ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ, ВАКУУМНЫХ И АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ЗАХВАТНЫХ УСТРОЙСТВ

Притягивающие захватные устройства

Притягивающие магнитные и вакуумные захватные устройства.

Необходимые статические усилия притяжения в вакуумных и магнитных ЗУ определяют из условий удержания ПП при действии на него различных сил в процессе захватывания и транспортирования (рис. 5.1):

где F„— статическая сила притяжения ПП, Н; р — коэффициент трения между поверхностями ПП и ЗУ (для металлических ЗУ и стальных ПП р = 0,17; для резиновых манжет и стальных ПП р = 0,3); g — ускорение свободного падения, м/с2; а — ускорение ЗУ, м/с2; 0 — угол между вектором ускорения а и осью Z, совпадающей с осью ЗУ; 0О — угол между вектором g и осью Z, совпадающей с осью ЗУ; ф — угол между проекцией вектора а на плоскость, перпендикулярной к оси Z, и осью У; фо — угол между проекцией вектора g на плоскость перпендикулярно к оси Z и осью У; kz — коэффициент запаса; к{ — коэффициент, учитывающий смещение точки приложения подъемной силы и центра тяжести ПП (для круглых ЗУ к{ = г / (г + Дх), где г — средний радиус магнитного диска или уплотнительной поверхности пневмоприсоски, Дх — относительное смещение оси ЗУ и центра тяжести ПП).

Приведенная зависимость является общей для притягивающих ЗУ любой конструкции (вакуумных и магнитных в том числе [10]). Упрощая граничные условия, связанные с расположением ЗУ и ПП в пространстве, получаем и более простые зависимости для определения F„ (табл. 5.1 [10]). Естественно, что величину /гстдля электромагнитных и вакуумных ЗУ определяют различными путями.

Схема для определения условий удержания ПП притягивающими (магнитными или вакуумными) захватными устройствами

Рис. 5.1. Схема для определения условий удержания ПП притягивающими (магнитными или вакуумными) захватными устройствами

Формулы для проверки условий удержания предметов производства магнитными и вакуумными захватами

Таблица 5.1

Расчетная схема

Расчетная формула

Окончание

Расчетная схема

Расчетная формула

Обозначения: см. пояснения к формуле (5.1).

Электромагнитные захватные устройства.

Усилие захватывания F электромагнитов может быть определено с помощью выражений, полученных на основании формулы Максвелла:

для электромагнитов постоянного тока

для электромагнитов переменного тока

где I — сила тока, A; W— число витков катушки электромагнита; 8 — магнитная проницаемость воздуха; S — площадь рабочего контакта ПП и ЗУ; р0 — ширина воздушного рабочего зазора между поверхностями ПП и ЗУ.

Значения /"подставляют в формулу (5.1) или в зависимости табл. 5.1.

Наличие примесей (марганца, серы, фосфора, никеля и т.п.) в материале предмета производства снижает подъемную силу электромагнита. Дальнейшие расчеты параметров электромагнита сводятся к решению известных уравнений магнитной цепи, нагрева и электрической цепи.

Вакуумные захватные устройства удерживают ПП за счет вакуумного притяжения, действующего вследствие образования пониженного давления на определенном участке изделия. Основная деталь ЗУ — вакуумная полость или присоска, которая при наложении на ПП образует между его поверхностью и своими стенками замкнутое пространство — камеру. При создании разрежения в этой камере на площади, ограниченной стенками присоски, можно получить положительную разницу давлений, произведение которой на площадь действия создает силу, позволяющую захватному устройству удерживать изделие. Значение удерживающей силы F для различных конструкций вакуумных ЗУ определяют по-разному и подставляют в формулу (5.1) или в зависимости табл. 5.1.

Пассивные присоски обеспечивают образование вакуума за счет вытеснения воздуха из полости присоски прижатием ее к поверхности детали (см. рис. 3.38). В зависимости от характера работы эти присоски могут быть сплошными эластичными (удержание детали обеспечивается вакуумом, созданным за счет одной только упругой деформации присоски) или снабжаться различными запирающими устройствами: шариковыми, пружинными, электромагнитными и др.

Удерживающее усилие, развиваемое вакуумным ЗУ, рассчитывают по формуле

где S — геометрическая площадь проекции присоски, ограниченная внутренним контуром, м2; Ку коэффициент уменьшения площади присоски вследствие ее деформации. На практике для присосок из пористых (губчатых) резин при площади, равной 0,2...0,4 м2, можно принять Ку= 0,95...1,0;ра ир*— соответственно атмосферное и остаточное давление внутри камеры, Па; Ка — коэффициент, учитывающий изменение атмосферного давления по сравнению с нормальным Ра~ 100 кПа (для практических расчетов достаточно учитывать минимальное атмосферное давление — для средней полосы европейской части России его принимают равным 93 кПа (700 мм рт.ст.). В этом случае можно принимать Кд * 0,9); К„ — коэффициент увеличения силы вакуумного притяжения в результате тока воздуха, просачивающегося в щель стыка присоски с поверхностью детали (принимают равным 1,1...1,05). При этом большее значение относится к присоскам с относительно малой рабочей площадью (0,05...0,1 м2), а меньшее — к присоскам с рабочей площадью более 0,1 м2.

Если вакуумное захватное устройство рассчитано не для захватывания и переноса конкретных деталей в конкретных условиях, то значения вышеперечисленных коэффициентов принимают для наихудших условий работы и их можно заменить общим коэффициентом фактической силы вакуумного притяжения Кр = Ку Ка Кп = 0,8...0,85. Тогда

где Кр = 0,8...0,85; а — Рь) =0,03...0,035 МПа.

Активные вакуумные ТУдействуют от вакуумных насосов (форваку- умных или поршневых), а также от эжекторных систем подачи сжатого воздуха.

Активные ЗУ с созданием вакуума автономным вакуумным насосом. Удерживающее усилие рассчитывают по формулам (5.3) и (5.4), но величина /^определяется степенью разрежения, обеспечиваемой насосом. Многие вакуумные насосы дают разрежение более 90% и соответственно а — Рь) = 0,08...0,095 МПа.

Грузоподъемность активного ЗУ зависит от геометрических параметров присосок, их числа и от величины разрежения воздуха в ЗУ Рр = (Ра-Рь)-

В процессе захвата, подъема и перемещения детали грузоподъемность вакуумного ЗУ не остается постоянной, а зависит от положения его в пространстве и взаимодействия сил, удерживающих деталь, стремящихся оторвать и сдвинуть ее.

Условия удержания ПП определяют, подставляя значения силы F в зависимость (5.1) или в формулы табл. 5.1.

Часто необходимо рассчитать предельное значение нормальной силы У отрыва груза от захватного устройства и величину силы сдвига груза Т. Эти силы зависят не только от активной площади присоски и разрежения воздуха в ней, но и от удельного давления (удельного притяжения) присоски, обеспечивающего необходимую герметичность стыка ЗУ с поверхностью захваченной детали. Между этими параметрами существует зависимость

где % — коэффициент снижения грузоподъемности ЗУ; N — предельное значение силы отрыва груза; F — сила притяжения детали, создаваемая ЗУ; q — минимально необходимое удельное давление на площади SK контакта присоски с деталью; S — площадь присоски; р0 = (ра — Рь) — разрежение воздуха в ЗУ.

Для круглых камер

где В — ширина уплотнительного борта; D — диаметр присоски.

При небольшой активной площади присоски и грубой поверхности груза коэффициент ? может приближаться к нулю, и захватное устройство становится неработоспособным. При этом имеется в виду, что теоретическая грузоподъемность ЗУ — функция его диаметра, т.е. F=J[D).

Зависимость q и ? от диаметра присосок показывает преимущества тех, которые имеют большую площадь. Значения удельных давлений q зависят от качества поверхности груза, размеров и материала уплотнений и могут быть установлены экспериментально. Например, для изделий с гладкой поверхностью (стекло, пластик) q = 30...90 кПа, а с грубой поверхностью (бетон, прокат с окалиной) q = 300 кПа и более. Для типовых условий работы ?, = 0,6...0,9.

Для надежной работы вакуумного захвата необходимы следующие условия:

где Кц]лКт— соответственно коэффициенты запаса по силам отрыва и сдвига перемещаемого груза.

Для вакуумного ЗУ, не связанного с особыми условиями работы, с некоторым допущением в сторону увеличения силы можно принять

где Kn=Kt = K=2.

При совмещении трех движений (подъема руки робота, поворота руки в горизонтальной плоскости и выдвижении руки) для расчета допустимой массы m перемещаемого груза можно воспользоваться зависимостью

где d — диаметр входного отверстия присоски у среза; К — коэффициент надежности удержания = 1,5...2); а„ — ускорение подъема заготовки;# — ускорение свободного падения; г — расстояние от оси вращения руки до центра заготовки; е — угловое ускорение руки робота; р — коэффициент трения; а1!ЫЛ — ускорение при выдвижении руки; со — угловая скорость руки.

Площадь присосок и разрежение в них определяют из уравнения:

где р — коэффициент трения на контактной поверхности ЗУ и ПП; ра атмосферное давление; рь — давление разрежения; п — число присосок в захватном устройстве.

Оборудование и параметры вакуумной системы. Работа вакуумных ЗУ во многом зависит от правильности выбора оборудования и параметров вакуумной системы. Поэтому необходимо определить не только силу вакуумного притяжения ЗУ, но и некоторые параметры пневмосистемы.

Быстроту создания вакуума в полости присоски находят, используя основные уравнения вакуумной техники:

где 5об — быстрота разрежения объекта, м3/с; У, — подача вакуумного насоса, м3/с; U — пропускная способность трубопровода, м3/с.

Откуда следует, что при U > 5пУоб ~ Sn и при U < 5пУоб * U.

Время откачивания t при 5 * Uопределяется по зависимости:

где Vc = Vp + VT — суммарный объем вакуумной системы, м3; Ур — объем вакуумного ресивера, м3; Ут — объем трубопровода между насосом и ресивером, м3; р — первоначальное давление в системе, обычно равное атмосферному; Pi — конечное давление в разреженном объекте, в данном случае в ресивере х и pi в любых единицах измерения).

Если не учитывать сопротивление вакуум-провода, подача вакуумного насоса должна соответствовать скорости разрежения объекта (ресивера):

где Sn — среднее значение подачи насоса, м3/с.

Время захватывания предмета вакуумным ЗУ после откачки ресивера и соединения последнего с вакуум-камерами ЗУ после открытия перекрывающего клапана (крана, вентиля):

где Va= VT+ VK суммарный откачиваемый объем, влияющий на время захватывания предмета производства, м3; Ут объем трубопровода между вакуум- камерами ЗУ и ресиверами, м3; Ук объем вакуум-камер ЗУ с учетом деформации уплотнения после наложения на ПП, м3.

При низких давлениях, начиная с 1 кПа, пропускная способность вакуум-проводов резко падает, а время откачивания системы возрастает. Учитывая, что падение давления ниже 1 кПа не увеличивает грузоподъемность вакуумных ЗУ, низкие давления в них нецелесообразны.

Время откачки системы до давления 133 Па (1 мм рт.ст.) можно приближенно найти по формуле

где 5П — минимальная подача насоса при Ра = 0,1 мПа.

Этой формулой можно пользоваться, выбирая насос для откачки вакуумной аппаратуры.

Необходимая производительность вакуумного насоса и объем ресивера зависят от количества воздуха, попадающего в вакуумную систему в единицу времени, т.е. герметичности системы в целом и ее отдельных элементов. Учитывая, что состояние воздуха в камере ЗУ соответствует условию PV= const

где gB натекание, м3 • Па/с; V — объем вакуумной системы, м3; Ар — изменение давления в изолированном от насоса вакуумном объеме за время At, Па.

При известной величине натекания, отнесенной к единице периметра поверхности касания уплотнения к грузу, суммарное натекание воздуха в вакуум-камеру ЗУ составит

где gc — удельная величина натекания м3 на единицу периметра уплотнения, Па/с; С — периметр уплотнения присоски, м.

При известной величине натекания необходимый объем ресивера вакуумного ЗУ определяется как:

где Кв — суммарный объем вакуумной системы от ресивера до вакуум-камеры ЗУ, м3; t — заданное время удержания груза вакуумным ЗУ при выключенном насосе, с:

Для создания вакуума может быть использована цеховая установка с очистителем воздуха и вентилем, препятствующим засасыванию форвакуумного масла в бак-ресивер из насоса, когда последний не работает.

Активные вакуумные ЗУ на базе эжекторных систем. Эжекторы конструктивно проще насосов и широко применяются в конструкциях захватных устройств небольшой грузоподъемности. Их выполняют, как правило, одноступенчатыми и размешают непосредственно на кронштейне захватного устройства, соединяя через канал подсоса воздуха с одной или несколькими камерами присосок. Вопросы проектирования оптимальных конструкций эжекторов для вакуумных схватов сложны, так как необходимо учитывать множество эксплуатационных, технологических и конструктивных параметров с использованием законов газодинамики.

Конструктивная схема эжектора вакуумного ЗУ с основными размерами показана на рис. 5.2.

В целях подналадки эжектора сопло 5 может быть регулируемым, выполненным в виде игольчатого дросселя. Кроме того, целесообразно устанавливать сопло с возможностью осевого перемещения относительно камеры всасывания 1 с последующей фиксацией его положения. Чем больше диаметр смесительного участка 2 и путь струи до соприкосновения со стенками, тем больший объем воздуха подсасывается. С целью уменьшения соприкосновения образующая внутренней поверхности коллектора 4 может быть выполнена по сложной кривой. Диффузор 3 эжектора предназначен для преобразования динамического напора в статическое давление. Для манипуляторов грузоподъемностью 0,3... 1 кг размеры эжектора: d = 2..A мм; d2= 10... 18 мм; D = 6...8 мм; 1 — 20...50 мм; /2= 20...60 мм; /3= 10...20 мм и угол конуса диффузора а = 6...10*.

Конструктивная схема эжектора вакуумного ЗУ

Рис. 5.2. Конструктивная схема эжектора вакуумного ЗУ: 1 — камера всасывания; 2 — смесительный участок;

3 — диффузор; 4 — коллектор; 5 — сопло

Аэродинамические притягивающие захватные устройства действуют на основании аэродинамического эффекта, возникающего при обтекании воздушной струей фасонных криволинейных поверхностей и изменения скоростей воздушных потоков.

Струйно-вакуумные захватные устройства. В основу их конструкций положен известный эффект возникновения присасывающего действия, выражающийся во взаимодействии сформированной сопловыми элементами и истекающей из них струи сжатого воздуха с обтекаемой ею плоской, цилиндрической или шаровой поверхности заготовки. Основным требованием следует считать наличие ярко выраженной плоской базовой поверхности захватывания, которая не имела бы выступов, буртиков, препятствующих течению потока воздуха. Захват деталей в большом диапазоне размеров делает экономичным и целесообразным их применение в условиях любого производства.

Пример конструкции струйного захватного устройства показан на рис. 5.3 (см. также рис. 3.44).

Струйно-вакуумное захватное устройство

Рис. 5.3. Струйно-вакуумное захватное устройство:

  • 1 — корпус; 2 — камера; 3 — упорные элементы; 4 — сопло;
  • 5 — кольцевая щель; 6 — предмет производства

Направленная параллельно или под углом к плоскости заготовки струя воздуха постоянного магистрального давления рт истекает через кольцевую щель 5 в зазор И2 между торцом корпуса 1 и плоскостью заготовки, образуя в дальнейшем плоский кольцевой радиальный поток. Скорость течения потока, примерно равная в начале щели критической, постоянно снижается по параболическому закону до нуля по мере удаления от начала щели. Она определяет энергию движущегося сплошного потока воздуха. Эта энергия, характеризующаяся полным напором, состоящим из суммы пьезометрического и динамического напоров, вызывает в зоне торца захвата понижение давления до значения ниже атмосферного. Падение давления приводит к появлению в зоне торца захватного устройства с радиусом г2 аэродинамического эффекта притяжения. Величина силы притяжения для струйного захвата с кольцевой щелью на торце зависит от оптимального соотношения между зазором й2 и толщиной hi конической щели, измеряемой в нормальном к поверхности фасок направлении и равной порядка 0,12 мм. Отношение /г2/ h для конической щели с углом а = 120... 150*, при котором обеспечивается максимальное усилие притяжения, должно находиться в пределах 2,8...3,2 {h* 0,12 мм).

С определенного расстояния под действием возрастающей по параболическому закону силы притяжения заготовка будет поднята вверх и прижата к торцу захвата. Она не находится в непосредственном контакте с торцом захвата, а свободно плавает на образованной в зазоре взаимодействующих торцов захвата и заготовки воздушной подушке, автоматически поддерживая зазор h2 толщиной примерно 0,08...0,15 мм.

Усилие притяжения рассчитывают по зависимости

где

здесь а = 120... 150°, р = 0,6...0,7 — коэффициент расхода; ра — плотность воздуха при атмосферном давлении; п — показатель адиабаты (л = 1,4); рт — магистральное давление; R — газовая постоянная; Т — абсолютная температура воздуха. Для устойчивой работы струйных захватов рекомендуется магистральное давление (18,6...49,0)-104 Па.

Для захвата деталей, не имеющих отверстий, служат гнездовые захватные устройства, поддерживающие сопла которых размещены по периферии гнезда.

Важной характеристикой струйных захватов, функционально зависящей от параметров захвата и сжатого воздуха, является средняя удельная сила, определяемая как отношение силы захвата к площади рабочего торца

При проектировании точку приложения сил надо выбирать так, чтобы центр тяжести заготовок находился ближе к центру захвата. Грузоподъемность регулируется плавным изменением давления в магистрали. Один и тот же захват может быть использован для подачи различных по размерам и конфигурации заготовок.

Ориентирование захватываемых объектов. При определенной конструкции струйное захватное устройство 1 позволяет осуществлять одновременно угловую ориентацию объекта 5 (например, прямоугольной пластины) и его базирование (рис. 5.4). В этом случае канал 2, по которому подводится сжатый воздух, соединяется с наклонным соплом 3, формирующим плоский поток воздуха в зазоре между торцом 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 б от торца захватного устройства, причем величина зазора устанавливается автоматически из условия равновесия объекта. При этом объект 5 (прямоугольник, показанный жирной линией) будет поворачиваться вокруг вертикальной оси захватного устройства и одновременно перемещаться в диагональном направлении к окну, пока не окажется прижатым к боковым стенкам 4.

Вид А

Струйное захватное устройство, обеспечивающее ориентацию объекта

Рис. 5.4. Струйное захватное устройство, обеспечивающее ориентацию объекта:

  • 1 — корпус струйного ЗУ; 2 — подводный воздушный канал;
  • 3 — наклонное сопло; 4 — ограничительные стенки; 5— предмет производства; G — вес предмета; М(ТТ) — ориентирующий момент

Подъемную силу, действующую на пластину в бесконтактном струйном захватном устройстве (см. рис. 5.4), определяют по формуле: где Ра — давление воздуха на выходе из зазора (атмосферное давление); Rmaмаксимальное значение радиуса торца захвата (вписанной окружности в пластинку); So = r/Rm3X г — внутренний радиус подводящего канала; х = 1 рп /р^ р„ — давление сжатого воздуха в подводящем канале; т = 2/у.

Условие равновесия пластины в струйном захватном устройстве при установившемся адиабатическом движении воздуха в зазоре 5 имеет вид:

При изотермическом движении воздуха:

3 G

где а =-2—’ G — вес пластины.

^ Ри^гтх

Необходимым условием перемещения пластины в плоскости захвата и ее базировании является смещение центра масс пластины относительно оси сопла. Даже при малом значении этого смещения пластина под действием сил вязкого трения Тг будет удаляться от оси захвата со скоростью, возрастающей во времени по закону гиперболического синуса. Поворот пластины будет происходить, если центр тяжести 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.

Вихревые ЗУ. Действие вихревых захватных устройств (см. рис. 3.45...3.47) 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. 5.5, а) состоит из корпуса 7 с цилиндрической камерой, завихрителя 5 с соплами 6, расположенными по касательной к внутренней окружности завихрителя, втулки 3, насадки 2 с отверстиями 8. При работе захватного устройства сжатый воздух из магистрали через штуцер 4 поступает в камеру корпуса 7, где устанавливается давление, превышающее атмосферное, и далее через сопла 6 во втулку 3.

Благодаря высокой скорости истечения воздуха через сопла формируется сильно закрученный поток воздуха, движущийся вдоль стенок втулки 3 в направлении уменьшения давления сверху вниз. Вдоль оси этого потока устанавливается разрежение, что способствует

Пневмовихревое захватное устройство (а) и схема к расчету подъемной силы ЗУ (б)

Рис. 5.5. Пневмовихревое захватное устройство (а) и схема к расчету подъемной силы ЗУ (б):

  • 1 — предмет производства; 2 — насадка; 3 — втулка; 4 — штуцер;
  • 5 — завихритель; 6 сопла; 7— корпус; 8 выходные отверстия

засасыванию атмосферного воздуха через отверстия 8 внутрь втулки 3. В результате в нижней части устройства образуется вихревая воронка, в которой частицы воздуха движутся по восходящей спирали, и в ней возникает область пониженного давления. Притягивание предмета производства 1 к насадке 2 осуществляется за счет разности атмосферного и внутривихревого давлений.

Вблизи завихрения формируется верхний вихрь, в котором воздух движется по нисходящей спирали, оттесняясь вихревой воронкой к стенкам втулки 3 и устремляясь в атмосферу через боковые отверстия 8.

Приближенно подъемную силу такого устройства можно определить следующим образом. Двумя параллельными плоскостями, отстоящими друг от друга на расстоянии dh, вырежем из насадки 2 элементарный цилиндр. На расстоянии г от центра О элементарного цилиндра вырезаем элементарный объем воздуха размером dh dr dq> (рис. 5.5, б). 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

где dS — площадь элементарного объема воздуха вдоль образующей цилиндра; dS = rdip dh.

Подставляя dFK udSw интегрируя это выражение в пределах от 0 до Л (R — радиус насадки), получим приращение давления на стенке насадки

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 Подъемная сила захватного устройства: где Кв= (0,3...0,5) — коэффициент запаса; А — площадь захвата (насадки).

 
Посмотреть оригинал