机械手电磁吸盘的设计.doc

机械手电磁吸盘的设计
一、 工作原理
电磁吸盘是安装在手腕的前端，通过电磁吸力把工件吸住。其工作原理如图1所示，当线圈1通入电流后，在铁芯2内外激起磁场，由线圈出来的磁力经过铁芯、空气隙和被磁化的衔铁3而形成闭合回路。根据线圈中电流I的方向，可用右手螺旋法则来确定线圈的磁力线的方向，凡磁力线出来的那个磁极为N极，而磁力线进入的那个磁极为S极，同时衔铁3被磁化，其极性与铁芯线圈产生的磁场极性相反，根据异极性相吸的特性，衔铁受到电磁力F的作用，被吸向铁芯。有的电磁铁中衔铁是固定的，由靠近它的铁磁物质（即工件）被磁化形成对应的异性磁极，因而受到电磁吸力的作用被吸住。若切断电流时，铁芯内外的磁场随即消失，衔铁将被释放或放下工件。

图1 电磁铁工作原理 图2 电磁铁形式
电磁铁主要由铁芯、绕在铁芯上的线圈及原来不显磁性的铁磁物质制成的衔铁所组成，其结构型式如图2所示。
图(a)为螺管式的电磁铁，在交流和直流电路上均有应用，这种电磁铁的气隙全部在激磁线圈中间，吸力较大。如带有电磁铁的挤压气吸式吸盘即属于此类型。
图(b)为盘式电磁铁，其整个磁路结构像一个圆盘，磁通经过一个几乎密合的气隙，能产生很大的吸力，它的结构简单，动作快，控制功率小，在自动控制中得到广泛的应用。图3为盘式电磁吸盘的结构图，铁芯l和磁盘3之间用黄铜焊料焊接并构成隔磁环2，既焊为一体又将铁芯和磁盘分隔，这样使铁芯1成为内磁极，磁盘3成为外磁极。其磁路由壳体6的外圈，经磁盘3、工件和铁芯1，再到壳体内圈形成闭合回路，以此吸附工件。铁芯、磁盘和壳体均采用8～10号低碳钢制成，可减少剩磁，并在断电时不吸或少吸铁屑。盖5为隔磁材料用黄铜或铝板制成，用以压住线圈11防止工作过程中线圈的活动。挡板7、8用以调整铁芯与壳体的轴向间隙，即磁路气隙，在保证铁芯正常转动情况下，气隙越小越好，气隙越大电磁吸力会显著地减小，因此，一般取毫米。在机械手手臂上连接着螺钉12，螺钉12的端部与壳体6上的键槽相配合，使壳体在手臂的孔内可做轴向微量的移动但不能转动。铁芯l和磁盘3一起装在轴承上，用以满足在不停车的情况下自动上下科。

图3 盘式电磁吸盘结构
如果采用永久磁铁来制作电磁式吸盘，则必须是强迫性的取下工件，因此这种电磁吸盘应用很少。
电磁吸盘只能吸住铁磁性物质如钢铁件，其缺点是被吸附的工件留有剩磁，另外吸盘上常会吸附铁屑，而妨碍工作。它适用于吸附有剩磁而无妨的场合和带网孔的钢铁板料等。对于不准有剩磁的工件如钟表和仪表类零件，不能选用电磁式吸盘。另外钢、铁等铁磁材料在温度723℃以上时磁性将会消失，故高温条件下不宜使用电磁式吸盘。图4所示为几种电磁式吸盘吸料的示意图。
图(a)为吸附滚动轴承座圈的电磁式吸盘；图(b)为吸取钢板用的；图(c)为吸取齿轮用的，图(d)吸取多孔钢板用的。

图4 几种电磁式吸盘吸料示意图
二、电磁式吸盘的选用要素
1．应有足够的电磁吸力 电磁吸力由所吸附工件的重量来确定，当电磁式吸盘的形状、尺寸以及线圈确定后，则电磁吸力也就固定，此时可改变电压来微调吸力大小。线圈的温度应保持在额定范围之内。
2．应根据被吸附对象的要求来确定电磁式吸盘的形状。
电磁铁吸取工件的表面，一般为平面，但也有弧形曲面，如图5所示的电磁铁1吸附灯壳废边料2的吸头为弧形曲面，它与料边弯曲形状相似。因此电磁吸盘的形状和尺寸应根据工件表面形状与尺寸的要求而设计。

图5 曲线形电磁铁结构图
电磁式和气吸式吸盘各有优缺点，下面列表说明：
电磁式吸盘
气吸式吸盘
1、适用于磁性材料，有沟槽或穿孔的工件吸住。对于不准有剩磁的工件不能选用。
1、适用于表面相当平整和光滑的材料，但材质不受限制。
2、单位面积有较大的吸力
2、单位面积的吸力有限
3、在磁盘上有余磁，因而会铁质碎屑，造成划伤工件和吸不平的可能。
3、要求吸附边缘和工件表面不允许有碎屑堆积，否则就吸不住工件。
4、可以快速吸附工件
4、达到所要求的压力后才能吸附工件，因而需要一定时间。
5、结构简单
5、结构较复杂
6、使用寿命较长
6、使用寿命有限
三、电磁吸力的计算
作用在被磁化的铁磁物质(如电磁铁的衔铁或电磁吸盘上的被吸工件)上的电磁吸力大小与磁力线穿过磁极的总面积及气隙中磁感应强度的平方成正比。如果磁感应强度B沿磁极表面为均匀分布的，则计算电磁吸力的基本公式为

式中 F----电磁吸力(焦尔／厘米)；
B----空气隙中的磁感应强度又称磁通密度(韦伯／厘米)；
S----空气隙的横截面积即铁芯柱横截面积(厘米)；
----空气导磁系数，是常数，其值为
亨／厘米H/m(亨/米)。
如果B以高斯(1高斯＝)计量，则经换算可得：
（Kg）
因为
所以 （Kg）
式中 ----气隙中的磁通 (麦克斯韦) , 1麦克斯韦=韦伯.
图1所示由两个气隙共同作用产生的总吸力，故电磁吸力公式应乘以2即
（Kg）
上述公式是在假定磁极端面下的磁通分布均匀的条件下得出来的，因此，它适用于气隙极小时吸力的计算，例如衔铁及工件处在吸合位置或接近于吸合位置的时候。若气隙较大时，对上述公式应加入一个修正系数，用以修正大气隙时由于磁通的不均匀分花所引起的误差，故
（Kg）
或 （Kg）
式中 ----修正系数，由经验一般取3～5；
----气隙长度(厘米)。
在交流电磁铁中磁场是交变的，电磁吸力亦是波动的，一般按吸力平均值来计算，其平均吸力的大小为吸力最大值之半即，其中，式中是磁感应强度最大值，单位为高斯。
由于交流电磁铁吸力是波动的，易产生振动和噪声，克服办法是加短路环(或隔磁环)，以消除衔铁的振动，图7中的隔磁环即能起消除吸盘振动的作用。
根据工作的需要，电磁铁所能产生的电磁吸力F应满足吸盘吸附工件时所需的吸力(即)，因此，要求电磁铁的线圈必须具有足够的磁感应强度B或气隙中的磁通，而这些数值必须通过磁路计算才能求得，磁路计算是相当复杂的，为了计算简便，在忽略铁磁阻条件下用近似的方法计算，可以先初步确定电磁铁导磁体的磁感强度或磁极面积及吸盘吸力，即可计算线圈尺寸，绘出电磁铁的结构草图，然后验算电磁铁的吸力是否满足要求。
(一)确定电磁吸盘的吸力
因工作需要
；
式中 G----工件重量 (Kg)；
----安全系数，可取1.5～3；
----工作情况系数。若板料向有油膜存在则要求吸附力大些；若装有分料器，则吸附力就可小些。另外工件从模具取出时，也有摩擦力的作用，同时还应考虑吸盘在运动过程中由于加速运动而产生的惯性力影响。因此，应根据工作条件的不同，选取工作情况系数一般可在(1～3)的范围内选取。
----方位系数。当吸盘垂直吸附时，则，为摩擦系数，橡胶吸盘吸附金属材料时，取=0.5～0.8；当吸盘水平吸附时，取。
(二)已知F和S，计算磁感应强度B或磁通量
因

或
由于漏磁的影响，线圈磁势产生磁通(即电磁铁的磁通)必须大于气隙中的工作磁通，故用漏磁系数来表示两者关系，即

式中 ----漏磁系数，根据经验值约为1.3～3，当气隙大时，则取大些，若小时则取小些，一般可粗略取为2。
有了磁感应强度即可选取电磁铁的材料，一般电磁铁导磁体中的磁感应强度约为12000～14000高斯，小值适用于普通钢，大值适用于纯铁。当要求电磁铁的灵敏度较高时，可取＝4000～7000高斯。有了磁感应强度和导磁体的材料，可根据磁化曲线来确定结构各部分单位长度所需的安匝数，这必须在线圈尺寸确定后才能计算，因此，常采用近似方法先求总的安匝数，根据此数求线圈尺寸和确定磁路，然后验算近似的总安匝数值。
(三)初算总安匝数IW
为了初算总安匝数，可假设磁路中的磁势主要消耗在工作气隙上，其次是铁芯和非工作气隙中，故将工作气隙需要的安匝数稍加大些，即可作为近似的总安匝数：
（安匝）
式中 B----气隙中的磁感应强度(高斯)。
----磁通经过的全长，它应包括吸盘开始吸附工件时的气隙；吸盘吸附工件后的密合气隙 (它由加工精度和表面光洁度而定)，因此，磁通所经过的气隙全长为 (厘米)。
----消耗系数，取a＝0.15～0.3。
----空气导磁系数，亨/厘米。
当初步确定总安匝数后，可以计算线圈尺寸。
(四)线圈尺寸的计算
在确定了总安匝数和选好供电电压以及线圈的平均直径后，可计算线圈尺寸，如图6所示。
1． 导线直径：
（毫米）
式中 U----线圈的电压(伏)；
IW----线圈磁势(安匝)；
-----电阻系数（欧·毫米/米），它与工作温度的大小有关，其值可查下表：
工作温度
（゜C）
电阻系数
欧·毫米/米
工作温度
（゜C）
电阻系数
欧·毫米/米
20

90

35

105

40

120

----线圈的平均直径，即（米）；----线圈的内径（米）；----线圈的宽度（米），线圈的宽度应考虑它的经济性，并与线圈的允许温度、填充系数和散热系数值等有关，故：
(毫米)
式中 ----散热系数，一般为0.001～00012，高温取大值，低温取小值。（瓦/厘米゜C）；
----填充系数，可取=0.45；
----线圈的允许温度；
----线圈的高度与其宽度之比值（即），对于盘式直流电磁铁取=2～4，螺管式直流电磁铁取=7～8。
由上述公式求得的导线直径，应圆整成标准直径值。

图6 线圈尺寸图
2.线圈匝数：

所以 （匝数）
式中 d----导线直径（毫米）；
j----允许电流密度（安/毫米），对于长期工作的电磁铁吸盘取j＝2～4安/毫米。
当线圈匝数和带绝缘层的导线直径选定后，线圈的宽度和高度要加以修正，因为每根导线所占空间面积近似的认为，整个线圈所占的面积为：

而
故修正后线圈尺寸为

（五） 核算线圈的温升

式中 R----线圈的电阻（欧）；
q----导线截面积（毫米）；
---线圈的平均直径（米）；
----散热表面积， （厘米）；
----视线圈结构而定的系数，对于绕在铁芯上的线圈，取=2.4；
U----线圈的电压（伏），应以额定电压的1.1或1.05倍代入公式。
当初步确定线圈尺寸和匝数后即可确定电磁铁的结构尺寸，绘制电磁吸盘的结构草图，而后进一步验算各参数，如线圈磁势计算、磁路计算、电磁吸力计算、线圈温升计算等。

图7 螺管式电磁铁尺寸图
图5所示的阀所用电磁铁3，类似螺管式电磁铁，其原理如图7所示，其中衔铁在线圈中作上下运动，对于直流电磁铁吸力的近似计算公式为：

式中 g----表示单位长度上磁导，称为比磁导

其它各符号代表意义如图所示

图3所示的电磁式吸盘结构图的电磁铁线圈的五种规格尺寸如下表所示，其线圈电源为24伏直流电，电磁吸力约为50～100kg，可参考选用。
电磁铁线圈尺寸
工作外径
（mm）
线 圈 （mm）
外径
内径
高度
线径
60～100
100
50
24
0.62
70～140
125
55
20
0.77
80～160
135
61
25
0.77
90～180
165
85
30
0.77
100～120
185
80
30
0.72
图8为电磁无芯夹具用的电磁吸盘结构。此铁芯10、磁极8和主轴13固定在一起作旋转运动，铁芯运动过程中切割磁力线，且能量损失比较大，计算电磁吸力时，应考虑铁芯在动态情况下的能量损失。两个浮动块4起支承工件和定位的作用。

图8电磁无芯夹具的电磁吸盘结构