非接触式搬运系统设计结构选型及控制系统设计(2)
1.3 课题研究内容
1.3.1空气吸附式机构的工作原理
空气吸附式非接触技术是将压缩空气通过进气孔进入搬运器腔体，形成近似真空，通过吸附机构与下方工件间的间隙将空气排出，形成对工件的吸附力，吸附力与工件自重达到平衡实现非接触式的向上吸附。产生真空的方式主要有基于贝努利效应的吸附机构（图3.1.1）和旋回流式的吸附机构图（3.1.2）[13-14]。本文主要研究旋回流式。
图3.1.1基于贝努利效应的吸附机构图 3.1.2利用旋回流的吸附机构
旋回流式吸附机构的进气孔是在吸盘顶部沿切线方向通入工作区域，压缩空气进入后，在圆柱形腔体内形成漩涡流，空气在腔体内高速旋转，由于离心力的作用中心区域的空气被甩至腔壁，在中心区域形成类似真空的负压区，从而实现搬运装置的吸附功能。另外工件的半径必须大于搬运器腔体的半径以防工件被吸入搬运器。腔体内被甩至腔壁的空气将沿着搬运器与工件间的微小间隙缓慢排除。吸盘原理如图3.1.3所示。
图3.1.3气旋式非接触真空吸盘原理示意图
1.3.2吸取搬运过程的研究
1.3.2.1吸取过程的动力学研究
由流体力学的基本知识可知，当工件和吸盘之间的间隙较小时，工件被提升过程中除了受到重力G，吸取力Ft的作用外，还受到空气阻尼力Fc的作用。因此，可以建立吸盘的动力学弹簧-阻尼模型如图3.2.1所示[15]。通过弹簧-阻尼模型对吸盘的动力学特性进行研究
图 3.2.1非接触式吸取动力学模型
1.3.2.2搬运过程及其可能出现的故障
工件的吸取
搬运器通入气体后，当达到与工件所需的气膜间隙时，搬运器吸取工件，在吸取的瞬间，可能会出现轻微振荡或吸取失败的现象。也就是工件不稳定的现象。分析原因：（1）刚刚开机，搬运器内旋回流形成后还不稳定（2）工件受吸力的作用点与工件重力作用点不重合，工件受力不平衡（3）搬运器尚未吸附工件，搬运器就已经回升离开工件导致吸附式不成功。
上下搬运过程
在上下搬运过程中，若匀速运动，一般不会出现问题。若加速上升或加速下降，则可能会出现轻微振动。加速过大时甚至可致工件掉落。分析原因是加速上升或下降的惯性力破坏了搬运器与工件间的平衡。
水平搬运过程
水平搬运过程匀速进行比较平稳。若加速运动则可能破环搬运器与工件间的气膜间隙从而导致工件的掉落。
工件的释放
在工件到达指定位置上方时，要等工件到达准确位置后再停止供气，若过早断气可能会砸坏工件[16]。
2 气动系统设计
2.1 搬运系统的功能要求初步分析
本课题中，要求搬运系统能将工件在四个位置间搬运，吸盘需要上下前后左右的运动，搬运物体的间距为25*35mm。所以吸盘需要完成X方向、Y方向、Z方向的运动，可以选用三个独立的气缸分别完成X方向、Y方向、Z方向的运动。而吸盘需要完成吸取和释放工件的动作，故而要为吸盘设计单独的供气回路。吸盘是非接触式的，为了防止工件偏移中心，要为吸盘加上挡板，防止工件侧落。
2.2 气动回路设计与分析
2.2.1 回路设计
根据课题要求，各气缸及吸盘需要平稳运行。气动回路设计如图2.1所示
图2.1气动回路图
2.2.2 气动回路分析
由于系统在工作时气缸需要在特定位置停下来实现搬运工作，所以要采用位置控制回路，利用三位五通阀来控制气缸的运行停止。利用节流阀来控制气缸运行的速度。由二位二通阀控制吸盘的供气与否，用节流阀保证对吸盘的平稳供气。在气缸的各个工位上装有磁性开关，控制电磁阀的开关，保证气缸能在指定位置停留。