TWI571418B - 真空抓持器 - Google Patents

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Description

真空抓持器
本發明關於一種真空抓持器(Vakuum-Greifer，英：vacuum-grasper)，特別是用於將表面易損的工作物例如太陽能電池、晶圓或扁平螢幕用的面板乾淨俐落地抓持者，同樣也可用於將具有很光滑的表面之重的玻璃板或由其他材料構成的板(它們要互相堆疊及由上拿掉者)抓持者。
真空抓持器係一般習知者，且用於一些使用情形，亦即在結構上配合所要抓持的工作物，如果其目的在將表面易受損的工作物抓持，則需特別措施，俾在抓持時不損壞工作物表面。
基本上真空抓持器可分二類：
有一類真空抓持器係放到工作物上且在抓持過程開始時與工作物表面呈機械方式接觸，換言之，該抓持器設有密封唇(Dichtlippen，英：sealing lips)，它們造成工作物表面與抓持器之間密封。因此當在抓持器內產生真空時，外界的空氣壓力會把工作物頂向該密封唇上。由於這種大的面積壓力，會使工作物表面發生不想要的變化。
另一類真空抓持器係對應地設計成從一距離外將工作物吸到抓持器頭(Greiferkopt，英：grasper head)上且以無接觸的方式保持在抓持器面附近。這種效應，舉例而言係用以下方式達成：將抓持器表面設計成空氣軸承 (Luftlager，英：air bearing)形式，該空氣軸承可利用一噴嘴場(Düsenfeld，英：nozzle field)產生，壓縮空氣從該噴嘴場流出，或利用一種振動的板所產生，如文獻歐洲專利EP 387808 B1所述，該文獻全文可作參考。
如果工作物懸掛在真空抓持器表面上，則它被外界定氣壓力頂向抓持器表面。但利用空氣軸承可防止與抓持器表面接觸，因此工作物只會在抓持器表面下方一般預定距離漂浮，因此不會接觸到工作物表面，但這種功能方式只適用於靜。但在抓持過程時就有以下問題：
要作吸取，則需提高吸取功率，以將工作物舉起。人們希望在工作物達到其終位置之前將吸取功率減少，否則會有一種危險：該被加速的工作物由於慣性力而克服了空氣軸承的逆向阻力並衝撞到抓持器表面。
在實用上往往需要使最大吸取力量選設成比本來所需的保持力量大十倍(此保持力只需比由工作物的質量所決定的重力略大)。
還有一些抓持器的操作中，最大吸取力還須選設成更大，舉例而言，如果玻璃板倚在具有很平滑的表面的堆疊上或具有很平滑的表面的檯的檯面上時，情形就是如此。在此情形中，在玻璃板與枱面之間幾乎沒有空氣，如果將玻璃板舉起，則在開始時須克服周圍空氣壓力，俾在舉起時能產生一小縫隙，使空氣能流入此縫隙。當該縫隙充以空氣且因此在縫隙空間中的壓力等於外界空氣壓力時，也就是最初作用的壓迫力量等於零時，只有重力需要克服。 這種將光滑板分開所需的附加力量在以下稱為「撕離力量」。
因此一種真空吸取抓持器(它以不用機械式接觸的方式吸取工作物)須設計成使抓持器的吸取力量先克服該撕離力量，然後將工作物逆著地心引力向抓持器面的方向加速。如果工作物距抓持器面一段預定距離，則人們希望將工作物剎止住，俾使它不會由於慣性力而向抓持器面衝擊。
由於在自動程序中，所要舉起的工作物都相同且因此重量也都相同，因此在理論上可在「吸取噴嘴」後方設一快速反應的閥控制手段，它在克服撕離力後，將吸取氣流作第一次節流(drosseln，英：throttling)，因此吸取力量設定成配合板的最佳加速度。當板已舉起一預定的路徑，則可作第二次節流，以將其速度剎止到使板如此達到它在抓持器面上的終位置。
行家們很清楚，要控制這種高動力的程序極端複雜且因此成本很高，因為氣態介質可壓縮而且很難控制。
因此本發明的目的在提供一種可靠而廉價的裝置，藉之特別是連光滑的板(它們需要大的撕離力量)都可用無接觸的方式舉起。
此目的利用申請專利範圍第1項的一種真空抓持器達成，其中該真空抓持器具有以下特點：一個直的或拱起的抓持器板。此抓持器板可為平坦者，以將平坦的板拿起來。 它可作一度空間(沿單一方向)彎曲，舉例而言，例如用於將管子拿起來。但它也可作二度空間拱起，舉例而言，例如用於將球形工作物拿起來。只要以下所述的技術內容可在流動力學上轉用，則此抓持器板就可具有配合工作物表面形狀的造形。
在抓持器板中至少設一吸取開口，它被施以一預定之真空(低壓)，有一「工作物節流面」(Werkstück-Drossel-Fläche，英：workpiece throttling face)繞該吸取開口形成。稱為「工作物節流面」者為一面部段，它在吸取工作物時，與工作物表面形成一定縫隙。當工作物已達到其終位置時，工作物懸掛在抓持器板上的此縫隙上。依此，該工作物節流面的度量尺寸設計成使在工作物節流面上產生的吸取力量比該工作物之反向的重力(它與工作物的質量有關)重大。
此外，在抓持器板之朝向工作物的那一側上至少設有一凹隙。依本發明的技術內容，該凹隙設置成使它經常位在工作物節流面之外。換言之，吸取的空氣從抓持器板邊緣流出，沿抓持器板流到吸取開口過去，且通過與此吸取開口相關的凹隙。在凹隙中至少有一除空氣孔。
以下說明該真空抓持器的功能：
如果抓持器下側已接近到工作物表面約2mm~0.5mm處，則該真空抓持器的作用一如傳統真空抓持器，換言之，空氣從抓持器邊緣開始被吸取且流到吸取開口過去，在整個抓持器面的範圍形成一真空，真空強度朝向抓持器邊緣 降低。在凹隙的區域，該真空為恆定。一股預定之空氣體積流也經該除空氣孔被吸取。但此體積流相較於在抓持器面上在該2mm~0.5mm寬的縫隙內吸取的體積流來比較小。在這種組成(Konstellation)中，抓持器在一預設之恆定吸取壓力及預設之抓持器板面積的場合具有其最大的慣性力量。
工作物越接近抓持器表面，則該縫隙越窄，因此流動橫截面〔空氣可經此流動橫截面由外--亦即從抓持器邊緣開始--後流(nachströmen)〕越小。但除空氣孔的橫截面保持恆定。這點導致在凹隙中不再能形成真空，因為經常有外界空氣經除空氣孔後流過去。流動橫截面(空氣可從邊緣開始經此橫截面後流)越小，此效應越加強。因此凹隙的面積不再能促進吸取力量。換言之，由於吸取力量為有效吸取面積乘以吸取壓力--且該有效吸取面大致只仍限於工作物節流面的範圍，因此該有效吸取面積比起在抓持器面距工作物表面較大距離時小了許多倍，因此吸取力量也比在抓持器表面距工作物表面較大距離時小了許多倍。
如此產生所要效果：當距所要抓持的工作物的表面的距離較大時，該真空抓持器有很大的吸力，當工作物表面進一步靠近真空抓持器時，此吸力很快降低，因此當度量尺寸適當設計時，工作物撞到抓持器的情事可避免。
因此吸力係自動地降低。當該真空抓持器依工作物重量及吸取壓力大小而定由行家作對應的度量設計時，工作 物可漂浮，換言之，工作物表面不會接觸到真空抓持器。在此情形中，在該將工作物舉起的吸力以及該將工作物向下拉的重力之間調整成力量平衝。如果吸力改變，例如變得稍微較弱，則工作物略下降。然而如此一來，有效吸取面積加大，因此吸力提高，且工作物再被向上拉。
這種漂浮狀態一直在調整，且與工作物的表面性質無關。因此利用此抓持器不但可拿住具有很光滑的表面的玻璃板，而且也可拿住具粗糙表面的木板。
在本發明申請專利範圍第2項的一種有利的進一步特點。在依申請專利範圍第2項的本發明一種有利的進一步特點，該多孔隙材料為一種由一開放孔隙的塑膠發泡體製成的塞子。這些塞子可很容易製造及可容易更換。
在依申請專利範圍第3項的本發明一種有利的進一步特點，在一抓持器板內設數個工作物節流面，如果所要拿開的板係要在數個點上承載，則選用這種設置方式。
行家當知道，該工作物節流面不一定要設計成環狀，而係也可呈直線延伸，這點在實施例中還要詳述。
在依申請專利範圍第4項的本發明一種有利的進一步特點，設有數個吸取開口，其中各有一工作物節流面繞各一吸取開口(3)形成。如果，舉例而言，一工作物具有一直的表面，抓持器搭到該表面上，但工作物不一樣厚，則這種設置可有利地使用。這些吸取開口可用不同吸取壓力操作，如此可使工作物均勻地及水平地舉升。
本發明在以下利用實施例配合附圖詳細說明。
圖1a及1b顯示一圓形真空抓持器的橫截面，它用於拿住一工作物(1)，其中該真空抓持器具有以下特徵：一圓盤形抓持器板(2)的中央點有一吸取開口(3)。有一圓形工作物節流面(6)繞該吸取開口(3)形成，其作用方式在下文說明。沿抓持器板邊緣的方向設有一環形凹隙(4)，它在此情形中具有二個錯開180度的除空氣孔，換言之，整個凹隙(4)與外界大氣連通。
圖1a顯示的工作物(1)仍在起始位置。利用吸取孔(3)將空氣吸取，空氣經縫隙(7)向側邊後流，該縫隙一般為約2mm~0.5mm之間，在此位置時，真空抓持器有其最大的吸力，此力大於工作物(1)的重力。
如此，工作物(1)被舉起。換言之，如果抓持器下側靠近工作物表面，則此真空抓持器的作用一如傳統真空抓持器，換言之，空氣從抓持器邊緣開始吸取，並流到吸取開口過去。在整個抓持器面的範圍形成一真空(低壓)，其強度向抓持器邊緣減弱。但在凹隙(4)的範圍中，該真空P為恆定者，這點在以下的座標圖A中可看出呈高原線(8)的形式。一預定之空氣體積流也經此除空氣吸取。但此體積流相較於在該2mm~0.5mm寬的縫隙內的抓持器面積上吸取的空氣流來較小。
在座標圖B中除了座標圖A的壓力走勢外，另外還顯示壓力走勢(9)，一如它在無凹隙(4)的情形時所調整者。
工作物越靠近抓持器表面(如圖1b所示)，則縫隙(7)越窄(空氣可經該縫隙由外--亦即從抓持器板的邊緣開始--向後流)。流過橫截面(空氣可經該橫截面從邊緣開始後流)大大減少。但除空氣孔的橫截面保持恆定。這點使得在凹隙(4)中不再能產生低壓，因為經常有足量的外界空氣可經除空氣孔後流。縫隙(7)的流動橫截面(空氣可從邊緣開始經此橫截面後流)越小，則這種效應越強。如此，此時該凹隙(4)的面積不再促進吸取力量。換言之，由於吸力為有效吸取面積和吸取壓力的乘積，而且有效吸取面積主要還只限於工作物節流面(6)的範圍，因此有效吸取面積比當抓持器表面距工作物表面的距離較大時小了許多倍。因此吸力也比當抓持器表面距工作物表面距離較大時要小於許多倍。
如此產生所要效果：該真空抓持器在距所要抓持的工作物的表面有較大距離時有很大的吸力，當工作物表面進一步靠近真空抓持器時，此吸力大大下降，因此當度量尺寸適當設計時，可避免工作物碰到抓持器。
在此圖下方的座標圖A及B顯示具有或不具凹隙(4)時的壓力走勢。
因此吸力係自動地下降，當真空抓持器依工作物重量及吸取壓力強度由行家作對應的度量設計時，工作物可漂浮，換言之，工作物表面不會接觸到真空抓持器。在此情形中，在吸力(它將工作物舉起)與重力(它將工作物往下拉)之間調整成力量平衡。如果吸力改變，例如變得稍 弱一些，則工作物(1)略下降，但如此該有效吸取面積加大，如此吸力提高，並將工作物(1)再向力拉。
噴嘴的幾何性質及所需壓力和真空係利用所要抓持的工作物的性質決定。在許多工程的程序，材料相同，因此噴嘴和壓力的參數也可保持恆定。由於噴嘴和壓力的參數取決於，大小、重量、表面積、及工作物的一系列特徵有關，因此不必提供特別的噴嘴類型及其他參數。
以下的圖中顯示本發明的其他實施例，它們會依與圖1中所述的工程技術內容。因此在以下不再重述一般的技術內容，只說明各實施例的新特徵。
圖2a與2b顯示一圓形抓持器板，它具有二個吸取開口(3)。第二吸取開口(3a)係一環形槽，具有四個孔，真空施右到這些孔。由於在此實施例，該四個孔的橫截面的和遠小於吸取開口(3)的橫截面，故吸取槽(3a)的吸取作用也小於吸取開口(3)的吸取作用。如有需要，吸取槽(3a)的吸取橫截面也可選設成較大。
圖3a及3b顯示一長方形抓持器板，它用於將長方形工作物最佳地抓持。在此實施例，吸取開口(3)設計成長方形，而槽形凹隙(4)互相平行對立。
圖4a及4b顯示一種依圖3的抓持器板，它用於將一管子舉起。為此，抓持器板要配合管直徑的曲率。
(1)‧‧‧工作物
(2)‧‧‧抓持器板
(3)‧‧‧吸取開口
(3a)‧‧‧吸取槽(第二吸取開口)
(4)‧‧‧環形凹隙
(6)‧‧‧工作物節流面
(7)‧‧‧縫隙
(8)‧‧‧高原線
(9)‧‧‧壓力走勢
圖1a與1b係本發明的一第一實施例； 圖2a與2b係本發明的一第二實施例；圖3a與3b係本發明的一第三實施例；圖4a與4b係本發明的一第四實施例；
(1)‧‧‧工作物
(2)‧‧‧抓持器板
(3)‧‧‧吸取開口
(4)‧‧‧環形凹隙
(6)‧‧‧工作物節流面
(8)‧‧‧高原線
(9)‧‧‧壓力走勢

Claims (4)

  1. 一種真空抓持器，用於拿起一工作物(1)，其該真空抓持器具有以下特點：--一直的或拱起的抓持器板(2)，--至少一吸取開口(3)(3a)，設在該抓持器板(2)中，其中有一工作物節流面(6)繞該吸取開口(3)形成，該工作物節流面構成該抓持器板的一個副區域，在此副區域中在工作物節流面和該工作物表面間在該工作物相對於該真空抓持器的最後位置時形成一縫間隙，真空抓持器在此最後位置時一直保持著這個間隙將工作物抓持住，--至少一凹隙(4)，該凹隙(4)設在抓持器板(2)之朝向工作物(1)的那一面中，且相對於該吸取開口(3)設在該工作物節流面(6)外；及--至少一除空氣孔(5)，設在各凹隙(4)內，該至少一空氣孔(5)將該凹隙(4)與外界大氣接通，而可一直使空氣從外界大氣流入該凹隙中。
  2. 如申請專利範圍第1項之真空抓持器，其中：該多孔隙材料為一個由開放式孔隙的塑膠發泡體構成的塞子。
  3. 如申請專利範圍第1項之真空抓持器，其中：在一抓持器板(2)內設有數個工作物節流面(6)。
  4. 如申請專利範圍第1項之真空抓持器，其中：設有數個吸取開口(3)，其中各有一工作物節流面(6)繞 各吸取開口(3)形成。
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