中国地浸采铀技术经过20余年的科研和生产，在水冶装备方面，取得了长足的发展；但与国外相比，仍存在装备适用性差、人均劳动生产率低等问题。例如在地浸水冶生产中，仍需要人工投放袋装碳酸氢钠、氢氧化钠等，这些工作岗位，不仅劳动强度大、作业环境差，且需要配备大量人员，拉低了劳动生产率，增加了运行成本。为此，开展了粉料自动投料装置研制工作。粉料自动投料装置的首要环节是上料——对物料袋进行抓取、转运。工农业生产中对物件的抓取，主要采用夹抓和真空吸盘来实现。考虑到小型化因素，每次只需抓取1袋物料，夹抓过程容易对料垛其他物料袋造成破坏；而真空吸盘利用负压夹持工件，具有成本低廉、结构简单、使用方便等优点[1]。经过比选，确定采用真空吸盘来对物料袋进行抓取试验。
国内学者曾对真空吸盘用于吸取刚性物体进行过研究分析[2-4]；对于包装袋，也有学者对仿生吸盘和吸取空包装袋进行过研究分析[5-7]。但本研究中需要抓取装满物料的物料袋，且物料袋为两层包装，外袋为编织袋，内袋为塑料薄膜袋。由于编织袋有孔隙，无法与吸盘形成密封，目前没有成功的使用经验供借鉴，因此需要对编织袋用真空吸盘系统进行研究和设计。
1 真空吸盘工作原理
真空吸盘是通过真空发生装置(真空发生器、真空泵、漩涡式高压气泵等)，使真空吸盘与被吸物体表面间形成负压，进而外界的大气压把物体和真空吸盘牢牢地压在一起，实现对被吸物体的抓取。由于受到真空吸盘与被吸物体表面贴合状态的影响，真空吸盘工作时存在泄漏现象，造成真空度降低。如果泄漏的空气量和被吸走的空气量达到平衡，则吸盘能实现稳定吸附[8]。真空吸盘产生的吸力大小主要由吸盘内真空度和有效吸附面积决定，吸附力计算公式为[9]23-375
FN=P×S，
(1)
式中：FN—吸附力,N；P—吸盘内真空度，MPa；S—有效吸附面积，mm2。
2 真空吸盘选型
2.1 真空吸盘运动分析
本课题研发的粉料自动投料装置选用机械手进行上料。机械手带动真空吸盘抓取物料袋后，上提到指定高度；然后水平移动到拆包机上方，释放物料袋，由拆包机进行破拆。整个运动过程中，真空吸盘抓取物料袋需要做垂直提起和水平移动2个动作。
当吸盘做垂直提起运动时，需要的保持力FN1为[9]23-375
FN1=m(g+a)t，
(2)
式中：FN1—垂直运动保持力，N；m—物料袋质量，kg；g—重力加速度，m/s2；a—加速度，m/s2；t—安全系数。
当吸盘做水平移动运动时，需要的保持力FN2为[9]23-375
FN2=m(g+a/μ)t，
(3)
式中：FN2—水平运动保持力，N；μ—摩擦系数。
2.2 被吸物体特征分析
生产所需投放的化工原料主要是氢氧化钠、碳酸氢钠、碳酸钠，为此针对这3种物料袋进行自动拆包机设计。氢氧化钠物料袋的规格为25 kg/袋，尺寸为700 mm×400 mm×100 mm；碳酸钠物料袋的规格为40 kg/袋，尺寸为850 mm×400 mm×100 mm；碳酸氢钠物料袋的规格为50 kg/袋，尺寸为800 mm×600 mm×100 mm。这3种物料袋均采用两层包装袋包装，外袋为编织袋，内袋为塑料薄膜袋；不同之处在于，氢氧化钠外袋正面多粘附了一层塑料薄膜。
导师(通讯作者):周骏(1958-)，男，教授，博士，主要研究方向为纳米功能材料、光电子技术和生物光子学. Email:zhoujun@nbu.edu.cn
氢氧化钠外袋正面多粘附的塑料薄膜，使其易与真空吸盘形成稳定的密封空间；而碳酸氢钠、碳酸钠由于外袋为编织袋，无法与真空吸盘形成稳定的密封空间，大量的空气泄漏会降低真空吸盘与物料袋间密封空间的真空度，不利于抓取。
2.3 真空吸盘比选
真空吸盘的吸附性能主要受吸盘结构、吸盘材料以及吸盘与被吸附物体表面贴合程度的限制[10]。
真空吸盘从尺寸上可分为大吸盘和小吸盘。大吸盘适合抓取取较重物件，对于表面不光滑物件也能抓取；而小吸盘适合抓取较轻物件，组合使用，也能抓取较重物件，提高抓取可靠性，但需要物件表面光滑。
真空吸盘从材质上可分为较硬的橡胶类吸盘和较软的海绵吸盘。橡胶类吸盘适合抓取表面光滑的物件，部分材质也可用于抓取表面粗糙的物件；而海绵吸盘适合抓取表面粗糙或不平整物件。
真空吸盘从密封形式上可分为一层吸盘和多层吸盘/唇形吸盘。一层吸盘结构简单，适合抓取表面光滑物件；而多层吸盘则用来抓取表面粗糙的物件。
考虑到3种物料袋的特征，经过对比分析，最终选定小吸盘、橡胶吸盘和海绵吸盘进行试验。这3种吸盘的特性见表1。
表1 3种吸盘特性比较
由于小吸盘只适合抓取表面光滑的物体，在该试验里，只能抓取25 kg的氢氧化钠包装袋。若抓取效果好，可尝试抓取其他2种物料袋。
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根据以上分析，初设选型输入条件：最大加速度为2 m/s2，安全系数为2，最重物料袋为50 kg，吸盘内真空度为0.05 MPa。
将以上数据代入式(1)～式(3)进行计算，当真空吸盘做垂直提起运动时，保持力为1 181 N；当真空吸盘做水平移动运动时，保持力为2 981 N。按真空吸盘做水平移动运动时的保持力进行计算，得到真空吸盘有效面积不小于59 620 mm2。根据计算得到的真空吸盘有效面积，选用有效吸盘直径φ40 mm的8个小吸盘、370 mm×250 mm的椭圆形橡胶吸盘和320 mm×200 mm的长方形海绵吸盘进行试验研究。
3 真空发生装置选型
常用的真空发生装置有真空发生器、真空泵、漩涡式高压气泵，这3种真空发生装置的特性见表2。
（3）对接接头刚性拘束焊接裂纹试验 试验标准：试验按照《对接接头刚性拘束焊接裂纹试验方法》（GB/T 13817—1992）进行。
表2 3类真空发生装置的特性比较
对比发现，因3种真空发生装置各有优势，因此将这3种真空发生装置都进行试验测试。
真空泵、漩涡式高压气泵与吸盘采用5 m长的DN50钢丝软管连接，真空发生器与吸盘间采用1 m长的φ19橡胶软管连接。将吸盘内的真空度达到真空发生装置最大真空度63%的时间，设定为1 s，所需真空发生装置的最大吸入流量Qmax为[9]376
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Qmax=2×60V/T，
(4)
式中：Qmax—最大吸入流量，m3/min；V—系统需要抽成真空的总容积，m3；T—吸着响应时间，s。
通过计算，最终选择的设备型号见表3。可以看出，在所选的真空发生装置中，漩涡式高压气泵能产生的真空度最低，流量最大；旋片式真空泵能产生的真空度最高，流量最小。
表3 真空发生装置选型结果
4 真空吸盘系统试验
采用真空发生器、真空泵、漩涡式高压气泵配合小吸盘、橡胶吸盘和海绵吸盘，对氢氧化钠物料袋、碳酸氢钠物料袋和碳酸钠物料袋分别进行抓取试验。抓取后，静止10 s；然后，由机械手带动，前后左右各运动2次，记录不同组合下，3种物料袋被抓取的容易程度和稳定程度，找出吸盘式物料抓取装置的组合方式。
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4.1 吸盘试验方案
4.1.1 真空发生器配吸盘试验方案
根据选定的多级真空发生器，试验过程中需要5.5 kW活塞式空压机配合使用，该空压机工作压力为0.7 MPa，流量为0.67 m3/min。空压机启动后，通过φ8橡胶软管带动多级真空发生器工作，多级真空发生器通过φ20橡胶软管使吸盘产生真空，然后分别对3种物料袋进行抓取试验。
4.1.2 水环真空泵配吸盘试验方案
水环真空泵通过DN50钢丝软管直接与吸盘连接，启动后，分别对3种物料袋进行抓取试验。
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4.1.3 漩涡式高压气泵配吸盘试验方案
漩涡式高压气泵通过DN50钢丝软管直接与吸盘连接。试验时，先试验1台漩涡式高压气泵配吸盘，对3种物料袋分别抓取的效果。如果效果不好，分别将2台漩涡式高压气泵并联、串联后，再对3种物料袋分别进行抓取，记录试验结果。
4.1.4 旋片式真空泵配小吸盘试验方案
旋片式真空泵通过φ20橡胶软管使小吸盘产生真空，先对氢氧化钠物料袋进行抓取试验，记录试验结果。若试验效果较好，可尝试对其他2种物料袋进行抓取。
4.2 吸盘试验结果与讨论
将4种真空发生装置与3种吸盘进行组合，各组合方式的抓取试验结果见表4。
表4 吸盘抓取试验结果
根据式(1)，吸盘的吸力和真空度、吸盘面积成正比关系。从理论上分析，应该是水环真空泵配海绵吸盘组合的吸力最大，抓取物料袋更稳定；但试验结果却是2台漩涡式高压气泵串联配橡胶吸盘的组合抓取物料袋更稳定，抓取效果更好。为此，在吸盘抓取过程中，割破外表层编织袋观察试验结果，发现物料袋内层的塑料薄膜无法被有效地吸起来，这造成吸盘内真空密封效果不好，使得物料袋被提起瞬间的压降无法避免。吸气流量大的设备组合能够迅速补充泄露的风量，使得吸盘内维持稳定的真空度，进而保证被吸物料袋稳定地被吸盘吸起。而海绵吸盘，因内腔较橡胶吸盘小，容易被物料袋空袋挤满，造成密封不严，真空度无法保证，所以抓取效果也没有橡胶吸盘好。
对于旋片式真空泵配小吸盘无法抓取氢氧化钠物料袋的问题，分析认为是由于吸盘尺寸过小，无法适应柔性物料袋外形变化，造成密封不严，无法有效形成真空状态。
5 结论
研究了不同真空发生装置与不同吸盘组成的真空吸盘系统的抓取稳定程度，确定了2台漩涡式高压气泵串联配橡胶吸盘的真空吸盘系统，该真空吸盘系统适用于抓取氢氧化钠、碳酸氢钠和碳酸钠物料袋，实现了对编织袋的稳定抓取，为后续粉料自动投料装置的研制奠定了基础。
