（机械电子工程专业论文）非接触涡流负压搬运器的流场特性及实验研究.pdf

中文摘要 摘要 在工业制造过程中，非接触搬运技术由于其无接触、无表面擦伤、无静电等 优点具有广泛的应用前景和重要的研究意义。目前非接触搬运技术主要有电磁式、 超声波式和空气悬浮式等几种方式。其中，空气悬浮技术又分为空气吹浮式和负 压吸附式，本文针对非接触涡流负压搬运器的流场特性进行了如下工作： 首先，阐述了非接触涡流负压搬运器的工作原理，并推导出流场内径向压力 分布公式。将其结果与仿真结果、实验结果进行了对比，三者的吻合性较好，验 证了所推导压力公式的正确性。 其次，采用g a m b i t 建立不同结构搬运器三维流场仿真模型，采用非结构化网 格划分方法；在f l u e n t 软件中采用r n gk 湍流模型进行流场计算：对不同 工况条件下的压力场，速度场、提升力等特性进行了分析，获得了涡流吸附负压 效应影响因素和变化规律。 此外，为验证理论数值仿真的正确性，设计并搭建了压力、提升力测试实验 台，分别对不同结构搬运器及不同工况下搬运器的压力分布、提升力等特性进行 了实验测试，并将实验结果与理论计算、仿真结果进行对比。 最后，设计并制作了由多个相同结构搬运器组成的搬运盘，并搭建了搬运实 验台，进行了搬运效果的测试，实验验证了非接触负压搬运的可行性。 关键词：非接触搬运；旋回流；数值仿真；空气悬浮；负压吸附 英文摘要 a b s t r a c t i nt h ei n d u s t r i a lm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，t h en o n c o n t a c th a n d l i n gt e c h n o l o g yh a s w i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t sa n di m p o r t a n ti n s i g n i f i c a n c eo fr e s e a r c hb e c a u s eo fi t s a d v a n t a g e ss u c ha sn o n c o n t a c t , n os u r f a c es c r a t c h i n ga n dn os t a t i ce l e c t r i c i t y n o wt h e n o n c o n t a c th a n d i n gt e c h n o l o g i e sh a v i n gb e e na d o p t e da r em a i n l ye l e c t r o m a g n e t i c ， 1 1 1 t r a s o m c ，a i rs u s p e n s i o n , e t c t h ea i rs u s p e n s i o nt e c h n o l o g yi sd i v i d e di n t ot w ot y p e s ： b l o w i n ga n dn e g a t i v ep r e s s u r ea d s o r p t i o n i nt h i sp a p e r ，t h ef o l l o w i n gw o r k sw e r e c o n d u c t e da b o u tt h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c so fn o n - c o n t a c tv o r t e xn e g a t i v ep r e s s u r ec a r r i e r ： f i r s t , t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fn o n c o n t a c tv o r t e xn e g a t i v ep r e s s u r ec a r t i e rw a s s t a t e da n dt h er a d i a lp r e s s u r ed i s t r i b u t i o nf o r m u l ao f f l o wf i e l dw a sd e r i v e d t h er e s u l t s w e r ec o m p a r e d 谢t l ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s u l t s ，i ti sn o t e dt h a tt h ec u r v e s a n a s t o m o s ep r e f e r a b l yw e l l 、崩廿le a c ho t h e r a n dt h ec o m p a r i s o nv e r i f i e dt h ea c c u r a c y o ft h ed e d u c e dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o nf o r m u l a s e c o n d , t h et h r e e - d i m e n s i o n a lf l o wf i e l ds i m u l a t i o nm o d e l sb a s e do nt h ed i f f e r e n t s t r u c t u r a lc a r r i e r sw e r eb u i l tw i t ht h eg a m b i ts o f t w a r e ，a n du n s t r u c t u r e dg r i d sw e r e u s e d ；t h er n g 1 c 一t u r b u l e n tm o d e lp r o v i d e db yt h ef l u e n ts o f t w a r ew a sc h o s ef o r c a l c u l a t i o n b a s e do nt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s ，t h ea n a l y s i so nt h ep r e s s u r ef i e l d , v e l o c i t y f i e l da n da b s o r b a b i l i t yw a sc o n d u c t e di nd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s a tl a s t ，t h e i n f l u e n c ef a c t o r sa n dv a r i a t i o nr u l e so fv o r t e xa d s o r p t i o nn e g a t i v ep r e s s u r ee f f e c tw e r e o b t a i n e d i na d d i t i o n ，i no r d e rt ov e r i f yt h ea c c u r a c yo ft h et h e o r e t i c a ls i m u l a t i o n s ，t h e p r e s s u r ea n dt h el i f t i n gf o r c ee x p e r i m e n tr i g sw e r ed e s i g n e da n db u i l t t h ee x p e r i m e n t 0 1 1t h ep m s s u r ef i e l da n dt h el i f t i n gf o r c eo fd i f f e r e n ts t r u c t u r a lc a r r i e rw a sc o n d u c t e di n d i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s ，a n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l t sw e r ec o m p a r e d 、) l ，i t l lt h e t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o nr e s u l t s a tl a s t ，t h eh a n d l i n gp l a t ec o m p o s e db yan u m b e ro ft h es a n l es t r u c t u r ec a r r i e rw a s d e s i g n e da n dm a d e ，t h eh a n d l i n ge x p e r i m e n tw a sb u i l tf o rt h et e s to ft h eh a n d l i n ge f f e c t t h ee x p e r i m e n tv e r i f i e dt h ef e a s i b i l i t yo fn o n - c o n t a c tn e g a t i v ep r e s s u r eh a n d l i n g k e yw o r d s ：n o n - c o n t a c th a n d l i n g ；s w i r lr e f l u x ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；a i r s u s p e n s i o n ；n e g a t i v ep r e s s u r ea d s o r p t i o n 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文= = 韭接勉遇速筮压塑运矍的逋扬挂性盈塞验硒塞：。除论 文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经 公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：签尘董 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密口( 请在以上方框内打“ ) 做作者签名：徐五芳导师签名：聊、 日期：上咖年7 月 日 非接触涡流负压搬运器的流场特性及实验研究 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 在工业生产中，随着经济竞争及科学技术发展的日益激烈化，为了提高产品质量来 获得更大经济利益，对某些特定产品的非接触搬运具有十分重要的意义。例如，光盘、 晶片、电路板、液晶屏、半导体、食品等的加工制作过程中，如何防止这些精密元器件 的接触污染是个非常重要的问题【l 捌。 从2 0 世纪7 0 年代初世界上出现第一台液晶显示设备，液晶产业就经历了它的艰辛 曲折之路，在经历了萌芽期、成长期之后，现在已经进入成熟期。液晶显示器按摩尔定 律在逐年增大【2 】。液晶显示器尺寸的不断扩大的基础就是玻璃基板的大型化，日本夏普公 司计划要生产的第1 0 代玻璃基板的尺寸已达到2 8 5 0 m i n x3 0 5 0 r a m p 】。再加上玻璃基板 的质量与液晶面板的成品率密切相关，生产厂商面临的技术挑战越来越高。最直接的问 题就是玻璃基板的搬运，因为随着尺寸的加大，施加在基板上的重力也随之变大，使原 本厚度不足1 毫米的玻璃基板变的更加容易破损。液晶面板的人工搬运的可能性越来越 小，传统的输送方式已满足不了输送的需要，而提高产品的良品率是厂商追求效益的根 本途径。面对此种问题，生产厂商需要开发新的搬运方式，以减少玻璃基板受损伤、裂 痕、污染等程度，以达到搬运玻璃基板的高传送效率和更高的成品率【4 - 1 3 】。 对于现在大多数电子产品而言，芯片可以说是其精髓所在，芯片的等级也就决定了 产品的性能表现以及功耗、发热量等额外因素。作为芯片的前身，晶圆的品质倍受消费 者和生产商的关心。半导体芯片在生产线上的定位与传输通常都是由机械手来完成的。 这种物理上的接触操作不仅容易污染芯片，而且芯片与机械手之间的摩擦容易使芯片带 上电荷，严重的甚至可能毁坏内部电路。可见，在大规模集成芯片等的加工制作过程中 实现非接触式的无损操作是一个迫切需要解决的问题【1 4 1 引。 目前已有不少生产厂家开发了非接触搬运装置，主要是悬浮技术的应用。现有的悬 浮技术主要包括磁悬浮【1 9 , 2 0 、电磁悬浮 2 1 - 2 3 、静电悬浮 2 4 。2 羽、光悬浮【2 4 2 6 1 、声悬浮 2 9 - 3 2 1 、 气流悬浮【3 3 1 、超声波悬浮、粒子束悬浮和超导悬浮【3 4 】等。最为典型的是磁悬浮列车。具 绪论 有噪音低、环境污染少、转弯半径小、爬坡能力强、选线自由度大、造价低、安全舒适 及节能等优点，车速时可达5 5 0 k m ，如果在真空的封闭环境中运行，时速可高达1 6 0 0 k m 。 我国发明的气悬浮车的悬浮高度仅有3 毫米，能沿轨道以6 0 0 公里甚至更高的时速运行 3 3 , 3 5 1 。西北工业大学应用物理系魏炳波教授及其合作者在单轴声悬浮方面，在国际上首 先利用超声波将密度高达1 8 9 9 e r a 3 的金属钨饼悬浮在空中，有利于新材料的研究与制备 3 1 】。静电悬浮技术利用静电场中带有静电的样品受到的库仑力与重力平衡，实现无容器 状态。在国外，静电悬浮多用于材料的热物理性质、凝固过程、合成与制备等方面的研 究【2 7 1 。总之，悬浮技术的应用领域十分广泛，应用前景非常广阔。但每种技术的应用都 有其局限性，其中磁悬浮和电悬浮受导电材料的约束，并且提升力依赖于材料性能；气 流悬浮利用空气流对工件产生支撑或吸附作用力，因为空气流是零磁性，产生的热量很 少，所以气动悬浮可应用于任何材料上，包括绝缘体或导体、磁体或非磁体、刚性体或 非刚性体。但是，在流经供应管道时大的空气消耗量往往导致空气动力的流失，需合理 优化设计参数8 ，3 7 4 0 l 。在平板式工件搬运技术方面，本文介绍了一种新型气动非接触吸 附法一涡流悬浮，它利用空气旋涡产生的负压效应达到搬运目的，该方法具有非接触、 空气消耗量低，效率高、洁净和无损伤等特点。 1 2 非接触搬运技术的国内外研究现状 传统的工件搬运系统包括：( 1 ) 滚轮式输送，线性电机驱动承载平台；( 2 ) 以机械或真 空吸附方式来夹持工件，由机器人手臂来实现精密定位与上下料等操作；( 3 ) 在不同工位 间平板的输送由托盘或卡匣来存放，并配合机器人手臂在台架和卡匣之间进行放入和取 出操作【3 】。如图1 1 就是搬运玻璃基板的机械搬运系统。 在传统搬运技术中，由于玻璃基板与滚轮、晶片与吸盘进行接触，玻璃基板和晶片表 面不可避免会受到损伤而影响生产品质，所以发展新型的非接触搬运技术已刻不容缓。据 目前掌握的资料所知面板工件的非接触搬运技术的研究主要集中在日本、美国、台湾等 发达国家和地区【3 】，主要的非接触搬运技术有气动悬浮式、超声波悬浮式、负压吸附式 等方式。 非接触涡流叠压搬运器的流场特性及实验研究 凹12 空气悬浮式玻璃基板搬运系统 f i g i2 0 l m ss u b s t r a t eh a n d l i n gs y s t e ma b o u t a i rs u s p e n s i o n 图1 2 是日本著名的气动元件生产商s m c 公司的空气悬浮式玻璃基板搬运系统吐 该搬运技术是应用流体力学原理，使压缩流体通过压力室上的多孔质体形成一层气体 膜，流体对工件施加的压力与工件自身的重量达到平衡而使工件保持平稳。空气悬浮式 搬运系统是洁净度极高的非接触搬运，这样避免了搬运过程中玻璃基板的划伤和污染。 除此之外，它还具各其他优点：这种搬运系统的支持面积大，因此上浮对象较稳定而且 可以缓和集中应力；机械强度高，不会因供给流体的压力不同而发生变形，因而装置可实现 薄形化；所采用的高温烧结的陶瓷体在大气中不会氧化。 空气吸浮式玻璃基板搬运系统即是利用吸浮机构产生负压，空气在吸浮机构与工件 间的问隙排出时对工件产生向上的提升力，此力与工件自重形成一对平衡力。如图13 所示。 一 函豳幽 在第2 8 届日本东京国际流体动力展览会上展出了由c k d 和妙德公司生产的用于搬 运设备的气浮装置，该装置主要用于液晶屏幕和扁平屏幕的传送和搬运。该装置采用的 多孔新材料可以减少执行器的空气消耗量，可完成洁净和无损伤搬运，提高产品的合格 宰吼 圈1 4 是德国z i 岫锄姗s c h i l p h m a d h a b u n g s t e c h n i k g m b h 开发的以非接触方式 搬运半导体晶圆的机器人“手” 4 l q 3 1 。该类型机械手可搬运直径为3 0 0 r a m 晶圆，并且 工具和晶圆的距离约在0 0 5 m m o 5 m m 之问。其原理是利用超声波在工具表面形成一 层空气薄膜，使晶圆漂浮于其上。工具翻转时，不是用超声波而是用气泵吸附晶圆。据 介绍，此时晶圆和工具之间也不接触，常态下使周围空气流动即可形成空气薄膜。该公 非接触涡流负压搬运器的流场特性及实验研究 司在第1 8 届f p d 研发及制造技术展览会暨研讨会( f 1 n e t e c hj a p a n ，2 0 0 8 年4 月 1 6 同- - 1 8 日，东京有明国际会展中心) 的德国库号机器人( k u k a r o b o t e r ) 的展区展 出了该工具。 图14 非接触搬运、f 导体晶圆的机器人 f 罾1 as e m i c o n d u c t o r w a f e r n o n - 。o m n w a n s f e rr o b o t 此外，美国的n e ww a yp r e c i s i o n 公司3 壤于空气静压轴承的基础，利用多孔质材料 开发了非接触式大型玻璃基板和硅晶片的搬运装置泪本第一设施工业公司【3 】开发了具 有识别工件有无的气悬浮式非接触式技术；以色列o r b 0 妣h m 开发的气浮式搬运技术可 以自动检铡玻璃基板的大小及重量，随时与基板保持一定距离进行漂浮搬运。 n o n - c o n l i a c t t r a n s f e r c o m p o n e n t s 翻管 图15 非接触式搬运元件 f i g1 5n o n o n s e t t r a n s f e rc o r a p o n e m s ，口巧 吣 绪论 图1 5 是日本k o g a n e i 小金井公司生产的n c t 系列非接触式搬运元件舶1 。该 搬运元件可非接触搬运玻璃基板、光盘、半导体硅晶片等，也可吸附表面略有凹凸的工 件，如印刷电路板。它是利用空气漩涡产生的负压吸附工件，当工件靠近搬运元件时， 空气会发挥斥力的作用阻止工件靠近，从而实现在非接触状态下能够吸附并搬运工件。 此元件不会在工件上留下痕迹，由于不会吸入环境中的粉尘能够达到洁净搬运效果，吸 附力也比较强。 我国在半导体芯片和液晶显示产业上起步较国外晚，我国目前液晶面板的生产线最 高位第5 代【l , 4 7 1 ，仍采用滚轮式和真空吸附式的搬运系统。另外非接触式输送的主要载 体大型l c d 玻璃基板在国内没有投产，因此非接触式输送设备在中国大陆有着良好的 技术和市场前景【。 1 3 课题研究内容 针对新型的非接触搬运技术，本文将对非接触负压搬运器进行以下几个方面的研究 工作： ( 1 ) 介绍非接触负压搬运器的工作原理及搬运器的结构。 ( 2 ) 建立非接触负压搬运器的数值计算模型，应用f l u e n t 软件对不同结构和不 同工况下的搬运器流场进行数值计算。分析不同喷嘴结构对搬运器负压效应和提升效果 的影响，针对不同工况，如：气膜间隙、供气流量、气室高度等条件的变化，分析切向 单喷嘴搬运器的内负压程度、提升力大小等特性。 ( 3 ) 在理论分析的基础上，设计、制造一套非接触负压搬运器样件和测试实验台， 进行搬运器的压力分布实验和提升力实验。将实验结果与仿真结果进行对比，进而对理 论分析进行验证和完善。 ( 4 ) 设计制造多个相同搬运器组成的搬运盘，进行合理布局和参数设定，最终进 行实际搬运效果验证。 非接触涡流负压搬运器的流场特性及实验研究 第2 章非接触负压搬运器流场特性分析 影响非接触涡流负压搬运器性能的因素和参数很多，只有对非接触负压搬运器的工 作原理和结构形式有深刻了解，才能找出获得最好提升效果的关键条件，提出切实可行 的有效方案。本章对非接触负压搬运器的工作原理及结构形式进行分析，通过数值计算 深入分析搬运器内部流场特性的性能，在此基础上合理匹配搬运器结构尺寸并设计出搬 运器。 2 1 非接触负压搬运器的工作原理及结构 2 1 1 搬运器的工作原理 图2 1 所示是搬运器的结构示意图。具有一定压力的压缩空气通过进气孔进入本体 形成旋回流，当搬运器与工件间的气膜间隙满足一定厚度时，旋回流形成负压吸附工件， 吸附力与工件自重平衡，工件与搬运器之间保持微小的间隙从而实现非接触的搬运。 出 图2 1 非接触搬运器的结构示意图 f i g 2 1s t r u c t u r ed i a g r a mo fn o n - c o n t a c tc a r r i e r 2 1 2 搬运器的结构 根据工作环境的不同，搬运器的固定形式有销固定式和螺纹固定式。涡流负压搬运 器的基本结构如图2 2 所示暗瑚1 。 非接触负压搬运器流场特性分析 图2 2 涡流负压搬运器结构 f i g2 2s t r a c r a r e o f v o r m xn e g a t l v e p r e s s u r ec a l - r l e r 22 非接触涡流负压搬运器的流场特性认识及理论分析 22 1 搬运器流场特性认识 图23 为搬运器内流体迹线图，从图中可以看出流体以螺旋流形式运动，并且由器 壁向中心形成运动方向一致的螺旋流线，说明搬运器工作内部流场呈现湍流形式，正是 由于旋涡卷吸作用产生负压，旋回流中心处的漩涡程度较密集，说明此处的吸附性更强。 | 薰 眶 乙 图23 流体迹线图 f 培23f l u i d t r a c e 非接触涡流负压搬运器的流场特性及实验研究 图24 是搬运器入口平面的速度矢量图，图中也显示空气是以旋回流形式进入搬运 器内的，随着空气的旋转方向，速度由进口到漩涡中心是逐渐减小的。这是因为空气的 摩擦力的作用使得气流的速度在逐渐的减小。圈25 是搬运器出口处的径向压力分布国， 由此图可以证明搬运器内产生的是负压。压力分布呈抛物线形状，并且在径向方向上， 靠近搬运嚣中心处的负压程度是最大的，这与圈2 3 的分析结果相吻合。通过咀上的分 析，我们了解到非接触负压搬运器内流场的流动方式是旋回流的形式，气膜日j 隙内的负 压作用在被搬运工件的表面。 窖娉孵 图24 速度矢量图 f i g2 4v e o c i t y v c c t o r 目25 压力分布凹 f i 9 25p r e s s u r ed i s t r i b u t i o n 墨m 譬 * _ 非接触负压搬运器流场特性分析 2 2 2 搬运器内压力分布公式推导 1 、公式推导过程 由于搬运器内漩涡气流的复杂性，需在分析中对流场做一定的假设： ( 1 ) 假定气流是在同一角速度下旋转。 ( 2 ) 与径向压力相比，垂直方向压力、切向方向的压力都比较小，可以被忽略。 图2 6 坐标设定 f i g 2 6c o o r d i n a t es e t t i n g 如图2 6 所示呻嘲1 ，把坐标原点选在气膜底面的圆心上，z 轴铅直向上，圆柱坐标系 ( r ，a ，z ) 。作用在气体质点上的质量力即是虚加在质点上的离心惯性力。先考虑由r ，伐，z 各取得微小增量毗d 0 【，d z 所成的柱体的体积，它在气缸坐标系( r ，a ，z ) 内的运动方程 为： ( i t ) 2 r d m ：孚胁如如( 2 1 ) 防 其中d m = p 。d r d a d z ，带入( 2 1 ) 式得 p 。2 ，：孚( 2 2 ) o r 积分式( 2 2 ) ，得 非接触涡流负压搬运器的流场特性及实验研究 p ：p 。丝+ c p 2 p 口互一十c 已知条件：r = 0 时，p - - d o r = r 。时，p = p 。 由得，c = p o ，则 由得， 2 ，2 p 2 p 。丁+ 凡 p 。= ”扣2 砰 将式( 2 5 ) 带入式( 2 4 ) ，得p 兰三1p 。2 ：2 一r 1 2 ) + p l 又卸= p l p 。，p a = o ，则有 p ：p 。+ 二ip 。2 ( ，2 一r 1 2 ) + 卸 p 2 p n + 互p a 【，一 ) + 卸 其中，为气体旋转的角速度，r a d s ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) p o 为中心压力，p a p l 为r ，处的压力，p 。 p 为r 。到r 。的压降，p 。 此式即是搬运器径向压力分布的方程。由方程式可以看出流场的压力分布是呈抛物线 形。 2 、结果对比 结合参考文献 8 中给的参数，将压力计算结果与文献中的实验结果和本文中的仿 真结果进行比较，验证压力表达式( 2 7 ) 的准确性。 表2 1 是参考文献 8 中的由实验得出的气膜出口处角速度和压降参数，用于代入 径向压力分布的方程式，分别得到图2 7 中的压力曲线。 非接触负压搬运器流场特性分析 表2 1 气膜出口处角速度和压降 t a b 2 1a n g u l a rv e l o c i t ya n dp r e s s u r ed r o pa tt h eg a pe x i t h ( m m ) 0 0 80 20 3 0 6 5 ( 1 0 3 r p m ) 8 3 8 38 2 27 1 5 a p k p a ( g ) 2 30 10 0 3 5 - o - 4 5 1 5 1 o- o , 5o - oo 5l 1 5 r i t i ( a ) h = 0 0 8 r a m 1 3 - 1 o 00 51 o1 s r r l ( c ) h = 0 3 m m r a t , ( b ) h = 0 2 m m ( d ) h = 0 6 5 r a m 图2 7 压力的计算结果与仿真结果及实验结果的对比 f i g 2 7c o m p a r i s o no fc a l c u l a t ea n ds i m u l a t i o nr e s u l t s ，e x p e r i m e n tr e s u l t sa b o u tt h ep r e s s u r e 1 2 ：穹：3拍协帖协拍 -)i吾；l ti)i-2善嚣口- 5 o 5 o 5 o 5 o n 0 n l l z z _ - - ， _厶)i-oi暑衍a一k 非接触涡流负压搬运器的流场特性及实验研究 图27 所示为供气流量q s = q s = 2 08 1 0 4 m 3 s ( a n r ) 时计算结果与文献 8 中实验结 果及本文中的仿真结果的对比，从图上可以看到压力变化趋势整体吻合性较好。但压力 值上存在偏差。根据分析，误差原因应该有以下两个方面：一是计算过程中没有考虑空 气密度随压力的变化，空气密度取的是常数；二是实验结果存在一定偏差，三是数值仿 真介质取的是理想气体，与实验中实际气体存在差异。 23 非接触涡流负压搬运器的不同结构仿真及优化 23 1 网格划分厦边界条件 由于涡流负压搬运器出口与何隙相接处及喷嘴入口区域附近的压力、速度梯度变化 较大，因此在网格划分中保证有足够的网格密度，以获得较好的求解精度。同时为解决 气膜间隙与涡流负压搬运器其他尺寸的不平衡造成划分中网格的纵横比失衡，因此网格 划分时采用六面体和楔形体相结合的非结构化网格“o 划分方式，在气膜高度上进行局部 细划，生成满足计算要求的结构化网格，如图2 8 所示。 计算模型的边界条件“”：介质是理想空气：入口边界类型设为质量流量类型，给 定入口流量为1 75 2 42 1 0 一s ( a n r ) ； 出口压力设为环境压力。 图28 计算模型 f i 9 28 c a l c u l a t i o n m o d e l 顶面 喷嘴入口 底面 232 求解计算 考虑到涡流负压搬运器内近壁区的气体流动是层流模式，但涡流负压搬运器中心区 域是有旋的湍流模型，所以模型采用r n g 湍流模型，该模型在e 方程中增加了能 非接触负压搬运器流场特性分析 反映主流的时均应变率e i i 一项，可以更好的处理高应变率及流线弯曲程度更大的流动， 避免了标准k 模型用在强旋流或带有弯曲壁面的流动时，会出现一定失真的现象 1 5 1 - 5 7 。解算过程采用分离隐式求解算法。 2 3 3 非接触负压搬运器的不同结构 研究中选取了四种喷嘴入口方式，0 5 r a m 裙边搬运器：切向双喷嘴、切向单喷嘴、 水平单喷嘴、4 5 0 单喷嘴；3 m m 裙边搬运器：切向单喷嘴。 “) 切自簟喷嘴b ) 永早摹喷臂( c ) 4 5 。摹嚷臂 ( d ) 切自及喷嘴 值) 囊s 藤遗 8 ) 3 着连 图2 9 不同喷嘴供气结构 f i g 2 9d i f f e r e n ts t r u c t u r eo f c a r r i e r s 2 3 4 压力分析 图2 1 0 所示是不同结构涡流负压搬运器内的压力分布曲线，其中气膜间隙均为 0 4 5 m m ，供气流量均为q s = 1 7 5 1 0 。5 m 3 s ( a n r ) 。从图中可以看出切向喷嘴和4 5 。喷 嘴比水平喷嘴的涡流负压搬运器内有明显的负压效应产生，气膜中心区域内流场压力全 部为负压，呈抛物线状分布但由于喷嘴分布不对称使压力分布中心偏离涡流负压吸附器 中心轴线约l m m 。双喷嘴的搬运器内的压力曲线的中心线基本与搬运器的中心轴线重 合，具有更好的对称性和吸附稳定性。但单喷嘴搬运器内产生的最大负压力比双喷嘴搬 非接触涡流负压搬运器的流场特性厦实验研究 运器内产生的箍大负压力低约07 9 k p a 。3 r a m 裙边的搬运器内的压力分布值与0 5 m m 裙 边的搬运器内的压力值相差非常小，可以认为此两种裙边的切向喷嘴搬运器内的压力分 布基本一致。而水平喷嘴由于直射作用搬运器内没有负压产生，吸附效果晟差。由以上 的比较可以看到切向单喷嘴搬运器的负压效果是最好的，这也说明切向入口方式更有利 于负压的产生。 1o 0 j 0o = _ 05 薯1 0 i “ 2 0 u 0 圉21 0 径向压力分布船s - 1 75 1 06 一s ( 州耐，h - 04 5 心 f i g2 1 0 r a d i a ip r e s s u r ed i s t r i b u t i o n 235 速度矢量分析 图21 1 所示为三种喷嘴涡流负压搬运器内入口平面的气流速度矢量图，给定的三种 搬运器模型中的气膜间隙厚度都是l m m 。 蠖 i 乎麓_ t i ( a ) 切向喷嘴( b ) 水平喷晴翁一 il嚣ilillillill重暑一墨2-一 非接触负压搬运器流场特性分析 蠖 蝰 ( c ) 4 56 喷嘴 图21 1 入口平面的气流速度矢量图 f i 9 2 i lv e l o c i t yv e c t o r o f e n w a n c ed l 卸e 喷嘴的设置位置不同，搬运器内的旋涡速度和方向也不同，围中可以看出切向喷嘴 搬运嚣内产生的旋涡速度较大。图( a ) 中，切向喷嘴搬运器内的气流旋涡中心与搬运 器中心相吻合，且最小速度在中心轴线上。图( b ) 中，水平喷嘴的搬运器内中心处的 速度是最大的，气体喷向对面过程中分别向两侧回流，气流在喷嘴的两侧形成旋涡，旋 涡速度较小，致使搬运器内不产生负压力。图( c ) 中，4 5 。喷嘴搬运器内气体旋涡产生 在喷嘴对面且靠近壁面地的位置。相对于切向喷嘴搬运器的漩涡中心4 5 。喷嘴搬运器 的漩涡中心更加偏离搬运器的几何中心。 2 36 提升力的分析 萨晕； 0 日r 5iol 2 53 0 b ( m m ) r 二= = i 五i ：习 一4 5d n o d e h o m in o 叫e d o u b l en o 口k 3 r a ms k i r t l 图21 2 不同喷嘴搬运器内的提升力 q s - i75 1 0 。m y s ( n r ) f i 9 21 2 l i f i l n g f o r c eo f d i f f e r _ e n ts t r u c t u r ee a r r i e r s q s = 1 7 5 1 0 。m l b r a n r l 叫舭舢叭町“们蚰 非接触涡流负压搬运器的流场特性及实验研究 图2 1 2 为不同结构涡流负压搬运器提升力的对比。由图中可以看出切向喷嘴搬运器 内产生的提升力最大，水平喷嘴搬运器内没有提升力产生，这是因为水平喷嘴搬运器内 没有产生负压力。切向喷嘴内的提升力随着气膜间隙的增加不断增大，当提升力增大到 最大值时，又随着气膜间隙的增大而逐渐减小，最后趋近于零，这也说明满足一定的气 膜间隙时提升力才能达到最佳提升效果。图中显示出相同供气流量下单喷嘴搬运器内产 生的提升力比双喷嘴搬运器内的提升力大，这与单喷嘴搬运器内产生的负压程度更高相 吻合，因而负压吸附效果更明显。裙边为0 5 m m 与裙边为3 m m 的搬运器的提升力曲线 基本重合，更进一步说明裙边大小对提升力影响很小。可见切向单喷嘴的吸附效果好。 2 4 切向单喷嘴负压搬运器的流场数值计算 由以上不同结构搬运器的对比可知，切向单喷嘴负压搬运器的负压效应和提升效果 是其中较好的。为了更深入的了解切向单喷嘴负压搬运器内的流场特性，现在主要针对 切向单喷嘴负压搬运器在不同工况下的流场进行仿真分析，为更好的设计具有合理尺寸 结构的搬运器做好基础。 2 4 1 压力分布 ( 1 ) 不同气膜间隙下的压力分布 图2 1 3 不同气膜间隙下的压力分布图 f i g 2 13p r e s s u r ed i s t r i b u t i o na td i f f e r e n tg a p s 非接触负压搬运器流场特性分析 图2 1 3 是在同一供气流量q s = 1 7 5x1 0 弓m 3 s ( a n r ) ，不同气膜间隙下的压力分布曲 线图。由图中可以看出，压力是呈抛物线形状分布的，随着气膜间隙的增大负压力程度 增大，当气膜间隙为0 2 m m 一- 0 6 5 m m 时，存在最大负压程度。当气膜间隙为l m m 时， 负压程度比0 4 5 r a m 气膜间隙的负压程度小，气膜间隙再增大时，负压程度逐渐趋近零。 此外，单个喷嘴的非对称布置导致压力曲线的对称中心线不在搬运器的中心轴线上。由 以上的分析可知，工件被搬运器提升时，工件与搬运器之间总存在气膜间隙从而实现非 接触搬运。根据工件重量的大小，搬运系统能够进行自动调整气膜间隙大小的功能。 ( 2 ) 不同气室高度h ，下的压力分布 由图2 1 4 可分析出，不同高度气室的搬运器产生的负压效应也是不同的，气室高度 由小增大时负压效应不断提高，但当气室高度大于6 5 r a m 时继续增大时，负压效应是 不断减小的。由图中给出的几种高度尺寸对比可知，在气室高度大于3 5 m m 小于6 5 r a m 之间的搬运器的负压效果是较好的。这说明气室尺寸过高和过低形成的旋回流程度都比 较低，较好的负压程度的形成是在一定气室尺寸范围内的。 1 o 地8 o 6 - 0 4 也20 oo 20 40 60 8 1 0 r r 1 图2 1 4 不同h 。下压力分布 f i g 2 14p r e s s u r ed i s t r i b u t i o na td i f f e r e n th i ( 3 ) 不同裙边下的压力分布 由图2 1 5 中给出的几种裙边尺寸的搬运器对比可知，裙边长度大小对搬运器的负压 程度是有影响的，随着裙边长度的改变，负压程度也改变。1 5 r a m 裙边的搬运器内的最 0 s o 5 o 5 o 5 仉 也 屯 也 盘 也 a 现 舅k)-百_i；嚣i 非接触涡流负压搬运器的流场特性及实验研究 大负压程度比7 m m 裙边的搬运器的最大负压程度高出约0 5 k p a 。可见裙边的改变引起 的负压程度的改变不是很大。 - 3 5 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 5o5l o 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 s k i r ti x a a c r ( m m ) 图2 1 5 不同裙边下的压力分布 f i g 2 15p r e s s u r ed i s t r i b u t i o na td i f f e r e n ts k i r tb o r d e r s ( 4 ) 不同方位角上的压力分布 图2 1 6 所示是在搬运器气膜底面用a h 划分的方位角。图2 1 7 中表示的是图2 1 6 中四个方向上的压力分布。 a cg e 图2 1 6 不同方位角 f i g 2 16d i f f e r e n ta z i m u t h a ld i r e c t i o m 5 m ，j 且 5 m 5 m o 0 珊 d 0 五 之 弓 膏曼_)ajj器oi 非接触负压搬运器流场特性分析 ( a ) c 们方向( b ) a - o _ e 方向 ( c ) d - 渊方向( d ) b _ o - f 方向 图2 1 7 不同方位角上的压力分布 f i g 2 17p r e s s u r ed i s t r i b u t i o na td i f f e r e n ta z i m u t h a ld i r e c t i o n s 本文中搬运器单喷嘴的非对称设置必然引起搬运器内各方位角上不对称的压力分 布。图2 1 7 中四个方位角上的最低负压值依次是2 3 8 9 k p a 、2 3 9 2k p a 、2 4 0 2 k p a 、 2 3 8 1 k p a ，由此也看出压力分布是不对称的，对提升工件稳定性会产生不利影响。实际 工程中可以合理布局多个搬运器来减小偏离的影响。 ( 5 ) 不同流量下的压力分布 图2 1 8 所示是在气膜间隙为0 0 8 m m ，0 4 5 m m 和1 0 m m 下，供气流量分别是1 7 5 ， 2 0 8 和2 4 2x1 0 5 m 3 s 时的压力分布。由图中看出提高供气流量搬运器内的负压程度 随着增大，这是因为提高供气流量时，提高了气流的回流量，搬运器内产生的涡流强度 言厶譬-aj；霉i 一d：誓)a_i；n厶 非接触涡流负压搬运器的流场特性及实验研究 增大，负压程度也相应地增大。除此之外，供气流量的增大不会影响气膜内压力分布随 气膜厚度变化的趋势。 一j 棚- 0 4 帕0 00 2 0 4 0 8ut , o 眠 一4 j4 j4 4 n 工0 00 20 40 - 4o j1 1 1 麻 1 j 棚舢4 1 4 - 0 20 0 心0 au 1 , 1 积 ( a ) h = 0 0 8 m m ( b ) h = 0 4 5 r a m( c ) h = 1 0 m m 图2 1 8 不同流量下的压力分布 f i g 2 18p r e s s u r ed i s t r i b u t i o na tt h ed i f f e r e n tf l o wr a t e s ( 6 ) 轴向压力分布( h = 1 o m m ) 图2 1 9 表示的是搬运器中心处轴向压力分布曲线图，此模型的气膜厚度为l m m 。 芒 譬 苫 鲁 蓦 2 山 图2 1 9 轴向压力分布 f i g 2 19a x i a lp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n 从图中可看出，搬运器内由上到下负压力逐渐降低，在距离出口约2 m m 处压力达 到最低值；从此处到气膜间隙范围内，压力又逐渐升高。可见搬运器内靠近出口位置处 3 2 1 o j五4 一lze，l 非接触负雁搬运器流场特性分析 的旋涡强度虽大，提供了最大的负压吸浮程度。由于在轴向上压力差值约01 3 k p a , 与径 向压力差相比数值非常小，所以轴向压力分布可以被忽略。 242 流场速度矢量的分