引言
在气压传动系统中，负压吸盘是实用有效的真空元件，对于表面光滑的物体具有良好的夹持效果[1]；然而，对于表面粗糙的物体，难以保证吸盘与物体接触的气密性，压缩空气易从间隙中泄漏，从而导致夹持失败[2-3]。因此，如何使吸盘适应物体形状并保证吸附真空度，这是亟需解决的问题[4]。
相较于传统负压吸盘，为了解决气密性问题，通常会从材料选择和吸盘结构等方面进行优化。目前，制作吸盘的材料主要为经济实用的丁晴橡胶、硅橡胶、聚氨酯、氟化橡胶等柔性材料[5-7]。结构型式方面，根据应用场合的不同，负压吸盘可分为扁平型、短波纹管型、长波纹管型、椭圆型和组合式吸盘等[8-9]。这些结构大多通过增加真空度来增强吸盘吸附力，适形能力不足。
为适应多工件通用夹持需求，国内外学者进行了深入的研究，邱坤等利用仿生学原理制作了多形态章鱼吸盘，其吸盘的边缘部位能够形成很好的密封效果[10]。本研究采用颗粒物塑形原理[11-13]制作适形吸盘，通过类流体与类固体状态间的可逆转换，达到塑形效果。
1 负压塑形吸盘基本工作原理
一方面，塑形吸盘利用大气压力与真空压力的压差作用对物体进行吸附夹持作业；另一方面，吸盘边缘设计为袋状结构并填充塑形颗粒。如图1所示，吸盘主体底部形成真空腔室，同时在袋状结构内部填充颗粒材料以增加塑形能力和刚度。当吸盘与物体接触后，颗粒材料实现适形和塑形，真空发生器抽取真空腔室内的空气形成内部真空，此时内部压力小于大气压力，被夹持物体在内外压差作用下与吸盘相贴合，完成物体的吸附夹持。真空元件提供的真空度越高，塑形条件越完备，吸盘产生的吸附夹持力就越大。
图1 适形吸盘工作原理示意
2 颗粒物塑形真空吸盘的结构设计
2.1 结构设计
颗粒物塑形负压吸盘的结构设计如图2所示，包括类软骨骨架和硅胶软膜。类软骨骨架嵌于软膜内部，以上部固定环固定，维持了软膜外形的同时亦增加了负压吸盘的刚性。
类软骨骨架结构包括第一软管、上部端盖、移动骨架等。上部支撑板底部圆周均布6个卡槽，上部支撑板嵌于卡槽之中；下部端盖上端面均布6个卡槽，支撑骨架嵌于卡槽之中。支撑骨架与移动骨架通过螺钉连接，第一软管贯穿于上部端盖、下部端盖和底部支撑板，此时移动骨架的张合程度可通过下部端盖在第一软管上的滑动量进行调节。第二软管和颗粒物填充管同样贯穿于上部端盖和底部支撑板，软管底部与底部支撑板下端面重合，同时为了防止抽取真空时吸入颗粒物，在底部支撑板下端面铺设有过滤网。
1.顶板 2.颗粒材料 3.软膜底部上表面 4.底部支撑板 5.下部端盖 6.螺钉孔 7.上部端盖 8.第二软管 9.第一软管 10.上部固定环 11.移动骨架 12.支撑骨架 13.底部固定环 14.硅胶软膜 15.软膜底部下表面
图2 颗粒物塑形负压吸盘整体结构图
为制作硅胶软膜，3D打印模具并浇注硅胶成型，软膜的底部向上凹陷，构成吸盘与物体之间的真空腔室。底部支撑板与软膜底部上端面接触，类软骨骨架的下部端盖嵌于底部支撑板，骨架的张合程度得以确定。第一软管底端与顶板相连接，顶板与软膜底部下端面接触，顶板与底部支撑板共同确定骨架在软膜内部的位置和形状。上部端盖和底部支撑板边缘均有环形凹槽，由于硅胶材料兼具柔性和韧性的特点，通过上部固定环和底部固定环的凸起，挤压软膜填充凹槽，从而形成良好的密封效果。底部支撑板与软膜之间的空间由颗粒物填充，形成塑形袋。
2.2 吸附夹持动作
颗粒物负压吸盘吸附夹持动作的气动回路如图3所示，采用可编程逻辑控制器控制电磁阀以实现完整吸附夹持动作。颗粒物负压吸盘的吸附夹持力由两个部分组成，真空元件产生的吸附力Fv和颗粒物由类流体转变为类固体后与物体之间的约束力Fr，故采用两路正、负压源分别实现吸附夹持作业。
由于两路正、负压源输出压力不同，将电磁阀10控制的支路称为第一路正压源，电磁阀12控制的支路称为第二路正压源，第一路正压源供气于负压吸盘与物体的真空腔室，实现快速释放动作；第二路正压源供气于塑形袋，使塑形袋发生轻微变形，为疏松颗粒物做准备。当负压吸盘与物体接触时，填充空间内的颗粒物会随着物体表面的形状发生流动，被动地拟合物体的表面形状。
1～3.气源及附件 4～8.减压阀 9～12.电磁阀 13.单向阀 14、18.真空发生器 15、19.真空过滤器 16、20.真空调压阀 17、21.消声器 22.可编程逻辑控制器 23.颗粒物负压吸盘
图3 颗粒物负压吸盘气动回路图
真空调压阀20可调节第一路负压源压力，抽取负压吸盘内空气，完成吸附动作；真空调压阀16调节第二路负压源的压力，抽取塑形袋内空气，实现颗粒物从疏松的类流体状态至类固体状态的转变。由于塑形袋被挤压，内部空气将通过真空发生器回路流向大气，以完成塑形。
3 适形吸附夹持试验
为了试验适形夹持效果，3D打印出不同粗糙程度的表面并粘附于一定质量的试件上。不同粗糙程度表面的凸起量分别为1～3 mm。
设计颗粒物负压吸盘的吸附夹持试验回路，如图4所示。 试件下表面连接拉力传感器， 不断增加试件质量直至物体脱落。通过调节真空调压阀20获得不同的真空度，测量不同真空度下可吸附夹持的最大质量。将真空调压阀16设置为定值，改变真空调压阀20的真空度进行相同的测试。
图4 试验气动回路实物图
试验分别采用光滑表面试件和凸起量分别为1～3 mm的试件进行测试，采集不同真空度下提升物质量数据，如图5所示，试验验证了颗粒物塑形负压吸盘的适形效果。真空度高于40 kPa时，对试验的非规则平面物体均有良好的夹持效果。真空度较低时，物体表面越光滑，吸附效果越好。
图5 真空压力与提升物质量的关系曲线
4 结论
本研究提出一种基于颗粒物塑形原理的负压吸盘。该吸盘利用刚性可控的阻塞技术，将颗粒物填充于硅胶软膜内，硅胶气囊充气膨胀后贴合并固化物体轮廓以实现适形夹持，对非平面物体有良好的夹持效果。
试验验证了颗粒物塑形负压吸盘的适形效果。真空度高于40 kPa时，对试验的非规则平面物体均有良好的夹持效果。真空度较低时，物体表面越光滑，吸附效果越好。
针对粗糙度较大的物体，吸盘完全贴合物体表面方能获得良好的夹持效果，因此需要较大的初始挤压力使吸盘与物体完全贴合以完成塑形，需要改善硅胶软膜底部结构型式并对材料可靠性进行研究。
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