小型真空拾取器被廣泛應(yīng)用于輕質(zhì)小型元器件的搬運(yùn)機(jī)構(gòu)之中。通常要求真空吸取器在執(zhí)行搬運(yùn)作業(yè)時(shí)其拾取動作盡可能迅速,其總響應(yīng)時(shí)間為閥門動作、抽氣降壓和工件運(yùn)動三部分響應(yīng)時(shí)間之和。本文通過理論推導(dǎo)得到了工件運(yùn)動響應(yīng)時(shí)間的計(jì)算公式。借助fluent 軟件,模擬計(jì)算了抽氣管道內(nèi)的氣體擴(kuò)散降壓流動過程,并討論了真空管道長度與直徑、儲氣罐容積等因素對抽氣響應(yīng)時(shí)間的影響。計(jì)算結(jié)論指出了提高真空拾取器響應(yīng)速度的有效途徑。

小型真空拾取器在IT 行業(yè)中被廣泛應(yīng)用于輕質(zhì)小型元器件(如石英晶片、片式電阻電容元件、小型集成塊等) 的搬運(yùn)機(jī)構(gòu)之中。生產(chǎn)過程通常要求真空拾取器在執(zhí)行搬運(yùn)作業(yè)時(shí)其拾取動作盡可能迅速,以提高生產(chǎn)效率。已有學(xué)者研究了采用真空發(fā)生器的拾取器系統(tǒng)的吸附響應(yīng)時(shí)間,本文將以采用真空泵的真空拾取器系統(tǒng)為對象,針對拾取動作響應(yīng)時(shí)間及其影響因素,開展理論分析和計(jì)算研究。

1、真空拾取器結(jié)構(gòu)與工作原理

真空拾取器系統(tǒng)由吸盤、抽氣管道、換向閥門、儲氣罐、主真空管路等部分組成,如圖1 所示。

圖1 　真空拾取器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

　　　1 —工件樣品;2 —真空吸盤;3 —抽氣管道;4 —三通電磁閥;5 —儲氣罐;6 —主管路

從控制系統(tǒng)發(fā)布拾取動作命令開始,到真空吸盤將工件樣品完全吸牢為止,整個拾取過程的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間t 包括三部分:真空閥門接受命令至完全導(dǎo)通的動作響應(yīng)時(shí)間t1 、真空管道開始抽氣降壓至工件樣品開始移動的抽氣響應(yīng)時(shí)間t2 和工件樣品運(yùn)動至真空吸盤并吸牢的樣品運(yùn)動時(shí)間t3 。即

t = t1 + t2 + t3 　　　(s) (1)

其中閥門動作響應(yīng)時(shí)間t1 是由所選擇元件的自身特性所決定的,能夠由生產(chǎn)廠家提供其數(shù)據(jù),通常在幾十毫秒之內(nèi)。而抽氣響應(yīng)時(shí)間t2 和樣品運(yùn)動時(shí)間t3 ,則完全是由真空拾取器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)所決定的,下面分別加以計(jì)算。

2、工件樣品運(yùn)動時(shí)間的計(jì)算

在忽略工件樣品的不平整度等實(shí)際因素的近似下,樣品在吸盤下方的受力為

式中d —吸盤口的有效內(nèi)徑(m) ; P0 —環(huán)境大氣壓力(10⁵ Pa) ; P —吸盤入口區(qū)域的氣體平均壓力(Pa) ; m —工件樣品的質(zhì)量(kg) ; g —重力加速度(9.8 m·s ^{- 2} ) 。樣品發(fā)生運(yùn)動的初始條件(以下標(biāo)s 為標(biāo)記)為

通過對流動的氣體沿圖1 中P0 點(diǎn)至P 點(diǎn)的流線應(yīng)用伯努利方程 ,可以算得對應(yīng)的氣體流量為

其中ρ—大氣的密度(～1.20kg·m^{- 3}) ;δ—樣品到吸盤的初始距離(m) ;

本文后面的計(jì)算表明,在樣品開始運(yùn)動之后(取F=0 時(shí)為時(shí)間原點(diǎn)t = 0) ,吸盤內(nèi)的氣體平均壓力隨時(shí)間近似成線性降低趨勢,即有:

式中α—壓力遞減系數(shù)( s - 1) 。將式(5) 代入式(2) ,于是樣品運(yùn)動過程中的受力規(guī)律及運(yùn)動方程為

經(jīng)運(yùn)算可以得到樣品由開始運(yùn)動到被吸盤吸附所需的時(shí)間為

分析式(7)可知,樣品運(yùn)動時(shí)間主要受樣品質(zhì)量、吸盤內(nèi)徑、樣品與吸盤間距離、以及抽氣管道的壓力遞減系數(shù)的影響。舉例計(jì)算,當(dāng)m = 2 g , d = 3mm ,δ= 2 mm ,α= 346 s ^{- 1} ,則樣品啟動壓力ps = 97.2kPa ,啟動流量qs = 1.28 L ·s ^{- 1} , 運(yùn)動時(shí)間t3 =4.66ms。

3、抽氣響應(yīng)時(shí)間的模擬計(jì)算

真空拾取器的抽氣降壓響應(yīng)時(shí)間t2 完全取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù),包括真空吸盤的結(jié)構(gòu)形狀與尺寸、抽氣管道的長度與直徑、閥門的通導(dǎo)能力、儲氣罐容積、以及真空泵通過主管路對儲氣罐的抽速和所能達(dá)到的本底真空度。

選擇采用Fluent 軟件對系統(tǒng)內(nèi)部的氣體擴(kuò)散流動過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。針對所要模擬的真空拾取器系統(tǒng),完全按照其真實(shí)尺寸建立計(jì)算模型。建模時(shí)將抽氣管道簡化為長直圓管;真空閥門也簡化為一段直圓管道,其出口設(shè)為壓力出口邊界條件,利用UDF 編程將壓力關(guān)于時(shí)間的變化考慮到計(jì)算中;儲氣罐內(nèi)壓力開始取為本底壓力;在距離真空吸盤足夠遠(yuǎn)的大氣環(huán)境處,取無限遠(yuǎn)恒壓邊界條件。計(jì)算時(shí)選用耦合隱式非穩(wěn)態(tài)求解器, 湍流模型選擇S2A. 模型。計(jì)算時(shí)間步長為0.001s ,迭代次數(shù)為20 步。

圖2 　真空拾取器的FLUENT模型　　圖3 　真空拾取器入口壓力與抽氣時(shí)間的關(guān)系曲線