導桿伸出的長短來調節護板10之間距離，從而調節與包裝袋的間隙。

1.包裝袋 2.吸盤安裝板 3.吸附氣缸 4.提升氣缸5.固定支架 6.工作臺面 7.高精度電子秤8.導桿調節塊 9.導桿 10.護板 11.柔性吸盤圖1 真空吸附試驗平臺

開始動作時，將裝有物料的包裝袋放置于高精度電子秤上，調節導桿距離設置最佳間隙，防止包裝袋夾起來時晃動，待準備工作完成后，兩側吸附氣缸導桿伸出，將其前端柔性吸盤伸出吸附包裝袋，待柔性吸盤完全吸附后，提升氣缸導桿向上伸出，帶動吸附裝置以及包裝袋向上提升，柔性吸盤破真空后，袋子從吸盤上脫落，包裝袋重新落回電子秤上，吸盤停止工作，吸附氣缸縮回，提升氣缸導桿縮回帶動吸附機構回位，試驗動作流程周期結束。

1.2 吸吊力測量原理

包裝袋受力圖如圖2所示，包裝袋放置在電子秤上時，受到重力G豎直向下的作用,電子秤對袋子向上的支持力Fn,一對吸盤在水平方向上對袋子邊緣的吸附力Ft,以及在豎直方向上對包裝袋總的吸吊力W。

圖2 包裝袋受力圖

試驗時，以吸盤對包裝袋的吸吊力的大小來作為吸附包裝袋的性能指標。由于無法直接測量吸吊力W的值，故采用高精度電子秤間接方法來測量：首先根據吸吊力的大小將包裝袋及其物料重量設置為20 kg，然后將裝有物料的包裝袋放置于天平上，此時顯示示數20.00 kg。接著兩側一對吸盤左右夾緊吸附包裝袋，通過調節調速閥氣壓流速大小，使提升氣缸帶著吸附裝置緩慢向上提升，在此過程中觀察電子秤顯示示數。當電子秤示數到達某一刻最小值Fn時，吸盤到達吸附臨界值脫落，包裝袋重新落到電子秤上，電子秤示數回到原先值，在此過程中，吸吊力W的大小即為包裝袋重力G與電子秤示數Fn的差值。

根據受力分析圖可得：

W=G-Fn

(1)

其中，重力G為200 N。已知理論真空吸附力與真空度大小以及吸盤面積有關。為了進一步探究吸吊力與影響因素的變化關系，通過設置不同的真空度數值與不同吸盤盤徑來進行試驗，已知真空發生器能夠達到的真空度大小范圍在- 30～- 90 kPa之間，常見的吸盤盤徑多處于20～50 mm之間；同時，為了了解不同類型吸盤的吸附特性之間的區別，故選取波紋吸盤、平底吸盤、帶溝吸盤3種不同類型吸盤同時進行研究。

1.3 真空回路設計

圖3為真空吸附試驗裝置氣動回路圖，主要由氣源、氣動處理元件(過濾器、調壓閥)、二位五通電磁閥、氣缸、真空發生器、真空壓力顯示表、柔性吸盤組成[21]。

1.氣源 2.氣源處理元件 3～5.電磁閥 6、7.提升氣缸8、9.吸附氣缸 10.真空發生器 11.消聲器12.真空數字壓力顯示表 13、14.柔性吸盤圖3 真空吸附裝置氣動回路圖

空氣經過氣體壓縮機將壓縮氣體通過氣管進入過濾器凈化，凈化后的氣體通過調壓閥調節后經過氣管接頭分成3條支路，分別流入3個二位五通電磁閥，其中4號和5號電磁閥分別控制提升氣缸和吸附氣缸的動作，3號電磁閥氣體流入真空發生器，將正壓氣體轉化為負壓氣體后排出。再分別流入吸盤與氣壓顯示表。柔性吸盤進行吸附，同時真空數字顯示表實時監測柔性吸盤內氣壓示數。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗設備及材料

試驗電子秤采用CHS高精度電子計數天平，最大秤量20 kg，精度為0.1 g；氣源處理原件采用GFC200系列調壓及過濾器；電磁閥采用SK-8232-NC二位五通雙控電磁閥；真空發生裝置采用EV-25真空發生器；真空數字壓力顯示表選用高精度數字式微壓開關ZSE40AF，顯示范圍- 100～100 kPa。提升氣缸與吸附氣缸分別選用FESTO的雙導桿氣缸DFM-50-100和DFM-20-100，缸徑分別為50 mm與20 mm，行程都為100 mm。包裝袋為PE袋，規格為450 mm×340 mm×170 mm×0.25 mm。柔性吸盤為橡膠材質，摩擦系數約為0.5[22]。試驗元器件實物圖如圖4所示。

2.2 試驗對象

試驗對象采用常用的3種類型吸盤，分別為波紋吸盤、平底吸盤、帶溝吸盤。實物如圖5所示。波紋吸盤主要擁有多層型腔，具有比較大的變形壓縮量，可以吸附弧面，具備一定的抗變形能力；平底吸盤底盤較為光滑平整，應用廣泛，吸附接觸面積大，與吸附對象貼合緊密，氣密性好；帶溝吸盤底部帶有筋條，可以有效防止在吸附過程中產生形變,適合吸附柔性產品。為了對比3種吸盤吸附性能，選擇20， 30， 40， 50 mm 4種盤徑吸盤進行試驗對比，通過調節真空度大小，探究各吸盤吸附效果變化情況。

圖4 吸附試驗部分元器件實物圖

圖5 3種柔性吸盤實物圖

3 吸附效果試驗

3.1 試驗方案

為了測定柔性吸盤對包裝袋吸附效果，以吸盤吸吊力為試驗指標；以真空度、吸盤類型、吸盤盤徑為影響因素；分別測試波紋吸盤、平底吸盤、帶溝吸盤3種不同類型柔性吸盤在30～90 kPa真空度以及20, 30, 40, 50 mm盤徑情況下對包裝袋的吸附情況。試驗方案如下：

(1) 將包裝袋放置于電子秤上，查看電子秤示數，往包裝袋內放入物料，待電子秤顯示示數為20.00 kg時，停止放置物料，并記錄下袋子重量。調整袋子兩側護板距離，目的是防止袋子提升過程中左右晃動。待準備工作結束后，開始啟動試驗裝置進行吸附試驗。

(2) 在吸附安裝板上安裝波紋吸盤進行試驗，將真空度和盤徑均調為最小值，先依次加大真空度，連續測量3次有效數值，再取三者之間平均值記錄數據；照此方式記錄下每次的試驗數據。等一組數據記錄結束后，將盤徑加大，重復上一組試驗方式，并記錄數據。其中真空度試驗范圍大小分別為：30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 kPa。盤徑大小分別為20, 30, 40, 50 mm。

(3) 將波紋吸盤所有數據測量結束后，依次更換為平底吸盤、帶溝吸盤繼續重復上述試驗。最后整理試驗數據，制作3種類型吸盤吸吊力W在4種盤徑下隨著真空度變化曲線對比圖。

3.2 試驗結果

試驗結果分別如圖6和圖7所示。其中圖6為3種吸盤在相同盤徑下對比圖，從圖中可得，3種吸盤在同樣的盤徑和真空度下各自具有不同的吸附特性。

圖6 3種吸盤在不同盤徑下吸吊力隨真空度變化情況圖

圖7 3種吸盤在不同盤徑下吸吊力隨真空度變化情況圖

在20 mm盤徑下，三者吸吊力對比為平底吸盤>波紋吸盤>帶溝吸盤；其中，在70 kPa真空度時，使用平底吸盤可達到最大吸吊力，最大吸吊力為36.8 N。

在30 mm盤徑下，平底吸盤與帶溝吸盤吸吊力相近，整體吸吊力對比為平底吸盤≈帶溝吸盤>波紋吸盤；其中，在90 kPa真空度時，使用平底吸盤可達到最大吸吊力，最大吸吊力為44.8 N。

在40 mm盤徑下，三者整體吸吊力對比仍為平底吸盤≈帶溝吸盤>波紋吸盤；其中平底吸盤與帶溝吸盤分別在60 kPa真空度和90 kPa真空度下，達到最大吸吊力，最大吸吊力為69 N。

在50 mm盤徑下，三者吸吊力對比為帶溝吸盤>波紋吸盤>平底吸盤；其中，在90 kPa真空度時，使用帶溝吸盤可達到最大吸吊力，最大吸吊力為143 N。

圖7為同類型吸盤在不同盤徑下的吸吊力隨真空度變化對比圖。據圖可知，3種吸盤吸吊力總體上隨著吸盤盤徑的增大而增大。對于波紋吸盤，吸吊力在20 mm和30 mm盤徑下差距較小，隨著吸盤盤徑的逐步增加，在40 mm與50 mm盤徑時，吸吊力增加明顯，其中在50 mm盤徑下，在50 kPa真空度時吸吊力達到最大值；對于平底吸盤，吸吊力在20 mm與30 mm盤徑下吸附效果相近，在40 mm與50 mm 盤徑下吸附效果相近，其中在40 mm盤徑下，吸吊力達到最大值，此時真空度為60 kPa；其中波紋吸盤與平底吸盤在盤徑達到40 mm以上時，真空度在50～60 kPa左右能夠達到最佳吸吊力，隨著真空度的增大，吸吊力降低，當達到80 kPa以上時，吸盤出現無法吸附包裝袋的現象。

對于帶溝吸盤，在20, 30, 40 mm盤徑下，吸吊力保持穩步增加，到50 mm盤徑時，在60 kPa以上真空度下，吸吊力快速增加，未出現吸吊力降低的現象。

3.3 結果分析

綜合圖6和圖7結果對比可以得出，相比理論上吸盤吸附力與真空度和吸附面積成正比的結論，總體上滿足這一趨勢。但是，過大的真空度也會導致吸吊力的降低。另外，不同種類吸盤會有不同的吸附特性，吸盤盤徑總體上越大吸吊力也越大，但是不同盤徑之間也存在吸吊力相近的情況。這是由于吸盤本身理論吸附力是隨著真空度的增大而增大的。但是當到達某一值時，吸盤吸附力過大會在所吸附物體表面形成較大形變，使吸盤無法與吸附對象完全貼合，真空氣壓泄漏，真空度驟降，導致吸吊力迅速降低甚至吸盤脫落，因此會出現過高的真空度下吸附效果降低的現象。對于帶溝吸盤，由于表面帶有筋條，可以有效地防止吸附對象變形，從而在真空度越大的情況下可以牢牢的吸附。

利用這種現象，在選用吸盤和設置真空度的過程中，當所需吸吊力在吸盤可以達到的區間內時，從經濟角度考慮優先使用較小盤徑或者其他類型的吸盤，同樣可以達到最佳的吸附效果。同時，無需過多追求增大真空度，針對不同吸盤選擇其合適的最佳真空度，便可達到更優的效果，可以有效的節約成本。

此次試驗通過比較3種吸盤的吸附特性隨真空度以及盤徑變化情況，為柔性吸盤的選擇及最佳真空度的設置提供了參考意義，同時，在試驗過程中，由于試驗裝置和場地的限制，導致試驗可能存在一些誤差和因素影響試驗結果，如包裝袋表面存在的污漬和多次吸附后產生皺褶從而影響后面吸附效果，以及多次試驗后袋子位置發生偏移導致吸附位置發生改變可能會對結果產生影響。在后續進行試驗中需要進行改進實驗裝置和實驗方案，改善這些問題。

4 結論

(1) 針對吸附試驗搭建了真空吸附試驗平臺，并介紹了主體結構和工作過程，對吸附原理進行了研究。設計了真空吸附試驗氣動回路，繪制了真空氣路原理圖；

(2) 根據氣路原理整理所需試驗設備及材料，以吸盤吸吊力為試驗指標，柔性吸盤為試驗對象，進行了吸附效果試驗。探究了不同真空度、盤徑和不同吸盤類型對吸附效果的影響；

(3) 試驗結果得出，在盤徑方面，3種吸盤吸吊力總體隨著盤徑的增加而增加。在真空度方面，在30 mm 盤徑以下，3種吸盤吸吊力隨著真空度增加整體呈現增長的趨勢；在盤徑40 mm以上時，波紋吸盤和平底吸盤在60 kPa真空度以上吸附性能下降甚至失去吸附能力，而帶溝吸盤吸附能力則明顯增加。在吸盤類型方面，20 mm盤徑下，平底吸盤擁有更好的吸附性能，隨著盤徑的增加，平底吸盤在3種吸盤中的吸附性能逐漸下降，帶溝吸盤吸附性能逐漸增強，在50 mm 盤徑下帶溝吸盤吸附性能最好。該試驗為同類型吸盤的選取和真空度大小的設置提供了參考。