专利名称：无触碰抓持工具的制作方法
技术领域：
本发明涉及生产制造技术领域，尤其是一种适用于避免接触的情况下将工件进 行抓持或抓持运送的工具。
背景技术：
在半导体和玻璃基板的制造过程中，有许多专门用来抓持这些工件的工具和设 备。以前的工具和设备在抓持操作的过程中会和工件发生触碰，从而导致工件的划伤和静 电的产生，进而产生次品。因此，近年，很多无触碰式的抓持工具和设备被开发并利用于生 产当中。如中国专利申请的“旋流式非接触吸盘”(专利申请公开号CN101264844，
公开日
2008年9月17日)，该吸盘包括杯体、内腔绕流体和喷嘴，其中杯体内部为圆柱状孔体，内 腔绕流体设于杯体的底部，杯体与内腔绕流体之间留有圆柱环状间隙，杯体近底部的侧面 设有喷嘴。另一项现有技术方案是中国专利申请的“非接触式运送装置”(专利申请公开 号CN101172M0，
公开日2008年5月7日)，这种非接触式运送装置具有供给端口的内部 构件被安装到壳体的内部，壳体与内部构件通过连接螺栓连接到一起。空气被输送到内部 构件的供给端口，并经连通通道被引流到环形通道中。而后，空气被从与环形通道)连通的 多个引出孔沿旋流方向向外引流到面对着工件(W)的环形凹槽中。此外，通过使空气沿环 形凹槽流动，可将工件保持在相对于内部构件的支持表面不接触的状态下，其中，环形凹槽 的横截面被制成大体上为梯形。这些现有的技术方案都是通过在圆筒中产生空气涡流，从 而在中心部产生负压，并利用这个负压，将物体悬浮吸起来。现有技术方案中还有日本的专利申请文献 (特许文献ι )特开2005 - 51260号公报；
(特许文献2 )特开2007 - 324382号公报。以上的现有技术文献中，在装置内部，有圆形筒状的空间(圆筒室)，圆筒室的上面 设置有切线方向的喷流口。压缩空气从喷流口喷射入圆筒室内后，就会沿着圆形壁面旋转， 形成涡流。空气的旋转会产生离心力，使圆筒室的中心部的压力降至负压，从而能够产生把 工件吸起的吸力。这种方式中，从喷流口喷出的空气沿着圆筒室内壁旋转，空气的粘性会产 生剪切力，理想状态下，该剪切力会把空气的旋转传递到圆筒室的中心部，带动整个圆筒室 内的空气旋转。但是，在圆筒室内高速旋转的空气会伴随着紊流的产生，由于紊流的影响， 剪切力会大幅衰减。因此，存在着圆筒室的中心部分的空气很难实现高速旋转的问题，并 且，圆筒室的直径越大，这个问题就变得越显著，从而致使该装置很难向大型化方向发展。此外，空气和固体表面之间存在着粘性摩擦，所以，在压缩空气在通过喷流口的时 候和从喷流口高速喷出的空气与圆筒室的壁面发生剧烈接触的时候，粘性摩擦会导致很大 的能量损失。此外，现有的发明装置需要通过切线喷流口高速喷出空气来产生旋回气流，这样 的构造就一定需要压缩空气供给源，压缩空气供给源在很多情况下需要包括空气的调质， 压缩，输送等一系列处理过程，在这一系列的处理过程中也会产生很大的能量损失，同时还需要很多相关设备，如空气压缩机，空气调质机，配管，电磁阀，减压阀等。而且，在没有这些 设备的地方，现有的这些装置无法使用，其使用受到很大限制。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种无触碰抓持工具，它能够解决现有的无触碰抓 持工具的吸力小，使用能耗大，适用性差和难以大型化应用的问题。为解决上述问题，本发明的技术方案是这种无触碰抓持工具，包括具有吸气口和 排气口的凹形的壳体，所述壳体的吸气口面积与排气口面积之比是吸气口面积排气口面 积< 1/10 ；在所述壳体内装有将所述壳体吸气口的气体吸入并从排气口排出的涡流扇；所 述涡流扇的叶片有多片，这些叶片以其转轴为中心呈向外辐射伸展的状态设置，这些叶片 在所述壳体吸气口的一侧具有侧边朝向旋转方向的部分。涡流扇的旋转会使壳体内部的气 体产生涡流，涡流的中心部形成负压，从而实现抓持工件并且与工件不发生任何触碰，这个 技术方案是通过涡流扇的旋转直接产生涡流，与利用切线喷流来形成涡流的现有技术方案 相比，本发明能够实现在相同耗能的情况下获得更大的吸引力，或是在获得相同吸力的情 况下降低能量消耗。上述无触碰抓持工具的技术方案中的优选方案可以是尽量缩小所述涡流扇朝向 所述排气口一端的芯部直径，使涡流扇朝向所述排气口一端芯部的空气也能够得到涡流扇 的充分搅拌从而实现芯部的空气也能够做高速旋转，以保证和增加该芯部的负压，一般控 制所述涡流扇朝向所述排气口一端的外部直径与该端芯部直径之比是涡流扇排气端外部 直径涡流扇排气端芯部直径> 10 ；在所述壳体的吸气口上设有调节阀门，可以通过该阀 门调节吸气口面积与排气口面积比，从而可以使本工具在相同的涡流扇的转速下获得不同 大小的吸力。所述涡流扇的叶片与所述壳体的内壁间隙大小对于本工具所获得的负压效果差 别也很大；这个间隙如果太小，涡流扇和壳体的上壁面之间会存在空气粘性的阻力，会起到 阻碍扇叶的转动，这个间隙如果太大，会导致壳体的内部空间变大，空气在里面产生二次流 动，不仅不利于内部负压的形成而且会造成内部损耗的增加，当所述壳体的内壁表面具有 一个轴线竖立的圆柱面和连接在该圆柱面上端的平面的结构时，所述涡流扇正对所述壳体 内壁平面一端的直径为D1，该端与所述壳体内壁平面的距离为A，A :D1 ^ 1/8，所述涡流扇 的叶片与所述内壁圆柱面的距离B= (1/80 1/10)D1 ；所述壳体的吸气口设在所述内壁平 面上。如果所述壳体的内壁表面是由一个曲面围成，所述涡流扇的下端直径为D3，所述 涡流扇的叶片与所述壳体内壁曲面的距离C= (1/80 (1/10) D3 ；如果所述壳体的内壁表 面是由一段上端开口小下端开口大的锥筒面与连接在该锥筒面上端的平面围成的结构；所 述涡流扇上端直径为D4，下端直径为D5，所述涡流扇的叶片与所述壳体内壁平面的距离为 E，E :D4 ≤ 1/8 ；所述涡流扇的叶片与所述内壁的锥筒面距离为F，F= (1/80 1/10) D5。上述各种形式的技术方案中，由所述壳体和所述涡流扇构成的无触碰抓持工具可 以作为一个单元，并由多个单元组合构成一个较大型的无触碰抓持工具，此时这种单元最 好是偶数个，其中一半所述单元中的涡流扇的转向与另一半所述单元中的涡流扇的转向相 反，以相互抵消旋转气流对所吸附工件的旋转作用力。相邻两个所述单元的间距应该大于这两个单元壳体中最大那个壳体排气口直径的20%，因为如果相邻单元距离太近的话，相邻 单元的排气会形成相互干涉，从而使吸力受到影响。由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下有益效果
1.吸力更大，耗能更小把现有技术和本发明相比较的试验结果可以知道，为了产生 0. 7牛顿的最大吸引力，前者耗能是17瓦，而后者只需要5瓦，大约只有前者的三分之一； 为了产生1. 1牛顿的最大吸引力，前者的耗能是23瓦，而后者只要7瓦；为了产生1. 5牛顿 的最大吸引力，前者的耗能是观瓦，而后者只要9瓦；
2.适用范围广因为本发明的无触碰抓持工具采用的是设置有旋转轴来驱动涡流扇旋 转的结构方式，所以能够采用电机来驱动，这种结构方式使得本发明不需要像现有技术方 案那样要有压缩空气供给源，也就没有了空气的调质，压缩，输送和调压的过程中所产生的 能量损失，也就不需要相关的周边设备，不仅能够节省能源、降低使用成本和设备成本，而 且适用范围广，只要有电源的地方就能够使用。3.由于本发明采用涡流扇直接搅拌空气来实现空气的旋转，不存在现有技术中依 靠空气之间的剪切力来使空气在圆筒室内产生旋转而造成其芯部旋转速度偏低，负压不足 的问题，因此，本发明的大小可根据需要任意放大，可实现大型化设计制造。
图1是本发明实施例一的主视图； 图2是本发明实施例一的俯视图3是本发明实施例一的仰视图； 图4是本发明实施例一的压力分布图5是本发明实施例一排气口与吸附工件的间距与吸引力的关系图； 图6是本发明实施例二的涡流扇的结构示意图； 图7是本发明实施例三的涡流扇的结构示意图； 图8是本发明实施例四中壳体与涡流扇的相对位置结构示意图； 图9是本发明实施例五中壳体与涡流扇的相对位置结构示意图； 图10是本发明实施例六中的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图实例对本发明作进一步详述
图1至图3所示的无触碰抓持工具，有一个上端封顶的凹形筒体形状的壳体11，在壳 体11的上端以筒体的轴线为中心均勻分布有8个圆孔吸气口，壳体11下端的筒形开口为 排气口 ；壳体11的上面装有阀板13，阀板13通过其上的三个弧形长孔和穿过这三个弧形 长孔固螺钉15固定在壳体11的上面，阀板13上也设有与壳体11上的8个吸气口对应的 8个通孔，阀板13相对于壳体11的转动可以调节壳体11吸气口的大小，使壳体11的8个 吸气口的面积可以由全开到全闭任意调节，当达到全开位置时，全部吸气口的面积可达排 气口面积的1/10。在壳体11内装有涡流扇12，涡流扇12通过装在壳体11上端的电动机 14通过电机轴连接、驱动；涡流扇12有8片叶片，这8片叶片以其转轴为中心呈向外辐射 伸展的状态，这些叶片在壳体11吸气口的一侧，上端部分朝向旋转方向弯曲。
壳体11的内壁表面由一个轴线竖立的圆柱面和一个连接在该圆柱面上端的平面 以及连接在该圆柱面下端向下张开锥形面构成，其中涡流扇12上端与壳体11内壁平面的 距离为A，A=4毫米；润流扇12的叶片与壳体11的内壁圆柱面的距离为B，B=2毫米；润流 扇12正对壳体11内壁上端平面的直径为D1，D1=80毫米；润流扇12朝向排气口的一端，即 图中下端的外部直径为D2，D2=76毫米。本无触碰抓持工具在电机14的驱动下，涡流扇12沿着箭头方向旋转，通过涡流 扇12的旋转，空气从吸气口被吸入到壳体11里，产生涡流，空气从圆筒部的底部排气口被 排出，为了减小空气排出时的流体抵抗，壳体11圆筒部的底面内侧设有倒角，工件16置于 壳体11圆筒部的底部下，这时，若电机14以1 O O O 3 O O O转/分的速度转速旋转的 话，壳体11的内部就会形成以差不多同等的速度旋转的涡流，并由此在壳体11的中心部形 成负压的分布。图4的线2是根据实验数据得到的本无触碰抓持工具所形成的压力的分布 线，横轴是半径方向，纵轴是压力，图4中的线1是根据实验数据得到的现有同类技术所产 生的负压分布线，从线1我们可以发现，现有技术的负压分布的中心部分几乎不存在压力 的变化分布，也就表明中心部的空气没有产生旋转。而本工具所产生的压力分步曲线表明 壳体内芯部空气都产生了旋转，从而能够形成更低的负压。在壳体11里形成涡流时，在离心力的作用下在壳体11的空气会向外周移动，从而 致使中心部的空气的密度降低，压力也会降至大气压以下。这时若将工件16置于本无触碰 抓持工具下面的话，工件16上面的压力作用在工件的上表面形成如图4所示沿半径方向分 布。由于工件下表面受到气体的压力大于上表面受到的气体压力，这两面的压力差就会使 工件受到向上的作用力，当这些作用力大于工件16的重力时，工件16就能被无触碰抓持工 具所吸引抓持。并且，从吸气口所吸入的空气从工件16和无触碰抓持工具之间的隙缝被排 出，因此，无触碰抓持工具与工件之间没有任何触碰。图5是壳体11的下端面与工件16之间的间距h与其所受吸引力的关系曲线图。 这个曲线显示，随着间隔的扩大，吸引力存在着上升的部分，图中的点划线表示的是工件的 重力。点划线与吸引力的曲线相交于一点，也就是说在这个位置，重力和吸引力相平衡。在 稳定的状态下，工件将悬浮于这个位置上。除了图1 图3本实施例一所示的涡流扇外，涡流扇还可以采用其它形式，如图6 所示实施例中的涡流扇，其扇叶在吸气口一侧的部分与在排气口一侧的部分之间是弯折的 形状，不像图1 图3所示实施例中涡流扇叶片在吸气口一侧的部分与在排气口一侧的部 分之间是圆滑过渡地弯曲，它的叶片是由底部的竖直部和上部的倾斜部弯折接合构成。图 7所示实施例的涡流扇的叶片则没有弯曲的部分和弯折的部分，它是一块平板，相对于旋转 轴7沿旋转方向倾斜设置。涡流扇的扇叶相对于旋转轴在旋转方向上有一定的弯曲或倾斜 即可，弯曲角度在0.5到20度的范围内较好，因为扇叶有这样的弯曲，所以旋转起来后能够 从吸气口将空气吸入；涡流扇的扇叶数量一般至少有4片，但考虑到更高效地产生涡流，数 量在6至20片的范围里比较合适。壳体11的截面可以是一些减小涡流流动时的抵抗的一些形状，如略圆形，圆形或 是椭圆形，或者是与这些形状相近的多边形，其下部外观形状也不限于图1所示的圆筒体， 可以是内部存在着空间的任何形状，吸气口的个数不限于4个，吸气口的个数可以任意，2 到8个比较适合。
图8所示的实施例，其壳体41有一个形似蛋壳的形状，其内壁表面由一个曲面围 成，装在壳体41内的涡流扇42的下端直径为D3，D3=80毫米；涡流扇42的叶片与壳体41 内壁曲面的距离为C，C=2毫米。这种结构的其它实施例中，涡流扇42的叶片与壳体41内 壁曲面的距离可以达到涡流扇42的下端直径的1/10。图9所示的实施例中，壳体51的内壁表面由一段上端开口小下端开口大的锥筒 面与连接在该锥筒面上端的平面围成；涡流扇52上端直径为D4，下端直径为D5，涡流扇52 的叶片与所述壳体51内壁平面的距离为E，涡流扇的叶片与所述内壁的锥筒面距离为F，其 中D4=30毫米；D5=40毫米；E=3毫米；F=2毫米。图10所示实例中的无触碰抓持工具是有4个小的无触碰抓持工具60作为一个单 元通过基座61连接构成，每个小的无触碰抓持工具60是图1 图3实施例所描述的无触 碰抓持工具，这4个小的无触碰抓持工具60的壳体下端面在一个平面上，其中有两个小的 无触碰抓持工具60中的涡流扇转动方向是顺时针，另两个小的无触碰抓持工具60中的涡 流扇转动方向是逆时针。这4个小的无触碰抓持工具60的壳体排气口直径相同，相邻两个 小的无触碰抓持工具60的间距为它们壳体排气口直径的60%。本发明与现有技的重要区别在于现有技术是利用空气的粘性所产生的剪切力来 驱动空气形成涡流，但是，这个剪切力会受到紊流的影响而大幅衰减，所以在装置的中心部 很难产生空气的高速旋转，从而导致负压不够低，吸引力不足；而本发明的实施方案是在圆 筒部里设置扇叶来搅拌空气从而形成涡流，扇叶能够在旋转方向上直接驱动空气旋转，所 以能够产生很低的负压，也就是能产生很大的吸引力。在图4里显示的是在相同的耗能的情况下，现有技术利用切线喷流的装置和图 1 图3实施例的本无触碰抓持工具的压力分布的比较。从这个结果我们可以确认，图1 图3实施例的本无触碰抓持工具在中心部能够产生更低的负压。上述原因可以通过生活中 的一个类似的简单现象来作出直观的说明，以我们试图让装在杯子里的水旋转为例，现有 技术方案是通过切线方向的喷流来驱动空气的旋转，这个做法就类似于我们通过旋转杯子 让杯中的水旋转，这个方法可以说是一个非常低效的方法。一方面，本无触碰抓持工具利用 扇叶来驱动空气旋转，就类似于我们用汤匙来搅拌杯中的水，使水旋转起来，这个方法则要 高效得多。此外，现有技术方案利用切线喷流的装置，在空气通过喷气口的时候和高速喷出 的空气与圆筒室的壁面发生激烈接触的时候，都会因为粘性摩擦而产生很大的能量损失。 而本发明图1 图3实施例的无触碰抓持工具则不存在这样的能量损失，所以比现有技术 方案要节能。本发明的实施方案用了比较具体实施方式
的结构特征来对本发明的结构原理作 了描叙。但是，这些实施方式只是本发明保护范围中的部分具体应用，并不是本发明权利要 求中所规定的全部权利范围，本发明的权利要求范围还可以有很多其它不同形式的设置。
权利要求
1.一种无触碰抓持工具，包括具有吸气口和排气口的凹形的壳体(11)，其特征在于 所述壳体(11)的吸气口面积与排气口面积之比是吸气口面积排气口面积< 1/10 ；在所述 壳体(11)内装有将所述壳体(11)吸气口的气体吸入并从排气口排出的涡流扇(12);所述 涡流扇(12)的叶片有多片，这些叶片以其转轴为中心呈向外辐射伸展的状态设置，这些叶 片在所述壳体(11)吸气口的一侧具有朝向旋转方向的部分。
2.根据权利要求1所述的无触碰抓持工具，其特征在于所述涡流扇(12)朝向所述排 气口一端的外部直径D2与该端芯部直径d之比是D2 :d彡10。
3.根据权利要求1所述的无触碰抓持工具，其特征在于在所述壳体(11)的吸气口上 设有调节阀门。
4.根据权利要求1、2或3所述的无触碰抓持工具，其特征在于所述壳体(11)的内 壁表面具有一个轴线竖立的圆柱面和连接在该圆柱面上端的平面；所述涡流扇(12)正对 所述壳体(11)内壁平面一端的直径为D1，该端与所述壳体(11)内壁平面的距离为A，A Dl ( 1/8，所述涡流扇的叶片与所述内壁圆柱面的距离B=(l/80 1/10)D1 ；所述壳体(11) 的吸气口设在所述内壁平面上。
5.根据权利要求1、2或3所述的无触碰抓持工具，其特征在于所述壳体(41)的内壁 表面由一个曲面围成；所述涡流扇(42)的下端直径为D3，所述涡流扇(42)的叶片与所述壳 体(41)内壁曲面的距离C= (1/80 1/10) D3。
6.根据权利要求1、2或3所述的无触碰抓持工具，其特征在于所述壳体(51)的内壁 表面由一段上端开口小下端开口大的锥筒面与连接在该锥筒面上端的平面围成；所述涡流 扇(52)上端直径为D4，下端直径为D5，所述涡流扇(52)的叶片与所述壳体(51)内壁平面的 距离为E，E :D4 ^ 1/8 ；所述涡流扇的叶片与所述内壁的锥筒面距离为F，F=(l/80 1/10) D5。
7.根据权利要求1、2或3所述的无触碰抓持工具，其特征在于由所述壳体和所述涡 流扇构成的单元(60)有偶数个，其中一半所述单元中的涡流扇的转向与另一半所述单元中 的涡流扇的转向相反，相邻两个所述单元的间距大于这两个单元壳体中最大那个壳体排气 口直径的20%。
8.根据权利要求4所述的无触碰抓持工具，其特征在于由所述壳体和所述涡流扇构 成的单元(60)有偶数个，其中一半所述单元中的涡流扇的转向与另一半所述单元中的涡流 扇的转向相反，相邻两个所述单元的间距大于这两个单元壳体中最大那个壳体排气口直径 的 20%ο
9.根据权利要求5所述的无触碰抓持工具，其特征在于由所述壳体和所述涡流扇构 成的单元(60)有偶数个，其中一半所述单元中的涡流扇的转向与另一半所述单元中的涡流 扇的转向相反，相邻两个所述单元的间距大于这两个单元壳体中最大那个壳体排气口直径 的 20%ο
10.根据权利要求6所述的无触碰抓持工具，其特征在于由所述壳体和所述涡流扇构 成的单元(60)有偶数个，其中一半所述单元中的涡流扇的转向与另一半所述单元中的涡流 扇的转向相反，相邻两个所述单元的间距大于这两个单元壳体中最大那个壳体排气口直径 的 20%ο
全文摘要
本发明公开了一种无触碰抓持工具，包括具有吸气口和排气口的凹形的壳体(11)，所述壳体(11)的吸气口面积与排气口面积之比是吸气口面积排气口面积≤1/10；在所述壳体(11)内装有将所述壳体(11)吸气口的气体吸入并从排气口排出的涡流扇(12)；所述涡流扇(12)的叶片有多片，这些叶片以其转轴为中心呈向外辐射伸展的状态设置，这些叶片在所述壳体(11)吸气口的一侧具有侧边朝向旋转方向的部分。本无触碰抓持工具与现有技术相比，可以解决现有同类产品吸力小，使用能耗大，适用性差和难以大型化应用的问题。
文档编号B65G49/06GK102107782SQ20101060715
公开日2011年6月29日 申请日期2010年12月27日 优先权日2009年12月28日
发明者香川利春, 黎鑫 申请人:香川利春, 黎鑫