图2.1 功能原理图
真空吸盘工作原理：真空的产生可以是由电动机、真空泵以及各种真空器件所组成的真空系统来提供，也可以由压缩空气通过真空发生器所产生的二次真空来提供。前者需要配置独立的真空系统，而后者可以利用一般生产过程中已有的空气压缩系统。因此，特别在各种包装作业过程中，利用二次真空方法显得十分方便、经济。
真空发生器的原理是：压缩空气通过收缩的喷嘴后，从喷嘴喷射出的高速气流卷吸周围的静止流体和它一起向前流动，从而在接受室形成负压，诱导二次真空。这样的真空系统，尤其对于不需要大流量真空的工况条件更显出它的优越性。用真空吸盘来抓取物体，可以根据物体的不同形状来实现任意角度的传递。以下将从两种特殊位置，即水平和垂直两个方向，对真空吸盘的受力进行动态分析。 （三）真空吸盘式气动机械手工艺方案
设计一套真空吸盘式气动机械手，它采用圆柱坐标型的运动形式，气压传动，PLC系统控制。功能原理先进，动作可靠，结构合理，安全经济，满足生产要求。
主要技术参数：吸持力2kg；自由度数为3；运动形式为圆柱坐标；手臂伸缩行程范围0-300mm，手臂升降行程范围0-200mm；手臂回转行程范围0-180o；定位方式为定位块；控制方式为点位式、PLC控制；驱动方式为气压传动系统。
机械手的动作循环（工件平放）：真空吸盘吸取工件-大臂上升-大臂回转-手臂延伸-真空吸盘放下工件-手臂收缩-大臂反转-大臂下降。
（四）真空吸盘式气动机械手方案设计
（1）对于真空吸盘式气动的机械手，其工件的运动只需较少的自由度就能完成。
6
气液联合控制和电液联合控制则使系统和结构上很复杂，故采取气压传动方式。
（2）本机械手是专用自动机械手，选择智能控制方式中的PLC程序控制方式，这样可以使机械手的结构更加紧凑和完美。
（3）本机械手的执行系统是手部机构。手部机构形式多样，但综合其总体构型，可分为：气吸式、电磁式和钳爪式3种。根据本组合机床加工工件的特征，选择气吸式（真空吸盘式）手部结构。
（4）常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种: 直角坐标型机械手、圆柱坐标型机械手、球坐标(极坐标)型机械手、多关节型机机械手。其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小，且根据本机械手坐标形式分析分析本机械手臂的运动形式及其组合情况，采用圆柱坐标形式。因此方案确定机械手采用气压传动方式，PLC控制，真空吸盘式手部结构，圆柱坐标形式。
7
三 真空元件的设计及参数计算
（一）真空吸盘吸持工件的动力学分析
在产品包装、物体传输和机械装配等自动作业线上 ,使用真空吸盘来抓取物体的案例越来越多。柔而有弹性的吸盘可以很方便地实现诸如工件的吸持、脱开、传递等搬运功能 ,并确保不损坏其作用之对象。而吸持力靠真空系统维持 ,真空的产生可以是由电动机、真空泵以及各种真空器件所组成的真空系统来提供，也可以由压缩空气通过真空发生器所产生的二次真空来提供。前者需要配置独力的真空系统 ,而后者可以利用一般生产过程中已有的空气压缩系统。因此 ,特别在各种包装作业过程中,利用二次真空方法显得十分方便、经济。真空发生器的原理是 压空气通过收缩的喷腾后 ,从喷嘴喷射出的高速气流卷吸周围的静止流体和它一起向前流动 ,从而在接受室形成负压 ,诱导二次真空。这样的真空系统,尤其对于不需要大流量真空的工况条件更显出它的优越性。真空发生器的结构及参数设计 ,可以根据需的真空度设计出所需的真空发生器。用真空吸盘来抓取物体 ,可以根据物体的不同形状实现任意角度的传递。 在此次设计中，工件平放；故从水平方向对真空吸盘的受力分析进行动态分析。如图3.1所示为真空吸盘用于水平位置工作时的安装方位。在图3.1吸盘水平安装时 ,除了要吸持住工件负载外 ,还应该考虑吸盘移动时因工件的惯性力对吸力的影响。
图3.1 真空吸盘的安装位置
8
（二）真空吸盘的选取
为了确保真空吸盘能完成给定的任务,需考虑一定的安全系数,根据理论和实践经验,真空吸盘的安全系数N一般取2.5，因此,许用提升重量= 理论提升重量/N=垂直提升力/N
表3.1 吸盘直径、面积、垂直提升力参数表
吸盘垂直提升力（N） 吸盘直径D(mm) 10 吸持面积（cm2） 吸盘垂直提升力（N）（-0.04MPa） 13 1.33 5.32 16 2.01 8.04 20 3.14 12.56 25 4.91 19.64 32 8.04 32.16 40 12.6 50.4 50 19.6 78.4 0.785 3.14 由上表可知，当工件重量为2kg时，许用提升重量为19.6N，欲使安全系数达到要求，只需满足
垂直提升力许用提升重量 ?2.5 （3.1） 即可，由表3.1选取吸盘直径为40mm即可满足
考虑到吸附物的可吸附尺寸（面），所选的吸盘直径应设定为大于所需吸盘直径（D）因吸盘在吸附时会变形，吸盘的外径将增加10%左右。
因为真空压力会使吸盘变形，所以吸附面积要比吸盘直径小。变形度根据吸盘的材质，形状，橡胶的硬度而有区别，因此，在计算得出吸盘直径时需留出余量。安全系数中包括变形部分。
吸盘直径虽表示吸盘的外径，但利用真空压力吸附物体时，因真空压会使橡胶变形，吸附面积也会随之缩小。缩小后的面积即称为有效吸附面积，此时的吸盘直径即称为有效吸盘直径。
根据真空压力，吸盘橡胶的厚度以及与吸附物的摩擦系数等不同，有效吸盘直径也会有差异，一般情况可预估会缩小10%。
综合上述，所选吸盘参数为：吸盘直径D=40mm， 吸盘吸持面积A=12.6，吸盘个数n=1，真空压力P=0.04MPa。
9
（三）真空发生器设计
真空发生器用于产生真空，结构简单，体积小，无可动机械部件，安装和使用都很方便，因此应用很广泛，真空发生器产生的真空度可达到88kpa，真空发生器的工作原理如图3.2所示。它是由先收缩后扩张的拉瓦尔喷管1、负压腔2、和接收管3等组成，有供气口、排气口和真空口，当供气口的供气压力高于一定值后，喷管射出的超声速射流。由于气体的粘性，高速射流卷吸走负压腔内的气体，使该腔形成很低的真空度，在真空口A处接上真空吸盘，靠真空压力和吸盘吸取物体。
图3.2 真空发生器的结构原理图
真空发生器的结构简单，无可动机械部件，故使用寿命长。
真空发生器的耗气量是指供给拉伐尔喷管的流量，它不但由喷嘴的直径决定，还与供气压力有关。同意喷嘴直径，其耗气量随供气压力的增加而增加，如图3.3所示。喷嘴直径是选择真空发生器的主要依据。喷起直径越大，抽吸流量和耗气量就越大，真空度越低；喷嘴直径越小，抽吸流量和耗气量越小，真空度越高。
10