第２９卷第５期
中国机械工程
V o l ．２９㊀N o ．５２０１８年３月
C H I N A M E C HA N I C A LE N G I N E E R I N G
p p
李剑锋１㊀李国平１㊀路㊀波２㊀梁冬泰１
１．宁波大学机械工程与力学学院，宁波,３１５２１１
２．国家气动产品质量监督检验中心，奉化,３１５５００
摘要：为提高单进气嘴非接触气爪的吸附性能和气爪结构加工的方便性，根据气爪型腔内部流场特性和３D 打印原理，提出了一种基于３D 打印技术的旋涡流气爪结构优化设计方案.基于对非接触气爪工作原理的理论分析和气爪型腔内部流场特征的仿真研究，以提高气爪吸附性能为目的对气爪型腔结构 进行优化设计，应用３D 快速成形加工技术加工出通过仿真计算设计的气爪结构模型.实验结果表明：优化后的气爪型腔产生的负压比优化前负压增大一倍，气爪的吸附力提升５７％, 在气爪加工方面，采用３D 打印技术比传统的机械加工技术更具便捷性,
且气爪型腔内部复杂结构更容易被加工出来
.关键词：旋涡流；非接触式夹持;３D 打印；吸附性能中图分类号:T H １３７
D O I :１０．３９６９/j
．i s s n ．１００４ １３２X．２０１８．０５．００３开放科学(资源服务)标识码(O S I D )
石武铁路客运专线
:O p t i m a lD e s i g no fV o r t e xF l o wN o n Ｇc o n t a c t P n e u m a t i cG r i p p
e r S t r u c t u r e s L I J i a n
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g １㊀L IG u o p i n g １㊀L U B o ２㊀L I A N G D o n g
t a i １１．F a c u l t y o fM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g a n d M e c h a n i c s ,N i n g b oU n i v e r s i t y ,N i n g b o ,Z h e j i a n g
,３１５２１１２．N a t i o n a lQ u a l i t y S u p e r v i s i o na n d I n s p
e c t i o nC e n t e r o
f P n e u m a t i cP r o d u c t s ,F e n
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h u a ,Z h e j
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,３１５５００A b s t r a c t :I no r d e r t o i m p r o v e t h e a b s o r p t i o n c a p a b i l i t y o f t h e s i n g l e a i r Ｇi n l e t n o n Ｇc o n t a c t p
n e u m a t Ｇi c g r i p p e r s a n dm a k e t h e p n e u m a t i c g r i p p e r s t r u c t u r e s p r o c e s s i n g m
o r e c o n v e n i e n t ,b a s e do n t h e f e a Ｇt u r e so f f l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i c so f p n e u m a t i c g r i p p e r sa n dt h e t h e o r y o f ３D p r i n t i n g
,a na d v a n c e d s w i r l i n g f l o w p n e u m a t i c g r i p p e rd e s i g n p r o p o s a lw a sd e v e l o p e d ．A i m i n g a t i m p r o v i n g t h ea b s o r p
t i o n c a p a b i l i t y o f p n e u m a t i c g r i p p e r s ,t h em o d e l o f p n e u m a t i c g r i p p e r c a v i t i e sw a sw e l l d e s i g n e d t h r o u g
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c g r i p p e r c a v i t i e s a r e t w i c e a s h i g ha s b e f o r e ．A l s o ,t h e a b s o r p t i o n c a Ｇp a b i l i t y i n c r e a s e
d s b y ５７％．W i t h r
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．K e y w
o r d s :s w i r l i n g f l o w ;n o n Ｇc o n t a c t h a n d l i n g ;３D p r i n t i n g ;a d s o r p t i o n p e r f o r m a n c e 收稿日期:２０１７０８３０
基金项目：国家自然科学基金资助项目(５１３０５２１４)；浙江省公益性技术应用研究计划资助项目(２０１７C ３１０９４)；宁波市自然科学基金资助项目(２０１７A ６１０１２４
)０㊀引言
气动旋涡流非接触式气爪是一种通过旋涡流
产生的吸附力来实现非接触夹持的搬运装置，相比于利用气动原理开发的伯努利非接触搬运夹持
装置，该气爪具有耗气量少㊁效率高等特点[
１
].但是受旋涡湍流的复杂性及测量方法的限制，旋涡流场的内部复杂机理目前还不是很清楚，相关研究还处于起步阶段.
国内外一些研究机构已经对旋涡流气爪作了
大量的深入研究.Z H A O 等[２]
研究分析了气爪
的流场特性以及吸附性能.郑智剑等[３]
通过在气
爪型腔中增设导流柱来提升单进气嘴气爪的吸附
性能.郭丽丽等[４]通过在气爪型腔中增设螺纹凹
槽以及双进气嘴来稳定气爪的吸附性能.
由于气爪具有结构体积小㊁内部型腔结构复杂以及进气孔直径小等特点，因此气爪模型在加工成形时存在较大困难，而且加工成本高.本文提出了应用３D 打印技术加工气爪模型的理论方案.３D 打印技术能够一次性加工出气爪模型,
可有效解决原有问题[
５]
.在没有增加型腔内部结构复杂度的前提下，通过把圆柱形型腔改为横截面为梯形的型腔结构使气爪的吸附性能得到进一步提升.
９１５
１㊀工作原理
图１所示为气动旋涡式非接触气爪的工作
原理简图.高压气体通过进气嘴沿切线方向吹入型腔，在圆柱形腔体壁面的束缚下做螺旋状向下的旋回运动，空气沿壁面高速旋转会导致型腔中心被抽成局部真空，腔体内部压力下降，置于气爪下方的待夹持工件因负压的作用而受到垂直向上的吸附力，实现夹持过程.与此同时，大部分气体会流经气爪与 工件表面的间隙排放到外界大气中，并对工件产生一定的排斥力.当吸附力与排斥力的合力与工件自重平衡时，气爪与工件之间可保持微小间隙，实现非接触搬运
[６
].
１．
气孔㊀２．进气流道㊀３．工件㊀４．气膜间隙㊀５．气体腔图１㊀旋涡流非接触式气爪工作原理图
F i g ．１㊀T h e p r i n c i p l e o f n o n Ｇc o n t a c t v o r t e x p n e u m a t i c g r i p p
e r ２㊀数值分析
２．１㊀数学建模
由于高压气体经气嘴吹入型腔时，气体的流动速度很快，在型腔中流动的时间很短，基本可以忽略型腔内与外界的热量交换，因此气爪型腔中的流场可视为完全气体的正压流场，压力㊁速度㊁密度都与温度无关[７]
.
连续性方程㊁运动方程和
状态方程可用来描述三维非定常湍流运动，其基
本方程如下:
∂(ρu i )∂t ＋∂(ρ
u i u j )∂X j ＝－∂p ∂X i
＋(μ＋μt )(∂２
u i
∂
X i ∂X j ＋１３∂∂X i (∂u j ∂u j
))＋ρf i ρ＝ρ(
p )∂ρ∂t ＋∂(ρu j )∂X j
＝０式中,i ㊁j 为坐标方向;X i ㊁X j 为i ㊁j 方向的未知数;f
i 为外部体积力;ρ为气体密度;
u 为气体速度;p 为气体压力;μ为气体层流系数;μ中国典籍与文化
t 为气体湍流黏性系数.标准k Ｇε湍流模型在模拟强旋流㊁
浮力流等时，会出现一定的失真情况，因此本文采用R N G
k Ｇε湍流模型进行仿真计算,
该模型可以较好地模拟流动的分离和旋涡，同时可以比较准确地预测到近壁区的流动[８]
.R N G k Ｇε湍流模型如下:
∂(ρ
k )∂t ＋∂(ρk u i )∂X i
＝∂∂X j (αk μe f f ∂k
∂k j
)＋G K ＋G b －ρε－Y M ∂(ρε)∂t ＋∂(ρεu i )∂X i ＝∂∂X j (αεμe f f ∂ε∂X j
)＋C １εεk
(G K ＋C ３εG b )－C ２ερε２
k －R ０μe f f ＝μ＋μt ㊀㊀㊀μt ＝ρC μk ２
ε
其中,k 为湍动能,ε为湍流耗散率;G K 为由平均速度梯度引起的湍动能产生系数,G b 为由浮力影响引起的湍动能产生系数,Y M 为可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响系数，这些参数与标准
k Ｇε模型中的参数相同;αk ㊁αs 分别为湍动能和耗
散率的有效普朗特数的倒数,αε为ε的普朗特数,C １ε㊁C ２ε㊁C ３ε为经验常数,R ０为方程中的附加项.求解高雷诺数问题时,C μ＝０．０８４５.
２．２㊀网格划分及边界条件
气爪网格划分采用非结构化网格，网格数为
１００万,
在仿真计算过程中，将网格数量增加，模拟结果表明，气爪内部流场特征和关键流动参数的数值并未发生太大变化，因此可排除网格数量对计算结果的影响.在计算过程中采用如下假设[９
]:①无气体热量交换;②理想状态下的空气;
③空气密度为常数，不随压力的变化而改变.在计算过程中，压力和速度采用S I M P L E C 法进行耦合，为提高计算精度，动量㊁湍动能和湍流耗散
率均采用二阶迎风格式进行离散[
１０
].边界条件使用压力入口和压力出口，壁面采用不可渗透㊁无
滑移绝热边界[
１１Ｇ１２]
.３㊀仿真实验和型腔优化
３．１㊀流场分析
图２所示为气爪型腔进气口内部气体流线
图，高压气体经进气流道进入型腔后，气体沿圆柱形型腔内壁做涡旋运动，大量气体被涡旋产生的
图２㊀气爪进气口流线图
F i g ．２㊀T h e s t r e a m l i n e o f a i r i n l e tw i t h p n e u m a t i c g r i p p
e r
赛猫购购０２５ 中国机械工程第２９卷第５期２０１８年３月上半月
离心力甩向内壁，少量气体由气爪底部排出，在腔体中心附近形成负压.在连续不断的通气情况下，型腔中的涡流得到充分发展并趋于稳定，从而可实现对工件的非接触夹持与搬运.
３．２㊀压力分析
气爪型腔纵切面的压力云图见图３.由图３可知，负压中心区与型腔几何中心并不重合，负压区随着气体运动的方向呈S 形运动，这样会导致工件的夹取过程不稳定.由图４气爪型腔的横切面压力云图也可以得到相同的结论
.
图３㊀型腔纵切面压力云图
F i g ．３㊀T h e p r e s s u r e d i s t r i b u t i o na l o n g t h e l o n g
i t u d i n a l s e c t i o no f t h e c h a m b e
r
图４㊀型腔横切面压力云图
F i g
．４㊀T h e p r e s s u r e d i s t r i b u t i o no f c h a m b e r c r o s s s e c t i o n s ３．３㊀影响因素分析
３．３．１㊀进气压力
在气爪型腔参数和气膜厚度不变的条件下,
由图５可知，进气压力p i 越大，气爪型腔内部的负压也越大，从而吸附力随之增大.因为随着
进
图５㊀不同进气压力时的工件表面压力分布F i g ．５㊀T h e p r e s s u r e d i s t r i b u t i o no n t h e u p p e r s u r f a c e o f t h ew o r k p i e c e i nd i f f e r e n t s u p p l y
f l o w p r e s s u r e 气压力的增大，气爪型腔内气体涡流的流速和流量提高㊁产生的真空度增大，负压程度也随之增大.因此在一定范围内，适当地提高进气压力，气爪的吸附性能可得到很大提升.
３．３．２㊀气膜厚度
当进气压力为０．１５M P a 时，不同气膜厚度(h )
情况下，工件表面径向的压力分布如图６所示.当气膜厚度过小时，旋涡流气体对工件表面的排斥力大于吸附力，吸附性能较差.随着气爪与工件表面距离的增大，排斥力对工件表面的影响逐渐减小，吸附力对工件表面的影响逐渐增大，从而吸附性能逐渐提升.但是，随着气膜厚度的再次增大，吸附力远小于工件自重，产生的吸附效果又较差，吸附性能逐渐减弱.因此，当气爪模型的几何参数和工作条件确定时，气爪与工件的最佳工作距离并不是一个定值，而是在特定范围内
.
图６㊀不同气膜厚度下工件表面的径向压力分布
F i g ．６㊀T h e r a d i a l p r e s s u r e d i s t r i b u t i o no n t h e u p p
e r s u r北京女奴
f a c e o f t h ew o r k p i e c e i nd i f f e r e n t
g a p f
i l mt h i c k n e s s ３．４㊀型腔优化
由以上分析可知：影响气爪吸附性能的因素有进气压力和气膜厚度，在不改变进气压力与气膜厚度的同时以提高单进气嘴气爪的吸附性能为目标，对气爪型腔进行优化.由于气爪型腔内气流的复杂性，在计算过程中作如下假设:①气体在腔体内流动的角速度ω恒定;②相较型腔内径向压力分布，垂直方向的压力很小，可以忽略不计.
选取型腔内一微小立方体气体，可得到在圆柱坐标(r ,α,z )下的运动方程为
ω２d m ＝
∂
p ∂r
d r d αd z (１
)d m ＝ρr d r d αd z
其中,d m 为微小立方体气体的质量.气体密度ρ
与大气压力有关，这里假定为恒定不变[
１３
].通过对式(１)型腔半径r (０ɤr ɤR )积分可得型腔内的压力分布公式为
p ＝
１２
ρω２R ２
＋p ０(２
)
１２５ 旋涡流非接触气爪结构优化设计
李剑锋㊀李国平㊀路㊀波等
式中,p ０为求解型腔内部压力p 积分过程中增加的常项数.
分析式(２)
可知，在气体密度为定值时，型腔内部的压力p 与腔体内气流的角速度ω和型腔半径R 有关.又因为切向吹入腔体内气体的速度v 恒定，根据公式v ＝R ω可知：气流沿型腔内壁的角速度ω与型腔半径R 成反比.
因为高压气体切向吹入型腔时，大量气体沿型腔壁做向下的螺旋运动，所以这里只考虑型腔壁面上的气体.假定在R 逐渐增大的过程中，腔体壁面气体的角速度ω随R 的增大变化缓慢，则由式(２)可知，型腔内压力随R 的增大先增大，此时气爪的吸附力会增大，但是当R 增大到一定程度时气体面壁的角速度ω会随R 的增大而减小,
导致腔体内涡流发展不充分，气体排出型腔速度小，腔体内压力降低，气爪吸附力下降.
根据前文的假定结果对腔体作如下结构改进：由原来的圆柱形型腔结构改为圆台形型腔结构.改进型腔结构模型见图７，气爪结构参数如表１所示.在其他参数不变的情况下，通过改变出气口处型腔直径d 的数值，对得到的不同参数型腔模型进行仿真分析
.
图７㊀圆台形型腔模型
F i g
．７㊀F r u s t u mo f a c o n e c h a m b e rm o d e l 表１㊀气爪参数
T a b ．１㊀P a r a m e t e r o f p n e u m a t i c g r i p p
e r 项目
nf520
参数值型腔高度H (mm )
２０进气口处型腔直径D １(mm )
２０气爪边缘长度L (mm )２０
型腔出口倒角距离C (mm )１．５气膜厚度h (mm )
０．６型腔出口直径d (mm )㊀㊀进气压力为０．２M P
a
，
气爪与工件之间的气膜厚度为０．６mm 时，优化后型腔内部压力仿真分析曲线如图８所示.由图８可知：随着型腔出口直径d 的增大，腔体内的负压先增大后减小,
由此可验证之前的假设正确.
根据图７所示的圆台形型腔模型，当设计尺寸参数如表１所示时，圆台形型腔出口直径d 的尺寸决定着型腔内负压的大小，也即决定着气爪图８㊀优化型腔内部压力分布图F i g
．８㊀T h e i n t e r n a l p r e s s u r e d i s t r i b u t i o no f o p
t i m i z e d c h a m b e r 的吸附力.当出口半径为r 时，可得到气爪吸附力方程为
F ＝２πʏ
d ２
０
p (r )r d r
(３)将式(２)代入式(３
)可得气爪型腔吸附力为F ＝πd ２４(１２
ρv ２
＋p ０)(４
)由式(４
)可知：气爪吸附力F 与型腔出气口直径d 的关系接近二次函数，因此气爪吸附力F
随着出气口直径d 的增大而增大.但是考虑到气爪型腔的实际情况，随着出气口直径
d 的增大，气爪型腔的开口越来越大，导致气体在腔体内涡流发展不充分，使气爪型腔内负压减小，气爪的吸附力下降.由此可知，存在一个最佳的出气口尺寸，能够使气爪的吸附力达到最大.
通过仿真分析可知，圆台形型腔气爪的吸附力F 与型腔出气口处直径d 的关系曲线如图９所示.由图９可知：气爪的吸附力随着型腔出口直径d 的增大先增大后减小，其变化趋势与前面的数值分析相吻合，在d ＝２６mm 时吸附力达到最大，约为２０N .
图９㊀优化型腔气爪吸附力仿真图
大庆油田宽带F i g ．９㊀T h e s i m u l a t i o n c h a r t o f o p
t i m i z e d c h a m b e r p n e u m a t i c g r i p p e r a d s o r p
t i o n f o r c e
２２５ 中国机械工程第２９卷第５期２０１８年３月上半月
图９所示的曲线变化趋势也恰好验证了之前
的假设.当气体以一定的速度沿型腔切线方向吹入时，在r 缓慢增大的过程中，腔体内气体的角速度基
本不变，型腔中靠近工件的部分负压增大，导致气爪吸附力增大.当r 继续增大，由r 增大而引起的气体角速度ω会逐渐减小，此时气体排出型腔的速度下降，腔体负压减小，气爪的吸附力减小.
４㊀实验验证
４．１㊀气爪设计
根据理论分析结果，设计气爪结构如图１０所示.型腔直径为２０mm ，高为２０mm ，出口倒角距离为１．５mm ，进气口直径为２mm ，气爪边缘长度为２０mm .就气爪型腔而言，由于其内部结构复杂，相比传统机械加工制造，应用３D 打印技术更容易加工成形，而且打印精度能够满足设计要求，使得气爪的制造成本大大降低.应用３D 打印技术打印出的气爪模型如图１１所示，打印精度为０．２mm ，填充度为８０％,
所用材料为聚乳酸(P L A ),P L A 是一种新型的生物降解材料，机械性能及物理性能良好，不会对环境产生破坏
.１．
气爪固定螺纹孔㊀２．进气孔㊀３．气动接头螺纹孔４．
气爪型腔图１０㊀气爪模型图
F i g ．１０㊀P n e u m a t i c g r i p p
e rm o d e
l 图１１㊀气爪实物图
F i g ．１１㊀P h y s i c a l p n e u m a t i c g r i p p
e r ４．２㊀实验测量原理图
气爪型腔压力分布测量原理如图１２所示.７０mmˑ７０mm 的正方形铝板中央有两个间距５mm ㊁直径为１mm 的测压小孔，两个H u b a６９
１
１,３．H u b a ６９１型压力传感器㊀２．
测压小孔图１２㊀测压原理简图
F i g ．１２㊀T h e p r i n c i p
l e o f p r e s s u r em e a s u r e m e n t 型压力传感器分别与对应的测压孔相连，传感器
的测压范围为(－１~１)ˑ１０５
P a
，分辨力为２００P a ，由于所测气爪型腔内负压值的数量级为１０
３，所以所选压力传感器能够满足测量需求.应用两个传感器能够更加精确地测量气爪型腔内部
压力分布情况.
４．３㊀实验气路图
图１３为实验气路原理图.从空压机出来的气体经过过滤器和减压阀储存到储气罐中，压力计和流量计分别测量进入气爪型腔内气体的压力和流量.整个气路通过F e s t o 软件系统控制，系统控制平台面板如图１４所示.
１．
储气罐㊀２．截止阀㊀３．减压阀㊀４．流量计㊀５．压力计图１３㊀气路原理图
F i g ．１３㊀T h e p r i n c i p l e o f a i r s u p p l y c
i r c u i
t 图１４㊀气路控制面板
F i g ．１４㊀T h e c o n t r o l p a n e l o f a i r s u p p l y c
i r c u i t ４．４㊀实验台设计
测量气爪型腔压力分布实验平台如图１５所示.气爪通过３D 打印的连接件与X 轴移动平台相连,X 轴移动平台固定在Z 轴移动平台上，测压铝板通过连接件固定在Y 轴移动平台上.通过调节X 轴和Z 轴的距离控制气爪与铝板之间的高度即气膜厚度，通过移动Y 轴移动平台可以测量整个气爪的型腔压力分布情况.
３２５ 旋涡流非接触气爪结构优化设计
李剑锋㊀李国平㊀路㊀波等
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