CN103496589A

CN103496589A - 物体吸附装置

Info

Publication number: CN103496589A
Application number: CN201310366707.XA
Authority: CN
Inventors: 黎鑫
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-08-21
Filing date: 2013-08-21
Publication date: 2014-01-08

Abstract

本发明公开了一种物体吸附装置，包括横截面为圆形的壳体，壳体内有横截面为圆形的腔体，腔体具有一个封闭端面和一个开口端面，所述的开口端面形成吸附物体的端面，所述的封闭端面上安装有电机，设置在腔体内的扇叶连接电机的输出轴，其特征在于：所述的封闭端面呈气密状态，所述的扇叶沿所述的腔体的轴线呈直线分布，在工作时所述的开口端面的圆周上的壳体可以在接触或是不接触物体的情况下对物体施予吸附力。本发明能够广泛适用于吸附、抓持物体，适用表面粗糙度较大的物体，也能够适应物体倾斜的情况；同时具有吸附力大、耗能小的优点。

Description

物体吸附装置

技术领域

本发明涉及一种产生吸附力的装置设备。

背景技术

在对一些精密元件，如半导体晶圆、液晶玻璃基板等，进行吸附搬运时，我们常常采用“非接触式吸附装置”来进行。

日本专利JP2009-298331，下称现有技术一，其工作原理如图1所示，该机构通过电机驱动圆筒状壳体内的扇叶使空气产生旋转，空气旋转所产生的离心力在壳体内形成一定程度的真空，从而能够吸附起下方的平滑的板状物体。另外，机构的壳体上方有吸气孔，分布于电机的周围；并且，扇叶上端具有微小的弯折部分，因此，当扇叶旋转的时候，会产生一股由上而下的气流(图1中的箭头所示)，该气流通过物体和机构之间的间隔排出。因为气流从物体和机构之间的间隔排出，所以物体在被吸附的时候与壳体不发生任何接触。图1下方是压力分布图。壳体内的旋转气流在离心力的作用下产生凹陷的压力分布，且中心的大部分面积的压力处于负压状态；而当空气流经壳体和物体之间的外周缝隙时，在空气的粘性摩擦的作用下形成正压分布。

图2是吸附力和（装置与物体之间的）间距的关系。当间距很小的时候所产生的是排斥力；随着间距的逐渐增加，吸附力开始形成并逐渐增大，并在某一间距处达到最大值；随着间距的进一步增加，吸附力呈慢慢减小的变化趋势。

中国发明专利号201010607157.2是在上述现有技术的基础上进一步改良的一种非接触吸附装置，如图3所示。该中国专利探究了机壳上的吸气口大小与吸附间距的关系，流经和吸附机构之间的空气流量决定了和机构之间的间距，也就是说，流量越大，间距越大；流量越小，间距越小。基于这一特点，该中国发明专利提出了吸气口面积可变的设计方案，如图3所示。该装置在吸气孔上方加上了一个可以手动或附加电机驱动的旋转面板。

因为现有技术一有圆柱腔体上方有吸气口，并且扇叶具有弯曲的形状，因此，当扇叶沿着弯曲方向旋转时，除了产生旋转的流动，即图1中标注的旋转气流，之外，还会将空气从吸气孔吸入并从圆柱腔体下方排出，见图1中标注的向下气流和缝隙气流。接下来，我们针对向下气流和缝隙气流对吸附力所产生的影响进行详细描述。

上述现有技术的缺点是：

1、扇叶高速旋转时，扇叶的弯曲部分挤压空气使空气产生向下的速度分量；这一向下的速度分量使得空气对下方的物体产生一个冲击的作用，也就是说，这一速度分量会作用一个向下的力在物体上，这无疑会削弱整体的吸附力。

2、扇叶驱动空气旋转，空气旋转后产生离心力，圆柱腔体中心部的空气在离心力的作用下流向外周，于是圆柱腔体中心部的空气变得稀薄（也就是形成了负压）。但是，从吸气孔源源不断流入的空气对于中心部空气稀薄的区域形成一个“补给效应”，这必然会提高中心部的空气密度从而削弱负压。

3、空气从吸气孔流入圆柱腔体时并不具有半径方向的速度分量，也不具有圆周方向的切线速度分量。因此，被吸入的空气将在半径方向和圆周方向做加速运动。在半径方向的加速会导致离心力效果的减弱，从而影响腔体内的压力凹陷的程度。另外，被吸入的空气在圆周方向的加速则会增加扇叶旋转时的阻力，该阻力必然会降低扇叶的转速，从而也会减弱腔体内的压力凹陷的程度。

4、被吸入的空气最后会从圆柱腔体的下方排出。如果下方吸附着物体，被吸入的空气则流经外周和物体之间的狭窄缝隙排出大气。当空气流经狭窄缝隙时，在壁面的粘性阻力的作用下会形成正的压力分布。这个正的压力分布不仅会作用一个向下的排斥力在物体上，还会整体拉高圆柱腔体内的凹陷的压力分布，从图1的压力分布中可以看出，腔体内的凹陷的压力分布的外周部分处于正压的状态。并且，缝隙的间距越小，正压的分布越高，从而导致所产生的排斥力就越大。因此，物体和现有技术一的间距很小的情况，发明专利技术一将无法产生吸附力，只能产生排斥力，如图2所示。

5、当物体发生倾斜，或是当吸附物体的表面凹凸不平的时候（如图5a，5b），物体和圆柱腔体的外周之间的缝隙的粘性阻力就不再轴对称，这会导致吸入的空气在向外排出的时候产生不均匀流动，缝隙宽的地方空气流出量大，缝隙窄的地方空气流出量小，这样一种不对称的流动会导致吸附力的不对称；下方的物体受作用于一个不对称的吸附力就会容易产生振动，导致吸附变得不稳定。

因此，现有技术存在吸附力不足、在微小间距或是零间距的情况下无法产生吸附力、耗能大、吸附力不稳定的缺陷。

上述现有技术的总体构思都受制于传统的风机设计格局，装置内必须形成清晰的风力循环路线，但是空气的进出循环会带来以上诸多缺点。

传统的真空吸盘吸附抓持，如真空吸盘吸附玻璃基板等，要求物体表面的平整光滑度很高，以便进行真空吸附；如果物体表面粗糙的话，吸盘内的真空会吸入空气（下称真空泄露），吸附力将会随着粗糙度的增加而急剧下降，如图4a。真空泄露还会使吸附力随着吸盘于物体之间的间距的增加急剧下降，如图4b。并且，因真空泄露所产生的空气流动会导致吸附力不稳定及物体振动的问题。因此，对于被吸附物体的表面粗糙或是凹凸不平整的物体情况，或是吸附装置与被吸附物体之间存在着间距的情况，真空吸盘都不适用。因此，存在一种客观的需要，要求一种能够吸附表面粗糙及凹凸不平整的物体，或是在吸附装置和物体之间存在间距的情况下也能够产生吸附力的吸附装置。

发明内容

本发明是一种产生吸附力的吸附装置，该吸附装置能够克服现有吸附技术对物体表面平整度要求高、吸附力不稳定、应用范围小、能耗大的缺陷，同时，本发明还能实现在吸附装置和物体之间存在间距的情况下也能够产生并保持吸附力。

本发明的吸附装置如图6所示，包括横截面为圆形的壳体，壳体内有横截面为圆形的腔体，腔体具有一个封闭端面和一个开口端面，所述的开口端面形成吸附物体端面，所述的封闭端面上安装有电机，设置在腔体内的扇叶连接电机的输出轴，其特征在于：所述的封闭端面呈气密状态，所述的扇叶沿所述的腔体的轴线呈直线分布，在工作时所述的开口端面的圆周上的壳体与被吸附物体发生接触或是不发生接触。

进一步，所述的扇叶在水平方向上可以呈弯曲状态，如图9所示。经过实验证明，这样的扇叶形状能够有效地减缓吸附力随着物体的平整度或是间距的增加而下降的趋势。

本发明在工作时，壳体内的腔体没有吸进气流也没有流出气流，没有风力循环路线，通常会认为其不能形成吸附效应，但是本发明意外地发现：本发明不仅能够产生吸附效应，而且能够大幅度提高吸附力，实现稳定的吸附效果。

本发明的扇叶的旋转，旋转空气的离心力在腔体内产生负压，本发明的吸附力来自于腔体内的负压。同时，如图7所示，本发明在腔体内部形成一个凹陷的负压分布，最外周的压力非常接近大气压，对于外部空气没有抽吸作用，这是本发明的吸附机理不同于真空吸盘的地方。因此，如图4a所示，本发明吸附力随着物体表面粗糙度/不平整度的增加而下降的幅度非常小；如图4b所示，当本发明装置与物体之间存在间距的情况，本发明的吸附力随着间距的增加而下降的幅度非常小。只要物体被吸附时不碰及扇叶的情况，本发明就可以将其吸附，无需虑及物体表面粗糙程度，或是物体表面凹凸不平整的情况，或是物体和吸附装置之间存在间距的情况所引起的真空泄露，也可以不用虑及下方的物体发生倾斜所带来的吸附力严重不对称的问题。本发明在以上所述的情况下都能够有效地产生吸附力并实现稳定地吸附抓持物体。

本发明的优点是：能够广泛适用于吸附、抓持表面粗糙不平整的物体，也能够适用于吸附装置和物体之间存在间距的情况下的吸附，并且，具有吸附力大，吸附效果稳定，耗能低，也能够适应物体倾斜的情况。

附图说明

图1是日本专利JP2009-298331的工作原理图。

图2是日本专利JP2009-298331和本发明的吸附力与间距的关系。

图3是中国发明专利201010607157.2号的结构示意图。

图4a是真空吸盘和本发明的吸附力和物体表面平整度的关系。

图4b是真空吸盘和本发明的吸附力和间距的关系。

图5a是物体发生倾斜时现有技术一不稳定吸附的示意图。

图5b是物体表面凹凸不平时现有技术一不稳定吸附的示意图。

图6是本发明的结构示意图。

图7是本发明与现有技术一之间的压力分布的比较图。

图8本发明与现有技术一之间的腔体内的压力凹陷程度的比较图。

图9为本发明中扇叶的一种设计形状的示意图。

其中2，为壳体，4，为腔体，6，为吸气孔，8，为扇叶，10，为电机，100为图1的整个装置。

具体实施方式

参照附图：

物体吸附装置，包括横截面为圆形的壳体1，壳体内有横截面为圆形的腔体11，腔体11具有一个封闭端面和一个开口端面，所述的开口端面形成吸附端面，所述的封闭端面上安装有电机2，设置在腔体11内的扇叶12连接电机2的输出轴，所述的封闭端面呈气密状态，所述的扇叶12沿所述的腔体的轴线呈直线分布，在工作时所述的开口端面的圆周上的壳体可接触，也可以不接触所吸附的物体3。

按照前文所述，现有技术的向下气流和缝隙气流对于吸附力产生了影响。本发明没有吸气孔，扇叶在垂直方向上也没有弯折的部分，因此就不会吸入空气，也不会产生向下气流和缝隙气流，从而能够从根本上解决上述不良影响。

本申请通过实验发现，如图8所示，本发明在隔断吸入空气的流量的情况下，在相同功率下，所产生的压力凹陷要大于存在空气吸入流量的情况。很明显，压力凹陷的程度越大，所形成的负压分布就越接近真空，自然吸附力就会变得越大。

图7是本发明与现有技术一的压力分布比较，该结果非常清楚地显示了没有吸气孔和扇叶弯折时的压力分布整体大幅低于现有技术一。并且，因为本发明装置的外周壳体和物体之间不存在空气的流动，所以在外周壳体处不会产生正压的分布。图7的比较结果清楚地显示，本发明的压力分布整体大幅低于现有技术一，因此能够大幅提高吸附力。并且，在吸附装置和物体之间存在着一定间距的情况，图2显示，本发明能够在间距很小的情况下产生吸附力，而现有技术一在小间距的情况下吸附力急剧减小，无法产生吸附力。

本发明的扇叶旋转后，旋转的空气的离心力使腔体内产生负压，本发明的吸附力来自于腔体内的负压。同时本发明的腔体内部对于外部空气没有抽吸作用，这是本发明的吸附机理不同于真空吸盘的地方。由此，只要物体在被吸附时不碰及扇叶的情况，本发明就可以产生吸附力，无需虑及物体表面粗糙程度，或是物体表面凹凸不平整的情况，或是物体和吸附装置之间存在间距的情况所引起的真空泄露问题，也可以不用虑及下方的物体发生倾斜所带来的吸附力严重不对称的问题。本发明在上述情况下都能够产生吸附力实现稳定地吸附抓持物体。

Claims

1.物体吸附装置，包括横截面为圆形的壳体，壳体内有横截面为圆形的腔体，腔体具有一个封闭端面和一个开口端面，所述的开口端面形成吸附物体的端面，所述的封闭端面上安装有电机，设置在腔体内的扇叶连接电机的输出轴，其特征在于：所述的封闭端面呈气密状态，所述的扇叶沿所述的腔体的轴线呈直线分布，在工作时所述的开口端面的圆周上的壳体可以在接触或是不接触物体的情况下对物体施予吸附力。

2.如权利要求1所述的物体吸附装置，其特征在于：所述的扇叶在水平方向上呈弯曲状态。