小型真空拾取器被廣泛應用于輕質小型元器件的搬運機構之中。通常要求真空吸取器在執(zhí)行搬運作業(yè)時其拾取動作盡可能迅速,其總響應時間為閥門動作、抽氣降壓和工件運動三部分響應時間之和。本文通過理論推導得到了工件運動響應時間的計算公式。借助fluent 軟件,模擬計算了抽氣管道內的氣體擴散降壓流動過程,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時間的影響。計算結論指出了提高真空拾取器響應速度的有效途徑。

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

1、真空拾取器結構與工作原理

　　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)結構示意圖

　　　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)響應時間t 包括三部分:真空閥門接受命令至完全導通的動作響應時間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時間t2 和工件樣品運動至真空吸盤并吸牢的樣品運動時間t3 。即

t = t1 + t2 + t3 　　　(s) (1)

　　其中閥門動作響應時間t1 是由所選擇元件的自身特性所決定的,能夠由生產廠家提供其數據,通常在幾十毫秒之內。而抽氣響應時間t2 和樣品運動時間t3 ,則完全是由真空拾取器系統(tǒng)的結構和工藝參數所決定的,下面分別加以計算。

2、工件樣品運動時間的計算

　　在忽略工件樣品的不平整度等實際因素的近似下,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 —工件樣品的質量(kg) ; g —重力加速度(9.8 m·s ^{- 2} ) 。樣品發(fā)生運動的初始條件(以下標s 為標記)為

　　通過對流動的氣體沿圖1 中P0 點至P 點的流線應用伯努利方程 ,可以算得對應的氣體流量為

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

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

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

　　經運算可以得到樣品由開始運動到被吸盤吸附所需的時間為

　　分析式(7)可知,樣品運動時間主要受樣品質量、吸盤內徑、樣品與吸盤間距離、以及抽氣管道的壓力遞減系數的影響。舉例計算,當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} , 運動時間t3 =4.66ms。

3、抽氣響應時間的模擬計算

　　真空拾取器的抽氣降壓響應時間t2 完全取決于系統(tǒng)的結構和工藝參數,包括真空吸盤的結構形狀與尺寸、抽氣管道的長度與直徑、閥門的通導能力、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到的本底真空度。

　　選擇采用Fluent 軟件對系統(tǒng)內部的氣體擴散流動過程進行了數值模擬。針對所要模擬的真空拾取器系統(tǒng),完全按照其真實尺寸建立計算模型。建模時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,其出口設為壓力出口邊界條件,利用UDF 編程將壓力關于時間的變化考慮到計算中;儲氣罐內壓力開始取為本底壓力;在距離真空吸盤足夠遠的大氣環(huán)境處,取無限遠恒壓邊界條件。計算時選用耦合隱式非穩(wěn)態(tài)求解器, 湍流模型選擇S2A. 模型。計算時間步長為0.001s ,迭代次數為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間的關系曲線