Совершенствование механического бункерного загрузочно-ориентирующего устройства с наклонным диском и тангенциальными карманами для стержневых ступенчатых заготовок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Борисов Александр Александрович

• Борисов Александр Александрович
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Борисов Александр Александрович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА, ФОРМУЛИРОВКА

ЦЕЛИ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Автоматизация процессов загрузки штучных заготовок тел вращения системами на базе механических дисковых бункерных загрузочно-ориентирующих устройств

1.1.1 Системы автоматической загрузки штучных заготовок

в технологическое оборудование

1.1.2 Классификация механических дисковых бункерных загрузочно-ориентирующих устройств

1.2 Механические бункерные загрузочно-ориентирующие

устройства для ступенчатых заготовок тел вращения

1.2.1 Универсальные загрузочно-ориентирующие устройства

1.2.2 Уникальные загрузочно-ориентирующие устройства

1.3 Анализ научной проблемы, формулировка цели и постановка

задач исследования

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 2 УНИВЕРСАЛЬНОЕ МЕХАНИЧЕСКОЕ БУНКЕРНОЕ

ЗАГРУЗОЧНО-ОРИЕНТИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО С НАКЛОННЫМ

ДИСКОМ И ТАНГЕНЦИАЛЬНЫМИ КАРМАНАМИ

ДЛЯ СТЕРЖНЕВЫХ СТУПЕНЧАТЫХ ЗАГОТОВОК

2.1 Описание усовершенствованного универсального бункерного загрузочно-ориентирующего устройства

2.2 Ограничения на параметры захватывающих и ориентирующих

органов устройства

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 3 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ВЕРОЯТНОСТИ ЗАХВАТА ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ СТУПЕНЧАТЫХ ЗАГОТОВОК

3.1 Разработка математических моделей вероятности захвата

3.1.1 Определение вероятности нахождения заготовок

в благоприятном для захвата положении

3.1.2 Определение вероятности отсутствия помех для захвата заготовок от сцепляемости друг с другом

3.1.3 Определение вероятности отсутствия помех для захвата заготовок от окружной скорости тангенциальных карманов

3.2 Теоретическое исследование вероятности захвата заготовок

в усовершенствованном устройстве

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 4 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ВЕРОЯТНОСТИ ЗАХВАТА СЛОЖНЫХ СТУПЕНЧАТЫХ ЗАГОТОВОК

4.1 Разработка математических моделей вероятности захвата

4.1.1 Определение вероятности нахождения заготовок

в благоприятном для захвата положении

4.1.2 Определение вероятности отсутствия помех для захвата заготовок от сцепляемости друг с другом

4.1.3 Определение вероятности отсутствия помех для захвата заготовок от окружной скорости тангенциальных карманов

4.2 Теоретическое исследование вероятности захвата заготовок

в усовершенствованном устройстве

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 5 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ

УСОВЕРШЕНСТВОВАННОГО УСТРОЙСТВА

5.1 Математические модели производительности и их теоретическое

исследование

5.2. Верификация разработанных математических моделей вероятности захвата и производительности

5.2.1 Экспериментальный макет усовершенствованного устройства

5.2.2 Проведение экспериментальных исследований

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 6 МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ

УСОВЕРШЕНСТВОВАННОГО УСТРОЙСТВА

ДЛЯ СТУПЕНЧАТЫХ ЗАГОТОВОК РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ

6.1 Методика проектирования усовершенствованного устройства

для каждого типа ступенчатых заготовок

6.2 Пример разработки конструкции усовершенствованного устройства

на максимальную производительность и описание программы

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Программы для математического моделирования вероятности захвата стержневых ступенчатых заготовок

в усовершенствованном устройстве

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Результаты экспериментальных исследований вероятности захвата и производительности усовершенствованного

устройства

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Документ о внедрении результатов работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование механического бункерного загрузочно-ориентирующего устройства с наклонным диском и тангенциальными карманами для стержневых ступенчатых заготовок»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В различных технологических процессах массовых производств возникает необходимость ориентирования штучных изделий небольших размеров различных форм (деталей, заготовок, предметов обработки, полуфабрикатов и др.) с целью их автоматической подачи в требуемом упорядоченном положении к рабочим органам оборудования. Между различными технологическими переходами потребность ориентированной подачи полученного после каждой операции полуфабриката к следующему оборудованию может быть многократной. Так, например, в патронном производстве постоянно, на протяжении всего технологического процесса, возникает необходимость ориентирования различных по формам и размерам предметов перед подачей на следующую операцию, в связи с чем возникает необходимость разработки систем автоматической загрузки такими предметами современного оборудования, выполняющего различные операции технологического процесса, с производительностью свыше 200 шт./мин.

В различных видах массовых производств, преимущественно в патронном производстве, широко распространены ступенчатые заготовки тел вращения, у которых длина в 3 и более раз превышает их наибольший диаметр (так называемые стержневые заготовки). Они относятся к классу заготовок, имеющих явную симметрию, основным признаком которой является смещение центра масс. К таким заготовкам можно отнести заготовки, имеющие разные диаметры торцов (цилиндрические ступенчатые), и заготовки, у которых разные их части имеют и цилиндрическую, и коническую форму (сложные ступенчатые).

В рамках одного производства могут встречаться различные типы ступенчатых заготовок, не существенно отличающиеся по своим основным размерам, и для каждого из них требуется разработка бункерного загрузочно-ориентирующего устройства (БЗУ) с определенными параметрами органов захвата и ориентирования в зависимости от размеров заготовки. Проектирование

такого количества БЗУ неоправданно из-за существенных затрат. Поэтому становятся целесообразными разработка и внедрение в производства универсальных БЗУ, параметры которых путем регулировки могут подстраиваться под заготовки с различными геометрическими размерами широкой номенклатуры.

Всё вышеизложенное предопределяет актуальность исследования, поскольку необходима разработка универсального БЗУ для различных типов ступенчатых цилиндрических и сложных заготовок, стабильно функционирующего и обеспечивающего требую производительность при загрузке современного оборудования автоматизированных производств.

Степень разработанности темы. В основе исследований в области функционирования технологических машин, оборудования и механизмов, их производительности и надежности, а также в области комплексной автоматизации технологических процессов и производств лежат работы Артоболевского И.И. [5], Артоболевского С.И. [6], Волчкевича Л.И. [27, 28], Кошкина Л.Н. [51, 52] и Шаумяна Г.А. [112], которые внесли существенный вклад в теорию и практику в данной области.

Основу исследований в области функционирования БЗУ, их производительности и надежности при загрузке штучных изделий различных форм составили труды Беляковой А.Н. [9], Беспалова К.И. [100], Бляхерова И.С. [3, 110], Боброва В.П. [10], Камышного Н.И. [48], Малова А.Н. [61], Медвидя М.В. [62], Пантюхиной Е.В. [74, 82], Повидайло В.А. [99, 100], Прейса В.В. [102, 104], Прейса В.Ф. [1, 105], Усенко Н.А. [110, 111], Шерешевского Н.И. [113].

В работах отечественных ученых представлены различные подходы, позволяющие математически на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований описать закономерности изменения вероятности захвата и производительности БЗУ от целого ряда факторов. Однако в связи с появлением новых задач в области автоматизации технологических процессов и производств необходимо не только проектирование новых конструкций БЗУ под различные виды изделий, но и совершенствование существующих с целью повышения эффективности их функционирования и сокращения производствен-

ных затрат. Это требует разработки в зависимости от свойств загружаемых заготовок математических моделей реализуемых БЗУ процессов функционирования, что позволит обеспечить высокую производительность и стабильность их работы на основе выбора наиболее рациональных параметров БЗУ.

Среди зарубежных ученых в области автоматической загрузки штучных заготовок БЗУ особый вклад внесли Benhabib B. [114], Boothroyd G. [115], Ghosh S. и S.P. Singh [116], Hesse S., Zapf H. [117]. Основой работ являются результаты экспериментальных исследований, и большинство из них представляют собой практические рекомендации по выбору и проектированию БЗУ для конкретных заготовок без соответствующего научного обобщения полученных результатов.

Цель работы. Обеспечение производительной и стабильной загрузки стержневых ступенчатых цилиндрических и сложных заготовок посредством усовершенствованного универсального механического БЗУ с наклонным диском и тангенциальными карманами.

Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие основные задачи исследования:

1 Совершенствование механического БЗУ с наклонным диском и тангенциальными карманами для стержневых ступенчатых заготовок и разработка ограничений на параметры его захватывающих и ориентирующих органов.

2 Разработка математических моделей вероятности захвата цилиндрических и сложных ступенчатых заготовок различных типов в усовершенствованном универсальном БЗУ.

3 Разработка математических моделей производительности усовершенствованного универсального БЗУ при загрузке различных типов цилиндрических и сложных ступенчатых заготовок.

4 Проведение экспериментальных исследований вероятности захвата и производительности усовершенствованного БЗУ для стержневых ступенчатых заготовок и верификация теоретически разработанных математических моделей с экспериментальными.

5 Разработка методики проектирования усовершенствованного БЗУ для ступенчатых заготовок различных типов и программа для расчета конструктивных параметров захватывающих и ориентирующих органов, вероятности захвата стержневых ступенчатых заготовок и производительности БЗУ.

Объектом исследования является усовершенствованное универсальное механическое дисковое БЗУ с наклонным диском и тангенциальными карманами, в котором осуществляется регулировка высоты карманов в зависимости от размеров стержневых ступенчатых заготовок тел вращения.

Предметом исследования являются взаимовлияние и взаимосвязи между параметрами стержневых сложных и цилиндрических ступенчатых заготовок тел вращения и усовершенствованного универсального механического дискового БЗУ с наклонным диском и тангенциальными карманами, при которых усовершенствованное БЗУ будет надежно функционировать, обеспечивая требуемую производительность.

Соответствие темы диссертации паспорту научной специальности. Содержание диссертации соответствует паспорту научной специальности 2.5.21. Машины, агрегаты и технологические процессы:

1 Разработка научных и методологических основ, технических и технологических требований к проектированию и созданию новых машин, агрегатов и технологических процессов;

4 Исследования параметров машин и агрегатов и их взаимосвязей при комплексной механизации основных и вспомогательных процессов и операций с использованием моделирования, численных и физических экспериментов.

Научная новизна заключается в:

1 Установлении взаимосвязей между параметрами стержневых ступенчатых заготовок и захватывающих и ориентирующих органов усовершенствованного универсального БЗУ, при которых будет обеспечено его стабильное функционирование.

2 Математических моделях вероятности захвата цилиндрических ступенчатых заготовок, учитывающих влияние на процесс захвата конструктивных и

кинематических параметров усовершенствованного БЗУ, способа ориентирования в нем заготовок, их параметров и значений коэффициентов трения.

3 Математических моделях вероятности захвата сложных ступенчатых заготовок, учитывающих влияние на процесс захвата конструктивных и кинематических параметров усовершенствованного БЗУ, способа ориентирования в нем заготовок, их параметров и значений коэффициентов трения.

4 Математических моделях производительности усовершенствованного универсального БЗУ при загрузке различных типов цилиндрических и сложных ступенчатых заготовок, учитывающих вероятностный характер процесса захвата и влияние на производительность БЗУ его конструктивных и кинематических параметров и параметров ступенчатых заготовок.

Теоретическая и практическая значимость работы. В результате исследований разработаны:

- усовершенствованное БЗУ с наклонным диском и тангенциальными карманами, универсальность которого заключается в возможной регулировке высоты тангенциальных карманов в зависимости от диаметра заготовки, и диапазоны параметров его захватывающих и ориентирующих органов, при которых БЗУ будет стабильно функционировать;

- математические модели вероятности захвата цилиндрических и сложных ступенчатых заготовок различных типов в усовершенствованном универсальном БЗУ;

- математические модели производительности усовершенствованного универсального БЗУ при загрузке различных типов цилиндрических и сложных ступенчатых заготовок;

- методика проектирования усовершенствованного БЗУ для ступенчатых заготовок различных типов и программа для расчета конструктивных параметров захватывающих и ориентирующих органов, вероятности захвата стержневых ступенчатых заготовок и производительности БЗУ.

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены на АО «Тульский патронный завод» и могут быть использованы при проектирова-

нии и производстве новых универсальных БЗУ, обеспечивающих ориентирование стержневых ступенчатых цилиндрических и сложных заготовок тел вращения в автоматизированные машины и линии различных отраслей промышленности.

Методология и методы исследования. Исследование базируется на теоретических и экспериментальных исследованиях процессов захвата ступенчатых цилиндрических и сложных заготовок тел вращения. Разработанные и применяемые в работе математические, компьютерные и натурные модели были построены с использованием методов теории вероятностей, включая общие законы физики. Для экспериментальных исследований был изготовлен натурный макет усовершенствованного БЗУ и применены современная аппаратура и статистические методы обработки результатов.

Положения, выносимые на защиту:

- усовершенствованное универсальное БЗУ с наклонным диском и тангенциальными карманами для различных типов стержневых ступенчатых заготовок и совокупность ограничений на параметры его захватывающих и ориентирующих органов;

- математические модели вероятности захвата цилиндрических и сложных ступенчатых заготовок различных типов в усовершенствованном универсальном БЗУ, включающие параметры усовершенствованного БЗУ и загружаемых заготовок;

- математические модели производительности усовершенствованного универсального БЗУ при загрузке различных типов цилиндрических и сложных ступенчатых заготовок, включающие его конструктивные и кинематические параметры и параметры загружаемых заготовок;

- методика проектирования усовершенствованного БЗУ для ступенчатых заготовок различных типов и программа для расчета конструктивных параметров захватывающих и ориентирующих органов, вероятности захвата стержневых ступенчатых заготовок и производительности БЗУ.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных в работе результатов была подтверждена посредством сопоставления теоретических и экспериментальных исследований с использованием методов математической статистики для обработки экспериментальных данных. Полученные результаты согласуются с известными теоретическими разработками и экспериментальными исследованиями других авторов.

Результаты исследования докладывались на следующих конференциях: 60-й Научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава ТулГУ с всероссийским участием (г. Тула, 2024), Международной научно-технической конференции «Динамика, надежность и долговечность механических и биомеханических систем» (г. Севастополь, 2024), Национальной научно-технической конференции с международным участием «Автоматизация: проблемы, идеи, решения» («АПИР-29») (г. Тула, 2024).

Публикации. По теме диссертации автором опубликованы 10 научных работ, в том числе 4 статьи - в периодических изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и трех приложений (программы расчета вероятности захвата ступенчатых заготовок и производительности БЗУ при теоретическом и экспериментальном исследованиях, документ, подтверждающий внедрение результатов работы). Общий объем диссертации 221 страница, включая 94 рисунка, 7 таблиц, список литературы из 121 наименования.

ГЛАВА 1 ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА, ФОРМУЛИРОВКА ЦЕЛИ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Автоматизация процессов загрузки штучных заготовок тел вращения системами на базе механических дисковых бункерных загрузочно-

ориентирующих устройств

1.1.1 Системы автоматической загрузки штучных заготовок в технологическое оборудование

Различное технологическое оборудование массовых производств для осуществления операций вытяжки заготовок или полуфабрикатов, сборки изделий из нескольких деталей, упаковки готовой продукции и других операций технологического процесса требует надежной автоматизированной подачи указанных заготовок, полуфабрикатов, деталей и изделий к рабочим органам с требуемой производительностью, составляющей в зависимости от типа операции от 120 до 400 шт./мин и выше. В ряде массовых производств, таких как, производство патронов различных видов оружия, строительно-монтажных патронов, элементов приводных роликовых цепей, широко применяются автоматизированные технологические системы на основе роторных машин с производительностью 200 и более шт./мин [7, 26, 54, 88, 107].

Автоматическую загрузку штучных заготовок в технологическое оборудование осуществляют различные системы, некоторые типы которых представлены на рисунке 1.1.

Для автоматической загрузки исключительно роторных машин используют многопозиционные роторные системы автоматической загрузки, построенные по аналогичному роторным машинам принципу с целью обеспечения синхронной подачи заготовок в непрерывно движущиеся транспортные органы роторных машин [98].

Рисунок 1.1 - Классификация систем автоматической загрузки

штучных заготовок

На рисунке 1. 2 представлена схема такой системы, в которой каждый орган захвата 1 из их общей совокупности, расположенной по периферии транс-портно-несущего устройства 8, связан с накопителем 3, механизмом для поштучной выдачи 4 заготовок 2, устройством для их ориентирования 5 и питателем 7 выдающего устройства, осуществляющим передачу заготовок в транспортный ротор 6.

Таким образом, при данной роторной компоновке системы автоматической загрузки количество органов захвата и связанных с ними устройств соответствует количеству рабочих позиций системы [43, 102].

Двухроторная компоновка системы автоматической загрузки представлена на рисунке 1.3.

Рисунок 1.2 - Роторная система (с одним ротором) автоматической загрузки штучных заготовок

В данном случае на первом транспортно-несущем устройстве 1 располагаются органы захвата 2, накопители 3 и механизмы поштучной выдачи 4, а на втором - 6 - устройства для ориентирования 8 и питатели 7. Передача заготовок между роторами 1 и 6 обеспечивается транспортным цепным конвейером 5, который охватывает устройства 1 и 6 по окружности их рабочих позиций. Это позволяет обеспечить более рациональный выбор их конструктивных параметров, упростить конструкцию и улучшить условия обслуживания роторной системы загрузки [2, 8, 49, 101].

Рассмотренные виды систем автоматической загрузки могут использоваться только для технологического оборудования роторного типа, что несколько ограничивает область из применения.

Такие системы должны обеспечивать надежное функционирование при сборке изделий, в том числе многокомпонентных [102-104, 106].

Рисунок 1.3 - Роторная система (с двумя роторами) автоматической загрузки штучных заготовок

Стационарные системы для автоматической загрузки штучных заготовок используются для всех типов технологического оборудования.

На рисунке 1.4 представлены стационарные системы автоматической загрузки с шиберным и роторным питателями, в которых все процессы, осуществляются при стационарном положении всех его устройств. Первое из них представлено БЗУ 1, накопителем 2, транспортным ротором 4 и выдающим заготовки 3 устройством с шиберным питателем, установленными на станине 6 (рисунок 1.4, а). Ограничения по производительности обусловлены условиями выдачи заготовок из стационарного питателя в транспортное устройство технологических линий, однако ее значения могут достигать 400 шт./мин.

а

б

Рисунок 1.4 - Стационарные системы автоматической загрузки с шиберным (а) и роторным (б) питателями

Стационарная система с роторным питателем представлена БЗУ 1, накопителем 3 для заготовок 2, шибером 4 синхронно-вращающимся с ротором 8 и совершающим возвратно-поступательные движения, транспортно-несущим устройством 5 и его приводом, представленным элементами 6 и 7 (рисунок 1.4, б). Такие системы обеспечивают производительность до 300 шт./мин.

Таким образом, роторные системы применяют для загрузки осесиммет-ричных заготовок тел вращения с явно выраженными геометрическими ключами ориентации (асимметрией внешней или внутренней формы, положения центра масс). Стационарные системы универсальны, поскольку обеспечивают загрузку технологического оборудования линий разных типов.

Представленная классификация систем автоматической загрузки разделяет данные системы по аналогии с классификацией машин роторного типа в зависимости от реализации в них транспортной и технологической функций [51, 52].

Основной частью стационарных систем автоматической загрузки является вибрационное или механическое бункерное загрузочно-ориентирующее устройство (БЗУ).

Вибрационные БЗУ, как правило, используют для заготовок, длина которых равна или меньше их диаметра (по классификации их называют равнораз-мерными, пластинчатыми или плоскими). Принцип их функционирования заключается в ориентировании заготовок путевыми ориентаторами, представляющими собой упоры или трафареты (форма определяется геометрией заготовок) и расположенными на дорожке, по которой под воздействием вибрации движутся заготовки.

Механические БЗУ, в отличие от вибрационных применяют для загрузки более широкой группы заготовок, в том числе и с неявной асимметрией [33, 70, 72, 74, 75, 82]. Наибольшее распространение из механических БЗУ получили дисковые БЗУ [1, 3, 36, 111].

1.1.2 Классификация механических дисковых бункерных загрузочно-

ориентирующих устройств

Потребность в ориентировании предметов небольших размеров различных форм с целью их автоматической подачи в требуемом упорядоченном положении к рабочим органам оборудования возникает регулярно в различных видах массовых производств (патронное, сборочное и др.) [4, 12].

В системах автоматической загрузки функцию ориентирования выполняют БЗУ. Рабочими органами таких устройств являются, как правило, расположенные по поверхности вращающегося диска с некоторым постоянным шагом карманы, которые захватывают поштучно из навала предметы, ориентирующие органы, которые обеспечивают ориентирование захваченных поштучно предметов, и выдающие органы, которые в последующем выдают предметы в накопитель. Потребность в накопителе обусловлена тем, что захват предметов в БЗУ является вероятностным, поэтому производительность БЗУ не является постоянной величиной в отличие от производительности технологического оборудования. Когда из БЗУ выдается больше предметов в минуту, чем требуется оборудованию, то они скапливаются в накопителе, и наоборот, - когда меньше, то предметы к оборудованию подаются из запасов накопителя. Для обеспечения бесперебойной подачи предметов из накопителя БЗУ проектируют на производительность, превышающую на 5-30% производительность технологического оборудования в зависимости от колебаний производительности используемого БЗУ [111].

БЗУ классифицируются по следующим признакам, обуславливающим их основные функции - по захвату, по подготовке к захвату, по ориентированию и по выдаче в приемник из захватывающих органов, а решающими факторами выбора способа их захвата из общей массы, ориентирования и выдачи являются геометрическая форма, размеры и особенности (например, смещение центра масс, асимметрия внешней формы) загружаемых предметов.

Таким образом, каждое БЗУ предназначено для предметов одной формы с определенными геометрическими параметрами. Это объясняется тем, что рабочими органами БЗУ являются карманы, которые в большинстве конструкций БЗУ выполнены по конфигурации внешней формы предметов, чтобы осуществить захват поштучно из навала только одного предмета и преимущественно в правильном положении.

Для подготовки предметов к захвату в БЗУ реализованы различные способы, которые отличаются по конструктивным особенностям бункера и способствующих захвату геометрическим свойствам предметов, а также характеру и направлению подготовительного движения, и виду сил, осуществляющих подготовку предметов к захвату.

По способу захвата БЗУ бывают следующих видов: с захватом предметов за внутреннюю поверхность, за наружную поверхность и одновременным захватом за внутреннюю и наружную поверхности. Последние два способа захвата могут быть реализованы только при наличии у предметов удобной для захвата внутренней полости и ее асимметричности по торцам. Захват предметов за внутреннюю поверхность осуществляется захватными органами типа крючков, которые одновременно с захватом осуществляют ориентирование тех предметов, у которых имеется с одной из сторон открытая и удобная для захвата внутренняя полость, или предметов с внутренними полостями разных диаметров. Наибольшее распространение в конструкциях БЗУ получил захват предметов за наружную поверхность в связи с его производительностью и универсальностью, который реализуется захватывающими органами типа карманов различных форм. Захватывающие органы БЗУ могут располагаться тангенциально, радиально или аксиально и совершать непрерывные вращательное, поступательное, периодическое возвратно-поступательное, возвратно-качательное или вращательное движение с остановами. Большинство БЗУ имеют однорядное расположение захватывающих органов, но встречаются БЗУ и с многорядным их расположением.

Ориентирование предметов в БЗУ осуществляется двумя способами. Если неправильно расположенные в захватывающем органе предметы удаляются из них обратно в зону захвата, то такое ориентирование называется пассивным. При активном ориентировании неправильно ориентированные предметы не удаляются из карманов, а переводятся в требуемое ориентированное положение. Ориентирование предметов может реализовываться захватывающим органом или отдельным устройством, расположенным внутри или вне бункера БЗУ. Если ориентирование выполняет захватывающий орган, то он повторяет конфигурацию внешней формы предмета, выполняя функцию плоского трафарета, или использует смещение центра масс относительно середины предметы. Ориентирования за пределами БЗУ применяются в тех случаях, когда профильность захватывающих органов значительно снижает вероятность захвата предметов, основывается на явно выраженных геометрии формы или смещении центра тяжести предметов и реализуется принудительными отдельными механизмами.

Выдача предметов из БЗУ может осуществляться под действием сил тяжести, одновременным действием сил тяжести и инерционных сил, а также под действием внешних сил, по плавной или ломаной траектории с выдачей предметов внутрь, и во внешнюю часть бункера БЗУ.

Основной функцией БЗУ является ориентирование предметов. Наиболее часто применяемые БЗУ, в которых реализованы различные способы указанного процесса, показаны схематично на рисунке 1.5 [1].

В крючковом БЗУ предметы в форме колпачков захватываются и приводятся крючком в ориентированное положение только в том случае, когда колпачок в пазу бункера располагается к крючку открытой частью (рисунок 1.5, а).

В вертикальном БЗУ карманы выполнены по форме внешнего контура предметов, поэтому в них может запасть только правильно сориентированный предмет (рисунок 1.5, б).

В БЗУ с зубьями ориентирование предметов основано на смещении центра масс так, что неправильно запавшие в карман предметы выпадают из карманов в зону их захвата (рисунок 1.5, в). Ворошение и пересыпание предметов

осуществляется двумя планками, жестко установленными на поверхности вращающегося диска.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Борисов Александр Александрович, 2025 год

/ \

О

450 400 350 300 250 200 150 100 50 0

о

О 0.1 0.2: 0.3

0.4 0.5

а

0.6 0.7 0.8

0.1

0.2

0.3 0.4 б

0.5 0.6

г

/3

N

Л

V \

\

\

\

0.7 11

Рисунок 5.8 - Результаты влияния на производительность (шт./мин) усовершенствованного БЗУ для заготовок типа IV соотношений длины и большего диаметра а = (а) при а = 3 (1), а = 4 (2), а = 5 (3) и диаметров торцов с = d1 (б) при с = 0,5 (1), с = 0,6 (2), с = 0,7 (3) в зависимости от окружной скорости и (м/с)

Угол наклона а д не оказывает существенного влияния на производительность усовершенствованного БЗУ, так как разница в ее значениях составляет около 5 %, составляя от 270 до 320 шт./мин (см. рисунок 5.9, б).

Программы для моделирования вероятности захвата и производительности усовершенствованного БЗУ приведены в Приложении А.

п

350 300 250 200 150 100 50 0

]Д 3

iA

\

о

о

350 300 250 200 150 100 50 0

0.1

0.2

0.3

0.4

а

0.5

0.6

Ii

Дуг2

0

0.1

0.2

0.3

0.4

05

б

и

Рисунок 5.9 - Результаты влияния на производительность

усовершенствованного БЗУ для заготовок типа IV зазоров Дк (а) Ак = 0,1/ (1), Ак = 0,125/ (2), Ак = 0,15/ (3)

и углах ад при ад =40° (1), ад =45° (2), ад =50° (3) в зависимости от окружной скорости и

Таким образом, значения максимальной производительности усовершенствованного БЗУ в зависимости от его параметров и параметров загружаемых сложных ступенчатых заготовок находятся в районе от 250 до 450 шт./мин для заготовок типа III и от 245 до 430 шт./мин для заготовок типа IV. При этом их

максимальные значения достигаются при наибольшей величине зазора Дк, значения которого ограничиваются возможностью захвата одним карманом нескольких заготовок.

Разработанная математическая модель производительности механического дискового БЗУ с наклонным вращающимся диском и тангенциально расположенными по его периферии карманами для стержневых ступенчатых заготовок тел вращения в позволяет определить диапазоны фактической производительности данного БЗУ и выявить значения его параметров, при которых будут обеспечены ее требуемые значения. Данная модель представляет собой совокупность математических зависимостей, позволяющих описать влияние на производительность конструктивных и кинематических параметров БЗУ, геометрических параметров загружаемых заготовок, учесть коэффициент трения материалов, из которых они изготовлены [53]. Наличие таких моделей на ранних этапах проектирования существенно сокращает материальные и временные затраты, позволяет оптимизировать процесс автоматической загрузки, обеспечить его эффективность в целом.

5.2. Верификация разработанных математических моделей вероятности захвата и производительности

5.2.1 Экспериментальный макет усовершенствованного устройства

Экспериментальные исследования производительности усовершенствованного БЗУ были проведены на специально изготовленном экспериментальном макете БЗУ с наклонным диском и тангенциальными карманами.

Макет БЗУ с необходимым оборудованием показан на рисунке 5.10. Непосредственно само БЗУ включает бункер, образованный обечайкой и вращающимся диском с тангенциальными карманами, с обратной стороны которо-

го расположены ножевые опоры, образующие внутренние радиальные карманы. Для ворошения на диске предусмотрены три лопатки. Под вращающимся диском находится неподвижное основание с буртиком, причем в верхней части буртик имеет ступеньку, с помощью которой заготовки попадают из карманов в зону ориентирования. Под неподвижным основанием располагаются три опорных ролика с шагом 120 градусов.

Рисунок 5.10 - Усовершенствованное БЗУ с наклонным диском и тангенциальными карманами для стержневых ступенчатых заготовок: а - вид спереди; б - вид сбоку (без обечайки)

Привод БЗУ осуществляется через трехфазный асинхронный электродвигатель, мощностью 0,18кВт и частотой вращения 1310 об./мин через клиноре-менную передачу и червячный редуктор. Частотный преобразователь позволяет

регулировать частоту от 0 до 400 Гц). Перевод его показаний в Гц был переведен в частоту вращения диска.

Для выдачи заготовок из БЗУ предусмотрен сначала приемник с вертикальной выдачей заготовок и возможностью при производственной необходимости их переориентирования, а затем специальная емкость для сбора.

На рисунке 5.11 показан установленный на станине вращающийся диск и его основные элементы (без обечайки), а также буртик, расположенный под тангенциальными карманами.

в

Рисунок 5.11 - Наклонный вращающийся диск (а) с ножевыми опорами и тангенциальными карманами, под которыми расположен буртик (б), и его оборотная сторона с ножевыми опорами и радиальными карманами между ними (в)

На рисунке 5.12 показана область БЗУ, в которой осуществляется выдача заготовок из органов захвата (тангенциальных карманов) в зону их ориентирования с помощью буртика и его ступеньки, расположенной в верхней части бункера БЗУ. Такой резкий перепад при движении заготовок будет способствовать их дестабилизации и более эффективному опрокидыванию при их переориентировании.

Рисунок 5.12 - Участок БЗУ, в котором осуществляется передача заготовок из органов захвата в зону ориентирования с помощью ступеньки буртика

На рисунке 5.13 показана обратная сторона основания усовершенствованного БЗУ с одним из трех установленных опорных роликов для регулировки зазора под разные типоразмеры заготовок.

На рисунке 5.14 показан приемник для выданных из БЗУ заготовок, чтобы они не потеряли полученную в БЗУ ориентацию, из которого сориентированные заготовки выдаются в течение одной минуты в емкость.

а б

Рисунок 5.13 - Расположение опорных роликов в неподвижном диске (а) и крепление одного из них на обратной стороне неподвижного диска (б) усовершенствованного БЗУ

Рисунок 5.14 - Участок усовершенствованного БЗУ, в котором осуществляется

выдача заготовок в приемник

Число тангенциальных и внутренних карманов в натурном макете БЗУ -по 28 штук; каждый внутренний карман имеет по 2 радиальных кармана - в общей сложности 56 радиальных карманов, каждая пара которых ограничена ножевой опорой.

Длина тангенциальных карманов 1к = 0,045 м, их ширина В = 0,0147 м;

длина внутренних карманов от = 0,034 м в зоне дна до = 0,045 м в верхней

части, ширина самой узкой части Н^ = 0,015 м.

Между тангенциальными карманами находится перемычка; толщина перемычки 8 = 0,005 м.

Высота карманов настраивается за счет регулировки вылета опорных роликов, ход роликов 3,5 мм.

Диапазон регулировки тангенциальных карманов от Нт^п = 0,0095 м до

Итах = 0,013 м ; внутренних карманов от Нт¿п = 0,0115 м до Нтах = 0,015 м. Это позволяет ориентировать заготовки диаметрами dl от 0,01 до 0,014 м, ^ от 0,01 до 0,014 м и длиной от 0,0387 до 0,0406 м в зависимости от расположения центра масс.

Радиус вращающегося диска в зоне расположения тангенциальных карманов Я = 0,222 м. Угол наклона вращающегося диска ад = 45°.

5.2.2 Проведение экспериментальных исследований

Эксперименты проводились в два этапа.

Цель их проведения: проверка стабильной работы БЗУ при ориентировании заготовок разных типоразмеров с различными значениями диаметров ^ и d2, а также длин I; разработка математических моделей производительности БЗУ для некоторых заготовок и проверка адекватности разработанных моделей.

На рисунке 5.15 приведены заготовки, для которых были проведены экспериментальные исследования. Из них заготовка 5 относится к типу II, оставшиеся заготовки - к типу III (так как диаметр в нижней части, несмотря на обточку, остается одинаковым).

1

2

3

4

5

Рисунок 5.15 - Общий вид заготовок для проведения экспериментальных исследований

Проверка стабильной работы БЗУ при ориентировании заготовок разных типоразмеров с различными значениями диаметров и длины. Для

этой задачи было рассмотрена возможность всех представленных на рисунке 5.15 заготовок захватываться и ориентироваться в усовершенствованном БЗУ.

На рисунке 5.16 показаны схемы представленных заготовок и их основные размеры по внешнему контуру.

Чтобы исключить заклинивание устройства при проваливании заготовок или повреждение заготовок при работе БЗУ, для каждой представленной заготовки с помощью опорных роликов был отрегулирован зазор между буртиком нижнего диска и вращающимся диском с ножевыми опорами.

0002010001000123010000020100010001534823019189482348235353235353484848532302010011

2

4

1

3

5

Рисунок 5.16 - Схемы стержневых ступенчатых заготовок с геометрическими

размерами для проведения эксперимента

Затем для каждой из пяти заготовок были проведены следующие исследования.

В тангенциальный карман БЗУ в нижней части бункера устанавливалась захваченная в произвольном положении заготовка.

При вращении диска заготовка направлялась в зону выдачи из своего тангенциального кармана с помощью ступеньки буртика в зону переорентирования заготовок, осуществляемом на ножевой опоре под действием силы тяжести.

Затем заготовка переориентировалась, оказываясь тяжелой своей частью в одном из радиальных пазов, расположенных на оборотной стороне вращающегося диска БЗУ (см. рисунок 5.11, в).

На рисунке 5.17 показаны кадры съемки некоторых из пяти заготовок после перехода из тангенциального кармана в зону переориентирования, представленных на рисунках 5.15 и 5.16.

г

Рисунок 5.17 - Кадры съемки каждой из пяти заготовок после перехода из тангенциального кармана в зону переориентирования:

а - 2; б - 3; в - 4; г - 5

Для заготовки, представленной на рисунках 5.15 и 5.16 под номером 1, на рисунке 5.18 показана покадровая расшифровка процесса ее передачи из тангенциальных карманов в зону переориентирования с фрагментами этого процесса.

Рисунок 5.18 - Покадровая расшифровка процесса ее передачи из тангенциальных карманов в зону переориентирования

Все из представленных заготовок по ступеньке буртика перемещались на нижний диск и затем с помощью регулируемого зазора оказывались в зоне переориентирования, переориентировались под действием силы тяжести на ножевой опоре и попадали в радиальный паз в требуемом ориентированном положении - тяжелой частью вниз.

Таким образом, благодаря представленному усовершенствованию БЗУ стало возможным ориентировать в нем заготовки с различными значениями диаметров торцов и длины.

Разработка математических моделей производительности БЗУ для некоторых заготовок и проверка адекватности разработанных моделей с использованием результатов эксперимента. Для этой задачи были использованы ступенчатые заготовки типа III, относящиеся к сложным ступенчатым заготовкам и представленные на рисунках 5.15 и 5.16 под номерами 1 и 4. Заготовки имеют следующие размеры.

Заготовка 1: ах = 0,01 м, = 0,00616 м, / = 0,0396 м, /х = 0,034 м, / = 0,004 м, хс = 0,012125 м; сталь.

Заготовка 4: ах = 0,01135 м, й2 = 0,00846 м, / = 0,0387 м, /1 = 0,0305 м, /ук = 0,0025м, хс = 0,012348 м; сталь.

Сначала были построены теоретические математические модели вероятности захвата рассматриваемых заготовок и производительности усовершенствованного БЗУ для дальнейшего их сравнения с экспериментальными моделями вероятности захвата и производительности БЗУ (Приложение Б).

На рисунке 5.19 представлены теоретические графики вероятности захвата и производительности от окружной скорости для каждого вида заготовок.

Теоретически было получено в следующем виде цт = р^рс • (1 —^--и4):

ипред

для заготовки 1: ц т = 0,928 • (1 -18,167 • и4);

для заготовки 4: цт = 0,910 • (1 - 5,76 •и4).

Рисунок 5.19 - Теоретические графики вероятности захвата и производительности (шт./мин) от окружной скорости (м/с) для заготовок типа III видов 1 (а) и 4 (б)

Верификация разработанных математических моделей вероятности захвата стержневых ступенчатых заготовок и производительности усовершенствованного БЗУ проводилась в следующей последовательности.

Определив минимальное количество одинаковых опытов для каждой заготовки, равное 10, с использованием методики [11], с помощью частотного преобразователя были установлены его значения соответствующие следующим значениям частоты п вращения диска и, затем, вычислены их окружные скорости органов захвата по известной формуле

%пЯ

и =-.

30

Результаты вычислений и перевода показаний частотного преобразователя в частоту вращения диска и в окружную скорость представлены в таблице 5.1.

Уровень заготовок при проведении эксперимента оставался одним и тем же, что поддерживалось постоянной дозасыпкой, и соответствовал двум длинам загружаемых заготовок. В течение минуты велся подсчет выданных из БЗУ через приемник в емкость заготовок.

Таблица 5.1 - Показания частотного преобразователя и их перевод в кинематические параметры усовершенствованного БЗУ

Номер Показания частотного Частота вращения Окружная скорость

опыта преобразователя, Гц диска, об./мин карманов, м/с

1 15 2,32 0,054

2 20 3,10 0,072

3 25 3,87 0,090

4 28 4,33 0,101

5 31 4,80 0,112

6 34 5,26 0,122

7 37 5,73 0,133

8 40 6,19 0,144

9 43 6,66 0,155

10 46 7,12 0,165

Под каждый тип заготовки была отрегулирована с помощью опорных роликов ширина кармана в зоне ориентирования.

Обработка результатов экспериментов проводилась по известной методике [11, 32, 47, 60, 82]. По методу Романовского исключены резко выделяющие-

П - П П - П

^ , П max Пср , Пср П min ся наблюдения tß =-— или iß = —-- и выполнены их сравне-

S S

ния с табличным значением tß _ = 2,41.

ß табл

По каждой серии опытов для каждого типа заготовки были определены:

- теоретическая производительность БЗУ Пт = kn (где к - число тангенциальных карманов);

^ 2П

- ее среднее арифметическое значение Пср = —;

Пср

- вероятность захвата ц = ——;

X (П - Пср)

II

n -1

- среднее квадратическое отклонение а =

_ _ 2 X (П - Пср)

- дисперсия Пср D = а =-—;

р n -1

- коэффициент вариации 5 = ——. 100 %;

Пср

n X (Пj - Пср)

- коэффициент асимметрии A =--Z-— • 100 %;

(n - 1)(n - 2) а

- доверительный интервал.

Результаты вычислений всех перечисленных параметров в программе в Excel приведены в таблице 5.2 для заготовки 1 и таблице 5.3 для заготовок 4.

Результаты экспериментальных исследований были обработаны в программе CurveExpert.

Программа позволила получить выражения для вероятности захвата заготовок каждого вида и фактической производительности макета усовершенствованного БЗУ с тангенциальными карманами:

для заготовки 1:

Лэ = 0,932 • (1 -18,170 • и4);

^ 60и 60и

Пэ =--Лэ =-

э t t

для заготовки 4:

0,932 • (1 -18,170 .и4)

Лэ = 0,9096 • (1 - 4,682 .и4);

^ 60и 60и

Пэ= ; Лэ=

0,9096 • (1 - 4,682 .и4)

t t

Визуализация полученных результатов для каждого вида заготовок в зоне проводимого эксперимента по значениям фактической производительности представлена на рисунке 5.20.

Таблица 5.2 - Результаты обработки экспериментов для сложных ступенчатых заготовок 1

Параметр Номер опыта и значения параметров

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

ПТ 64,96 86,8 108,36 121,24 134,4 147,28 160,44 173,32 186,48 199,36

Пср 59,10 80,20 103,20 112,60 121,80 135,70 150,30 160,90 169,90 182,40

л 0,910 0,924 0,952 0,929 0,906 0,921 0,937 0,928 0,911 0,915

а 2,33 3,22 3,55 4,74 5,03 6,22 7,47 7,58 7,75 7,60

Б 5,43 10,40 12,62 22,49 25,29 38,68 55,79 57,43 60,10 57,82

5 3,94 4,02 3,44 4,21 4,13 4,58 4,97 4,71 4,56 4,17

А 0,44 0,17 -0,15 -0,89 -0,19 -0,18 -0,18 0,81 -0,21 -0,55

Доверительный интервал 1,44 2,00 2,20 2,94 3,12 3,85 4,63 4,70 4,80 4,71

Таблица 5.3 - Результаты обработки экспериментов для сложных ступенчатых заготовок 4

Параметр Номер опыта и значения параметров

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

ПТ 64,96 86,8 108,36 121,24 134,4 147,28 160,44 173,32 186,48 199,36

Пср 58,20 77,90 98,20 111,20 121,40 133,70 144,60 157,40 168,90 179,10

л 0,896 0,897 0,906 0,917 0,903 0,908 0,901 0,908 0,906 0,898

а 2,74 3,18 3,71 3,55 5,32 5,06 6,90 8,57 8,23 8,53

Б 7,51 10,10 13,73 12,62 28,27 25,57 47,60 73,38 67,66 72,77

5 4,71 4,08 3,77 3,19 4,38 3,78 4,77 5,44 4,87 4,76

А 0,87 -0,04 0,10 0,33 -0,89 0,45 0,10 -0,14 -0,53 0,31

Доверительный интервал 1,70 1,97 2,30 2,20 3,30 3,13 4,28 5,31 5,10 5,29

а б

Рисунок 5.20 - Результаты обработки экспериментальных данных по значениям фактической производительности в программе СытвЕхрвН для заготовок 1 (а) и 4 ( б) и коэффициенты модели, выдаваемые программой

На рисунке 5.21 представлены сводные графики теоретических (см. рисунок 5.19) и экспериментальных (см. рисунок 5.20) зависимостей вероятностей захвата и производительности макета усовершенствованного БЗУ для каждого вида заготовок.

Рисунок 5.21 - Сводные графики теоретических и экспериментальных зависимостей вероятности захвата (а, в) и производительности (б, г) макета усовершенствованного БЗУ для заготовок 1 (а, б) и 4 (в, г)

По графикам видно, что и в одном, и в другом случаях графики вероятности захвата стержневых ступенчатых заготовок различных видов и производительности усовершенствованного универсального БЗУ практически совпадают, что подтверждает корректность и адекватность разработанных математических моделей. Особенно это видно в рабочей зоне, при значений окружных скоростей на 10.20% меньших тех, при которых производительность БЗУ максимальна: 0,33 м/с для заготовок 1 и 0,42 м/с для заготовок 4. Максимальная производительность БЗУ для заготовок 1 - 280 шт./мин; для заготовок 4 -360 шт./мин [17].

Акт о внедрении универсального БЗУ представлен в Приложении В.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5

1 Разработаны математические модели производительности усовершенствованного универсального БЗУ с наклонным диском и тангенциальными карманами, которые позволяют учесть влияние на производительность БЗУ геометрических параметров заготовок, их плотности и коэффициента трения между ними, угла наклона вращающегося диска, размеров, расположения и окружной скорости органов захвата, коэффициента трения между заготовками и вращающимся диском БЗУ.

2 С помощью разработанных математических моделей производительности было выявлено, что значения максимальной производительности усовершенствованного БЗУ в зависимости от его параметров и параметров загружаемых ступенчатых заготовок находятся в районе от 175 до 280 шт./мин для заготовок типа I, от 200 до 350 шт./мин для заготовок типа II, от 250 до 450 шт./мин для заготовок типа III и от 245 до 430 шт./мин для заготовок типа IV. Наиболее существенное влияние на производительность оказывает соотношение а = //dj

и с = d2!dj, а также зазор Дк по длине кармана и угол ад наклона диска.

3 Для проведения экспериментальных исследований был изготовлен натурный макет усовершенствованного БЗУ. Для всех типов заготовок была подтверждена стабильность работы БЗУ при их ориентировании. Для двух видов заготовок типа III была проведена верификация разработанных теоретически математических моделей производительности БЗУ с их экспериментальными значениями на макете БЗУ.

4 В процессе экспериментов было выявлено, что все заготовки переориентировались в БЗУ под действием силы тяжести на ножевой опоре и попадали в радиальный паз в требуемом ориентированном положении, и подтверждено, что теоретические результаты полностью соответствуют экспериментальным исследованиям. Максимальная производительность БЗУ для заготовок 1 составляет 280 шт./мин, а для заготовок 4 - 360 шт./мин.

ГЛАВА 6 МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ СТУПЕНЧАТЫХ ЗАГОТОВОК РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ

6.1 Методика проектирования усовершенствованного устройства для каждого типа ступенчатых заготовок

Проектирование усовершенствованного универсального БЗУ с наклонным диском и тангенциальными карманами для стержневых цилиндрических и сложных ступенчатых заготовок должно осуществляться, исходя из обеспечения им стабильного функционирования и высокой производительности, поэтому должна заключаться в следующем.

Во-первых, стабильно обеспечивать захват заготовок и их дальнейшее ориентирование, что обуславливает выбор конструктивных и кинематических параметров БЗУ именно с этих позиций.

Во-вторых, производительность БЗУ, определяемая в первую очередь вероятностью захвата заготовок, должна быть максимальна, что требует при конструировании тангенциальных карманов выбрать их наиболее оптимальные параметры [20, 24, 39, 56, 68].

Таким образом, специфика функционирования БЗУ обуславливает необходимость его проектирования, основываясь на разработанные ограничения на все параметры тангенциальных карманов и органов БЗУ, осуществляющих ориентирование, и математические модели вероятности захвата и производительности усовершенствованного БЗУ для стержневых ступенчатых заготовок.

На рисунке 6.1 показаны основные этапы проектирования усовершенствованного универсального БЗУ для стержневых ступенчатых заготовок тел вращения: конструирование органов захвата и ориентирования; построение математической модели вероятности захвата; построение математической модели производительности; выбор рабочей окружной скорости тангенциальных карманов; конструирование привода органов захвата и ориентирования.

Конструирование органов захвата и ориентирования

Построение математической модели вероятности захвата Г|

Построение математической модели производительности П

— Выбор рабочей окружной скорости тангенциальных карманов V

Конструирование привода органов захвата и ориентирования

Рисунок 6.1 - Основные этапы проектирования усовершенствованного универсального БЗУ для стержневых ступенчатых заготовок тел вращения

Этап 1. Конструирование органов захвата и ориентирования.

На данном этапе решаются задачи обеспечения стабильной работы усовершенствованного БЗУ путем определения диапазонов параметров его основных рабочих органов, при которых оно будет выполнять свои функции. Задачи данного этапа представлены на рисунке 6.2.

Чтобы исключить западание в тангенциальный карман одновременно двух заготовок в продольном направлении, как показано на рисунке 2.8, необходимо выбрать высоту кармана из диапазона по выражению (2.1). Это обеспечит правильное ориентирование заготовок на ножевой опоре в радиальных карманах.

Чтобы исключить западание в тангенциальный карман одновременно двух заготовок, одна из которых находится в продольном направлении, а вторая - в положении стоя, необходимо правильно подобрать значения зазоров Дк по длине кармана и Д по ширине кармана (рисунок 2.9), которые определяют соответственно длину /к и ширину В кармана:

1к = 1 + Дк ,

В = й + Д.

Определение высоты кармана - Н

t

8 / к А к

Т ' Г— _

■

Определение длины кармана / , зазора А и ширины перемычки 8 /

к

А к --- А - --- 8

_ У- 1 / 031

1 7 1 ' ■

Определение шага кармана Г, и радиуса вращающегося диска К

Определение зазора по ширине кармана А и ширины кармана В

------9-

'—-

'к

Определение угла расположения ступеньки буртика \|/

С / Л V <

У У Vуу^ ^ / / /ЬУ / и ^Х^-

Рисунок 6.2

- Последовательность конструирования органов захвата и ориентирования

В зависимости от типа заготовок длина /к кармана, исключающая нахождение в кармане двух заготовок, определяется диапазонами выражения (2.2) для заготовок типов I, II, III и (2.3) для заготовки типа IV.

Чем больше величина зазора, тем больше вероятность западания заготовки в карман. Но увеличение Дк приведет к увеличению шага t тангенциальных карманов, что приведет к сокращению их количества и, тем самым, снижению производительности БЗУ. Поэтому целесообразно принимать минимальные значения зазора Дк.

Толщина перемычки 8 между тангенциальными карманами (см. рисунки 2.8 и 2.9) выбирается в диапазоне от 0,005 до 0,01 м, что обусловлено тем, что шаг t тангенциальных карманов доложен быть минимальным для более высокой производительности. Так как размер кармана ограничен длиной заготовки и шагом Дк, то варьировать целесообразно параметром 8 [1, 61, 62].

После этого определяются шаг расположения тангенциальных карманов t = /к + 8 = / + Дк + 8, задается их количество k и определяется радиус вращающегося диска R.

Чтобы определить допустимую ширину тангенциального кармана, необходимо определить оптимальную величину зазора Д, при которой в карман не западет своим меньшим диаметром заготовка в вертикальном положении (см. рисунок 2.11).

Величина допустимого зазора может быть определена или в программе Mathcad с использованием операторов Given и Find путем совместного решения систем (2.4) - (2.5), (2.6) - (2.7) и (2.8) - (2.9) или подбором такой величины Д, при которой высота кармана исключит западение в него второй заготовки.

Затем определяется величина ширина кармана B в зависимости от типа заготовки по выражениям (2.10) для заготовок типов I, II, III и (2.11) для заготовки типа IV.

После определения оптимальных размеров тангенциальных карманов, выбирается угол ^ расположения ступеньки буртика от вертикальной оси вра-

щающегося диска - угол начала области, в которой начинается передача заготовки из тангенциального кармана в зону переориентирования заготовки на ножевой опоре и ее переход в радиальные карманы.

Выбор фактического угла ^ расположения ступеньки буртика должен

происходить при соблюдении условия (2.14) - то есть он должен быть меньше углов, определяемых выражениями (2.12) и (2.13) в зависимости от двух возможных вариантов расположения заготовки в тангенциальном кармане - тяжелой частью справа или тяжелой частью слева.

Разработанные ограничение на параметры усовершенствованного универсального БЗУ с наклонным диском и тангенциальными карманами позволяют определить диапазоны его параметров, при которых оно будет надежно и стабильно функционировать.

Этап 2. Построение математической модели вероятности захвата.

Вероятность захвата представляет собой произведение вероятностей характеризующих соответственно благоприятное положение заготовки для ее захвата Pi, отсутствие помех от сцепляемости заготовок друг с другом pc, отсутствие помех со стороны окружной скорости органов захвата pv.

На рисунке 6.3 представлена методика построения математической модели вероятности захвата для всех типов стержневых ступенчатых заготовок в усовершенствованном БЗУ.

Вероятность pi в зависимости от типа заготовки и количества ее поверхностей определяется в следующей последовательности (см. рисунок 3.1 для заготовок типов I и II, рисунок 4.1 для заготовок типов III и IV).

Сначала определяются вероятности расположения на вращающемся диске каждой из поверхностей заготовок, чтобы определить вероятность Рб того, что заготовка окажется на поверхности диска своей боковой поверхностью -требуемой для захвата.

4 М"

- Ц

Р^Ри'Ру РгРп-Ру

X

Я'РП'РУ' РУ1

Вероятность оказаться на диске благоприятной для захвата боковой поверхностью - р5

И-

Максимальное значение вероятности р.

Т | А |Р

Минимальное значение вероятности р1

1* -

Определение вероятностир1

Площади всех поверхностей заготовок и их сумма

п = 5 , п = 5 П = 1

Углы возможного поворота двух соприкасающихся поверхностей Е,

Определение вероятности рс

Р т

Момент инерции заготовки относительно центра качения Ja

| Лк ¡лА Ид

Предельная окружная скорость тангенциальных карманов Упред

Определение вероятности р

\

Определение вероятности захвата Г|

Рисунок 6.3 - Методика построения математической модели вероятности захвата ступенчатых заготовок

После этого необходимо определить максимальное р1 тах и минимальное Рг тш значения вероятности рг, соответствующие участкам зоны захвата, где заготовки располагаются разрозненно в один и несколько слоев.

Для определения рг т1п необходимо определить углы у и Р (см. рисунок

3.2 для заготовок типов I и II, рисунок 4.2 для заготовок типов III и IV).

Затем определяется вероятность рг в зависимости от числа заготовок, которое может разместиться в зоне фзахв и радиуса Я, на котором располагаются тангенциальные карманы.

На следующем этапе для определения вероятности рс вычисляются площади всех поверхностей заготовки и их сумма, а также рассматриваются все сопряжения поверхностей заготовок, которые возможно сочетать без разъединения и определяются углы £ с учетом коэффициента трения (см. рисунки

3.3 - 3.5 для заготовок типов I и II, рисунки 4.3, 4.4 для заготовок типов III и IV).

Затем для описания вероятности ри определяется предельное значение

окружной скорости ипред (см. рисунок 3.6 для заготовок типов I и II, рисунок

4.5 для заготовок типов III и IV) в зависимости от момента инерции заготовки, ее массы и минимальной глубины кармана, на которую должна запасть заготовка, чтобы ее не выбросило из кармана.

Момент инерции Jц центра масс заготовки относительно центра качения

определяется в зависимости от массы (плотности) заготовки и ее геометрических параметров, а предельное значение окружной скорости ипред - массой (плотностью), углом а д наклона диска, зазором Дк между стенкой кармана и

заготовкой и минимальной глубиной Дк кармана, на которую должна запасть заготовка, чтобы ее не выбросило из кармана.

После того, как определены и описаны вероятности р¡, рс и ри, получаем выражение для определения вероятности ц захвата, включающее геометри-

ческие размеры стержневых ступенчатых заготовок, конструктивные и кинематические параметры усовершенствованного БЗУ, коэффициенты трения заго-товка-БЗУ и заготовка-заготовка.

В таблице 6.1 представлены номера формул, по которым определяется каждый из параметров модели для математического описания ц.

Таблица 6.1 - Номера формул для определения каждого параметра модели для математического описания вероятности захвата

Параметр Тип заготовки

I II III IV

Рб 3.8 3.11 4.11 4.14

pi max 3.13 3.14 4.15 4.16

У / ß 3.16 / 3.17 3.19 / 3.20 4.18 4.20

pi min 3.18 3.21 4.19 4.24

Pi 3.24 3.25 4.22 4.22

Рс 3.28 3.28 4.27 4.28

ипред полая 3.33 3.35 3.29, 4.32, 4.33 3.29, 4.37, 4.38

сплошная 3.30 3.30 4.31 4.36

Pu полая 3.37 3.38 3.2, 3.26, 4.32, 4.33 3.2, 4.35, 4.36

сплошная 3.36 3.36 3.2, 4.30, 4.31 3.2, 3.26, 4.37, 4.38

В разделах 3.2 и 4.2 приведены графики, с помощью которых для некоторых заготовок можно определить численные значения всех параметров математической модели вероятности захвата.

Этап 3. Построение математической модели производительности. Осуществляется с использованием разработанной математической модели вероятности захвата по выражению

!_ ч ипред )_

Конечным результатом этапов 1 - 3 является график зависимости фактической производительности БЗУ от окружной скорости П(и). График визуализирует максимальное значение производительности усовершенствованного универсального БЗУ с наклонным диском и тангенциальными карманами и величину окружной скорости ее обеспечивающую.

С помощью графика, в зависимости от производственных задач, и, в первую очередь требуемой производительности (должна быть на 5 - 15 % больше, чем производительность автоматической машины или линии), определяется рабочая окружная скорость.

Данную скорость необходимо согласовать с выбранным углом ^, на котором следует расположить ступеньку буртика в выбранных ранее диапазонах, чтобы усовершенствованное БЗУ успело переориентировать заготовку на ножевых опорах в верхней его части.

Данная методика проектирования универсального БЗУ с наклонным диском и тангенциальными карманами разработана на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Она позволяет обосновать рациональные параметры разработанного БЗУ, при которых оно будет стабильно функционировать, обеспечивая необходимую для обеспечения непрерывной работы автоматизированного оборудования производительность.

^ 60и 60и П =-ц =-

г

г

РгРс

6.2 Пример разработки конструкции усовершенствованного устройства на максимальную производительность и описание программы

В качестве примера реализации представленной выше методики проектирования универсального БЗУ с наклонным диском и тангенциальными карманами, разработаем конструкцию БЗУ для сложных ступенчатых заготовок типа III (см. рисунок 1.8, в) на его максимальную производительность.

Заготовка имеет следующие размеры: d1 = 0,01 м, d2 = 0,007 м, l = 0,05 м, ¡1 = 0,034 м, l = 0,006 м, xc = 0,014 м; латунь. Коэффициента трения:

ц = 0,25, ц0 = 0,18.

Этап 1. Для обеспечения стабильной работы на первом этапе осуществляется конструирование тангенциальных карманов и органов ориентирования заготовок в универсальном БЗУ.

Выбор высоты тангенциального кармана для заданной сложной ступенчатой заготовки осуществляем по диапазону (2.1) - от Hm^n = 0,008 м до H max = 0,012 м; выбираем Hmax = 0,01 м.

Длина ¡к тангенциального кармана выбирается из диапазона выражения (2.2) для заданного типа заготовки - от ¡к min = 0,051 м до ¡к max = 0,057 м; выбираем ¡к = 0,053 м.

Тогда зазор Лк = ¡к -1 = 0,003 м.

Толщину перемычки 8 между тангенциальными карманами принимаем равной 8 = 0,005 м.

Тогда шаг тангенциальных карманов БЗУ: t = l + Лк + 8 = 0,058 м. Тогда, задавшись числом карманов к = 26, вычисляем радиус диска по известной формуле. Получаем R = 0,24 м.

Для определения ширины кармана задаемся значением Л = 0,003 м. Получаем ширину тангенциального кармана B = 0,013 м и сравниваем его со зна-

чением Bmax = 0,014 м по выражениям (2.4) и (2.5), соответствующим ступенчатой заготовке типа III.

Получаем, что при выбранном зазоре Д = 0,003 м и соответствующей ему ширине тангенциального кармана B = 0,013 м условие возможного запад ения в карман второй заготовки в стоячем положении исключена, так как B < Bmax.

На рисунке 6.4 представлен фрагмент программы для проектирования тангенциальных карманов усовершенствованного БЗУ для заданной заготовки.

Рисунок 6.4 - Программа расчета диапазонов параметров тангенциальных карманов БЗУ - Этап 1

После определения оптимальных размеров тангенциальных карманов, выбираем угол у расположения ступеньки буртика от вертикальной оси вращающегося диска или, другими словами, угол начала области, в которой начинается передача заготовки из тангенциального кармана в зону переориентирования заготовки на ножевой опоре и ее переход в радиальные карманы.

По выражениям (2.12) и (2.13) определяем в программе значения угла у при западании заготовки в карман тяжелой частью справа и тяжелой частью слева. Получаем начальные значения углов у в зависимости от окружной скорости тангенциальных карманов: справа \|/п = 52°...61° и слева \|/л = 30°...36°. Выбираем угол ц/ф = 25°.

Рисунок 6.5 - Фрагмент программы расчета диапазонов параметров ориентирующего элемента БЗУ - Этап 1

Разработанные ограничение на параметры усовершенствованного универсального БЗУ с наклонным диском и тангенциальными карманами позволяют определить диапазоны его параметров, при которых оно будет надежно и стабильно функционировать.