tsurfの機械設計研究室

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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)

本ブログの御訪問ありがとうございます

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⇩

f:id:tsurf:20210605171303p:plain
とある
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⇩

f:id:tsurf:20210611183707p:plain

管理人TSURF

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、身近な例で言うと
車が急発進した際に 後ろに重力を感じる現象です。

世の中には 慣性と言って外部から力が与えられない限り、
その状態を維持しようとする物理法則があります。

この場合、ワークは静止していますので、加速に対しても
静止し続けようとします。

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) 真空伝達穴径d(mm)
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。

 

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