CN103318647A

CN103318647A - 力发生装置

Info

Publication number: CN103318647A
Application number: CN2013100626701A
Authority: CN
Inventors: 黎鑫
Original assignee: LIUZHOU-SHI ZHONGJINGKEJI Co Ltd
Current assignee: LIUZHOU-SHI ZHONGJINGKEJI Co Ltd
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2013-02-28
Publication date: 2013-09-25
Also published as: US20140363275A1; WO2013127357A1; JP2013179137A

Abstract

本发明公开一种力发生装置，涉及生产制造技术领域，有杯状部件，所述杯状部件具有一端底面设置了截面为略圆形的凹部及与所述凹部的底端口相连通的吸气口，设置于所述杯状部件的凹部里的扇叶，通过所述扇叶的旋转将空气从所述吸气口吸入并在所述凹部里产生旋流，其特征在于：有计算压力及力的演算部，所述演算部计算压力及力依据：Ｐｉ（ｒ）＝１/２·ρ·ｒ^２·ω^２＋Ｃ，公式中，Ｐｉ（ｒ）为所述杯状部件在所述凹部的底端口内与所述扇叶回转中心的距离ｒ处的压力值，ρ为气体的密度，ω为旋流的角速度，C为系数，本发明的杯状部件具有演算部，演算部通过本发明给出的公式，即可能算出压力及力的大小，以便于使用者能够掌握压力和力的情况。

Description

力发生装置

技术领域

本发明涉及生产制造技术领域，尤其是一个能够非接触地向物体施力的力发生装置。

技术背景

在半导体和玻璃基板的制造过程中，有许多专门用来抓持这些工件的工具和设备。以前的工具和设备在抓持的过程中会和工件发生触碰，从而导致工件的划伤和静电的产生，从而会产生废、次品。

因此，近年，很多无触碰式的抓持工具和设备被开发并利用于生产当中。如专利“旋流式非接触吸盘”（公开号：CN101264844，公开日：2008年9月17日），该旋流式非接触式吸盘包括：杯体、内腔绕流体和喷嘴，其中：杯体内部为圆柱状孔体，内腔绕流体设于杯体的底部，杯体与内腔绕流体之间留有圆柱环状间隙，杯体近底部的侧面设有喷嘴；再如“非接触式运送装置”（公开号：CN101172540，公开日：2008年5月7日）该非接触式运送装置具有供给端口的内部构件被安装到壳体的内部，壳体与内部构件通过连接螺栓连接到一起。空气被输送到内部构件的供给端口，并经连通通道被引流到环形通道中，而后，空气被从与环形通道连通的多个引出孔沿旋流方向向外引流到面对着工件的环形凹槽中，通过使空气沿环形凹槽流动，可将工件保持在相对于内部构件的支持表面不接触的状态下，其中环形凹槽的横截面被制成大体上为梯形。这些专利无触碰式的抓持工具通过在圆筒中产生旋转的空气旋流，从而在圆筒的中心部位产生负压，并利用这个负压，将物体吸附悬浮起来。

　并且此外，本申请的发明者发明了具备有壳体形状的部件和设置在壳体形状部件的凹部内能产生旋流的扇叶的非接触式抓持装置。（专利文献：日本特开２０１１－１３８９４８号公報、中国专利申请号：201010607157.2）

　现有技术中，还有日本的专利申请文件：

　　【特许文献１】特开２００５－５１２６０号公報

　　【特许文献２】特开２００７－３２４３８２号公報

　　【特许文献３】特开２０１１－１３８９４８号公報

　这样的非接触式搬运装置或非接触式抓持装置以下通称为力发生装置，在实际的应用过程中，我们想知道力发生装置对对象物体施加吸引力或是排斥力的大小。但是，因为是非接触式的施力方式，对象物体和装置之间不存在任何接触，因此，我们没有办法通过常规手段，比如使用力传感器来直接测量作用在物体上的力的大小。

发明内容

　本发明所要解决的问题是提供一个能够推测压力分布或是力的大小的力发生装置。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：有杯状部件，所述杯状部件具有一端底面设置了截面为略圆形的凹部及与所述凹部的底端口相连通的吸气口，设置于所述杯状部件的凹部里的扇叶，通过所述扇叶的旋转将空气从所述吸气口吸入并在所述凹部里产生旋流，其特征在于：有计算压力及力的演算部，所述演算部计算压力及力依据：

Ｐｉ（ｒ）＝１／２?ρ?ｒ²?ω²＋Ｃ，公式中，Ｐｉ（ｒ）为所述杯状部件在所述凹部的底端口内与所述扇叶回转中心的距离ｒ处的压力值，ρ为气体的密度，ω为旋流的角速度，C为系数。

上述技术方案中，更具体的方案还可以是：具备至少测量一个位置的压力的压力传感器和测量所述凹部内的所述旋流旋转角速度的转速传感器，所述的演算部利用所述的至少一个位置的压力实测值及旋转速度来计算所述C值。

进一步的：所述压力传感器的检测位置在所述风扇轴处，该压力传感器检测的压力为Ｐｉ（０）。

进一步的：具有测量所述的凹部里不同半径的至少两个位置的压力的压力传感器，所述演算部至少依据这两个位置的压力实测值来计算系数C和转速的平方ω^２。

进一步的：所述的杯状部件的内侧面为圆柱面，该圆柱面的直径为Ｒ_１；所述的杯状部件的外侧面为圆柱面，该圆柱面的直径为Ｒ_２，所述演算部计算的压力及力还包括Ｐｏ（ｒ）部分，Ｐｏ（ｒ）＝Ｐｉ（Ｒ_１）／ｌｎ（Ｒ₁／Ｒ₂）ｌｎ（ｒ／Ｒ₂）。

由于采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

由于杯状部件具有演算部，演算部通过本发明给出的公式，即可能算出压力及力的大小。

附图说明

图1为本发明实施例一实施形态的非接触式抓持工具的结构示意图。

图2是图1的A-A截面图。

图3是本发明实施例一的实施形态的非接触式抓持工具的俯视图。

图4是本发明实施例二的扇叶的结构示意图。

图5是本发明实施例三的扇叶的结构示意图。

图6是本发明实施例一的压力分布图。

图7是本发明实施例一排气口与吸附工件的间距与吸力的关系图。

图8是本发明实施例四中的的结构示意图。

图9本发明实施例一杯状部件的结构示意图。

图10是实施例五的杯状部件的结构示意图。

图11是实施例六的杯状部件的结构示意图。

图12是本发明的非接触式抓持工具与压力的分布示意图。

图13是本发明实施例一的结构示意图。

图14是本发明实施例一的压力分布计算结果和压力分布实测结果。

图15是本发明实施例七的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实例对本发明作进一步详述：

如图1、图2、图3、图9和图13所示的实施例一，有杯状部件1，该杯状部件具有一端底面设置了截面为略圆形的凹部2及与凹部2的底端口相连通的吸气口3，设置于杯状部件1的凹部2里的扇叶4，通过扇叶4的旋转将空气从吸气口3吸入并在凹部2里产生旋流，该扇叶的截面为弧形体，扇叶4通过转轴5与装在杯状部件1的顶部的电机6连接，扇叶4与转轴5的夹角为0.5-20度，由于扇叶4带有弯曲的形状，能够将空气从吸气口3吸入，扇叶4有8片，电机6的转动带动扇叶4按箭头方向旋转，为了减小空气从杯状部件1的底部排出时的气阻，杯状部件1的底面内侧加工成斜面，杯状部件1的顶部还设有一个压力传感器7，该压力传感器的输出端与演算部8连接，演算部用来计算压力及力依据Ｐｉ（ｒ）＝１／２?ρ?ｒ²?ω²＋Ｃ，公式中，Ｐｉ（ｒ）为杯状部件1在凹部2的底端口内与扇叶4回转中心的距离ｒ处的压力值，ρ为气体的密度，ω为旋流的角速度，C为系数。

工件9放置于杯状部件1的底部，在这样的状态下，电机6开始旋转，旋转转速是1000-20000rpm，于是，杯状部件1的凹部2内产生旋流，旋流在杯状部件1的内部产生负压的分布，如图6所示，横轴是半径方向位置r，纵轴是压力；在杯状部件1的凹部2内形成的旋流，在离心力的作用下，杯状部件内的空气会向外周移动，从而致使中心部的空气的密度降低，压力也会降至大气压以下，这时将工件9置于杯状部件1下，负压就会作用在工件的上表面，并且负压如图6的虚线所示沿半径方向分布；由于工件上下表面存在着压力差，就会产生吸引力，工件就能被无触碰抓持工具所抓持。

图4是实施例二的扇叶，该扇叶在某一高度的地方弯折。

图5是实施例三的扇叶，该扇叶沿着转轴的旋转方向倾斜安装。

　图7是杯状部件的底部和工件之间的间距h与吸引力的关系，这个曲线显示，随着间隔的扩大，吸引力存在着上升的部分，图中的点划线表示的是工件的重力，点划线与吸引力的曲线相交于一点，也就是说在这个位置，重力和吸引力相平衡，在稳定的状态下，工件将悬浮于这个位置上。

　如果只使用一个图1的非接触式抓持工具的话，旋流有可能会带动工件一起旋转，为了防止工件的旋转，通常使用多个非接触式抓持工具来抓持一个工件，如图8的实施例二，是具有多个非接触式抓持工具，无接触式抓持装置有4个无触碰抓持工具；在图中的虚线是表示工件9，为了使作用于工件的旋转力矩相互抵消为零，4个无触碰抓持工具所形成的涡流方向不同，图中，上部的两个无触碰抓持工具产生顺时针的涡流，在下部的两个无触碰抓持工具则形成与之相反的逆时针的涡流，两组无触碰抓持工具产生的涡流方向可以互换。

图9是实施例一杯状部件沿回转轴方向的截面图，该截面呈柱形；图10是实施例五杯状部件沿回转轴方向的截面图，该截面呈略半球形；图11是实施例六杯状部件沿回转轴方向的截面图，该截面呈圆台柱形；涡流扇的扇叶4的形状要根据杯状部件的凹部形状来设计，使扇叶和凹部不发生接触。

　如图8所示，多个非接触式抓持工具能够抓取一个对工件，在实际的搬运中，非接触式抓持工具的力会有差别，因此导致工件倾斜，从而导致工件与装置发生接触。为了能实现安全地完全无接触地抓取和搬运工件，我们必须要知道各非接触抓取装置所产生的力的大小。

　并且，在实际的搬运过程中，有时候会需要抓取和搬运不同重量的工件，这种情况下，我们需要根据工件的重量来调节控制非接触式抓持工具的力，为此我们必须在不接触工件的状态下测量出工件的重量。

　在使用非接触式抓持工具来进行搬运的时候，非接触式抓持工具在抓持工件时会在垂直方向上做上下运动，如果非接触式抓持工具在垂直方向上的加速度太快，工件有可能无法跟上非接触式抓持工具的运动而掉落，为了解决这个问题，我们需要根据非接触式抓持工具的垂直方向上的移动加速度来对力进行适当的调节，因此，我们有必要对非接触式抓持工具的压力分布或是力进行推定。

　鉴于这样的实际应用要求，我们需要知道本非接触式抓持工具所产生的力，这在实际应用中非常有必要，一方面，因为非接触式抓持工具和工件之间没有接触，传统的机械方法无法对力进行测量。

因此，下面说明推定非接触式抓持工具的压力分布及力的技术。

图12显示的是本发明的非接触式抓持工具与压力的分布，r是任意位置的半径，Ｒ_１是杯状部件1的内径，Ｒ_２是杯状部件1的外径，本发明的非接触式抓持工具通过使用扇叶4能够在凹部2里产生具有均一角速度ω的空气旋流，这样的均一转速的旋流的压力分布Pi（r）在半径ｒ＜Ｒ_１的范围里，流动的惯性力，也就是旋流的离心力起支配作用，可以用下面的方程式表示：

ρ?ｒ?ω²＝ｄＰｉ（ｒ）／ｄｒ

在半径方向上对该微分方程进行积分，能得到以下的（1）式，在此，压力Pi（r）的单位是表压：

Ｐｉ（ｒ）＝１／２?ρ?ｒ²?ω²＋Ｃ　　…（１）

ρ是气体（空气）的密度，ω是杯状部件1里的旋流的角速度，C是系数；也就是，压力分布Pi（r）是抛物线形状，并且，为了能更准确地用（1）式对压力Pi（r）进行推算，扇叶4的叶片最外端和杯状部件1的侧面内壁间的间距越小越好。

本发明的实施形态的非接触式抓持工具能够产生均一转速的旋流，所以，ｒ＜Ｒ_１的范围的压力Pi（r）能够用（1）式来近似表达。

并且，在半径为Ｒ_１＜ｒ＜Ｒ_２范围里，空气的粘性起主要支配作用，压力分布Po（r）可以用下面的微分方程来表示：

　ｄ（ｒ?ｄＰｏ（ｒ）／ｄｒ）／ｄｒ＝０

在半径方向上对该微分方程进行积分，可得：

Ｐｏ（ｒ）＝Ｐｉ（Ｒ_１）／ｌｎ（Ｒ₁／Ｒ₂）ｌｎ（ｒ／Ｒ₂）　　…（２）

在此，压力Po（r）是表压，也就是说，该实施形态的非接触式抓持工具在Ｒ_１＜ｒ＜Ｒ_２的压力分布Po（r）能够用（2）式进行近似表达。

　如图13所示，演算部8是基于（1）式和（2）式来计算压力分布Pi（r）和Po（r），式（1）及式（2）里有未知参数积分系数C和角速度ω和Pi（R₁），这些位置参数会随着非接触式抓持工具和工件9间的距离的改变而发生改变。因此，非接触式抓持工具需要实时地求出未知参数Ｃ、ω、Ｐｉ（Ｒ_１），通过安装在杯状部件1上的压力传感器7和转速传感器10能实时地求取这些位置参数。

　压力传感器7以一定的采样周期测量ｒ＜Ｒ_１范围里的至少一个点的压力，并且，压力传感器7设置在杯状部件1的上面，在同一半径的位置上，杯状部件1里的压力在垂直方向上是一样的，这个我们已经通过实验调查得到验证，所以，压力传感器装在杯状部件1上方测量到的压力等同于工件9上的同一半径位置上的压力。

转速传感器10以一定的采样周期测量扇叶的转速，也就是旋流的转速，例如，转速传感器10可以选用外置的光栅编码器，也可以使用内装于电机里的Hall传感器，也可以通过检测电机的电流和电压来推算出转速。

把（1）式做变形整理可得（3）式：

Ｃ＝Ｐｉ（ｒ）－１／２?ρ?ｒ²?ω²　　　…（３）

把在半径ｒ_ｍ所测量的压力值Ｐ_ｍ和转速的测量值ω_ｍ代入（3）式可求出系数C：

Ｃ＝Ｐ_m－１／２?ρ?ｒ_m ²?ω_m ²　　　…（４）

　在图13中的非接触式抓持工具中，压力传感器7设置在ｒ_m＝０的位置上测量压力Pi（0），压力分布Pi（r）在半径ｒ＝０处的变化比较平缓，这样的话对压力传感器的安装位置的精度要求不高。也就是说，安装压力传感器的位置稍微出现点偏差，也不会对（1）式所计算的压力分布结果产生太大的影响。

并且，在这种情况下，（4）式可以简化成（４’）式，所测得的压力值Ｐ_ｍ和系数C是一致的。

Ｃ＝Ｐ_m　　　…（４’）

也就是，非接触式抓持工具可利用（１’）式来计算压力分布Ｐｉ（ｒ）。

Ｐｉ（ｒ）＝１／２?ρ?ｒ²?ω_m ²＋Ｐ_m　　…（１’）

　求出系数C的话，就能求出半径ｒ＜Ｒ_１范围的压力分布Ｐｉ（ｒ）。求出Ｐｉ（ｒ）后，就能计算出半径ｒ＝Ｒ_１的压力Ｐｉ（Ｒ_１）,有了Ｐｉ（Ｒ_１），就能够根据（2）式计算出半径Ｒ_１＜ｒ＜Ｒ_２的压力分布Po（r）。

图14是基于（1）式所计算的压力分布和实际测量的实验结果的比较，实线（i）是实测值，虚线（ii）是计算值。除了在半径位置ｒ＝Ｒ₁的附近出现了少许误差，计算值都非常好地与实测值相吻合。

　本发明的非接触式抓持工具所产生的力可以通过对面积求（1）式和（2）式的积分来求取，计算式如下：

Ｆ＝∫₀ ^R1［２πｒ?Ｐｉ（ｒ）］ｄｒ＋∫_R1 ^R2［２πｒ?Ｐｏ（ｒ）］ｄｒ　　　…（５）

演算部8是根据（5）式来计算非接触式抓持工具所产生的力。

　如图15所示的实施例七，杯状部件21上具有演算部28和两个压力传感器27a和27b。

压力传感器27a，27b安装在ｒ＜Ｒ_１的区域里，与中心的距离不一样，至少需要在两个位置ｒ_m1、ｒ_m2安装压力传感器，用于测量压力Ｐ_m1、Ｐ_m2。

演算部28用至少两个位置的压力测量值Ｐ_m1、Ｐ_m2来计算系数C和角速度的平方ω²。2个位置上的压力测量值Ｐ_m1、Ｐ_m2通过下面的两个方程式来计算系数C以及ω²。

Ｐ_m1＝１／２?ρ?ｒ_m1 ²?ω²＋Ｃ　　…（１ａ）

Ｐ_m2＝１／２?ρ?ｒ_m2 ²?ω²＋Ｃ　　…（１ｂ）

　实施例七中的非接触式抓持工具，压力传感器27a设置在ｒ_m＝０的位置上测量压力Ｐ_ｍ１，压力分布Pi（r）在半径ｒ＝０处的变化比较平缓，这样的话对压力传感器的安装位置的精度要求不高，也就是说，安装压力传感器的位置稍微出现点偏差，也不会对（1）式所计算的压力分布结果产生太大的影响，并且，压力实测值Ｐ_m1就等于系数C，这简化了计算处理。

ω²的计算可以通过（6）式进行求取：

ω²＝２?（Ｐ_m2－Ｐ_m1）／ｒ_m2 ²　　　…（６）

　压力传感器27b安装在ｒ_m2＝Ｒ₁的位置上用来测量压力Ｐ_m2。

　演算部28求出ω²和Ｃ后，并基于（1）式和（2）式来计算压力分布Pi（r）和Po（r），并且，演算部28对面积积分压力分布Pi（r）和Po（r），就可以计算出非接触式抓持工具施加给工件的力的大小。

　以上就是关于能够推定出压力分布P（r）和力F的非接触式抓持工具的说明，基于这个非接触式抓持工具，就能够结算处压力分布P（r）和力F。

　工件静止或是匀速运动时，演算部所推定的力F就是非接触式抓持工具的重量，也就是说，这个实施形态的非接触式抓持工具能够测量出工件的重量，于是，我们知道了对象物体的重量，我们就能够知道在垂直方向上做加速或是减速运动时惯性力的大小，从而能够适当地控制电机的转速，从而能够适当地控制作用于工件的力F。

　因为能够推定出力F的大小，我们就能够用力的推定值来构建力的负反馈控制系统，也就是说，利用演算部所推定的力F和力的目标值之间的差来对电机进行转速的控制，通过对电机的控制，我们就能够适当地控制作用于工件的力F。比如，在非接触式抓持工具在垂直方向上运动时，我们通过运动的加速度情况来对力F进行控制，从而防止工件掉落或是与非接触式抓持工具发生局部的接触。

实施形态以非接触式抓持工具的应用为例说明了非接触抓取工件，但是，本发明并不限于这一用途，比如，非接触式抓持工具可以产生排斥力，排斥力是图12所显示的压力分布的积分值为正的时候所产生的力。

因此，非接触式抓持工具能够准确把握装置作用于物体上的力，是非接触地施力于工件的力发生装置，并且，非接触式抓持工具也能够作为非接触的重力计或是非接触的力测量装置来使用。

Claims

1.一种力发生装置，有杯状部件，所述杯状部件具有一端底面设置了截面为略圆形的凹部及与所述凹部的底端口相连通的吸气口，设置于所述杯状部件的凹部里的扇叶，通过所述扇叶的旋转将空气从所述吸气口吸入并在所述凹部里产生旋流，其特征在于：有计算压力及力的演算部，所述演算部计算压力及力依据：

2.根据权利要求1所述的力发生装置，其特征在于：具备至少测量一个位置的压力的压力传感器和测量所述凹部内的所述旋流旋转角速度的转速传感器，所述的演算部利用所述的至少一个位置的压力实测值及旋转速度来计算所述C值。

3.根据权利要求2所述的力发生装置，其特征在于：所述压力传感器的检测位置在所述风扇轴处，该压力传感器检测的压力为Ｐｉ（０）。

4.根据权利要求1所述的力发生装置，其特征在于：具有测量所述的凹部里不同半径的至少两个位置的压力的压力传感器，所述演算部至少依据这两个位置的压力实测值来计算系数C和转速的平方ω^２。

5.根据权利要求4所述的力发生装置，其特征在于：所述压力传感器的检测位置在所述风扇轴处，该压力传感器检测的压力为Ｐｉ（０）。

6.根据权利要求4所述的力发生装置，其特征在于：所述的杯状部件的内侧面为圆柱面，该圆柱面的直径为Ｒ_１；所述的杯状部件的外侧面为圆柱面，该圆柱面的直径为Ｒ₂，所述演算部计算的压力及力还包括Ｐｏ（ｒ）部分，Ｐｏ（ｒ）＝Ｐｉ（Ｒ_１）／ｌｎ（Ｒ_１／Ｒ_２）ｌｎ（ｒ／Ｒ_２）。