真空吸附回路设计与气动元件选型

引言

CTP(Computer-to-plate)即脱机直接制版。CTP就是计算机直接到印版，是一种数字化印版成像过程。CTP直接制版机与照排机结构原理相仿。起制版设备均是用计算机直接控制，用激光扫描成像，再通过显影、定影生成直接可上机印刷的印版。计算机直接制版是采用数字化工作流程，直接将文字、图象转变为数字，直接生成印版，省去了胶片这一材料、人工拼版的过程、半自动或全自动晒版工序。以前CTP供版过程大部分靠人工来完成，而且版材位置容易摆放不准确，造成版材不同程度损伤，而且也大大增加了劳工费用。为了解决这一问题，提高CTP的自动化程度，我们在现有的CTP设备上面增加了一套外围自动供版设备，使供版更加的安全和效率，大大的省去了劳动力。该设备主要通过真空泵进行抽气，使抽气端达到真空负压，然后靠在版材附近的吸盘因真空引力来垂直吸附版材，同时排气端对上升一定角度的版材吹气，产生向上的气流，吹落可能连带吸起的版材或者衬纸。

真空泵吸附系统设计

一般真空吸附通过真空发生器进行吸附，如下图所示：

1-减压阀 2-真空供应电磁阀 3-气控换向阀 4-真空发生器 5-真空压力开关 6-过滤器 7-真空电磁破坏阀 8-消声器 9-工作缸

真空发生器系统原理图如图所示, 图中的PV 为供压口，真空供应电磁阀2 通电后，气控换向阀3 左端进气，压缩空气通过气控换向阀3 和真空发生器4 喷射，使真空吸取口Ⅰ产生负压吸住工件。当吸稳工件，真空度达到真空压力开关 5 所设定的压力时，则发出电信号，进行工作。当真空破坏电磁阀7 通电后（真空供应电磁阀2 同时断电），空气经真空破坏电磁阀7、密闭腔Ⅱ处进入真空吸附夹具密封腔，消除真空，释放工件。

但是由于我们要用真空泵来产生真空负压，并需要排气端对版材进行吹气，所以真空发生器无法满足要求。一般真空泵吸附物体的整个系统需要有过滤器，电磁阀，消声器等气动元件组成，为了满足真空泵抽气端吸气产生真空负压，排气端吹气产生正压，设计了2套不同气压回路，如图所示：

图1

图1这套回路主要有1-喷嘴、2-气泵、3-两位三通电磁阀、4-过滤器、5-气源、6-减压阀、7-压力表、8-单向阀、9-消音器、10-两位三通电磁阀、11-过滤器、12-吸盘组合、13-版材或者衬纸。当供版系统准备吸附版材时，2-真空泵和10-两位三通电磁阀通电工作，2-真空泵进行抽气，10-两位三通电磁阀换向。气体从12-吸盘进入，通过11-过滤器过滤掉外界气体中的杂质，防止气体的夹带的小颗粒物体损坏和堵塞后面的气动元件。然后推开9-单向阀，进入到6-减压阀，调节6-减压阀来控制回路中气体的压力，从来达到调节吸盘吸附力的效果。吹气时，3-两位三通电磁阀通电换向，气体由5-气源进入经过4-过滤器，对板材进行吹气；而12-吸盘处将不再进行抽气，8-单向阀防止气体回流，保持吸盘附近的回路的真空度。当供版过程完成时，10-两位三通电磁阀通电换向，由于1-吸盘处存在真空负压，气体将从9-消音器进入，调节吸盘中的气压，从而释放工件。为了防止泄气产生噪音加装了9-消声器，减轻整个系统的噪音。该回路的优点是可以调节流量和真空度，针对不同的吸附物体可以调节不同的吸附力，而且具有延时功能，能有效地对版材进行吹气；缺点是由于整个回路中各种气动元件容易产生泄露现象，回路比较复杂，系统协调程度要求比较高。

图2

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4

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7

8

9

图2的回路是由1-消声器、2-喷嘴组合、3-真空泵、4-三位四通电磁阀、5-气源、、6-真空泵、7-过滤器、8-精密泄压阀、9-吸盘组合这些气动元件组成。该系统回路释放和吸附的过程主要由4-三位四通电磁换位进行。4-三位四通电磁阀左端通电，3-真空泵启动，9-吸盘吸附版材，并通过8-精密泄压阀来调节抽气端的负压；排气端气体从2-喷嘴吹出。当整个供版过程完成时，电磁阀右端通电，抽气端与1-消音器端连接，气体从外界进入，打破真空罐的真空度，压力减小，释放工件。当4-三位四通电磁阀不通电时，可作为一个保压回路，在供版过程中，负压由6-真空罐来保持。

吸附起吊能力

吸盘的吸附起吊能力受吸附版材表面的光洁程度和平整度很大的影响。如果在光洁平整的版材上面的完全吸附力可以用吸盘的吸附面积和真空度的乘积来表示。但是在实用过程中还要考虑安全系数S。水平调运时，并且版材表面状态良好，安全系数S可以选小些。移动搬运时要考虑加速度的问题，一般我们安全系数S取3左右。垂直搬运时要考虑吸盘到版材重心的之间的距离、重量等因素。查阅资料了解，计算吸盘的吸附面积时不考虑在吸附状态下吸盘直径要扩大5%-20%，而且真空度只能取最高值的90%。版材吸附表面比吸盘面积要大，并由足够的空间余量。

真空起吊力的计算公式：

F=

W==

F-完全吸附能力(Kg)

V-真空度（mm汞柱）

W-真空起吊力（kg）

A-吸盘吸附面积（cm2）

S-安全系数（取为3）

已知气泵的真空度为-50KPa，版材最大重量约为1Kg，由于版材只在前段吸附，重心位置偏离起吊力W要大于1Kg，W取2Kg。则通过计算得：

W=

2KG=50000Pa*π*D2*4/760/3/133.32

D=0.98cm

通过计算吸盘的半径要大于0.98cm。当然，这只是计算结果，在实际吸附过程中，只要在不损坏版材的情况下，吸盘一般吸附面积越大吸附力就越大。

抽气和吸附时间的计算

查阅资料得，真空泵对密闭容器抽真空时，容器部真空度的提高与抽气时间的函数关系如下：

式中：P为容器的压力（即：绝对真空度）；t为自变量，是抽气时间

K3为泵的极限真空度值，K1、K2为与泵、容器大小、环境压力等相关的常数。

函数曲线示意图如下：

已知真空泵绝对真空度为50KPa，极限真空度一般取40KPa左右，容积取3L，流量为15L/min,计算得抽气时间约21S左右。下面计算吸附时间，由于存在真空罐，所以原理跟真空发生器类似。设吸盘的压力从大气压降至真空度达63%P的到达时间为T 1 , 降至真空度达95% P 的到达时间为T 2, 有

T1=60V/Q T2=3T1

V为真空泵到吸盘之间的配管容积，L为真空泵到吸盘之间的配管长度，为了减少吸附时间，L应该尽量取少一点，假设L=2m，配管径为4mm。

V=πd2L/4000=3.14*4*4*2/4000=0.025L

Q 是通过真空泵的平均吸入流量Q1 和通过配管的平均吸入流量Q2 中的小者, 单位为L/ min。因P1 / P极限= 0.8, 由压力时间函数图查得到达时间T = 2T 1 , 根据机器的运

行节拍要求吸盘吸着响应时间小于等于1.0s。

则有

Q=60*0.025*2/1=3L/min。

所以气泵的平均流量为3L/min。阻尼系数为0.2，但是实际上阻尼系数基本在0.8左右，所以真空泵流量15L/min偏大，可以通过节流阀进行调节。

则实际吸附时间 T=2*60*0.025/0.8*15

=0.25s

回路吸附时间在0.25s左右，小于1秒，符合设计要求。

版材质量计算

由于气泵吸附版材和运行过程中所受的阻力主要为版材的重力，所以我们要对版材的最大质量进行计算。对14#版材进行计算：

L（版长）=1160mm S（版宽）=940mm H（版厚）=0.3mm

M(版材)=L*S*H

=1160mm*940mm*0.3mm

=327120mm3

版材的主要材料为铝，查阅得铝的密度约为2.702g/cm3。通过计算可以得出版材的最大质量约为0.9Kg，所以吸盘的吸附力约为9N。

由此，查阅资料气泵可以初步选择微型真空泵和气体采样泵。

气泵选型

从上面计算，我们气泵初步选定为微型真空泵和气体采样泵。微型真空泵，是指在密闭容器具备一进一出的抽气嘴、排气嘴各一个，并且在进口处能够持续形成真空或负压；排气嘴处形成微正压；工作介质主要为气体，体积小巧的一种仪器，微型真空泵一般的最大承重质量都在1Kg以上。而气体采样泵工作腔压差较小，带载能力也比较小，当抽气端有真空（部压强低于大气压）时，泵不能通电启动，否则会损坏微型泵。综上所述，气泵选择微型真空泵，可以满足设计要求。

微型真空泵根据不同工作要求，型号可以分为VM系列、VAA系列、PK系列、PC系列、VCA系列、VCC系列、VCH系列、PH系列、VBH系列、FM系列、FAA系列、PCF系列。下面要对气泵的工作情况进行细分：

①判断微型真空泵抽气端工况

由于微型真空泵抽气端连着气管和吸盘，并且要吸附版材，抽气端口几乎完全堵塞，所以抽气端端口几乎完全堵塞，阻力较大。

②判断微型真空泵排气端的工况

微型真空泵排气端也有一定的要求，要将版材和纸进行吹起，排气端有一定的阻力，所以排气端需要提供一定的正压（10-100KPa）。

对于这种情况，我们气泵型号可以选择FM系列、FAA系列、PCF系列。

由于微型真空泵种类繁多，而且现在的微型真空泵一般都是电动的，即电机和泵体集成一体，通过直流供电让泵工作。所以可以从电机的种类分为：有刷微型真空泵、无刷微型真空泵。

①有刷微型真空泵

优点：采用大力矩的有刷电机作为驱动，所以流量和负载都会比较高。

缺点：有刷微型真空泵的寿命要比无刷微型真空泵的短。

②无刷微型真空泵

优点：寿命较长，特别是采用高档无刷电机的，寿命往往接近上万小时(满负荷下)；特别适合昼夜不停连续运转的场合，比如做长期在线采样气泵使用；有的甚至可以连续运转1年以上，如果是间断使用，甚至可能到几年。而且还有“调速”功能，即可以采用占空比调电机的转速(PWM调速)，从而达到间接调泵流量目的，配合相应的控制电路，甚至可以实现恒压、恒流、恒速等高级应用。

缺点：负压、正压、流量等参数比有刷的要小；成本较有刷的要高。

其次，由于版材之间有一白纸相隔，所以选择气泵时最好能选用可以调节流量和负载的真空泵。

所以在参数能达到的情况，应该尽量选择无刷微型真空泵。

气泵其他选型要求

微型真空泵对介质温度也有要求，CTP的工作环境一般在室温情况下，介质为气体，所以可以选择普通耐温型的微型真空泵就可以了。

其次就是泵的可靠性问题，根据微型泵出故障后产生后果的严重性而定，完全根据自己的要求。优质品的平均无故障连续运行时间都大于1000小时，有的高到数千小时。特别注意，这项参数是在满负荷、不间断的运行状态下测定的，是最恶劣的工况，如果实际使用不是满载或连续运行，该数值会高一些，高多少视泵的工况而定。

另外一个问题就是抗电磁干扰问题，由于气泵要进行机械运动，并受到电路控制，所以需要考虑选用配置无刷电机的微型泵（调速泵）。因为无刷电机调速泵基本无干扰，低干扰性能甚至比一些有刷微型真空泵的低干扰型号效果还要好。

还有版材要求表面平整洁净，所以在选真空泵时，最好选用无油型，震动小，噪音低的气泵。

气泵选型总结

针对这个取版设备的气泵要求，我们可以选用一套组合式的无刷微型真空调速泵来实现这个功能。查阅资料，可以了解中流量、中真空的PCF5015N型号微型真空泵可以达到要求。该系列特点：

1.长寿命：采用更好的原材料、设备、工艺制造泵部件，成倍提高寿命；全部运动部件

都使用耐久型产品，配合进口优质无刷电机，全方位提高泵寿命。

2.领先的无刷电机技术：采用特制进口无刷电机，额外提供“PWM调速、电机反馈”等信号线，真正做到“全功能”；可通过“占空比”来调节电机转速、改变泵的输出流量，忽快忽慢、随心所欲；目前，即使国外知名品牌微型真空泵也无法做到这点。(PWM调速功能：可通过电路(PWM脉宽调制)直接调整泵的流量，完全不用阀门调节，简化气路系统，可满足负载不同，“恒流”、“恒压”等多种应用)

3.低干扰：不像有刷电机那样会有杂波污染电源、干扰电子元件，甚至造成控制电路、液晶屏等死机；它不会对控制电路有任何干扰。

4.完善的自我保护自动停机功能(定做产品才有)：(1)过热保护：可避免因意外情况导致泵电机温度异常升高等故障；(2)过载保护：可避免异物落入电机，造成卡死等故障；

5.允许介质富含水汽，可昼夜不停长期连续运转，噪音低，体积小(仅1/3拳头大)；

6.抽气口可提供负压、排气口可提供正压，属于独特的抽气打气两用泵；

7.抽、排气端都可带大负载，甚至堵死，皆属于正常工作；袖珍体积，无油无污染、免维护等。

技术参数表如下图：

其他参数：

1. 抽、排气嘴尺寸(mm)：?6(孔)×?8(外径) 接口形状：直插式(抽气嘴)，防滑凸起式(排气嘴)；

2.建议接管(mm)：?6×?10硅胶管；

3.红色防尘帽盖得是抽气嘴(IN)，黑色防尘帽盖得是排气嘴(OUT)。

说明

1.选型特别注意：泵的抽气口、排气口均可带大负载，甚至完全堵塞，均属正常工作。

2.所有规格均使用直流电源；订购时请一定标明工作电压，例如，PCF5015N-24V。请优

先选用24V电压的产品，这更有利于泵长时间工作。

3.低电磁干扰型：如果系统配有精密电路(如单片机)控制微型泵的运行，请选用低电磁

干扰型产品。以上所有规格均可制成低电磁干扰型产品，订货时需要特别说明。

4.真空度值越小抽吸能力越强，详见微型真空泵常识．

5.如无特别说明，在标准大气压下的峰值流量我们全部简称流量。

使用注意

1.泵的工作环境

环境温度： 0 ～ 40 ℃，泵不宜在室外日晒，应在清洁环境中工作。环境相对湿度：≤75% 。

2.泵的工作介质

泵所抽取的气体必须无腐蚀、不含颗粒、油分，但允许富含水汽；介质温度必须控制在

0 ～50 ℃之间；

3.不得让固体异物进入泵。

外形和尺寸：

其他气动元件选型一般原则

其他元件的选型原则一般都按照国家标准来选定，管道接口径选择为Φ8mm。在气动元件选择上面，由于存在真空度，所以要选择密封性好及流量损失小和对回路功能影响小的型号。对于一些特制及存在安全隐患的要进行周期保养及维护，回路接口之间要添加生料带，加强接口之间的密封性。以下选型均通过网络资料，可能存在一定的偏差，最好一些元件要经过试验到达工作要求为准。

吸盘选型

由于该供版设备吸附的主要为类似版材和纸的物体，且吸附面积在510mm*400mm到1130mm*940mm，吸附位置在版材的一端，吸附的最大起吊力为2Kg左右，吸盘半径经过计算要大于0.98cm。针对这些要求，通过查阅得平直型的真空吸盘PATKM-25A-N可以满足要求。其中PATKM表示附固定式金属基座和快速接头，接管部分有弹簧缓冲机构，吸盘唇部厚度非常薄（1mm以下），而且地面平坦不易起皱，适合吸附纸或者薄板材料；25A表示吸盘的直径25mm；N代表吸盘材质，N代表丁晴橡胶。如图所示：

电磁阀选型

回路中2个都是两位三通气控电磁阀，都为常开系列，型号选择为VT系列真空使用类型。附图：

已知排气端正压为100KPa，负压为50KPa，3A型电磁阀使用压力围0-1.0MPa，满足设计要求。

单向阀的型号选择

首先选择单向阀，单向阀的主要作用是防止气体回流，实现单一通路的目的。型号查阅得可以选择B-KCH自封式快速接头单向阀。附图：

过滤器和减压阀的选择

减压阀是为了调节抽气端压力所加装的一个阀门，可以根据不同的版材调节不同的吸附力，调压围选择在0.02-0.06KPa之间。查阅资料，选择型号要求比较精密，选用SMC的真空减压阀IRV1000 1/8型号，它的调压围在-100～-1.3KPa，符合设计要求。附图：

过滤器是将进入的气体进行过滤，分离固体小颗粒，使排出的气体无杂质，不影响后面回路的功能，型号选择AF2000-02。附图：

或者可以选择SMC的气动二联件AF+AR(空气过滤器+减压阀)，而减压阀也可以选带逆流功能和压力表的减压阀。

消音器选择

消音器选择AN200标准型，流动阻力小，可以缩短释放版材时间。附图：

喷嘴选择

喷嘴的话由于有设计上要求，要对板材吹向下的气流，来达到版材和衬纸分离的目的，所以采用SMC公司带快速接头高效率喷嘴KNH系列，加大吹气的力度，减少流量损耗。附图：

气管和接口选择

气管及接口可以选用SMC品牌的直动式Φ8接口和T型Φ8接口，根据不同的接口，可以选择直动式螺纹Φ8接口，气管也可以选用Φ8径的PC气管。

风机选择

为了能够有效地通过吹气进行版材衬纸分离，选择ZY型节能低噪音离心式小型吹风机。该吹风机采用离心式结构，全冷扎板冲压，具有重量轻、款式新颖，流量大、噪声低等特点。适用于柴油汽化炉、配套烤烟设备、厨房设备，充气加压设施、塑料制品机械等其他行业设备上需要鼓风的场合使用。使用场所应不含易燃、易爆、腐蚀性气体，气体温度不得超过80℃。

技术参数如下：