CN104786229B - 三维吸盘 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维吸盘，包括吸盘本体，所述的吸盘本体内具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，所述的腔体的壁面上设置有与压缩气源连接的切向喷嘴，所述的腔体的开口端面设置有上小下大的空心圆台，所述的空心圆台的上端开口与所述的腔体的开口端面的开口重合；所述的空心圆台的内侧面上开设有螺旋状沟槽，所述的螺旋状沟槽形成固定的排气通道，所述的螺旋状沟槽连通内部腔体与外周环境。本发明能够吸附三维物体，螺旋状沟槽的设置抑制了物体表面不规整形状对排气的影响；同时，空气沿着螺旋状沟槽排出时，周向速度分量得以最大限度的保持。

Description

三维吸盘

技术领域

本发明涉及一种三维吸盘。

背景技术

以食品产业的蔬果、面包产品生产线为例，为了对三维立体的物体(如：苹果、西红柿、面包等)实施分拣、装箱等操作，我们需要有效的抓取工具。目前市场现有的三维物体装夹工具主要有机械夹具和橡胶真空吸盘。

机械夹具，通常具有能够开合的两块或多块夹板，通过加力收紧夹板来实现夹取操作，存在以下问题：1、机械夹具与物体之间形成点接触，容易产生应力集中的问题；2、当被抓取的物体是柔软材质的物体时，如西红柿、蛋糕等，机械夹具容易造成物体损伤；3、机械夹具的零部件众多，在使用过程中存在磨损，从而导致日常维护、维修工作繁重。

橡胶真空吸盘，利用真空泵或真空发生器将吸盘内部抽吸成负压来对物体进行吸附，具有结构简单、易于维护的优点，是食品生产线上常用的抓取工具。但是，因为真空吸盘内部的负压和外部的大气压之间存在着巨大的压力差，所以，一旦吸盘边缘产生缝隙(即便是很微小的缝隙)，压力差都会吸入大量的空气从而导致吸力大幅下降。这个问题在吸附抓取粗糙表面的工件或是具有不规则三维立体形状的物体时尤为突出，橡胶吸盘不可能和被吸附的工件表面完全贴合。并且，在一些有残渣、汁液的情况下(比如食品生产线)，残渣、汁液等杂物会被吸入真空管路中造成堵塞。

专利公开号CN3640313，公开了一种吸盘，如图1a、1b和图1c所示，在其圆筒形腔体1’的壁面上加工了两个切线喷嘴11’，流体喷出后沿着圆筒形腔体的壁面流动形成旋转流动12’，旋转流动的离心力使腔体内部形成低于吸盘外周环境压力的低压分布，从而能够实现吸附下方的板状工件2’。但是该技术存在着以下缺陷：

1、从喷嘴进入腔体的流体将会从该吸盘的下方排出，因此，该吸盘在吸起下方工件的同时会和工件保持一定的间距，吸盘底面外缘和工件之间形成缝隙，流体流入该缝隙并经该缝隙排出。这导致了该吸盘和工件没有发生接触，因此，该吸盘无法给工件在横向上提供摩擦力，没有横向的摩擦力，工件就无法在横向跟随吸盘移动。

2、当流体流经吸盘底面外缘和工件之间的缝隙流道时，在粘性的作用下会形成高于外周环境压力的高压分布(参见图1c)，底面外缘的高压分布不仅会对下方的工件施加一个排斥力，而且还会使得腔体内的低压分布向高压方向移动，这些都导致吸力的减弱。

3、当下方的工件表面比较粗糙或是凹凸不平整时，工件表面和吸盘底面外缘所组成的缝隙流道的流阻会增加，并且，如果工件的表面粗糙程度是不规则的话，流阻在圆周方向上也是不规则的，即有些地方的流阻会大些，有些地方的流阻会小些。于是，流体在流经这样的流道时必然发生紊乱(参见图2a和2b)，这会导致吸力急剧下降且吸附变得不稳定。研究发现，吸盘底面外缘的压力分布与腔体内的低压分布是一个连动的关系，也就是说，外缘的压力分布变得紊乱，腔体内的低压分布也会变得紊乱，从而导致吸力变得不稳定。而且，工件的表面变得粗糙还导致流体排出时的流阻增加，底面外缘所形成的高于环境压力的高压分布还会继续增大，作用在工件上的排斥力增加，同时，还会使得腔体内的低压分布向高压方向移动。这些因素最终导致吸力急剧减小且变的不稳定。

4、当工件是柔软材质时，工件在腔体内的低压作用下发生变形从而导致中心部分陷入腔体内。这样的变形很有可能导致工件和吸盘发生局部接触(参见图3)。发生局部接触的部位无法排出流体，从而导致了流体排出时在圆周方向上严重不对称，发生混乱。流体排出时的混乱会破坏腔体内的流体旋转的状态，其结果就是导致吸力大幅下降。

5、在吸附三维物体时(如椭球形状的物体)，气旋流所形成的负压的施力面积就是圆筒型腔体的横截面积，专利公开号CN3640313公开的吸盘的下端吸附面为一个平面，因此在吸附三维物体时存在一定的缺陷。

发明内容

为了克服现有三维物体装夹工具存在的上述缺陷，本发明提供一种吸力受工件表面的粗糙度及柔软度影响较小的三维吸盘。

本发明采用的技术方案是：

三维吸盘，包括吸盘本体，所述的吸盘本体内具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，所述的腔体的壁面上设置有与压缩气源连接的切向喷嘴，其特征在于：所述的腔体的开口端面设置有上小下大的空心圆台，所述的空心圆台的上端开口与所述的腔体的开口端面的开口重合；所述的空心圆台的内侧面上开设有螺旋状沟槽，所述的螺旋状沟槽形成固定的排气通道，所述的螺旋状沟槽连通内部腔体与外周环境。

本发明通过在吸盘本体的下方设置一个空心圆台，空心圆台结构能够扩展负压的作用面积。虽然气旋流同时也会沿着圆台结构向下扩展，这会导致气旋流的旋转速度在一定程度上有所下降，但是，负压作用面积是与半径尺寸的二次方成正比关系，因此，负压作用面积的扩展不仅能够抵消空气旋转速度下降所带来的负面效果，还能够有效地增大吸附力。

在空心圆台的内侧面上开设有用于排气的螺旋状沟槽，螺旋状沟槽形成固定的排气通道，该排气通道连通吸盘内部腔体和外周环境。因此，螺旋状沟槽的设置抑制了物体表面不规整形状对排气的影响；同时，空气沿着螺旋状沟槽排出时，周向速度分量得以最大限度的保持，这一设计最大限度地发挥了旋转流动的离心力效果和扩展了旋转气流的负压区域，其有益效果在于提升了吸力。

上述如果没有螺旋状沟槽的话，旋转的空气只能通过物体和圆台内壁面之间的缝隙排出，这会带来如下问题：(1)如果物体是表面光滑、形状规则的物体，那么物体和圆台内壁面之间会形成一定的间距用于排气，即两者处于不接触状态，这会导致物体在旋转空气的驱动下发生旋转，从而使吸附变得不稳定。(2)如果物体是表面、形状不规则的物体，物体和圆台内壁面之间会形成不规则的缝隙分布，从而导致了周向的排气流阻不均匀，流阻小的地方排气顺畅，但是，流阻大的地方就会形成空气滞留，从而导致局部高压区域的形成，局部高压区域会产生排斥力，整体上产生削弱吸力的负面效果；(3)根据我们的研究发现，腔体内的旋转空气的压力分布与外周排气处的压力是一个连动的关系，也就是说，排气处的压力分布升高，这也会导致腔体内的低压分布升高，从而导致吸力变小。

本发明的有益效果体现在：

1、在吸盘本体的下方设置一个空心圆台，空心圆台结构能够扩展负压的作用面积。虽然气旋流同时也会沿着圆台结构向下扩展，这会导致气旋流的旋转速度在一定程度上有所下降，但是，负压作用面积是与半径尺寸的二次方成正比关系，因此，负压作用面积的扩展不仅能够抵消空气旋转速度下降所带来的负面效果，还能够有效地增大吸附力。

2、在空心圆台的内侧面上开设有用于排气的螺旋状沟槽，螺旋状沟槽形成固定的排气通道，该排气通道连通吸盘内部腔体和外周环境。因此，螺旋状沟槽的设置抑制了物体表面不规整形状对排气的影响；同时，空气沿着螺旋状沟槽排出时，周向速度分量得以最大限度的保持，这一设计最大限度地发挥了旋转流动的离心力效果和扩展了旋转气流的负压区域，其有益效果在于提升了吸力。

附图说明

图1a专利公开号CN3640313公开的吸盘的前视剖面图。

图1b是专利公开号CN3640313公开的吸盘的俯视图。

图1c是专利公开号CN3640313中流体流经工件和吸盘底面外缘之间的流道所产生的正压分布图。

图2a是专利公开号CN3640313公开的吸盘在吸附表面比较粗糙或凹凸不平的工件时的示意图。

图2b是上述图2a中的局部放大图(流体在流经缝隙流道时发生紊乱)。

图3是是专利公开号CN3640313公开的吸盘在吸附柔软物体时的示意图。

图4a是本发明正视剖面图。

图4b是本发明俯视图。

图4c是本发明螺旋状沟槽的结构示意图。

图5a是空心圆台的内侧面上未设置螺旋状沟槽时吸附表面不规整物体时空气流动示意图。

图5b是本发明吸附椭球形状物体时的空气流动示意图。

具体实施方式

参照图4a至4c和图5b，三维吸盘，包括吸盘本体，所述的吸盘本体内具有横截面为圆形的腔体1，腔体具有一个封闭端面和一个开口端面，所述的腔体1的壁面上设置有与压缩气源连接的切向喷嘴11，所述的腔体1的开口端面设置有上小下大的空心圆台3，所述的空心圆台3的上端开口与所述的腔体1的开口端面的开口重合；所述的空心圆台3的内侧面上开设有螺旋状沟槽31，所述的螺旋状沟槽31形成固定的排气通道，所述的螺旋状沟槽31连通内部腔体与外周环境。

通过在吸盘本体的下方设置一个空心圆台3，空心圆台结构能够扩展负压的作用面积。虽然气旋流同时也会沿着圆台结构向下扩展，这会导致气旋流的旋转速度在一定程度上有所下降，但是，负压作用面积是与半径尺寸的二次方成正比关系，因此，负压作用面积的扩展不仅能够抵消空气旋转速度下降所带来的负面效果，还能够有效地增大吸附力。

在空心圆台的内侧面上开设有用于排气的螺旋状沟槽，螺旋状沟槽形成固定的排气通道，该排气通道连通吸盘内部腔体和外周环境。因此，螺旋状沟槽的设置抑制了物体表面不规整形状2对排气的影响；同时，空气沿着螺旋状沟槽排出时，周向速度分量得以最大限度的保持，这一设计最大限度地发挥了旋转流动的离心力效果和扩展了旋转气流的负压区域，其有益效果在于提升了吸力。

上述如果没有螺旋状沟槽的话，如图5a所示，在吸起表面、形状不规则的物体时，旋转的空气只能通过物体和圆台内壁面之间的缝隙排出，这会带来如下问题：(1)物体和圆台内壁面之间的缝隙分布不规则，从而导致了周向的排气流阻不均匀，流阻小的地方排气顺畅，但是，流阻大的地方就会形成空气滞留，从而导致局部高压区域的形成，局部高压区域会产生排斥力，整体上产生削弱吸力的负面效果；(2)根据我们的研究发现，在排气的地方出现局部高压还会使旋腔里的负压分布向正压区域移动，这也会大幅削弱吸力。此外，如果被吸附的物体是光滑表面且形状规则的物体的话，没有螺旋沟槽的圆台的内壁面和物体之间会形成一定的间距用于排气，即两者处于不接触状态，这会导致物体在旋转空气的驱动下发生旋转，从而使吸附变得不稳定。而通过增设螺旋沟槽能够解决排气问题，如图5b所示，从而提高了吸附的稳定性。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (1)

1.三维吸盘，包括吸盘本体，所述的吸盘本体内具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，所述的腔体的壁面上设置有与压缩气源连接的切向喷嘴，其特征在于：所述的腔体的开口端面设置有上小下大的空心圆台，所述的空心圆台的上端开口与所述的腔体的开口端面的开口重合；所述的空心圆台的内侧面上开设有螺旋状沟槽，所述的螺旋状沟槽形成固定的排气通道，所述的螺旋状沟槽连通内部腔体与外周环境。