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機械設計歴20年以上のtsurfと言います
今回は以下に関する記事です
真空チャック設計例
（パッドの設計、真空発生源の選定、真空チャック力計算）
⇩本記事は以下の方にオススメです⇩
未経験機械設計者
真空チャックの
パッドの設計って
言われたけど
具体例を教えて
⇩本記事を読むと以下が わかります⇩
真空パッドの設計時のコツ
と真空圧を実際に
計算してみましょう。
①設計モデル
以下のモデルを想定します。
ワークを真空吸着したら、上昇します。
条件としては、このワークを吸着した後
上昇時、加速時間0.2(sec)で 運転速度0.3(m/sec)まで
加速させます。
つまり上昇加速度は 1.5(m/sec)ということになります
②ワークに掛かる力
概要
真空による吸着力を設定する際に必要なのは、以下となります。
- ワークに掛かる重力
- 駆動系による上昇加速度に耐えうる加速力
ワークに掛かる力の解説
ワークに掛かる重力は当たり前として割愛します。
駆動系による上昇加速度とは、ワーク上昇の際
当然加速しますが、この時ワークには慣性力という力が働きます。
慣性力とは、慣性が原因で発生する見かけの力です。
慣性力については、以下の記事を御参照くがさい。
この時 ワークには以下の慣性力が掛かります。
慣性力Ｆ”(N)＝ワークの質量Ｍ(kg) × 駆動による加速度ａ(m/sec)
従って、ワークに掛かる重力を満足しても、慣性力までも
満足していないと、ワークを吸着で駆動させることはできません。
従って 以下の式が成り立ちます。
必要真空吸着力Ｆ(N)
=ワークに掛かる重力Ｆ’(N) + 慣性力Ｆ”(N)・・式１
③必要吸着力の設定
まずは、上記式１から 必要吸着力を計算します。
そのために まず以下を求めます
- ワークに掛かる重力Ｆ’(N)
- 慣性力Ｆ”(N)
ワークに掛かる重力Ｆ’(N)
=ワーク質量Ｍ 0.2(Kg) × 重力加速度9.8(m/sec)
=1.96(N)
慣性力Ｆ”(N)
=ワーク質量Ｍ 0.2(Kg) × 搬送加速度1.5(m/sec)
=0.3(N)
よって 上記から
必要真空吸着力F(N)
=ワークに掛かる重力Ｆ’ 1.96(N) + 慣性力Ｆ” 0.3(N)
＝2.26(N)
④パッドの設計
基本事項
真空吸着パッドの形状は、基本的には以下となります。
- 真空吸着範囲径ΦＤa(mm)
ここは広ければ広いだけいいです。
理由は ΦＤa(mm)の面積を真空吸着範囲面積Ｖda(ｍｍ²)とすると
真空吸着力Ｆ(N)＝真空圧Vf(N/mm) × 真空吸着範囲面積Ｖda(mm²)
だからです。 - 真空吸着範囲深さVt(mm)
ここは、なるたけ薄いほうがいいです。
ここが厚いと空気の容積が大きくなります。
空気の容積が大きい＝空気の量が多いということなので
真空にする際に時間がかかり、効率が悪くなります。
しかし 薄すぎても圧損が大きくなり真空が
伝わらない可能性もありますので注意が必要です。 - 真空伝達穴径d(mm)
この径は なるだけ小さいほうがいいです。
理由はVtと同じく太いと空気の量が多くなるからです。
小さすぎても圧損が大きくなりＮＧという点も
Vtと同じです
パッドの設計
パッドの外径ΦＤ(mm)
ワークが ▢50なので 5(mm)づつ余裕を取って
吸着パッド外径をΦ40(mm)とします。
真空吸着範囲面積ΦＤa(mm)の検討
外径からの縁にワークと接触しますので
あまりにも細すぎても嫌なので、５ｍｍの当て面を残しましょう。
（ここは設計者のカンです）
するとΦＶd(mm)の径はΦ30(ｍｍ)となります。
後の計算のために面積を求めましょう。
必要吸着範囲面積Ｖdaは706.5(mm²)となります。
真空吸着厚さＶt(mm)の検討
Φ30なので１ｍｍもあれば十分です。
（ここは設計者のカンです）
真空伝達穴径ｄ(mm)の検討
上記の場合Φ4もあれば十分です。
（ここは設計者のカンです）
⑤必要真空圧の確認
上記で 以下が算出されました。
- 必要真空吸着力Ｆ(N)
- 真空吸着範囲面積Vda(ｍｍ²)
では 必要真空圧を算出しましょう。
必要真空圧Ｆａ(N/mm²)
=必要真空吸着力Ｆ0.57(N) ÷ 真空吸着範囲面積Va 706.5(ｍｍ²)
× 安全率2
=6.4E-3(N/mm²)
単位換算：(Ｎ/ｍｍ²)＝(MＰａ)=1E+3(KＰａ)より
-6.4(KＰａ)となります。
よって
必要真空圧は-10(KＰａ)とします。
⑥真空発生源の選定
ここで真空の発生源の選定をしますが、
この程度の真空圧であれば、エアを消費する代わりに
システム全体の原価が安くできる真空発生器で十分です。
以下の２つの理由から、エア消費量が少なくて済みます。
- 低い真空圧
- 搬送のための真空チャックによる短時間の真空発生
では、真空発生器のカタログから、
エア消費量を確認しましょう。
適当なサイズのものを見つけました
到達真空圧-10(ＫＰａ)時の仕様上の数値は以下となります。
- エア消費量：3(L/min ANR)
- 真空流量：5(L/min ANR)
真空流量は、目標真空圧に到達するまでの時間などに影響
しかし、真空チャックの使用用途で、
この程度の真空圧であれば、気にする必要ありません。
この時間を少なくするためにもパッドの設計時に
真空吸着深さＶt(mm) と 真空伝達穴径ｄ(mm)を
なるべく小さくしています。
エア流量単位を(L/min ANR)から(NL/min)に換算します。
⇩エア流量単位と換算式は以下の記事を御参照ください⇩
消費流量(NL/min)⇐(L/min ANR)換算(近似計算）
=消費流量 3(L/min ANR) × 273 ÷ 293
=2.8(NL/min)
設計者の感性の問題となってしまいますが、
この程度であれば 気にする必要はないでしょう。
⑦まとめ
- 真空パッドの設計には当然 必要真空チャック力を
算出する必要があります。 - 必要真空チャック力は、ワークに掛かる重力と
慣性力を合計したものになります。 - パッドの設計のコツは吸着面積を大きく
吸着深さや伝達径はなるべく小さくです。 - パッドの設計で設定された吸着面積と、必要真空チャック力
から 必要真空圧を求めます。 - 必要真空圧が現実的なのかを吟味して、現実的であれば
真空発生源の選定をします。 - 基本的に低い真空圧による 短時間搬送の真空チャックであれば
真空発生器（エジェクター）で十分です。 - もし、真空発生器を選択するのであれば、消費エア流量を
確認しましょう。必須です。
本記事は以上です。
最後までお読み頂きありがとうございます。
