真空發生器在自動化設備上的應用

2009-08-19 劉黎陽沈陽理工大學機械工程學院

1、概述

　　真空發生器是利用壓縮氣源產生負壓的一種新型、高效、清潔、經濟的真空元器件。真空發生器具有體積小、真空度高、安裝維修方便、可靠性好等優點，廣泛應用在工業自動化機械、電子以及機器人等各個領域。在工業自動化機械中，裝盒機械的上盒和上蓋、裝箱機械的箱板成型取送、貼標機中標簽的供給和傳送等場合都使用了真空吸附裝置。在這一類機械中，一個共同的特點是所需的真空流量小、真空度要求不高且多為間歇工作。使用傳統真空泵提供真空源，不僅機械結構復雜而且由于真空響應時間長而影響機器的可靠性和工作效率。而真空發生器與吸盤配合，可進行各種物料的吸附，搬運，尤其適合于吸附易碎、柔軟、薄的非鐵非金屬材料或球型物體，有著無可比擬的優勢，在自動化生產中起著越來越重要的作用。

2、真空發生器的結構和性能分析

　　2.1、真空發生器的結構

　　真空發生器由噴管、吸附腔、擴散腔3 部分組成。真空發生器的工作原理是利用噴管高速噴射壓縮空氣，在噴管出口形成射流，產生卷吸流動。在卷吸作用下，使得噴管出口周圍的空氣不斷地被吸走，使吸附腔內的壓力降至大氣壓以下，形成一定真空度。如圖1 所示。

　　由流體力學可知,對于不可壓縮空氣氣體的連續性方程為：

A1v1=A2v2

　　式中A1、A2-管道的截面面積，m2；v1、v2-氣流流速，m/s。

　　由上式可知，截面增大，流速減小；截面減小，流速增大。

　　對于水平管路，按不可壓縮空氣的伯努里方程為

P1+1/2ρv1²=P2+1/2ρv2²

　　式中P1、P2-截面A1、A2處相應的壓力，Pa；v1、v2-截面A1、A2處相應的流速，m/s；ρ-空氣的密度，kg/m2。由上式可知，流速增大，壓力降低，當v2>>v1時，P1>>P2。當v2 增加到一定值，P2 將小于一個大氣壓，即產生負壓。故可用增大流速來獲得負壓，產生吸力。

　　2.2、真空發生器的性能分析

　　(1)真空發生器的主要性能參數

　　空氣消耗量：指從噴管流出的流量；

　　真空流量：指從吸附口吸入的空氣流量；

　　真空度：指大氣壓力與真空腔內的絕對壓力之差。當吸入口被完全封閉，即排氣量為零時，真空腔的真空度稱為最大真空度；

　　吸附響應時間：吸附響應時間是表明真空發生器工作性能的一個重要參數，它是指從換向閥打開到系統回路中達到一個必要的真空度的時間。

　　(2)影響真空發生器性能的主要因素

　　真空發生器的性能與噴管的最小通徑、噴管出口直徑、接收管入口形狀和通徑、擴散腔的容積、噴管與接收管之間的相對位置及氣源壓力大小等諸多因素有關。圖2 為真空發生器的真空度、真空流量、空氣消耗量與供給壓力之間的關系曲線。

　　圖中表明，供給壓力達到一定值時，真空度較高，這時吸入流量達到最大，當供給壓力繼續增加時，真空度降低，這時吸入流量減小。

　　在吸入口完全封閉的條件下，真空度與吸入流量之間的關系如圖3 所示。為獲得較為理想的真空度與吸入流量的匹配關系，可采用多級真空發生器并聯組合在一起。

　　吸附響應時間與吸附腔的容積有關(包括擴散腔，吸附管道及吸盤或密閉艙容積等)。通常其計算方程式為：

t=(V/c)^1/a

　　式中t-吸附響應時間，s；V-被抽吸空氣總容量，L；c-嚴密度系數，與吸盤和被吸附物嚴密程度相有關；a-真空發生器響應系數。

　　對一定真空度要求來說，若吸附腔的容積越小，響應時間越短；接觸表面嚴密度越大，則吸附響應時間亦越短。

(3)真空發生器的選用

　　真空發生器的選擇首先應根據吸附面的構造、表面狀況等條件估計吸入真空流量，再根據吸入真空流量的大小選擇真空發生器噴管的最小通徑；若吸附容積大，且吸附速度要快，則噴管的最小通徑應選大些。真空發生器的選擇要在滿足使用要求的前提下應盡量減小其空氣消耗量，耗氣量與壓縮空氣的工作壓力有關，壓力越大，則耗氣量越大，但真空度不會再增加，因此在確定真空度值的大小時，要注意提高系統的工作壓力與耗氣量之間的關系。

3、真空發生器在自動貼標機上的應用

　　在封裝機械中，塑料袋、紙箱和標簽等輕簿物的供送和封裝通常采用真空吸盤裝置。在永創101A 型全自動貼標機中，上標以及貼標裝置如圖4 所示。吸標轉鼓2 將空白標簽從標簽盒1 中取出，經打碼器5寫入生產時間后，再轉入貼標轉鼓3由上膠輥4 上膠水，最后將標簽貼在盒口上。在這一過程中，吸標轉鼓和貼標轉鼓均使用真空吸盤吸附標簽。該設備改進前由KRX7A -P -V-03 型真空泵提供真空源，該系統除真空泵外，還需配備電磁閥、真空開關等元件，不僅占用空間大，而且成本也很高，系統回路如圖5 所示。

　　由于該系統真空元件只能安裝在機器底部，離吸標轉鼓和貼標轉鼓較遠，吸附響應時間較長，因而限制了包裝機速度。改用真空發生器作為真空源后，系統回路如圖6 所示。該系統直接接入本機氣源，由電磁閥3控制氣路通斷；電磁閥3 得電，吸盤便可工作；電磁閥3 斷電，吸盤停止工作。由于真空發生器小巧，可安裝在吸盤附近，吸附響應時間較原系統縮短0.5s，提高了機器的工作效率。