14.23. Вакуумные захватные устройства

Д ля захватывания промышленными роботами плоских и объемных объектов с гладкой поверхностью и небольшой массы (не более 20 кг.) используют вакуумные захватные устройства (ВЗУ). Они обладают рядом достоинств: равномерностью распределения нагрузки, возможностью захвата объекта за одну по­верхность, простотой конструкции, небольшим весом рабочего органа, возможностью самоцентрирования. Особо следует отметить возможность захватывания и перемещения хрупких объек­тов из стекла, платмасс, керамики, а также объектов, имеющих небольшую жесткость (резина, картон и т.п.).

К недостаткам ВЗУ можно отнести: пригодность для захватывания объектов только с гладкими, преимущественно плоскими поверхностями, ограниченность силы притяжения для данной площади контакта с объектом, пониженная точность базирования, вызванная эластичностью присосок, нежелательность наличия частиц материалов между плоскостями ВЗУ и объекта, шум при работе, невозможность захвата объектов с отверстиями, низкое быстродействие.

Вакуумные захватные устройства бывают контактного и бесконтактного типов.

Основными элементами ВЗУ кон­тактного типа(рис. 14.49) являются присоска 1 и устройство для создания вакуума 2.

Присоски изготовляют из резины, неопрена, полиуретана.

П ринцип действия ВЗУ контактного типа основан на непосредственном присасывании присоски 1 к объекту при создании вакуума внутри нее. Вакуум может быть создан отсасыванием воздуха из внутренней полости присоски (рис. 14.49) при помощи специального отсасывающего устройства 2 или в результате использования эжектора (рис. 14.50). Сцепление присоски с объектом происходит за счет разности между атмосферным давлением и остаточным давлением во внутренней ее полости.

В целях повышения надежности удержания объекта при транспортировании применяют ВЗУ, состоящие из нескольких присосок.

В вакуумных захватных устройствах часто применяют микроприсоски с диаметром от 2 до 8 мм, расположенные в шахматном или сотовом порядке в це­лях более полного использования площади захвата.

В акуумные захватные устройства, имеющие микроприсоски более универсальны, поскольку наличие целого "поля" присосок обеспечивает захватывание объекта типа "гребенок".

Время закрепления объекта вакуумным захватным уст­ройством зависит от степени разрежения в камере и сечения дросселирующего отверстия. Для микроприсосок диаметром от 3 до 6 мм время закрепления находится в пределах 0,08...0,15 с.

К захватным устройствам контактного типа могут быть отнесены и вихревые захватные устройства.

Действие вихревых захватных устройств основано на свойстве изолированного вихря создавать вдоль своей продольной оси область пониженного давления в результате чего из-за разно­сти атмосферного давления и давления внутри вихря возникает подъемная сила.

Вихревое захватное устройство (рис .14.51, а) состоит из корпуса 1 с цилиндрической камерой,

завихрителя 3 с соплами 4 расположенными по касательным к внутренней окружности завихрителя, втулки 2, насадки 5 с отверстиями 6.

При работе захватного устройства сжатый воздух из магистрали через штуцер 7 поступает в камеру 1, где устанавливается давление, превышающее атмосферное, и далее через сопла 4 во втулку 2.

Б лагодаря высокой скорости истечения воздуха через сопла формируется сильно закрученный поток воздуха, движущийся вдоль стенок втулки 2 в направлении уменьшения давления сверху вниз. Вдоль оси этого потока устанавливается разрежение, что способствует засасыванию атмосферного воздуха через отверстия 6 внутрь втулки 2. В результате в нижней части захватного устройства образуется вихревая воронка, в которой частицы воздуха движутся по восходящей спирали, и в ней возникает область пониженного давления. Прикрепление объекта 8 к посадке 5 осуществляется за счет разности атмосферного и внутривихревого давлений.

Вблизи завихрителя формируется верхний вихрь, в котором воздух движется по нисходящей спирали, оттесняясь вих­ревой воронкой к стенкам втулки 2 и устремляясь в атмосферу через боковые отверстия 6.

Для манипулирования плоскими объектами, особо чувствительными к механическим воздействиям (хрупкие объекты, объекты с тщательно отполированными поверхностями и т.п.), применяют бесконтактные струйные захватные устройства. Они полностью исключают повреждение объекта, так как не соприкасаются с ним.

В струйных захватных устройствах используют свойство потока воздуха уменьшать давление в направлении нормали к его скорости. В таких захватных устройствах не требуется высокая герметичность и их можно применять для объектов, имеющих отверстия. На рис. 14.52 изображено струйное захватное устройство. Оно состоит и штуцера 1 по которому подают под давлением воздух в захватное устройство, плиты 2 с направляющими каналами 3 подачи воздуха, выхлопного канала 4, базирующих кромок 5, корпуса 6 с бортиком 7 и объекта 8. В результате большой скорости потока воздуха между плитой 2 и объектом 8 давление в зазоре уменьшается и за счет разности атмосферного давления и давления в зазоре происходит подъем и удержание объекта на некотором расстоянии от плиты.

При определенной конструкции струйное захватное устройство 1 позволяет осуществлять одновременно у гловую ориентацию объекта 5 (например, прямоугольной пластины) и его базирование (рис. 14.53). В этом случае канал 2, по которому подводят сжатый воздух, заканчивают наклонным соплом 3, формирующим плоский поток воздуха в зазоре между торцсм захвата и объектом в направлении окна, образованного двумя ограничительными стенками 4. Из-за большой скорости потока воздуха давление в зазоре уменьшается и происходит подъем и удержание объекта на некотором расстоянии § от торца захватного устройства, причем величина зазора устанавливается авто­матически из условия равновесия объекта. При этом объект 5 (прямоугольник, изображенный на рис. 14.53 штриховой линией) будет поворачиваться вокруг вертикальной оси захватного устройства и одновременно перемещаться в диагональном направлении к окну, пока не окажется прижатым к боковым стенкам

Грузоподъемность вакуумных захватных устройств. Силу притяжения (удерживающую силу) вакуумного захватного устройства контактного типа рассчитывают по формуле (рис.14.49):

(14.58)

где Кр =0,8...0,85 - коэффициент, учитывающий возможное изменение атмосферного давления и свойств уплотнения;

Р_a =0,1 МПа - атмосферное давление; Р_b- остаточное давление в камере присоски, МПа; А - площадь присоски, ограниченная ее внутренним контуром, мм².

В предварительных расчетах можно принимать:

Р_a - Р_b = 0,03...0,035 МПа.

Грузоподъемность вакуумных захватных устройств с эжектором (рис. 14.50) может быть определена на основании уравнения Бернулли [54]:

(14.59)

где V₁- скорость потока воздуха во входном отверстии эжектора диаметром скорость потока воздуха в отверстии d₂ эжектора, , причем - давление воздуха в первом и втором отверстиях соответственно, МПа; ρ- плотность воздуха. Считаем, что плотность воздуха в первом и втором отверстиях одинакова и по величине равна

Откуда можно определить давление воздуха в отверстии d₂ и соответственно в присоске:

(14.60)

Из уравнения неразрывности для установившегося тече­ния газа можно найти скорость потока воздуха в отверстии d₂:

(14.61)

где S₁ и S₂ - площадь поперечного сечения первого и второго отверстий соответственно.

Тогда грузоподъемность ВЗУ с эжектором равна:

(14.62)

В процессе перемещения объекта грузоподъемность вакуумного захватного устройства не остается постоянной и зависит от соотношения сил, удерживающих объект и стремящихся оторвать и сдвинуть его. В общем случае удержания объекта массой m необходимо выполнение следующих условий (рис. 14.54) [23]:

(14.63)

где f = 0,3 - коэффициент трения между объектом и присоской; n =2 - коэффициент запаса; k - коэффициент, учитывающий смещение центра масс объекта относительно точки приложения подъемной силы; θ₀ - угол между осью захватного устройства

(ось Z) и вектором силы тяжести объекта; θ - угол между век­тором ускорения захватного устройства и осью Z; а - ускорение захватного устройства; φ - угол между проекцией а_xy ускоре­ния а на плоскость, перпендикулярную оси Z, и осью У; φ_о =90° - угол между осями Х и У; g - ускорение свободного падения.

В табл. 14.9 приведены схемы удержания вакуумным захватным устройством объекта и расчетные формулы для определения удерживающей силы F.

Очень приближенно подъемную силу вихревого захватного устройства (рис. 14.51, а) можно определить следующим образом. Двумя параллельными плоскостями, отстоя­щими друг от друга на расстоянии dh, вырежем из насадки 5 элементарный цилиндр (рис. 14.51, б). На расстоянии г от цен­тра 0 элементарного цилиндра вырезаем элементарный объем воздуха размером rх dφx dr x dh (рис. 14.51, в). При вихре­вом движении этого объема воздуха с угловой скоростью w воз­никает элементарная центробежная сила (сила инерции):

где dm - масса элементарного объема воздуха; р - плотность воздуха.

Элементарное приращение давления в сечении, отстоящем от центра цилиндра на расстоянии г, можно определить в виде:

(14.64)

где dS - площадь элементарного объема воздуха вдоль образую­щей цилиндра:

.

Подставляя значения dF_u и dS в выражение (14.64), можно найти элементарное приращение давления:

(14.65)

Интегрируя полученное выражение в пределах от 0 до R (где R - радиус насадки), получим приращение давления на стенки насадки:

(14.66)

где v - скорость подачи воздуха в вихревую камеру,

Так как в стенках насадки имеются отверстия, то воздух через них выходит наружу и давление на стенки насадки прак­тически не изменяется.

Тогда давление внутри вихря будет равно:

(14.67)

Подъемная сила вихревого захватного устройства:

(14.68)

где K_В =(0,3...0,5) - коэффициент запаса.

Подъемную силу, действующую на пластинку в бесконтактном струйном захватном устройстве (рис. 14.53), определяют [35]:

(14.69)

где Р_а - давление воздуха на выходе из зазора (атмосферное давление); R_max -максимальное значение радиуса торца захва­та (вписанной окружности в пластинку); ; г - внутренний радиус подводящего канала; P_П- давление сжатого воздуха в подводящем канале; .

Условие равновесия пластинки в струйном захватном устройстве при установившемся адиабатическом движении воз­духа в зазоре δ имеет вид:

; (14.70)

при изотермическом движении воздуха:

; (14.71)

где

G - сила тяжести пластинки.

В приведенных неравенствах верх­ние границы для адиабатического (об­ласть I) и изотермического (область II) движений воздуха одинаковые, а нижние разные (рис. 14.55), хотя они достаточно близки. Области изменения параметров So и а, соответствующие устойчивому равновесию объекта, заштрихованы.

Необходимым условием перемещения пластины в плос­кости захвата и ее базирования является смещение центра масс пластины относительно оси сопла [35]. Даже при малом значе­нии этого смещения пластина под действием сил вязкого трения F будет удалятся от оси захвата со скоростью, воз­растающей во времени по закону гиперболического синуса. По­ворот пластины будет происходить, если центр сопла не лежит на одной из главных осей инерции пластины или оси ее сим­метрии. В этом случае сумма проекций сил трения на

прямую, соединяющую центр масс пластины и центр сопла, не равна нулю.