在真空吸盤吸取工件后的真空維持階段，為了能夠減少活塞式氣動(dòng)真空發(fā)生器的耗氣量，提出了3種節(jié)能控制回路進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明，階梯式流量控制方式節(jié)能效果顯著、適應(yīng)范圍廣。為此，深入研究了供給流量與工況參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)的相互影響關(guān)系，以此為依據(jù)設(shè)計(jì)了真空壓差致動(dòng)的階梯式流量控制閥。試驗(yàn)結(jié)果表明，相比同級(jí)別射流式真空發(fā)生器，改進(jìn)后的活塞式真空發(fā)生器不僅能夠迅速達(dá)到要求的真空度，而且在60s工作時(shí)間內(nèi)減少約71%的耗氣量，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能。

　　氣動(dòng)真空吸取技術(shù)已越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化各個(gè)領(lǐng)域，主要用于吸取易碎、難以挾持的工件，以完成搬運(yùn)、夾緊或包裝等作業(yè)。現(xiàn)階段，普遍使用的氣動(dòng)真空元件為射流式真空發(fā)生器。在真空吸取過(guò)程中，系統(tǒng)響應(yīng)過(guò)程可分為真空產(chǎn)生階段和真空維持階段，通常真空維持階段的工作時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。利用射流式真空發(fā)生器產(chǎn)生真空時(shí)，如果要維持一定的真空度必須持續(xù)定量供氣。在一個(gè)具有一定規(guī)模的氣動(dòng)控制系統(tǒng)中，真空發(fā)生器的數(shù)量也往往是可觀的，能耗也是巨大的。因此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://203scouts.com/)認(rèn)為如何減少真空吸取過(guò)程中真空維持階段的耗氣量，實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)真空吸取技術(shù)的節(jié)能具有重要研究意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

　　在這樣的應(yīng)用背景下，提出了一種新型節(jié)能的雙活塞式小型真空發(fā)生器的技術(shù)方案。該技術(shù)方案利用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)并在真空腔室內(nèi)通過(guò)局部容積擴(kuò)張產(chǎn)生真空，這雖然與一般的往復(fù)式活塞真空泵有相似之處，但在驅(qū)動(dòng)方式和結(jié)構(gòu)上卻有顯著不同。該活塞式氣動(dòng)真空發(fā)生器體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用氣壓驅(qū)動(dòng)，能作為獨(dú)立的氣動(dòng)真空發(fā)生元件在局部使用。

1、活塞式氣動(dòng)真空發(fā)生器

　　工作原理及其性能根據(jù)容積擴(kuò)張產(chǎn)生真空原理，設(shè)計(jì)得到的活塞式真空發(fā)生器總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　工作時(shí)，氣源氣體通過(guò)進(jìn)氣換向閥進(jìn)入驅(qū)動(dòng)腔Ò，推動(dòng)活塞組件向左運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)腔Ñ中氣體通過(guò)進(jìn)氣換向閥排向大氣；同時(shí)，真空腔Ò容積擴(kuò)張，在真空口處形成一定的真空，真空腔Ñ中氣體被壓縮后通過(guò)單向閥排出。當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到行程末端時(shí)，觸發(fā)進(jìn)氣換向閥和抽氣換向閥換向，活塞開(kāi)始向右運(yùn)動(dòng)，此時(shí)真空腔Ñ與真空口相連，繼續(xù)產(chǎn)生一定真空。當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到行程另一終點(diǎn)時(shí)再次觸發(fā)換向閥換向，如此反復(fù)循環(huán)，在真空口處持續(xù)產(chǎn)生一定的真空。

　　通過(guò)活塞式真空發(fā)生器原型樣機(jī)前期的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明:極限真空度達(dá)93kPa，略高于同級(jí)別射流式的91kPa；供給流量為50L/min時(shí)，抽取1L真空容器真空度達(dá)80kPa時(shí)的響應(yīng)時(shí)間為3.70s，較同級(jí)別射流式的4.80s減少了約22.9%；最低供給壓力為0.21MPa，低于同級(jí)別射流式的0.4~0.5MPa，主要性能指標(biāo)均優(yōu)于同級(jí)別射流式真空器。

1驅(qū)動(dòng)腔Ñ；2驅(qū)動(dòng)腔Ò；3抽氣換向閥；4平衡氣道；5真空腔Ñ；6真空腔Ò；7單向閥；8進(jìn)氣換向閥

圖1 活塞式真空發(fā)生器總體結(jié)構(gòu)示意圖

2、真空維持階段節(jié)能控制試驗(yàn)研究

　　2.1、供給壓力切換控制

　　活塞式真空發(fā)生器的真空響應(yīng)速度和供給流量都隨著供給壓力的升高而增加。因此，在真空產(chǎn)生階段，為了減少真空響應(yīng)時(shí)間，系統(tǒng)可在相對(duì)較高的供給壓力下工作；而在吸盤安全吸取工件后的真空維持階段，可適當(dāng)降低供給壓力以減少供給流量，達(dá)到真空維持階段減少耗氣量的目的。

　　圖2為高壓0.30MPa，低壓0.21MPa進(jìn)行切換時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)特性，其中設(shè)定的切換真空度為80kPa。當(dāng)供給壓力切換到低壓0.21MPa后，系統(tǒng)真空度繼續(xù)緩慢上升，此時(shí)的平均供給流量約下降為54L/min，較0.30MPa時(shí)的約80L/min有所減少，故整個(gè)工作過(guò)程能夠減少一定的耗氣量。

　　2.2、間歇供給控制

　　在實(shí)際應(yīng)用中，通常并非在達(dá)到系統(tǒng)極限真空度時(shí)才進(jìn)行吸取等操作，而是達(dá)到極限真空度的63%~95%范圍內(nèi)即可。另一方面，活塞式真空發(fā)生器的真空腔室與被抽取容器或連接管道之間相對(duì)密閉，而并非像射流式真空發(fā)生器在停止供氣時(shí)入口真空度迅速下降為0。因此，若系統(tǒng)無(wú)泄漏產(chǎn)生，當(dāng)真空吸盤達(dá)到某一真空度后，即使停止氣源供氣，也能將真空度保持在一定范圍內(nèi)，而不是立即下降。由于存在泄漏，吸盤真空度會(huì)隨著時(shí)間推移而逐漸下降，下降速度與泄漏流量大小有關(guān)。所以，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，合理地設(shè)定真空度上限值和下限值，當(dāng)真空度上升超過(guò)上限值后，給出信號(hào)切斷氣源供氣；當(dāng)真空度低于下限值后，給出信號(hào)恢復(fù)氣源供氣。通過(guò)這樣間歇地供給，可使吸盤的真空度一直控制在設(shè)定的范圍內(nèi)，同時(shí)也能減少一定的耗氣量。

圖2 供給壓力切換控制時(shí)的系統(tǒng)響應(yīng)特性

　　圖3為系統(tǒng)在一定泄漏流量下，供給壓力為0.21MPa，設(shè)定的真空度范圍為75~85kPa，間歇供給控制下的系統(tǒng)響應(yīng)特性。從圖3可看出，供給流量的占空比與它和系統(tǒng)設(shè)定的真空度范圍、泄漏流量大小相關(guān)，直接影響真空維持階段耗氣量大小。尤其在泄漏流量非常小的情況下，更能體現(xiàn)出間歇供氣方式的優(yōu)點(diǎn)，在首次達(dá)到設(shè)定的真空度后可減少供給次數(shù)，甚至在工序動(dòng)作完成前無(wú)需再供氣，既滿足了真空吸盤操作要求，同時(shí)也大大減少了真空維持階段的耗氣量。

　　2.3、階梯式流量控制

　　由于活塞式真空發(fā)生器抽取過(guò)程具有一定的密閉性，因此，在真空維持階段，可通過(guò)節(jié)流的方法適當(dāng)減少供給流量以降低活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度，只需使系統(tǒng)抽氣流量足以彌補(bǔ)泄漏流量即可維持一定的真空度。通過(guò)試驗(yàn)研究，活塞式真空發(fā)生器的供給流量最低可降至10~12L/min，若低于此流量，則活塞容易出現(xiàn)/爬行0或/卡死0現(xiàn)象，不能正常持續(xù)工作。圖4示出供給壓力為0.25MPa，供給流量在真空度達(dá)80kPa時(shí)進(jìn)行節(jié)流控制的系統(tǒng)響應(yīng)特性。從圖4中可看出，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定的真空度后，供給流量呈階梯式下降，下降幅度較大，同時(shí)真空度持續(xù)上升直到最大值，該控制方式對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間使用真空吸盤吸取搬運(yùn)工件的過(guò)程有利，能夠有效地減少工作過(guò)程總耗氣量。

4、階梯式流量控制閥節(jié)能試驗(yàn)

　　在之前的階梯式流量控制試驗(yàn)回路中是通過(guò)真空壓力開(kāi)關(guān)信號(hào)對(duì)供給流量進(jìn)行調(diào)節(jié)的，為了降低系統(tǒng)組成成本，設(shè)計(jì)了如圖8所示的真空壓差致動(dòng)階梯式流量控制閥(1端蓋；2控制閥本體；3彈性膜片；4閥芯帽；5復(fù)位彈簧；6限位螺母；7閥芯)。

　　當(dāng)系統(tǒng)真空度達(dá)一定值時(shí)，彈性膜片上下壓力差克服彈簧預(yù)緊力，驅(qū)動(dòng)閥芯向下運(yùn)動(dòng)，對(duì)供給流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣既滿足了活塞式真空發(fā)生器在真空產(chǎn)生階段快速響應(yīng)的要求，又達(dá)到了在真空維持階段減少耗氣量的目的。

　　經(jīng)反復(fù)設(shè)計(jì)，對(duì)階梯式流量控制閥及活塞式真空發(fā)生器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整，最終得到成階梯式流量控制閥的活塞式真空發(fā)生器原型樣機(jī)(如圖9所示)。

圖8 階梯式流量控制閥　　圖9 集成階梯式流量控制閥

　　結(jié)構(gòu)示意圖活塞式真空發(fā)生器原型樣機(jī)圖10為活塞式真空發(fā)生器在0.21MPa供給壓力下，試驗(yàn)測(cè)得的1L真空容器真空響應(yīng)過(guò)程和系統(tǒng)供給流量變化，其中設(shè)定控制的真空度為80kPa。從圖10可明顯看出，當(dāng)真空度超過(guò)設(shè)定值后，流量控制閥開(kāi)始起作用，供給流量從最大值約56L/min下降至約12L/min，而真空度繼續(xù)上升，最后達(dá)到穩(wěn)定值約91kPa。

圖10 活塞式真空發(fā)生器響應(yīng)特性

　　試驗(yàn)結(jié)果表明，階梯式流量控制閥可在真空響應(yīng)的不同階段對(duì)系統(tǒng)供給流量進(jìn)行控制，尤其在真空維持階段，供給流量大幅下降，而同級(jí)別射流式真空發(fā)生器必須在原供給流量約50L/min下才能維持同樣的真空度，這樣大大減少了活塞式真空發(fā)生器在使用過(guò)程的耗氣量。假設(shè)采用真空吸盤吸取搬運(yùn)某工件過(guò)程時(shí)間為60s，真空度達(dá)80kPa即可滿足工作要求，通過(guò)在相同供給流量50L/min下的試驗(yàn)對(duì)比，活塞式真空發(fā)生器不僅能夠迅速產(chǎn)生并維持一定的真空度，而且較同級(jí)別射流式真空發(fā)生器在工作過(guò)程中減少了約71%的耗氣量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

5、結(jié)論

　　(1)通過(guò)對(duì)供給壓力切換控制、間歇供給控制和階梯式流量控制的試驗(yàn)對(duì)比，表明階梯式流量控制適用范圍廣、節(jié)能效果顯著，適合于活塞式真空發(fā)生器真空維持階段的節(jié)能控制。

　　(2)研究得到了活塞式真空發(fā)生器在真空維持階段供給流量與工況參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)的相互影響關(guān)系，并得到試驗(yàn)驗(yàn)證，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)階梯式流量控制閥提供理論依據(jù)。

　　(3)設(shè)計(jì)了集成于活塞式真空發(fā)生器的真空壓差致動(dòng)階梯式流量控制閥，解決了活塞式真空發(fā)生器在真空產(chǎn)生階段快速響應(yīng)與在真空維持階段低耗氣的矛盾，相比同級(jí)別射流式真空發(fā)生器，在60s工作時(shí)間內(nèi)可減少耗氣量約71%，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。