开发用于抓取粗糙表面工件的气动吸盘

Li Xin、Wei Zhong、Toshiharu Kagawa、Hao Liu 和 Guoliang Tao

抽象抽象

在这项研究中，我们开发了一种新型气动吸盘，用于搬运表面粗糙的工件。我们通过切向喷嘴将喷射流吹入圆柱形腔体，形成旋转气流，从而产生杯状负压分布并产生吸力。随后，空气通过吸盘底部的环形间隙通道排出。杯状压力分布和排气气流可以抑制工件粗糙表面引起的漏气效果，是新型吸盘与当前气动吸盘区分开来的关键技术特征。在本文中，我们通过测量吸力和压力分布的实验来介绍新吸盘的设计并研究其特性。结果表明，环形间隙通道的高度是影响负压和吸力的关键设计参数，并且存在一个最佳高度值。此外，我们还研究了工件表面粗糙度的影响。观察到的压力分布表明，粗糙的表面会减慢旋转的气流，因此吸力会随着工件表面粗糙度的增加而减小，然而，这只会导致吸力的轻微下降。此外，我们将新吸盘与两个现有的吸盘进行了比较：传统橡胶吸盘和伯努利吸盘。通过比较，新型吸盘在处理粗糙工件和节省能源方面具有优势。最后，我们使用新吸盘拾取几种类型的工件，以确认其适用性。
在这项研究中，我们开发了一种新型气动吸盘，用于搬运表面粗糙的工件。我们通过切向喷嘴将喷射流吹入圆柱形腔体，形成旋转气流，从而产生杯状负压分布并产生吸力。随后，空气通过吸盘底部的环形间隙通道排出。杯形压力分布和排气气流可以抑制工件粗糙表面引起的漏气效果，是新型吸盘与目前可用的气动吸盘区分开来的关键技术特征。在本文中，我们通过测量吸力和压力分布的实验来介绍新吸盘的设计并研究其特性。结果表明，环形间隙通道的高度是影响负压和吸力的关键设计参数，并且存在一个最佳高度值。此外，我们还研究了工件表面粗糙度的影响。观察到的压力分布表明，粗糙的表面会减慢旋转的气流，因此吸力会随着工件表面粗糙度的增加而减小，然而，这只会导致吸力的轻微下降。此外，我们将新吸盘与两个现有的吸盘进行了比较：传统橡胶吸盘和伯努利吸盘。通过比较，新型吸盘在处理粗糙工件和节省能源方面具有优势。最后，我们使用新吸盘拾取几种类型的工件，以确认其适用性。

从业者须知 - 这项开发新型气动吸盘的研究是由表面粗糙的工件的夹持问题驱动的。传统的橡胶吸盘由于工件表面粗糙造成漏气而无效，现有的伯努利吸盘存在消耗大量空气的缺点。在本文中，我们提出了一种气动吸盘，在倒置的杯状空腔中形成旋转气流以产生吸力。我们通过实验介绍设计并研究关键设计参数（即间隙通道的高度）。发现存在高度的最佳值，并且它与工件的空气消耗量和粗糙度无关。然后，我们验证抓取粗糙表面工件和节省空气消耗的优点

通过与橡胶吸盘和伯努利吸盘的比较。在论文的最后，我们使用新的吸盘拾取几种类型的工件，以确认其适用性。这些例子表明，新型吸盘可以代替人工完成分拣和包装作业，并在全自动生产线中发挥重要作用。

索引术语 - 气动吸盘、压力分配、旋转流量、吸力。

I. 导入

工件的抓取、搬运和放置是生产线中的常见操作。这组看似简单的操作结果却成为阻碍生产线完全自动化的技术瓶颈。以食品加工生产线为例。如图 1 所示，沿生产线输送的油炸块必须由工人人工分拣和包装。这是因为当前的抓取工具不足以抓取油炸块或其他具有粗糙表面的类似物体。

这项工作的动机如下。

机械夹持工具通常具有两个或多个夹指，夹持是通过对手指施加力使其紧握来实现的 [1]， [2]。但是，机械夹持工具不能用于软质和板状工件（如吐司）。此外，由于它们复杂的机械结构和部件之间的磨损，它们不可避免地需要大量的维护。
机械夹持工具通常具有两个或多个夹指，夹持是通过对手指施加力使其紧握来实现的 [1]， [2]。但是，机械夹持工具不能用于软质和板状工件（如吐司）。此外，由于它们复杂的机械结构和部件之间的磨损，它们不可避免地需要大量的维护。
橡胶吸盘在抓取板状工件 [3]-[5] 时有效工作。然而，它们的应用仅限于表面光滑平坦的工件。一旦工件表面变得稍微粗糙，吸盘中的负压与外部大气压之间的压力差就会使空气通过工件表面的间隙流入吸盘。因此，吸盘中的负压崩溃，真空吸附失效。此外，橡胶吸盘可能会吸入粉末粉尘、碎片、食物碎屑和液体，从而增加真空管堵塞和真空源故障的机会。
橡胶吸盘在抓取板状工件 [3]-[5] 时有效工作。然而，它们的应用仅限于表面光滑平坦的工件。一旦工件表面变得稍微粗糙，吸盘中的负压与外部大气压之间的压力差就会使空气通过工件表面的间隙流入吸盘。因此，吸盘中的负压崩溃，真空吸附失效。此外，橡胶吸盘可能会吸入粉末粉尘、碎片、食物碎屑和液体，从而增加真空管堵塞和真空源故障的机会。
Davis 根据伯努利原理设计了一种伯努利吸盘，方法是在吸盘和工件之间创建径向流道 [6]。根据伯努利原理，当空气通过气孔流入吸盘并沿径向流道传播时，
Davis 根据伯努利原理设计了一种伯努利吸盘，方法是在吸盘和工件之间创建径向流道 [6]。根据伯努利原理，当空气通过气孔流入吸盘并沿径向流道传播时，

图 1.没有有效吸盘的半自动化生产线。

气流的减速在中心区域形成负压分布 [6]， [7]。该吸盘还适用于抓取表面粗糙的物体，例如吐司片或番茄片。然而，在基于伯努利原理的设计中，只有通过消耗大量空气才能实现明显的气流减速效果。因此，大量的空气消耗是伯努利吸盘的主要缺陷。

本文提出了一种基于旋转气流的新型吸盘设计。吸盘可吸附柔软和粗糙表面的工件，耗气量小。通过测量压力分布和吸力，并在实际工件抓取场景中进行实验，我们说明了新型吸盘的原理和主要特点。

II. 新 Sucker 的设计与原则

新设计的吸盘如图 2 所示，其组件的主要尺寸如图 3 所示，其照片如图 3 所示。吸盘从上到下由盖板、空心圆柱体、垫圈、环形挡板和橡胶板组成。盖板密封空心圆柱体的上端，形成一个倒置的杯状空腔。切向喷嘴布置在空心圆柱体的内表面，喷嘴的上游端与压缩空气源相连。环形挡板使用螺栓固定在空心圆柱体上。通过在挡板和气缸之间放置垫圈，形成环形间隙通道。间隙通道将空腔与外部大气相连。为了增加吸盘与工件之间的摩擦，在挡板的下端表面粘了一层柔软的橡胶板。

高压空气通过切向喷嘴注入型腔，并沿着型腔的圆形表面流动，形成旋转气流。一些研究表明，旋转流的离心力使中心区域的压力降低到低于外围区域的压力 [8]-[10]。此外，通过将外围通过间隙通道连接到大气，外围的压力在这里降低到接近大气压。因此，在型腔的中心区域产生负压。如果将工件放置在吸盘下方，负压产生的吸力会拾取物体。大部分空气通过间隙排出

高压空气通过切向喷嘴注入型腔，并沿着型腔的圆形表面流动，形成旋转气流。一些研究表明，旋转流的离心力使中心区域的压力降低到低于外围区域的压力 [8]-[10]。此外，通过间隙通道将外围连接到大气，将外围的压力降低到接近大气压。因此，在型腔的中心区域产生负压。如果将工件放置在吸盘下方，负压产生的吸力会拾取物体。大部分空气通过间隙排出

在型腔中旋转后通过，剩余的少量空气通过粗糙的工件表面与吸盘之间的间隙排出。空气向外排放，防止外部空气流入吸盘。结果，吸盘中的负压得以保持。

在以下部分中，通过实验测量压力分布和吸力来研究新型吸盘的重要特性。此外，以能耗和吸力为指标，将新型吸盘与现有的其他吸盘技术进行比较，以验证前者的优越性。在论文的最后，介绍了新吸盘的一些实际应用，以证明其实用性。

III. 实验设置和方法

A. 供气回路

供气回路的配置如图 4 所示。压缩空气供应并调节到选定的压力。热式流量计（FD-V40,0-50 L/min，基恩士有限公司）和压力表（A 系列，

0 - 0.6 Mpa (g)

Nagano Keiki Co. Ltd）安装在机械手前方，用于指示供气流量和上游压力。
供气回路的配置如图 4 所示。压缩空气供应并调节到选定的压力。热式流量计（FD-V40,0-50 L/min，基恩士有限公司）和压力表（A 系列，

0 - 0.6 Mpa (g)

Nagano Keiki Co. Ltd）安装在机械手前方，用于指示供气流量和上游压力。

B. 测量压力分布的方法
B. 测量压力分布的方法

吸盘的盖板上设有一排测压孔（如图 5 所示）。压力测量孔前端的直径为 0.5 mm。通过一根

1.5 - mm

直径管，测压孔的后端连接到压力传感器。每根管子上都安装了一个手动球阀。首先，所有球阀都设置为关闭状态。因此，压力测量孔与压力传感器断开连接。然后依次打开阀门，将测量所需的孔连接到压力传感器上。通过记录传感器的读数和压力测量孔的相应位置，可以得出型腔中的压力分布图。
吸盘的盖板上设有一排测压孔（如图 5 所示）。压力测量孔前端的直径为 0.5 mm。通过一根

1.5 - mm

直径管，测压孔的后端连接到压力传感器。每根管子上都安装了一个手动球阀。首先，所有球阀都设置为关闭状态。因此，压力测量孔与压力传感器断开连接。然后依次打开阀门，将测量所需的孔连接到压力传感器上。通过记录传感器的读数和压力测量孔的相应位置，可以得出型腔中的压力分布图。

C. 吸力的测量方法
C. 吸力的测量方法

吸盘产生的吸力的大小是按照以下步骤测量的。首先，在大气源下，吸盘拾取有质量

M

的工件。然后通过调节压力调节器逐渐降低气压和流量;因此，吸力逐渐减小。当供气压力和流量降低到一定水平（表示为

P_{d}

和

Q_{d}

）时，由于吸力等于或小于工件重量，工件下降。可以假设吸盘的吸力

F

等于物体

M

的重量乘以万有引力常

g

数。当气压和流量分别为

P_{d}

和

Q_{d}

时。接下来，通过对不同重量的物体重复上述步骤，可以绘制不同供气压力和流速下的吸力曲线。
吸盘产生的吸力的大小是按照以下步骤测量的。首先，在大气源下，吸盘拾取有质量

M

的工件。然后通过调节压力调节器逐渐降低气压和流量;因此，吸力逐渐减小。当供气压力和流量降低到一定水平（表示为

P_{d}

和

Q_{d}

）时，由于吸力等于或小于工件重量，工件下降。可以假设吸盘的吸力

F

等于物体

M

的重量乘以万有引力常

g

数。当气压和流量分别为

P_{d}

和

Q_{d}

时。接下来，通过对不同重量的物体重复上述步骤，可以绘制不同供气压力和流速下的吸力曲线。

IV. 建议和讨论

吸盘消耗是一个重要的评价指标。因此，评估消费的方法应该是彻底的

吸盘消耗是一个重要的评价指标。因此，评估消耗量的方法应该是彻底的
1E

图 2.（a）结构示意图和（b）新吸盘的组装。

图 3.新吸盘的照片。

图 4.供气回路。

研究。通常，空气流量用作评估气动元件消耗量的指标。然而，这个指标并不能直接描述能源消耗，而能源消耗是我们最关心的问题。在本文中，我们应用了 Cai 提出的空中力量算法来计算

研究。通常，空气流量用作评估气动元件消耗量的指标。然而，这个指标并不能直接描述能源消耗，而能源消耗是我们主要关注的问题。在本文中，我们应用了 Cai 提出的空中力量算法来计算

图 5.用于测量压力分布的实验装置。

图 5.用于测量压力分布的实验装置。

能源消耗 [11]。计算空气功率的公式（表示为

\dot{E}

）为

P_{a} Q \ln (P / P_{a})

，其中

P_{a}

是大气压力，

P

是切向喷嘴的上游压力，

Q

是供应流速。因此，该公式将供气压力和流量转换为能量（以瓦特为单位）。因此，获得了高度直观的能耗指数。在下面的讨论中，使用空气动力而不是供气压力或流量来评估吸盘的特性。
能源消耗 [11]。计算空气功率的公式（表示为

\dot{E}

）为

P_{a} Q \ln (P / P_{a})

，其中

P_{a}

是大气压力，

P

是切向喷嘴的上游压力，

Q

是供应流速。因此，该公式将供气压力和流量转换为能量（以瓦特为单位）。因此，获得了高度直观的能耗指数。在下面的讨论中，使用空气动力而不是供气压力或流量来评估吸盘的特性。

A. 吸力和空气消耗量
A. 吸力和空气消耗量

curve) is

measured

by using workpieces with

smooth

surfaces. The height of the gasket placed between the circular baffle and hollow cylinder is

varied

. As shown in Fig. 6, the suction force increases as air power increases; this tendency remains the same for the

range

of gasket heights examined. When air power increases, a higher

flow

rate

is Authorized licensed use limited to: Beijing University of

Chemical

Technology.

Downloaded

on December 08,2024 at 15:33:04 UTC from IEEE Xplore. Restrictions

apply

首先，通过使用表面光滑的工件来测量空气动力-吸力曲线（

F - \dot{E}

曲线）。放置在圆形挡板和空心圆柱体之间的垫圈的高度是不同的

(0.2, 0.4, 0.6

，为 1.2 毫米

)

。如图 6 所示，吸力随着空气功率的增加而增加;对于所检查的垫片高度范围，这种趋势保持不变。当空气功率增加时，更高的流量被授权许可使用仅限于：北京化工大学。于 2024 年 12 月 8 日 15：33：04 UTC 从 IEEE Xplore 下载。限制条件适用。
首先，通过使用表面光滑的工件来测量空气动力-吸力曲线（

F - \dot{E}