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真空發(fā)生器的耗氣量，提出了3種節(jié)能控制回路進行對比試驗。結(jié)果表明，階梯式流量控制方式節(jié)能效果顯著、適應范圍廣。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)設計了真空壓差致動的階梯式流量控制閥。試驗結(jié)果表明，相比同級別射流式真空發(fā)生器，改進后的活塞式真空發(fā)生器不僅能夠迅速達到要求的真空度，而且在60s工作時間內(nèi)減少約71%的耗氣量，實現(xiàn)了節(jié)能。

　　氣動真空吸取技術(shù)已越來越廣泛地應用于工業(yè)自動化各個領(lǐng)域，主要用于吸取易碎、難以挾持的工件，以完成搬運、夾緊或包裝等作業(yè)�，F(xiàn)階段，普遍使用的氣動真空元件為射流式真空發(fā)生器。在真空吸取過程中，系統(tǒng)響應過程可分為真空產(chǎn)生階段和真空維持階段，通常真空維持階段的工作時間相對較長。利用射流式真空發(fā)生器產(chǎn)生真空時，如果要維持一定的真空度必須持續(xù)定量供氣。在一個具有一定規(guī)模的氣動控制系統(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://www.13house.cn/)認為如何減少真空吸取過程中真空維持階段的耗氣量，實現(xiàn)氣動真空吸取技術(shù)的節(jié)能具有重要研究意義和經(jīng)濟價值。

　　在這樣的應用背景下，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)動活塞運動并在真空腔室內(nèi)通過局部容積擴張產(chǎn)生真空，這雖然與一般的往復式活塞真空泵有相似之處，但在驅(qū)動方式和結(jié)構(gòu)上卻有顯著不同。該活塞式氣動真空發(fā)生器體積小、結(jié)構(gòu)簡單，采用氣壓驅(qū)動，能作為獨立的氣動真空發(fā)生元件在局部使用。

1、活塞式氣動真空發(fā)生器

　　工作原理及其性能根據(jù)容積擴張產(chǎn)生真空原理，設計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，氣源氣體通過進氣換向閥進入驅(qū)動腔Ò，推動活塞組件向左運動，驅(qū)動腔Ñ中氣體通過進氣換向閥排向大氣；同時，真空腔Ò容積擴張，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單向閥排出。當活塞運動到行程末端時，觸發(fā)進氣換向閥和抽氣換向閥換向，活塞開始向右運動，此時真空腔Ñ與真空口相連，繼續(xù)產(chǎn)生一定真空。當活塞運動到行程另一終點時再次觸發(fā)換向閥換向，如此反復循環(huán)，在真空口處持續(xù)產(chǎn)生一定的真空。

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

1驅(qū)動腔Ñ；2驅(qū)動腔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，為了減少真空響應時間，系統(tǒng)可在相對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，可適當降低供給壓力以減少供給流量，達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進行切換時系統(tǒng)的響應特性，其中設定的切換真空度為80kPa。當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，此時的平均供給流量約下降為54L/min，較0.30MPa時的約80L/min有所減少，故整個工作過程能夠減少一定的耗氣量。

　　2.2、間歇供給控制

　　在實際應用中，通常并非在達到系統(tǒng)極限真空度時才進行吸取等操作，而是達到極限真空度的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密閉，而并非像射流式真空發(fā)生器在停止供氣時入口真空度迅速下降為0。因此，若系統(tǒng)無泄漏產(chǎn)生，當真空吸盤達到某一真空度后，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，吸盤真空度會隨著時間推移而逐漸下降，下降速度與泄漏流量大小有關(guān)。所以，可根據(jù)實際應用場合，合理地設定真空度上限值和下限值，當真空度上升超過上限值后，給出信號切斷氣源供氣；當真空度低于下限值后，給出信號恢復氣源供氣。通過這樣間歇地供給，可使吸盤的真空度一直控制在設定的范圍內(nèi)，同時也能減少一定的耗氣量。

圖2 供給壓力切換控制時的系統(tǒng)響應特性

　　圖3為系統(tǒng)在一定泄漏流量下，供給壓力為0.21MPa，設定的真空度范圍為75~85kPa，間歇供給控制下的系統(tǒng)響應特性。從圖3可看出，供給流量的占空比與它和系統(tǒng)設定的真空度范圍、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，在首次達到設定的真空度后可減少供給次數(shù)，甚至在工序動作完成前無需再供氣，既滿足了真空吸盤操作要求，同時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)生器抽取過程具有一定的密閉性，因此，在真空維持階段，可通過節(jié)流的方法適當減少供給流量以降低活塞往復運動速度，只需使系統(tǒng)抽氣流量足以彌補泄漏流量即可維持一定的真空度。通過試驗研究，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80kPa時進行節(jié)流控制的系統(tǒng)響應特性。從圖4中可看出，當系統(tǒng)達到設定的真空度后，供給流量呈階梯式下降，下降幅度較大，同時真空度持續(xù)上升直到最大值，該控制方式對于長時間使用真空吸盤吸取搬運工件的過程有利，能夠有效地減少工作過程總耗氣量。

4、階梯式流量控制閥節(jié)能試驗

　　在之前的階梯式流量控制試驗回路中是通過真空壓力開關(guān)信號對供給流量進行調(diào)節(jié)的，為了降低系統(tǒng)組成成本，設計了如圖8所示的真空壓差致動階梯式流量控制閥(1端蓋；2控制閥本體；3彈性膜片；4閥芯帽；5復位彈簧；6限位螺母；7閥芯)。

　　當系統(tǒng)真空度達一定值時，彈性膜片上下壓力差克服彈簧預緊力，驅(qū)動閥芯向下運動，對供給流量進行調(diào)節(jié)，這樣既滿足了活塞式真空發(fā)生器在真空產(chǎn)生階段快速響應的要求，又達到了在真空維持階段減少耗氣量的目的。

　　經(jīng)反復設計，對階梯式流量控制閥及活塞式真空發(fā)生器結(jié)構(gòu)進行了調(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(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)生器原型樣機圖10為活塞式真空發(fā)生器在0.21MPa供給壓力下，試驗測得的1L真空容器真空響應過程和系統(tǒng)供給流量變化，其中設定控制的真空度為80kPa。從圖10可明顯看出，當真空度超過設定值后，流量控制閥開始起作用，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，最后達到穩(wěn)定值約91kPa。

圖10 活塞式真空發(fā)生器響應特性

　　試驗結(jié)果表明，階梯式流量控制閥可在真空響應的不同階段對系統(tǒng)供給流量進行控制，尤其在真空維持階段，供給流量大幅下降，而同級別射流式真空發(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)生器在使用過程的耗氣量。假設采用真空吸盤吸取搬運某工件過程時間為60s，真空度達80kPa即可滿足工作要求，通過在相同供給流量50L/min下的試驗對比，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，而且較同級別射流式真空發(fā)生器在工作過程中減少了約71%的耗氣量，實現(xiàn)節(jié)能。

5、結(jié)論

　　(1)通過對供給壓力切換控制、間歇供給控制和階梯式流量控制的試驗對比，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，并得到試驗驗證，為進一步設計階梯式流量控制閥提供理論依據(jù)。

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