一般來說,由真空發生器構成的真空系統在工作時需要連續的供氣,空氣消耗量很大,為節省能源,可選用小直徑的噴嘴;另一方面,自動化生產線的動作節拍通常對真空發生器的響應時間提出了較高的要求,此時需要選用大直徑的噴嘴。針對這一矛盾,文中構建了一種由兩個真空發生器構成的雙噴嘴真空系統,根據系統不同的真空狀態,可實現雙噴嘴和單噴嘴之間的切換。對真空切換控制方法進行的仿真和實驗研究表明,將雙噴嘴真空系統的切換真空度值確定為等于(或略小于)由響應時間所對應的真空度值是比較合適的。對雙噴嘴真空系統進行的實驗結果表明,與單噴嘴真空系統相比,在一定的控制條件下,該系統可實現快速響應和低耗氣量。

1、引言

　　由真空發生器構成的氣動真空系統,由于結構簡單、體積小、價格低、安裝使用方便等特點,被廣泛地應用于電子、半導體、食品機械、印刷機械、汽車組裝、自動搬運機械、機器人等工業生產的各個領域。真空發生器是利用拉瓦爾噴管的原理,當供氣壓力高于一定值時,噴管射出超聲速射流,在氣體黏性的作用下,卷吸負壓腔內的氣體,從而形成真空的氣動元件。因此,利用真空發生器產生真空時,需要對其進行連續的供氣,空氣消耗量很大。近年來,人們越來越重視對真空發生器真空系統的節能研究。如日本的某株式會社開發的一種集真空噴嘴、單向閥和真空開關于一體的真空發生器,在一定的控制方法下,1個運送周期內,與相同尺寸單一噴嘴的真空發生器相比,空氣消耗量可減少80 %左右。但這種方法只適用于對氣密性工件的搬運,對木板、紙板等材質疏松工件的搬運并不適用。另一方面,真空發生器作為自動機械的一部分,必須滿足自動機械的動作和節拍要求,這就對真空發生器的響應速度提出了更高的要求。因此,研究快速響應低耗氣的真空節能系統具有十分現實的意義。

　　一般地,采用大直徑噴嘴的真空發生器,由于排氣量大,真空響應速度較快,但維持真空并不需要很大的排氣量,因此造成浪費。反之,采用小直徑噴嘴的真空發生器,可以減少空氣消耗量,但響應時間較長。針對這一矛盾,文中提出了一種雙噴嘴真空系統,旨在實現快速響應的同時減少系統的空氣消耗量,滿足自動化生產線上生產節拍要求,同時達到良好的節能效果。

2、雙噴嘴真空系統的結構

　　雙噴嘴真空系統的結構如圖1所示。其工作過程為:接通氣源,真空發生器1 、2共同抽取真空,此時為真空抽取階段;當真空度達到真空壓力開關設定的真空度值時,真空壓力開關輸出控制信號控制電磁閥3、4,切斷真空發生器2 的供氣,此時,真空發生器1繼續工作,為真空保持階段。

圖1 　雙噴嘴真空系統回路圖

3、真空發生器真空切換控制方法研究

3.1、數學模型的建立

　　圖2 為真空發生器的結構示意圖,主要由噴管、負壓腔、擴散腔等組成。真空發生器工作時,管內氣體的流動可近似地認為是一維可壓縮的絕熱流動過程。

圖2 　真空發生器結構示意圖

　　設p1為配管及吸盤內真空腔的壓力, p2為真空發生器擴散口的壓力, b為臨界壓力比。當p2/p1≤b 時,真空腔內氣體由大氣壓p0降到p1所需的時間為:

　　式中V為真空腔容積; T0為真空腔的初始溫度;s 為擴散口面積; R為氣體常數。

　　當1≥p2/p1>b 時,真空腔內氣體由p10降到p1所需的時間為:

　　式中, p10為由聲速放氣變為亞聲速放氣的臨界壓力,其余符號同式(1) 。

3.2、真空切換控制方法的研究

　　1) 仿真研究

　　利用上述的理論分析模型,首先,對雙噴嘴真空系統進行了仿真研究。圖3a 為供給壓力0.48 MPa ,真空壓力開關設定值為57kPa ,真空腔容積為0.07L ,兩噴嘴直徑分別為0.5mm(對應圖1 中的真空發生器1,下同) 和1.3mm (對應圖1中的真空發生器2,下同)時,雙噴嘴真空系統真空度的實驗曲線與仿真曲線對比�？梢钥闯�,仿真曲線較好地吻合了實驗曲線。

　　對于雙噴嘴真空系統,由真空抽取階段切換到真空保持階段的真空度值我們稱為切換真空度。圖3b給出了供給壓力為0.48 MPa ,真空腔容積為0.07 L ,兩噴嘴直徑分別為0.5 mm 和1.3 mm ,切換真空度分別為47kPa、57kPa、67kPa、77kPa時雙噴嘴真空系統真空度的仿真曲線。從圖3b上可以看出,選取不同的切換真空度值將影響雙噴嘴真空系統的性能。因此,需要選擇最佳的切換真空度值。

圖3 　系統的真空度仿真曲線

　　2) 實驗研究

　　為了確定雙噴嘴真空系統的最佳切換真空度值,對該系統進行了實驗研究。這里我們規定：在相同供給壓力下,以達到最大真空度63%的時間作為系統的響應時間,系統在工作時間ts內的空氣消耗量作為耗氣量。

　　圖4a給出了雙噴嘴真空系統在供給壓力為0.48MPa ,兩噴嘴直徑分別為0.5mm 和1.3mm ,切換真空度值分別設定為47kPa 、57kPa 、67 kPa 和77kPa時的真空度實驗曲線。圖4b 給出了同樣條件下該系統的供給流量實驗曲線。

圖4 　實驗曲線

　　由圖4a可以看出,在0.48MPa 的供給壓力下,系統的最大真空度約為91kPa ,按照前面的規定,以真空度到達63%×91≈57kPa 的時間作為響應時間。當切換真空度為47kPa 時,系統的響應時間約為0.125 s ,實際上,這個時間比由噴嘴直徑為1.0 mm 的真空發生器構成的單噴嘴真空系統的響應時間0.113s(見圖5a) 還要長。因此,47kPa 是不應當確定為最佳切換真空度值。當切換真空度值為57kPa、67kPa 和77kPa 時,系統的響應時間基本相同,為0.071s。另一方面,由圖4b可知,隨著切換真空度值的提高,系統的動態流量增加,導致了系統耗氣量的增加。綜合考慮快速響應和低耗氣量兩個方面的要求,對該實驗系統,在供氣壓力為0.48 MPa時,可將切換真空度值確定為57kPa ,即對應于由響應時間所確定的真空度值。

　　通過以上的分析,我們認為將切換真空度值確定為等于(考慮電磁閥的響應時間時可略小于) 由響應時間所對應的真空度值是比較合適的。

4、雙噴嘴真空系統的實驗研究

　　對圖1 所示的雙噴嘴真空系統(以下簡稱系統2) 進行了實驗研究。系統中選用了噴嘴直徑分別為0.5 mm和1.3 mm 的2種真空發生器。為比較該系統的性能,選用噴嘴直徑為1.0mm 的真空發生器構成單噴嘴真空系統(以下簡稱系統1)進行了對比實驗。

圖5 　系統1 、2 的實驗曲線

4.1、響應時間的比較分析

　　圖5a 所示為供給壓力0.48MPa，系統2中切換真空度值為57kPa時,系統1、系統2的真空度實驗曲線。從圖5a 中可以看出,在0.48MPa的供給壓力下,系統2的響應時間為0.071s ,系統1 的響應時間為0.113s ,系統2的響應時間小于系統1的響應時間。

4.2、耗氣量的比較分析

　　圖5b 所示為供給壓力為0.48 MPa ,系統2中切換真空度值為57kPa 時,系統1 與系統2在1s時間段內供給流量的實驗曲線。

　　對供給流量實驗曲線進行積分可得系統的耗氣量。圖5c 表示了20s內各個時刻系統1、2的耗氣量�？梢钥闯�,系統2的耗氣量明顯低于系統1的耗氣量。而且,隨著系統工作時間的延長,這種差異將越來越大。

5、結論

　　文中構建了一種雙噴嘴真空系統, 根據系統不同的真空狀態,可實現雙噴嘴和單噴嘴之間的切換。對真空切換控制方法進行了仿真和實驗研究,認為將雙噴嘴真空系統的切換真空度值確定為等于(或略小于) 由響應時間所對應的真空度值是比較合適的。對雙噴嘴真空系統的實驗研究表明,與單噴嘴真空系統相比,在一定的控制條件下,該系統可實現快速響應和低耗氣量。