一般來(lái)說(shuō),由真空發(fā)生器構(gòu)成的真空系統(tǒng)在工作時(shí)需要連續(xù)的供氣,空氣消耗量很大,為節(jié)省能源,可選用小直徑的噴嘴;另一方面,自動(dòng)化生產(chǎn)線的動(dòng)作節(jié)拍通常對(duì)真空發(fā)生器的響應(yīng)時(shí)間提出了較高的要求,此時(shí)需要選用大直徑的噴嘴。針對(duì)這一矛盾,文中構(gòu)建了一種由兩個(gè)真空發(fā)生器構(gòu)成的雙噴嘴真空系統(tǒng),根據(jù)系統(tǒng)不同的真空狀態(tài),可實(shí)現(xiàn)雙噴嘴和單噴嘴之間的切換。對(duì)真空切換控制方法進(jìn)行的仿真和實(shí)驗(yàn)研究表明,將雙噴嘴真空系統(tǒng)的切換真空度值確定為等于(或略小于)由響應(yīng)時(shí)間所對(duì)應(yīng)的真空度值是比較合適的。對(duì)雙噴嘴真空系統(tǒng)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,與單噴嘴真空系統(tǒng)相比,在一定的控制條件下,該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)和低耗氣量。

1、引言

　　由真空發(fā)生器構(gòu)成的氣動(dòng)真空系統(tǒng),由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、價(jià)格低、安裝使用方便等特點(diǎn),被廣泛地應(yīng)用于電子、半導(dǎo)體、食品機(jī)械、印刷機(jī)械、汽車組裝、自動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械、機(jī)器人等工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。真空發(fā)生器是利用拉瓦爾噴管的原理,當(dāng)供氣壓力高于一定值時(shí),噴管射出超聲速射流,在氣體黏性的作用下,卷吸負(fù)壓腔內(nèi)的氣體,從而形成真空的氣動(dòng)元件。因此,利用真空發(fā)生器產(chǎn)生真空時(shí),需要對(duì)其進(jìn)行連續(xù)的供氣,空氣消耗量很大。近年來(lái),人們?cè)絹?lái)越重視對(duì)真空發(fā)生器真空系統(tǒng)的節(jié)能研究。如日本的某株式會(huì)社開(kāi)發(fā)的一種集真空噴嘴、單向閥和真空開(kāi)關(guān)于一體的真空發(fā)生器,在一定的控制方法下,1個(gè)運(yùn)送周期內(nèi),與相同尺寸單一噴嘴的真空發(fā)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(duì)氣密性工件的搬運(yùn),對(duì)木板、紙板等材質(zhì)疏松工件的搬運(yùn)并不適用。另一方面,真空發(fā)生器作為自動(dòng)機(jī)械的一部分,必須滿足自動(dòng)機(jī)械的動(dòng)作和節(jié)拍要求,這就對(duì)真空發(fā)生器的響應(yīng)速度提出了更高的要求。因此,研究快速響應(yīng)低耗氣的真空節(jié)能系統(tǒng)具有十分現(xiàn)實(shí)的意義。

　　一般地,采用大直徑噴嘴的真空發(fā)生器,由于排氣量大,真空響應(yīng)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(fèi)。反之,采用小直徑噴嘴的真空發(fā)生器,可以減少空氣消耗量,但響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。針對(duì)這一矛盾,文中提出了一種雙噴嘴真空系統(tǒng),旨在實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)的同時(shí)減少系統(tǒng)的空氣消耗量,滿足自動(dòng)化生產(chǎn)線上生產(chǎn)節(jié)拍要求,同時(shí)達(dá)到良好的節(jié)能效果。

2、雙噴嘴真空系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

　　雙噴嘴真空系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作過(guò)程為:接通氣源,真空發(fā)生器1 、2共同抽取真空,此時(shí)為真空抽取階段;當(dāng)真空度達(dá)到真空壓力開(kāi)關(guān)設(shè)定的真空度值時(shí),真空壓力開(kāi)關(guān)輸出控制信號(hào)控制電磁閥3、4,切斷真空發(fā)生器2 的供氣,此時(shí),真空發(fā)生器1繼續(xù)工作,為真空保持階段。

圖1 　雙噴嘴真空系統(tǒng)回路圖

3、真空發(fā)生器真空切換控制方法研究

3.1、數(shù)學(xué)模型的建立

　　圖2 為真空發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖,主要由噴管、負(fù)壓腔、擴(kuò)散腔等組成。真空發(fā)生器工作時(shí),管內(nèi)氣體的流動(dòng)可近似地認(rèn)為是一維可壓縮的絕熱流動(dòng)過(guò)程。

圖2 　真空發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖

　　設(shè)p1為配管及吸盤(pán)內(nèi)真空腔的壓力, p2為真空發(fā)生器擴(kuò)散口的壓力, b為臨界壓力比。當(dāng)p2/p1≤b 時(shí),真空腔內(nèi)氣體由大氣壓p0降到p1所需的時(shí)間為:

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

　　當(dāng)1≥p2/p1>b 時(shí),真空腔內(nèi)氣體由p10降到p1所需的時(shí)間為:

　　式中, p10為由聲速放氣變?yōu)閬喡曀俜艢獾呐R界壓力,其余符號(hào)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(duì)雙噴嘴真空系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。圖3a 為供給壓力0.48 MPa ,真空壓力開(kāi)關(guān)設(shè)定值為57kPa ,真空腔容積為0.07L ,兩噴嘴直徑分別為0.5mm(對(duì)應(yīng)圖1 中的真空發(fā)生器1,下同) 和1.3mm (對(duì)應(yīng)圖1中的真空發(fā)生器2,下同)時(shí),雙噴嘴真空系統(tǒng)真空度的實(shí)驗(yàn)曲線與仿真曲線對(duì)比。可以看出,仿真曲線較好地吻合了實(shí)驗(yàn)曲線。

　　對(duì)于雙噴嘴真空系統(tǒng),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(shí)雙噴嘴真空系統(tǒng)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(tǒng)的性能。因此,需要選擇最佳的切換真空度值。

圖3 　系統(tǒng)的真空度仿真曲線

　　2) 實(shí)驗(yàn)研究

　　為了確定雙噴嘴真空系統(tǒng)的最佳切換真空度值,對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。這里我們規(guī)定：在相同供給壓力下,以達(dá)到最大真空度63%的時(shí)間作為系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間,系統(tǒng)在工作時(shí)間ts內(nèi)的空氣消耗量作為耗氣量。

　　圖4a給出了雙噴嘴真空系統(tǒng)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(shè)定為47kPa 、57kPa 、67 kPa 和77kPa時(shí)的真空度實(shí)驗(yàn)曲線。圖4b 給出了同樣條件下該系統(tǒng)的供給流量實(shí)驗(yàn)曲線。

圖4 　實(shí)驗(yàn)曲線

　　由圖4a可以看出,在0.48MPa 的供給壓力下,系統(tǒng)的最大真空度約為91kPa ,按照前面的規(guī)定,以真空度到達(dá)63%×91≈57kPa 的時(shí)間作為響應(yīng)時(shí)間。當(dāng)切換真空度為47kPa 時(shí),系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間約為0.125 s ,實(shí)際上,這個(gè)時(shí)間比由噴嘴直徑為1.0 mm 的真空發(fā)生器構(gòu)成的單噴嘴真空系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間0.113s(見(jiàn)圖5a) 還要長(zhǎng)。因此,47kPa 是不應(yīng)當(dāng)確定為最佳切換真空度值。當(dāng)切換真空度值為57kPa、67kPa 和77kPa 時(shí),系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)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(tǒng)的動(dòng)態(tài)流量增加,導(dǎo)致了系統(tǒng)耗氣量的增加。綜合考慮快速響應(yīng)和低耗氣量?jī)蓚�(gè)方面的要求,對(duì)該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),在供氣壓力為0.48 MPa時(shí),可將切換真空度值確定為57kPa ,即對(duì)應(yīng)于由響應(yīng)時(shí)間所確定的真空度值。

　　通過(guò)以上的分析,我們認(rèn)為將切換真空度值確定為等于(考慮電磁閥的響應(yīng)時(shí)間時(shí)可略小于) 由響應(yīng)時(shí)間所對(duì)應(yīng)的真空度值是比較合適的。

4、雙噴嘴真空系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究

　　對(duì)圖1 所示的雙噴嘴真空系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng)2) 進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。系統(tǒng)中選用了噴嘴直徑分別為0.5 mm和1.3 mm 的2種真空發(fā)生器。為比較該系統(tǒng)的性能,選用噴嘴直徑為1.0mm 的真空發(fā)生器構(gòu)成單噴嘴真空系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng)1)進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

圖5 　系統(tǒng)1 、2 的實(shí)驗(yàn)曲線

4.1、響應(yīng)時(shí)間的比較分析

　　圖5a 所示為供給壓力0.48MPa，系統(tǒng)2中切換真空度值為57kPa時(shí),系統(tǒng)1、系統(tǒng)2的真空度實(shí)驗(yàn)曲線。從圖5a 中可以看出,在0.48MPa的供給壓力下,系統(tǒng)2的響應(yīng)時(shí)間為0.071s ,系統(tǒng)1 的響應(yīng)時(shí)間為0.113s ,系統(tǒng)2的響應(yīng)時(shí)間小于系統(tǒng)1的響應(yīng)時(shí)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(tǒng)2中切換真空度值為57kPa 時(shí),系統(tǒng)1 與系統(tǒng)2在1s時(shí)間段內(nèi)供給流量的實(shí)驗(yàn)曲線。

　　對(duì)供給流量實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行積分可得系統(tǒng)的耗氣量。圖5c 表示了20s內(nèi)各個(gè)時(shí)刻系統(tǒng)1、2的耗氣量�？梢钥闯�,系統(tǒng)2的耗氣量明顯低于系統(tǒng)1的耗氣量。而且,隨著系統(tǒng)工作時(shí)間的延長(zhǎng),這種差異將越來(lái)越大。

5、結(jié)論

　　文中構(gòu)建了一種雙噴嘴真空系統(tǒng), 根據(jù)系統(tǒng)不同的真空狀態(tài),可實(shí)現(xiàn)雙噴嘴和單噴嘴之間的切換。對(duì)真空切換控制方法進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究,認(rèn)為將雙噴嘴真空系統(tǒng)的切換真空度值確定為等于(或略小于) 由響應(yīng)時(shí)間所對(duì)應(yīng)的真空度值是比較合適的。對(duì)雙噴嘴真空系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究表明,與單噴嘴真空系統(tǒng)相比,在一定的控制條件下,該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)和低耗氣量。