王國(guó)棟，徐尚超，馮寧寧，王先強(qiáng)，張 巖

（山東泰開(kāi)高壓開(kāi)關(guān)有限公司，泰安 271000）

0 引言

隨著我國(guó)沖壓技術(shù)水平的不斷提高，各種沖壓自動(dòng)化裝置在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用越來(lái)越普遍。沖壓自動(dòng)化具有安全、高效、節(jié)材等優(yōu)點(diǎn)，在板料沖壓加工行業(yè)中自動(dòng)化送料機(jī)構(gòu)的應(yīng)用越來(lái)越多[1]。料抓取裝置是用于完成沖壓板料抓取、送料、放料等工作的執(zhí)行裝置，也是自動(dòng)化送料系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的部分之一。目前在板料沖壓加工生產(chǎn)中板料抓取裝置多采用真空吸附技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通常以真空壓力為動(dòng)力源，借助于真空吸盤(pán)等真空元件制成的抓取裝置來(lái)完成對(duì)板料工件的抓取、送料、放料等工作。由于沖壓板料尺寸大小不一致，抓取裝置上的真空吸盤(pán)需根據(jù)板料尺寸大小調(diào)整布置位置，以保證板料抓取的安全可靠。

1 真空吸附技術(shù)

真空吸附技術(shù)廣泛應(yīng)用于板料的抓取和搬運(yùn)，廣泛應(yīng)用在電子、汽車(chē)、醫(yī)藥等自動(dòng)化生產(chǎn)中[2]。真空吸附作為一項(xiàng)易于掌握且可靠的傳送技術(shù)，在沖壓板料自動(dòng)化抓取裝置及設(shè)備中應(yīng)用非常多。用來(lái)解決板料的抓取、起吊、搬運(yùn)、放料等諸多問(wèn)題。對(duì)于任何具有較光滑表面的物體，尤其對(duì)于那些不適合其他方式進(jìn)行抓取、搬運(yùn)的工件，如非鐵、非金屬制品等都可使用真空吸附來(lái)完成。

2 真空吸盤(pán)型板料抓取裝置

2.1 真空吸盤(pán)

真空吸盤(pán)是真空系統(tǒng)的執(zhí)行元件，它可以抓取、升舉、轉(zhuǎn)運(yùn)和夾持十幾克至幾十千克重的物料[3]。利用真空吸盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)抓取和搬運(yùn)，這是一種比較經(jīng)濟(jì)且實(shí)用的方法。真空吸盤(pán)型抓取裝置具有可靠、使用方便、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。因此，對(duì)拆垛上料機(jī)板料的抓取采用真空吸盤(pán)型抓取機(jī)構(gòu)。真空吸盤(pán)型是利用橡膠或塑料吸盤(pán)壓在板料表面上，使其產(chǎn)生真空把板料吸住。

在選擇吸盤(pán)的材料時(shí)，要根據(jù)吸盤(pán)的應(yīng)用場(chǎng)合、材料的力學(xué)性能、溫度環(huán)境以及被吸附物的表面狀況及重量決定。目前常用的吸盤(pán)材料為丁睛橡膠， 聚氨酷，硅橡膠、氟橡膠， 氨基甲酸乙酯橡膠等[4]。在板料沖壓生產(chǎn)中零部件一般表面光滑且質(zhì)量較大，所選用的吸盤(pán)應(yīng)具有較好的耐磨性、耐撕扯性、小的透氣性等特點(diǎn)，采用丁腈橡膠材料制作的吸盤(pán)，具有較大的扯斷力，通常選用丁睛橡膠材質(zhì)的吸盤(pán)即可滿足要求。

2.2 模塊化板料抓取裝置

模塊化是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中一種非常重要且常用的設(shè)計(jì)理念，其基本思想是化整為零，將產(chǎn)品的總功能分解成若干個(gè)子功能。然后將各個(gè)子功能視為一個(gè)小的功能模塊，根據(jù)不同產(chǎn)品的功能需求，將各個(gè)不同小的功能模塊相互組合就可以形成不同功能不同結(jié)構(gòu)形式的產(chǎn)品。隨著敏捷制造時(shí)代的到來(lái)，模塊化設(shè)計(jì)會(huì)越來(lái)越顯示出其獨(dú)到的優(yōu)越性[5]。

在板料沖壓生產(chǎn)加工的板料，因用途不一，大小和形狀各式各樣。這就要求根據(jù)實(shí)際加工板料的不同，適時(shí)調(diào)整或更換的抓取裝置。因此采用模塊化設(shè)計(jì)可方便快速裝配組合出所需要的裝置。

典型的真空吸盤(pán)型板料抓取裝置一般由：拾取元件（真空吸盤(pán)）、關(guān)節(jié)連接件、支撐桿、主桿和副桿組成，基本構(gòu)成如圖1所示。

圖1 典型的模塊化板料抓取裝置的構(gòu)成

模塊化真空吸盤(pán)型板料抓取裝置具有以下特點(diǎn)：1）經(jīng)濟(jì)性好；2）設(shè)計(jì)周期短；3）互換性強(qiáng)；4）維修方便性好。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，根據(jù)所抓取板料的尺寸、重量、材料的不同，通過(guò)更換或調(diào)整主桿、副桿、支撐桿、真空吸盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同板料的抓取工作。

3 真空吸盤(pán)的布置設(shè)計(jì)

3.1 真空吸盤(pán)數(shù)量選定

為保證抓取工件的穩(wěn)定和可靠性真空吸盤(pán)的數(shù)量必須與所抓取板料的重量相匹配。對(duì)于搬運(yùn)金屬與塑料等具有氣密性表面的材料，真空吸盤(pán)工作氣壓范圍為通常在0.05MPa～0.08MPa之間，若采用中高真空則不甚經(jīng)濟(jì)[6]。

根據(jù)相關(guān)真空吸盤(pán)樣本計(jì)算吸盤(pán)所能承受的力，以某型號(hào)吸盤(pán)為例，吸盤(pán)直徑為90mm，在真空度為0.65MPa時(shí)，單個(gè)吸盤(pán)所能承受的力為350N，吸盤(pán)所承受的總力F由可由以下公式計(jì)算。

式中，F(xiàn)為理論最大吸力，N；m為板料質(zhì)量，kg；g是重力加速度，9.8m/s2；a為提升系統(tǒng)的加速度，m/s2；μ為摩擦系數(shù)，0.2～0.5；s是安全系數(shù)，一般取1.5～2。（以某抓取裝置抓取的65kg板料為例，m=65kg，a=4.5m/s2，μ=0.4，s=2）。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，需要選用8個(gè)吸盤(pán)，總力2800N。

3.2 真空吸布置設(shè)計(jì)

真空吸盤(pán)型板料抓取裝置的真空吸盤(pán)是執(zhí)行元件，板料抓取過(guò)程中須保證吸盤(pán)與板料之間接觸可靠。如果真空吸盤(pán)的布置方式不合理，板料在抓取時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的彎曲變形，直接減小吸盤(pán)與板料之間的接觸面積。在極端情況下大的彎曲變形甚至?xí)苯訉?dǎo)致吸盤(pán)和板料分離使板料直接脫落，產(chǎn)生不安全的生產(chǎn)因素[7]。選擇一種合理的真空吸盤(pán)布置方式是保證生產(chǎn)安全必不可少的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

彎曲變形的大小與彎矩大小、跨度長(zhǎng)短、工件截面的慣性矩和材料的彈性模量E有關(guān)。通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)形式可減小彎矩從而達(dá)到減小彎曲變形目的。

本文以2500×1200重量為65kg的板材為例，通過(guò)MATLAB對(duì)真空吸盤(pán)的布置方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)上述選定的8個(gè)吸盤(pán)，并根據(jù)板料尺寸，吸盤(pán)布置形式初步設(shè)計(jì)為，寬度方向布置2個(gè)，長(zhǎng)度方向布置4個(gè)。

3.2.1 寬度方向上布置設(shè)計(jì)

首先確定真空吸盤(pán)在板料寬度方向的布置方式。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，可將板料視為一個(gè)桿件，對(duì)其進(jìn)行受力分析如圖2所示，分別為受力圖和彎矩圖。

圖2 寬度方向上的彎矩圖

板料的總長(zhǎng)度為L(zhǎng)=1.2m，設(shè)吸盤(pán)中心距離板料邊沿的長(zhǎng)度為a，均布載荷為q。根據(jù)受力分析：R1=R2=qL/2。由圖2分析計(jì)算可得：

在AB段，Mmax=-1/2 qa^2

在BC段，Mmax=1/8 qL^2-1/2 qLa

在CD段，Mmax=-1/2 qa^2

利用MATLAB對(duì)0≤a≤0.6m的范圍內(nèi)取不同的值，a以0.05m為一個(gè)單位進(jìn)行取值。其中L=1.2m，q=mg/L=65×9.8/1.2=530N/m，MAB=MCD=-265a2，MBC=95.4-318a。對(duì)MAB和MBC進(jìn)行計(jì)算，在MATLAB中輸入以下命令：

得到如下結(jié)果：

MAB和MBC的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

圖3 MAB和MBC的對(duì)應(yīng)關(guān)系

通過(guò)上述圖標(biāo)分析可知：當(dāng)α=0.25m時(shí)，兩個(gè)彎矩值的大小較為相近且不是太大，此時(shí)MAB=-16.56，MBC=15.9彎矩較為合理。即吸盤(pán)在寬度方向上布置時(shí)吸盤(pán)中心距離兩邊均為0.25m。

3.2.2 長(zhǎng)度方向上布置設(shè)計(jì)

吸盤(pán)在長(zhǎng)度方向上的布置位置同樣可以采用上述的方法，使板料的彎曲變形達(dá)到最小。受力分析如圖4所示。

圖4 長(zhǎng)度方向上的彎矩圖

為便于計(jì)算假設(shè)R1=R2=R3=R4=mg/4，其中L=2.5m，q=mg/L=65×9.8/2.5=254.8N/m。

得到如下結(jié)果：

MAB和MBC的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5所示。

圖5 不同a1值下MAB和MBC的對(duì)應(yīng)關(guān)系

由圖標(biāo)可看出：當(dāng)a1=0.25m時(shí)，兩個(gè)彎矩值的大小較為相近且不是太大，此時(shí)MAB=-7.96，MBC=9.98彎矩較為合理。

當(dāng)a1=0.25m，MCD=199-318.5a1-159.25b=119.375-159.25b。由此可得：當(dāng)b=0.75m時(shí)，MCD=0。由此可知在長(zhǎng)度方向上的吸盤(pán)布置方式為：吸盤(pán)中心距板料外沿為0.25m，兩個(gè)吸盤(pán)中心間距為0.75m。最終真空吸盤(pán)布置方式如圖6所示。

圖6 真空吸盤(pán)布置方式

公司某型號(hào)板料抓取裝置通過(guò)該種方式進(jìn)行真空吸盤(pán)布置，并進(jìn)行調(diào)試試驗(yàn)，效果良好，運(yùn)行幾個(gè)月以來(lái)未發(fā)生板料抓取不牢，板料脫離的情況。

4 結(jié)語(yǔ)

真空吸盤(pán)的布置方式的合理性，是影響板料抓取抓取、轉(zhuǎn)運(yùn)、放置等作業(yè)安全性能的主要因素。通過(guò)MATLAB協(xié)助進(jìn)行真空吸盤(pán)布置設(shè)計(jì)，可快速實(shí)現(xiàn)針對(duì)不同板料真空吸盤(pán)布置方式的設(shè)計(jì)，該方式也可應(yīng)用于類(lèi)似布置結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。