高速电动真空夹具的设计与研究

《Vacuum》：Design and research of a high-speed electric vacuum gripper

　　针对平面轻质物体抓取需求，提出一种融合Coanda效应的高速电动夹爪，通过高速电机驱动叶片旋转产生负压吸附，解决传统气动吸盘依赖气源的问题。结构设计包含旋转腔、引射腔和负压区，经Fluent仿真分析气流特性，优化结构参数提升吸附力。实验平台验证显示，该夹爪较传统结构提升20%吸附力，且具有结构紧凑、无需气源、适应性强等优势。

　　

孙中生|张宇琪

南京工业大学，南京，210094，中国

摘要

为了实现对平面轻质物体的抓取并具有较高的提升力，同时消除气动吸盘对空气源的依赖，本文提出了一种利用科恩达效应的新型高速电动夹具。首先详细描述了其工作原理，并介绍了结构设计。使用流体动力学软件研究了夹具内部的气流特性。其次，分析了结构因素对夹具提升力的影响，以获得更优的结构。最后，建立了一个提升力实验平台来验证仿真结果，并与其他没有科恩达结构的电动夹具进行了比较。结果表明，该电动夹具能够以更高的提升力抓取目标物体，基于科恩达效应，提升力提高了20%。

引言

随着技术的进步，气动技术已广泛应用于智能制造生产线中。气动处理技术作为气动技术的一个重要方面，利用压缩空气来移动和操纵物体[1,2]。通过与机械臂等机构的结合，它可以连续抓取适合大小的物体，如机械零件和食品包装[3]。然而，在纺织行业中，它无法有效抓取皮革、纸张、织物等柔性目标。在半导体行业中，抓取液晶面板、塑料片、半导体器件等扁平轻质物品时，不可避免地会对其表面质量造成影响或损坏。因此，为了扩大气动处理技术在半导体、电子、服装等行业的应用，研究人员提出了各种非接触式气动吸盘来抓取织物和扁平轻质物体。

非接触式气动吸盘主要包括伯努利吸盘和涡流吸盘。Tokisue H [4] 设计了一种伯努利型吸盘，用于防止在半导体行业中处理晶圆时发生污染。Shi Kaige [5] 开发了伯努利吸盘间隙内气流的数学模型，发现吸盘直径和提升间隙对提升力有显著影响。Babur Ozcelik [6] 进行了伯努利吸盘提升织物的实验，证明了非接触式织物抓取的可行性。然而，伯努利吸盘在运行过程中存在能耗高的缺点。为了降低能耗，Li Xin [7] 提出了一种通过气流湍流产生负压的涡流真空吸盘。Zhao Jianghong [8,9] 发现气流不均匀会导致正负压分布不均，从而在间隙中产生回流，降低了涡流吸盘的最大提升力。为了提高吸盘的提升力，Chandran Csa [10] 研究了喷嘴角度、喷嘴数量和涡流气腔形状对涡流吸盘性能的影响，并优化了结构。Liu Hanbang [11] 将科恩达效应与非接触式吸盘结合，实现了多尺寸服装织物的抓取并提高了提升力。Li Jianxin [12] 进行了研究，通过仿真得出了更好的结构参数，以增加科恩达效应真空发生器的最大真空度。然而，上述研究尚未完全克服吸盘对空气供应的依赖性，这使其不适用于空间狭小且需要移动的工作环境。因此，Li Xin [13] 提出了一种电动涡流真空吸盘，利用电动机驱动旋转叶片，结合气体的离心运动在吸盘内部产生负压。Dong Lujian [14] 通过去除腔室和工件周围的气流进出口优化了电动涡流真空吸盘的结构，从而减少了夹具中的真空泄漏，并能有效提升表面粗糙度较高的物体。Wang Qing [15] 设计了一种轴向流动的电动吸盘，以减少提升过程中的不稳定性。电动吸盘可以解决依赖气体源等设备的问题；然而，它们通常具有较大的吸盘和较低的吸力。

总之，为了解决电动吸盘吸力低的问题，本文提出了一种电动真空夹具。通过结合科恩达效应和由高速电机驱动的叶片旋转来产生提升力，该设计相比非接触式气动吸盘具有优势，例如不需要空气源、结构简单且易于移动。与电动升降夹具相比，所提出的夹具由小型高速无刷电机驱动。更高的叶片旋转速度提高了提升力，同时减小了夹具的尺寸，而周边的附壁结构有助于增强提升力和稳定性。最后，通过数值仿真和实验验证了结构设计的有效性。本文中使用的参数名称见表1。

章节片段

原理设计

图1展示了电动真空夹具的工作原理。该夹具主要由圆柱形外壳、附接结构、电机和叶片组成，分为旋转腔室、捕获腔室和负压区。当夹具工作时，高速电机驱动叶片逆时针旋转，气流从底部被吸入旋转腔室。进入旋转腔室后，气流被加速

数值仿真

为了验证夹具抓取目标物体的有效性，并指导结构改进和优化，建立了夹具内部流场的数值模型，并分析了各种因素对提升力的影响。

提升测试平台

提升测试平台如图9所示。测试平台包括夹紧部分、移动部分和测量部分。电动夹具由3D打印机打印的两个夹紧板固定，并固定在移动部分上。夹具与测量部分之间的距离通过千分尺调节。驱动叶片的电机是高速无刷电机，其速度由电机控制板上的电位器控制。

结论

本文介绍了电动夹具的方案，并系统描述了其工作原理。使用流体分析软件对夹具内的流场进行仿真，获得了压力和速度分布轮廓。通过仿真和实验分析了各种参数对提升力的影响。

(1)

仿真和实验结果表明，结构参数对提升力有显著影响。更高的叶片速度和更小的

资助

感谢国家自然科学基金（项目编号：51475242）的财政支持。

作者贡献声明

孙中生：撰写 – 审稿与编辑。张宇琪：撰写 – 原始草稿。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。