автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Гравитационный ориентатор с маятниковым L-образным захватом для сплошных предметов обработки асимметричных по торцам

На правах рукописи

ПАХОМОВ Иван Николаевич

ГРАВИТАЦИОННЫЙ ОРИЕНТАТОР С МАЯТНИКОВЫМ ¿-ОБРАЗНЫМ ЗАХВАТОМ ДЛЯ СПЛОШНЫХ ПРЕДМЕТОВ ОБРАБОТКИ АСИММЕТРИЧНЫХ ПО ТОРЦАМ

Специальность 05.02.13 Машины, агрегаты и процессы (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 6 МАЙ -ШЗ

005059297

Тула 2013

005059297

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Научный руководитель: Прейс Владимир Викторович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», заведующий кафедрой

Официальные оппоненты: Кристаль Марк Григорьевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет», профессор

Галонска Михаил Константинович, кандидат технических наук, филиал ОАО «Конструкторское бюро приборостроения» - «Центральное конструкторско-исследовательское бюро спортивно-охотничьего оружия» (г. Тула), начальник отдела стандартизации и технической документации (№ 028)

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский государственный

машиностроительный университет «МАМИ»

Защита состоится 29 мая 2013 г. в 14-00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.271.10 при Тульском государственном университете по адресу: 300012, г. Тула, просп. Ленина, 92 (учеб. корп. 9, ауд. 101).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Автореферат разослан «¿3» « О^/ » 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В.А. Крюков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Основой развития современного отечественного машино- и приборостроения является инновационный подход, базирующийся на наукоемких, ресурсосберегающих технологиях и высокопроизводительных автоматизированных технологических системах (машинах-автоматах и автоматических линиях). В ряде массовых производств, таких как, производство патронов стрелкового оружия и строительно-монтажных патронов, элементов приводных роликовых цепей преимущественное применение нашли автоматизированные технологические системы на основе роторных машин (РМ).

Для загрузки осесимметричных штучных предметов обработки формы тел вращения в РМ с производительностью более 200 шт./мин применяют многопозиционные роторные системы автоматической загрузки (САЗ), которые построены по принципу роторных технологических машин (по классификации акад. Л.Н. Кошкина), что обеспечивает надежную синхронную передачу предметов обработки в непрерывно движущиеся транспортные органы РМ.

Ориентирование штучных предметов обработки массой до 0,05 кг и длиной до 0,05 м, относящихся к осесимметричным объемным деталям-телам вращения (классы 71-72 по классификатору ЕСКД), осуществляют в ориентирующих устройствах с гравитационными ориентаторами. Такие ориентаторы имеют достаточно высокую производительность, просты по конструкции и кинематике, поскольку не имеют приводных механизмов, что делает их эффективным техническим средством для создания надежных роторных САЗ.

В частности, для ориентирования предметов обработки типа колпачков с отношением габаритных размеров 1,5 < Ис1 < 2 (/ - длина, с/ - диаметр предмета обработки) А.Г. Астраханцевым и В.В. Прейсом были разработаны гравитационные ориентаторы с маятниковым ¿-образным захватом, отличительной особенностью которых является то, что вход и выход ориентатора выполнены со-осными и имеют общую вертикальную стенку. Это обеспечивает удобную компоновку подобных ориентаторов в роторной САЗ с осесимметричными захватывающими органами.

Однако разработанные ориентаторы не позволяют ориентировать сплошные осесимметричные предметы обработки формы тел вращения асимметричные по торцам, например, имеющие один из торцов меньшего диаметра (ступенчатые) или конический торец.

Поэтому, разработка и обоснование параметров усовершенствованной конструкции гравитационного ориентатора с маятниковым ¿-образным захватом для ориентирования осесимметричных сплошных предметов обработки формы тел вращения с отношением габаритных размеров 1,5 < II¡Л < 2 асимметричных по торцам и создание на их основе роторных САЗ заданной производительности, является актуальной задачей.

Работа выполнялась в рамках единых госбюджетных НИР №26-06 «Оценка надежности технологического оборудования и средств автоматизации» и №34-10 «Совершенствование технологического оборудования с целью повышения его производительности и надежности».

Цель работы. Расширение технических возможностей гравитационных ориентаторов с маятниковым ¿-образным захватом, обеспечивающих ориентирование осесимметричных сплошных предметов обработки асимметричных по торцам с отношением габаритных размеров 1,5 < lld < 2 и создание роторных САЗ заданной производительности.

Объект исследования. Роторная САЗ, имеющая в своей структуре гравитационный ориентатор с маятниковым ¿-образным захватом для ориентирования осесимметричных сплошных предметов обработки формы тел вращения с отношением габаритных размеров 1,5 <l!d< 2 асимметричных по торцам.

Предмет исследования. Взаимосвязанное влияние на величину времени ориентирования геометрических параметров предмета обработки и параметров ориентатора, силы трения скольжения предмета обработки о направляющие поверхности ориентатора и центробежной силы инерции, возникающей вследствие транспортного вращения роторной САЗ.

Метод исследования, принятый в работе, заключается в сочетании аналитических и экспериментальных исследований процессов ориентирования предметов обработки с использованием математических и натурных моделей. Для построения математической модели процесса ориентирования предмета обработки в гравитационном ориентаторе роторной САЗ использовались методы теоретической механики. При проведении экспериментов применялась цифровая видеосъемка, а для обработки экспериментальных данных использовались методы теории погрешностей и математической статистики.

Теоретические и экспериментальные исследования базировались на научных работах в области теории и методологии проектирования ориентирующих устройств для предметов формы тел вращения Л.Ф. Анчишкиной, А.Г. Астраханцева, А.Н. Беляковой, Н.И. Камышного, Г.В.Комарова,

A.Н. Малова, М.В. Медвидя, В.В. Прейса, В.Ф. Прейса, А.Н. Рабиновича,

B.Д. Рожковского, JI.A. Свинаренко, H.A. Усенко.

Достоверность научных положений и выводов диссертационной работы обеспечивается полнотой учета факторов, влияющих на время ориентирования предмета обработки, корректностью использования общепринятых математических методов и компьютерного моделирования, качественным и количественным соответствием результатов теоретических расчетов с экспериментальными данными, полученными непосредственно соискателем, а также с результатами расчетов и экспериментов, полученными другими авторами.

Автор защищает:

1. Совокупность конструктивных ограничений на геометрические параметры усовершенствованного гравитационного ориентатора с маятниковым L-образным захватом для ориентирования осесимметричных сплошных предметов обработки формы тел вращения асимметричных по торцам.

2. Математическую модель процесса ориентирования предмета обработки в гравитационном ориентаторе с маятниковым ¿-образным захватом, представляющую собой совокупность дифференциальных уравнений, описывающих движение предмета обработки, и учитывающую взаимное влияние на время ориентирования центробежной силы инерции, возникающей вследствие транс-

портного вращения роторной САЗ, геометрических параметров ориентатора и предмета обработки, а также силы трения предмета обработки о направляющие

поверхности ориентатора.

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований зависимости времени ориентирования сплошных осесимметричных предметов обработки формы тела вращения асимметричных по торцам в гравитационном ориентаторе с маятниковым ¿-образным захватом, подтвердившие адекватность и корректность разработанной математической модели.

4. Усовершенствованную конструкцию гравитационного ориентатора с маятниковым ¿-образным захватом и инженерную методику его проектирования для роторной САЗ, базирующуюся на результатах теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна. Установлено взаимное влияние на время ориентирования осесимметричного сплошного предмета обработки формы тела вращения асимметричного по торцам его геометрических параметров, параметров усовершенствованного гравитационного ориентатора с маятниковым ¿-образным захватом, коэффициента трения предмета обработки о направляющие поверхности ориентатора и центробежной силы инерции, возникающей вследствие транспортного вращения роторной САЗ.

Практическая значимость работы. Разработаны инженерная методика проектирования и усовершенствованная конструкция гравитационного ориентатора с маятниковым ¿-образным захватом, обеспечивающие создание роторных САЗ заданной производительности для ориентирования осесимметричных сплошных предметов обработки асимметричных по торцам, длиной I < 0,05 м, с отношением габаритных размеров 1,5 < Ис1 < 2 и массой до 0,05 кг.

Реализация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, инженерная методика проектирования и техническая документация на усовершенствованную конструкцию гравитационного ориентатора с маятниковым ¿-образным захватом переданы для практического использования в «Центральное конструкторское бюро спортивно-охотничьего оружия» - Филиал ОАО «Конструкторское бюро приборостроения» (г. Тула) и ОАО «Тульский патронный завод им. С.М. Кирова», а также используются в учебном процессе Тульского государственного университета.

Апробация работы. Основные научные положения диссертации, результаты исследований и разработок докладывались соискателем на V молодежной научно-практической конференции «Молодежные инновации» (г. Тула, ТулГУ, 2011 г.), международном научно-техническом семинаре «Современные технологии сборки» (г. Москва, МАМИ, 2011 г.), XVII международной научно-технической конференции «Автоматизация: проблемы и решения (АПИР-17)» (г. Тула, ТулГУ, 2012 г.), II Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Современная российская наука глазами молодых исследователей» (г. Красноярск, 2012 г.) и XIX Международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века» (г. Севастополь, 2012 г.), на которой доклад был отмечен дипломом II степени.

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 9 научных работ (3 - единолично, остальные - в соавторстве), в том числе 2 статьи в периодических изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и получен патент РФ на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и общих выводов, списка литературы из 91 наименований и приложений. Объем диссертационной работы составляет 103 страниц, в том числе 37 рисунков и 4 таблицы. Объем приложений составляет 15 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой темы, сформулированы цель диссертационной работы и положения, выносимые на защиту, приведены данные о научной новизне, практической значимости об апробации и о реализации результатов работы.

В первом разделе рассмотрено состояние изучаемого вопроса.

Проведенный анализ показал, что за последнее десятилетие на мировом рынке прослеживается устойчивая тенденция создания технологических систем на основе РМ, объединяющих максимально возможное число технологических операций.

В машино- и приборостроении наиболее предпочтительны для обработки на РМ штучные предметы, принадлежащие к осесимметричным объемным деталям-телам вращения классов 71-72 по классификатору ЕСКД.

Для загрузки штучных предметов обработки в технологические системы на основе РМ с производительностью от 200 до 1200 шт./мин широко используют многопозиционные роторные САЗ, в которых одним из основных функциональных устройств является ориентирующее устройство, осуществляющее приведение упорядоченных предметов обработки в однозначное заданное положение и передачу их в таком положении в последующее устройство САЗ.

Гравитационные ориентаторы с маятниковым ¿-образным захватом, в которых направляющий лоток выполнен вертикальным и соосным приемной воронке ориентатора, являются эффективным техническим средством, поскольку обеспечивают их рациональную компоновку в многопозиционной роторной САЗ и достаточную производительность.

Для расширения технических возможностей гравитационных ориента-торов с маятниковым ¿-образным захватом необходимо найти пути совершенствования их конструкций, обеспечивающие ориентирование сплошных осе-симметричных предметов обработки формы тела вращения с соотношением габаритных размеров 1,5 < Ш < 2 асимметричных по торцам (например, когда один из торцов - цилиндрический, а другой - конический или цилиндрический, но меньшего диаметра), и создание на их основе роторных САЗ заданной производительности.

Изучение научных работ отечественных (Л.Ф. Анчишкина,

A.Г. Астраханцев, А.Н. Белякова, Н.И. Камышный, А.Н. Малов, М.В. Медвидь,

B.Ф. Прейс, А.Н. Рабинович, В.Д. Рожковский, В.А. Яхимович) и зарубежных

(Boothroyd G., Murch L.E., Hesse S., Zapf H.) авторов показало, что они посвящены созданию стационарных (не роторных) САЗ и, следовательно, не учитывают влияние на предмет обработки центробежной силы инерции, возникающей вследствие транспортного вращения роторной САЗ.

Впервые математическая модель и результаты компьютерного моделирования процесса ориентирования предмета обработки в гравитационном ори-ентаторе роторной САЗ с вертикальной опорой были представлены в работах В,В. Прейса. В работах Г.А. Астраханцева и В.В. Прейса была предложена математическая модель процесса ориентирования предмета обработки типа пустотелого колпачка в гравитационном ориентаторе с ¿-образным захватом, учитывающая взаимное влияние на время ориентирования предмета центробежной силы инерции, возникающей вследствие транспортного вращения роторной САЗ и действующей на предмет обработки в процессе его ориентирования, геометрических параметров предмета обработки и коэффициента трения предмета о направляющие поверхности ориентатора.

В соответствии с поставленной целью и проведенным анализом известных научных работ в области теории и практики проектирования ориентирующих устройств сформулированы задачи диссертационного исследования:

1. Совершенствование конструкции гравитационного ориентатора с маятниковым ¿-образным захватом и разработка совокупности конструкгивных ограничений на его геометрические параметры, с целью обеспечения возможности ориентирования осесимметричных сплошных предметов обработки формы тела вращения с соотношением размеров 1,5 < l/d < 2 асимметричных по торцам.

2. Разработка математической модели процесса ориентирования предмета обработки в гравитационном ориентаторе с маятниковым ¿-образным захватом, учитывающей взаимное влияние центробежной силы инерции, возникающей вследствие транспортного вращения роторной САЗ и действующей на предмет обработки в процессе его ориентирования, геометрических параметров предмета обработки и коэффициента трения предмета о направляющие поверхности ориентатора.

3. Проведение теоретических и экспериментальных исследований процесса ориентирования сплошных осесимметричных предметов обработки формы тела вращения асимметричных по торцам в гравитационном ориентаторе с маятниковым ¿-образным захватом роторной САЗ для подтверждения адекватности и корректности разработанной математической модели.

4. Разработка инженерной методики проектирования усовершенствованной конструкции гравитационного ориентатора с маятниковым ¿-образным^за-хватом, способной ориентировать сплошные осесимметричные предметы обработки формы тела вращения асимметричные по торцам с соотношением размеров 1,5 < l/d < 2 и обеспечивающей возможность создания роторной САЗ

заданной производительности.

Во втором разделе предложены схемы и разработаны конструктивные ограничения на геометрические параметры гравитационного ориентатора с маятниковым ¿-образным захватом, разработана математическая модель и

проведены теоретические исследования процесса ориентирования предмета обработки в ориентаторе роторной САЗ.

На основе анализа известных конструкций гравитационных ориентато-ров с маятниковым ¿-образным захватом, разработана усовершенствованная схема гравитационного ориентатора с маятниковым ¿-образным захватом, который сможет обеспечить ориентирование осесимметричных сплошных предметов обработки формы тела вращения асимметричных по торцам (рис. 1).

В усовершенствованной схеме гравитационного ориентатора, также как в ранее известных, траектории движения ориентируемых предметов обработки на входе и выходе ориентатора совпадают, являются прямолинейными и вертикальными (рис. 2). Новым является то, захватный крючок 3 маятникового ¿-образного захвата 8, осуществляющий поворот предмета обработки 4, поступающего ассимет-ричным торцом вперед, расположен в одной плоскости с осью 11 на которой свободно установлен маятниковый захват 8 и параллельно данной оси, при этом продольная ось маятникового ¿-образного захвата в начальном положении расположена горизонтально.

<тГ

г -

« "5 < -з

а)

І2 б)

Рис. 1. Типичные представители осесимметричных сплошных предмет ов обработки формы тела вращения асимметричных по торцам: а - «ступенчатый»; б — «конический»

0 _

5 о!? 7 8 4

д1_ ^Х п.

3 Л _ - "V 11 9 10 Л

пт / 12 2

1 (6

3 СІКР 4-Л 8 11

С

л л

и

10 9

0.

¿2 ,

,41

¡=¿3---Ґ------

13

/

12

1110

б)

Рис. 2. Схема усовершенствованного гравитационного ориентатора с маятниковым

¿-образным захватом: а - прохождение ориентированного предмета обработки; б - ориентирование (поворот) предмета обработки

Предмет обработки 4 поступает в вертикальный входной канал 5, имеющий единую вертикальную стенку с приемным каналом !, в который вы-

дается предмет обработки после ориентации, при этом входной и приемный каналы имеют общую геометрическую ось 6, т.е. выполнены соосными. Между ними на оси 11 установлен маятниковый ¿-образный захват 8, выполненный в виде рычага с захватным крючком 3, взаимодействующим с торцами ориентируемых предметов обработки и осуществляющим поворот предметов, поступающих асимметричным торцом вперёд (см. рис. 2, б). В исходном положении маятниковый захват поджат к упору 7 под действием груза-противовеса 9, размещаемого на плече 10 рычага.

По аналогии с известными работами для усовершенствованного ориен-татора с маятниковым ¿-образным захватом разработаны конструктивные ограничения на его геометрические параметры, которые являются входными параметрами для разработки математической модели процесса ориентирования предмета обработки в ориентаторе:

1. Расстояние А (см. рис. 2, а), на котором должен располагаться захватный крючок 3 от вертикальной стенки 2 для надежного захвата предмета обработки за асимметричный торец

D-d2<&<0,5(^2 ~d\). С)

Для «ступенчатого» предмета обработки в формуле (1) d\ - диаметр меньшего торца (см. рис. 1, а); для «конического» предмета обработки dx - диаметр на расстоянии /3 от цилиндрической части предмета (см. рис. 1, б) di=d2{l-h/h)-

2. Расстояние а от захватного крючка маятникового захвата до его оси качания (см. рис. 2, а)

Ь-А П\

а <-, UJ

1 - cos amax

где b = 0,5 л/4/| +(¿1 +d2f ; а щах - максимальный угол отклонения от горизонтали захватного крючка при ориентировании предмета обработки.

3. Диаметр dKр и длина /кр захватного крючка 3 (см. рис. 2, а) для надежного захвата предмета обработки за асимметричный торец должны находиться в следующих пределах

^ <д<^-; (3)

0,5i/| </кр <d\. (4)

Особенность построения математической модели процесса ориентирования предмета обработки в гравитационных ориентаторах роторных САЗ заключается в том, что наличие переносного вращательного движения ориента-тора вокруг вертикальной неподвижной оси роторной САЗ приводит к появлению центробежной силы инерции в переносном движении, действующей на предмет обработки, и оказывающей существенное влияние на время ориен-тировнаия.

Процесс ориентирования предмета обработки в гравитационном ориентаторе разделен на 5 этапов. Получены кинематические зависимости, опреде-

я<>

\

-<е)

\

\

Лг

ляющие положение предмета обработки и его центра масс в функции обобщенной координаты, которые являются основой для составления уравнений Ла-гранжа Н-го рода и получения дифференциальных уравнений движения предмета обработки на каждом из этапов ориентирования. Динамические уравнения движения составляем по этапам, отличающимся числом степеней свободы в относительном движении системы: «рычаг-предмет обработки», видом движения предмета обработки и уравнениями связей.

Этап 1. Свободное падение предмета обработки из начального положения до соприкосновения с рычагом. Предмет обработки совершает поступательное прямолинейное движение, рычаг неподвижен, дваже-г ние предмета обработки 01 ограничивается стенкой ориентатора (рис. 3).

Время движения на первом этапе

щ

¿и

Ы

¡13

/п

Рис. 3. Расчетная схема движения предмета обработки на первом этапе процесса ориентирования

1

(1)

где ка =(й2/?о/я - динамический параметр; со - угловая скорость роторной САЗ, рад/с; /?о - радиус расположения ориентатора на позиции роторной САЗ, м; ц - коэффициент трения скольжения предмета о направляющие поверхности ориентатора; Аф - высота

"11

длина

падения предмета обработки до соприкосновения с рычагом меньшего по диаметру ступенчатого торца предмета обработки. Скорость предмета обработки в конце этапа

В конце первого этапа предмет обработки ударяется о захват,

(2)

Рис. 4. Расчетная схема улара предмета обработки о рычаг в конце первого этапа движения

при этом происходит мгновенное изменение скорости предмета обработки и рычага (рис. 4).

Объединяя системы динамических и кинематических уравнений, получим систему семи линейных алгебраических уравнений с семью неизвестными

АХ = В, (3)

1 0 1 "'1 0 0 0

0 1 0 0 '"1 0 0

-к5 0 Л, 2 0 0 0 А

где А = 0 -/21 0 0 0 0 •Ї2

0 0 0 1 0 -1

0 0 0 0 1 0 ¡2\

0 0 0 0 0 1 >42

• ' = 1 ^ Уп Ш2 г=

В = 0 0 0 0 0 0

Решая представленную систему (3), найдем значения ударных импульсов и скоростей в конце удара. Значения полученных скоростей являются начальными условиями для следующего этапа движения.

Этап 2. Предмет обработки поворачивается вместе с захватом и скользит по захвату (рис. 5).

Рассматриваемая система «предмет обработки - захват» в относительном движении имеет одну степень свободы. Для составления уравнений движения используем уравнения Лагранжа второго рода

Ы( дТ Л ^ дц>2

дТ

Эф2

= 0<

ф2-

(4)

В качестве обобщенной координаты принимаем угол поворота захвата ф2- Уравнение движения предмета на втором этапе

Рис. 5. Расчетная «ема движения предмета обработки на втором этапе процесса ориентирования

^пр(ф7).ф (ф2). (5)

2 яф2

Этап 3. Предмет обработки продолжает скользить по стенке ориен-татора (т. А), но нижний торец предмета обработки отрывается от захвата и предмет обработки начинает поворачиваться относительно захвата. Система имеет одну степень свободы (рис. 6).

В отличие от предыдущего этапа в качестве обобщенной координаты принимаем угол поворота предмета обработки ф|. Уравнение движения предмета обработки на третьем этапе получим в следующем виде

пр (ф]}. ф1 + і - ф? = 0 (ф,), (6)

2 аф|

Рис. 6. Расчетная схема движения предмета обработки-на третьем этапе процесса ориентирования

Этап 4. В конце третьего этапа торец предмета обработки ударяется о стенку ориентатора и предмет обработки начинает поворачиваться относительно ребра — т. В и смещаться вниз. Одновременно предмет обработки продолжает поворачиваться относительно захвата. Захват также продолжает поворачиваться (рис. 7).

Потерей энергии при ударе предмета обработки торцом о стенку ориентатора пренебрегаем.

Уравнение движения предмета обработки на четвертом этапе аналогично уравнению движения на третьем этапе.

Этап 5. Свободное падение предмета обработки после отрыва от крючка захвата.

После того, как предмет обработки принял вертикальное положение, он продолжает движение по выходному каналу ориентатора, проходя некоторый путь до соприкосновения с дном приемника. Предмет обработки совершает поступательное прямолинейное движение относительно стенки ориентатора с постоянным ускорением. Захват скользит по тонкой части предмета обработки, а затем возвращается в исходное положение. Распределение сил, действующих на предмет обработки, аналогично первому этапу движения. Силой трения между захватом и предметом обработки до их разрыва пренебрегаем вследствие ее малости. Время движения на пятом этапе определяется по формуле

Рис. 7. Расчетная схема движения предмета обработки на четвертом этапе процесса ориентирования.

■ г>ск.

'5=-

4+А|

(7)

где осьА - скорость центра масс предмета обработки в конце четвертого этапа; /і5 - путь, проходимый предметом обработки на пятом этапе движения.

Совокупность полученных выражений, описывающих кинематику и динамику движения предмета обработки на рассмотренных выше этапах, составляет математическую модель процесса ориентирования предмета обработки в

гравитационном ориентаторе, позволяющую определить общее время ориентирования предмета обработки

fop =',+¿'-+'5 (8)

2

где t. - время ориентирования предмета обработки на втором, третьем и четвертом этапах, определяемое интегрированием соответствующих уравнений движения.

Для интегрирования полученных выражений численными методами и определения общего времени ориентирования предмета обработки в гравитационном ориентаторе с маятниковым ¿-образным захватом была разработана компьютерная программа с использованием стандартной программной среды MathCAD.

По результатам компьютерного моделирования процесса ориентирования предмета обработки построены графики (рис. 8, кривые «а») зависимости общего времени ориентирования /ор (8) от динамического параметра Ки, для различных значений коэффициента трения скольжения предмета обработки.

Для соответствующих коэффициентов трения определены граничные значения динамического параметра [Kwl, при превышении которых происходит торможение предмета обработки на третьем этапе движения (предмет обработки не переходит с ребра/« на ребро В), в результате чего процесс ориентирования нарушается. Например, для коэффициента трения ц = 0,4 граничное значение динамического параметра [% ] = 1,2, для которого время ориентирования составляет iop = 0,362 с.

Для сравнения на рис. 8 (кривые «б») построены графики зависимости времени ориентирования предмета обработки, рассчитанные по упрощенной модели, предполагающей только свободное падение предмета обработки со скольжением по вертикальной стенке ориентатора под действием силы инерции в переносном движении на всем расчетном пути Нр = Н + hQ+hs

tn=j2Hp/g(\-iiK0j. W

Рис. 8. Графики зависимости общего времени ориентирования предмета обработки от динамического параметра при различных значениях коэффициента трения предмета обработки об элементы ориентатора, рассчитанного: а - по формуле (8) с использованием разработанной математической модели; б - по упрощенной модели (9)

Сравнение результатов моделирования свидетельствует о том, что значения времени, рассчитанные по упрощенной модели (9) меньше в 2,5...3 раза значений времени ориентирования, рассчитанных по формуле (8) с использованием разработанной математической модели, для соответствующего коэффициента трения предмета обработки в диапазоне значений динамического параметра 0 < К0) < [ КС) ], при этом упрощенная модель (9) не дает оценку граничных значений динамического параметра.

В третьем разделе представлены результаты экспериментальных исследований гравитационных ориентаторов с ¿-образным захватом.

Экспериментальные исследования процесса ориентирования в гравитационном ориентаторе с маятниковым ¿-образным захватом проводились для «ступенчатых» осесимметричных предметов обработки формы тел вращения, асимметричных по торцам, выполненных из латуни Л62 и стали марки Ст. 3.

С использованием лабораторного трибометра, на который устанавливался экспериментальный ориентатор, и цифровой видеосъемки, были определены средние значения коэффициентов трения покоя и движения предметов обработки для указанных материалов. Выявлено, что значения коэффициентов трения движения на 5...7 % меньше коэффициентов трения покоя, например, для стального предмета обработки (1дв = 0,419; |ЛПок ~ 0,445.

Для экспериментальных исследований процесса ориентирования предметов обработки, был разработан гравитационный ориентатор с маятниковым ¿-образным захватом. На рис. 9 показан испытательный стенд 1 с установленным на дисковой платформе 2 экспериментальным гравитационным ориентатором 3. Сигнал к электромагниту, управляющему отсекателем ориента-тора 3, для дистанционного пуска предмета обработки передается через коллекторное устройство 4. На платформе закреплены: секундомер 5 (точность измерения 0,01 с) и цифровая видеокамера 6. Дисковая платформа смонтирована на валу, приводимым во вращение посредством регулируемого электропривода 8 через клиноременную передачу. Электропривод позволяет с пульта управления 9 изменять угловую скорость вала с платформой 2, которая контролируется с помощью электронного стробоскопа 6.

Полученный видеофильм процесса ориентирования предмета обработки в гравитационном ориентаторе «кадрировался» (разбивался на кадры) на ком-

пьютере, что позволяет визуально проанализировать этапы процесса ориентирования предмета обработки, оценить их длительность и общее время ориентирования предмета по показаниям электронного секундомера.

В качестве примеров на

рис.10 представлены покадровые расшифровки видеосъемки процесса ориентирования ступенчатого предмета обработки при значении динамического

параметра Кы = 0,268. В результате расшифровки кадров определяли длительности каждого из этапов процесса ориентирования и общее время ориентирования предмета обработки 1ор =0,25...0,27 с.

Расшифровка кинограмм не выявила существенного различия в средних значениях времени ориентирования латунного и стального предметов обработки, а также «ступенчатого» и «конического», как в стационарном режиме (Л"0) = 0), так и в роторном ре-

Рис. 10. Покадровая расшифровка видеосъемки процесса жиме (при вращении платфор-ориентирования «ступенчатого» стального предмета '

обработки при вращении платформы МЫ С ОриеНТаТОрОМ). с угловой скоростью 40 об./мнн (кы = 0,268) ¡3 таблице представлены

экспериментальные значения общего времени ориентирования «ступенчатого» стального предмета обработки в сравнении с расчетными (теоретическими) значениями, полученными с использованием разработанной математической модели. Расчетные значения времени ориентирования даны для двух значений коэффициента трения движения, определенных экспериментально для латунного и стального предметов обработки.

Сравнение экспериментальных шачений общего времени ориентирования предмета обработки с расчетными (теоретическими) значениями

0 0,268 0,418 0,603 1,072 1,357

('ор)теор» £ цло = 0,357 0.247 0,258 0,266 0,276 0,310 0.347

м„в = 0,419 0,247 0,266 0,269 0,281 0,329 -

(Мзксп, с 0,24 0,26 0,27 0.28 0,32 0.36

8 ('Ор),ксп.100.% Мтеор -2.92 +0,77 -2.3 + 1,5 -0,37 + 1,44 -0.35 +3,22 -0,36 +3,75

Из таблицы следует, что экспериментальные значения времени ориентирования хорошо согласуются с теоретическими значениями, поскольку относительное отклонение экспериментальных значений времени ориентирования от теоретических значений не превышает ±5 %, что существенно ниже коэффициента вариации б среднего значения времени ориентирования.

На рис. 11 показаны графики зависимостей теоретических и экспериментальных значений времени ориентирования ступенчатого предмета обработки (латунного ¡Хда = 0,357 и стального (1ДВ = 0,419) от динамического параметра Кц), которые наглядно свидетельствуют о хорошем согласовании результатов компьютерного моделирования и экспериментальных исследований. Граничное значение динамического параметра, при котором процесс ориентирования нарушается [ = 1,3.

В четвертом разделе представлена инженерная методика проектирования гравитационного ориентатора с маятниковым ¿-образным захватом и ориентирующего устройства (ОУ) роторной САЗ, которые базируются на результатах теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в рамках данной диссертации, а также на ранее известных работах.

Особенностью параметрического синтеза ориентирующих устройств роторных САЗ является то обстоятельство, что основные параметры роторной САЗ: число и шаг рабочих позиций - унифицированы и определяются конструкцией технологических роторов проектируемой РМ. Минимально возможный шаг рабочих позиций роторной САЗ (при однороторной компоновке) или роторного ОУ (при двухроторной компоновке), обеспечивающий рациональную компоновку гравитационного ориентатора с ¿-образным захватом

> Вор +АИ + (Аор - 0,5(10)

Аор =а + Д + /гр +Аа, (11)

В0р=О + Дв, (12)

где и — число рабочих позиций роторной САЗ или роторного ОУ; Л А - минимальный конструктивный зазор по шагу между корпусами ориентаторов; Аор —

габаритный размер ориентатора в радиальном направлении; А^ ~ (0,05...0,1)Л — конструктивно выбираемый размер, учитывающий толщину стенок корпуса

Рис. 11. Графики зависимостей теоретических и экспериментальных значений времени ориентирования предмета обработки от динамического параметра

ориентатора и обеспечивающий размещение, а также свободный поворот маятникового захвата внутри корпуса ориентатора; Вор - габаритный размер ориентатора в тангенциальном направлении; Дв «(0,05...0,1)В - конструктивно выбираемый размер, учитывающий толщину стенок корпуса ориентатора и обеспечивающий размещение оси поворота маятникового захвата и груза внутри корпуса ориентатора.

Цикловая производительность роторной САЗ определяется длительностью кинематического цикла Гц роторного ОУ

ПСАЗ = П0у •" = 60и/Тп [ШТ./МИН], (13)

где П0у = 60/Гц - производительность одной позиции роторного ОУ.

Длительность кинематического цикла роторного ОУ, оснащенного гравитационным ориентатором с маятниковым ¿-образным захватом

Гц = 'ор +>отс +'п.

где /отс - время срабатывания отсекателя механизма поштучной выдачи, определяемое в зависимости от конструкции отсекателя, с; /п - время передачи предмета обработки из роторной САЗ в транспортный орган РМ, с.

Новизна усовершенствованной конструкции гравитационного ориентатора с маятниковым ¿-образным захватом для сплошных осесимметричных предметов обработки подтверждена патентом РФ на полезную модель.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Представленная диссертационная работа является научной квалификационной работой, в которой на базе теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная научно-техническая задача, заключающаяся в разработке и обосновании параметров усовершенствованной конструкции гравитационного ориентатора с маятниковым ¿-образным захватом для ориентирования осесимметричных сплошных предметов обработки формы тел вращения с отношением габаритных размеров 1,5 < Ис1< 2 асимметричных по торцам и создании на их основе роторных САЗ заданной производительности.

Основные научные и практические результаты проведенного исследования заключаются в следующем.

1. Обосновано, что предложенная усовершенствованная конструкция гравитационного ориентатора с маятниковым ¿-образным захватом при разработанных конструктивных ограничениях на его геометрические параметры, обеспечивает ориентирование сплошных осесимметричных предметов обработки формы тела вращения с отношением габаритных размеров 1,5 < Ш < 2 асимметричных по торцам (например, когда один из торцов - цилиндрический, а другой - конический или цилиндрический, но меньшего диаметра), что расширяет технические возможности подобных ориентаторов.

2. Показано, что разработанная математическая модель процесса ориентирования предмета обработки в гравитационном ориентаторе с маятниковым

¿-образным захватом, позволяет оценить время ориентирования предмета обработки с учетом взаимного влияния на время ориентирования предмета центробежной силы инерции, возникающей вследствие транспортного вращения роторной САЗ и действующей на предмет обработки в процессе его ориентирования, геометрических параметров предмета обработки и коэффициента трения предмета о направляющие поверхности ориентатора, а также оценка граничных значений динамического параметра [ Кт ] для соответствующих значений коэффициента трения, при которых происходит торможение предмета обработки на третьем этапе движения, в результате чего процесс ориентирования нарушается.

3. Сравнение результатов компьютерного моделирования свидетельствует о том, что значения времени ориентирования, рассчитанные с использованием разработанной математической модели, превышают в 2,5...3 раза значения времени, рассчитанные по известной упрощенной модели, для соответствующего коэффициента трения предмета обработки в диапазоне динамического параметра 0 < < [ Ка ], при этом упрощенная модель не дает оценку граничных значений динамического параметра.

4. Подтверждена адекватность и корректность разработанной аналитической модели процесса ориентирования предмета обработки в гравитационном ориентаторе с маятниковым ¿-образным захватом. Сопоставление результатов экспериментальных исследований с результатами аналитического моделирования показало, что экспериментальные значения времени ориентирования хорошо согласуются с теоретическими значениями, поскольку относительное отклонение экспериментальных значений времени ориентирования от теоретических значений не превышает ±5 %, что существенно ниже коэффициента вариации средних значений времени ориентирования.

5. Разработана инженерная методика проектирования и конструкторская документация усовершенствованного гравитационного ориентатора с маятниковым ¿-образным захватом и грузом-противовесом, обеспечивающих рациональную компоновку ориентатора в роторной САЗ и стабильное ориентирование осесимметричных сплошных предметов обработки формы тела вращения асимметричных по торцам («ступенчатых» и «конических») с отношением габаритных размеров 1,2 < Ис1 <1,5.

6. Инженерная методика проектирования и техническая документация на разработанную конструкцию гравитационного ориентатора с маятниковым ¿-образным захватом переданы для практического использованию в филиал ОАО (Конструкторское бюро приборостроения» - «Центральное конструктор-ско-исследовательское бюро спортивного охотничьего оружия» (г. Тула) и ОАО «Тульский патронный завод им. С.М. Кирова».

Результаты теоретических и экспериментальных исследований используются в учебном процессе на кафедрах Политехнического института Тульского государственного университета при подготовке студентов, обучающихся в бакалавриате и магистратуре по направлениям 150400 Машиностроение и 150100 Технологические машины и оборудование.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В РАБОТАХ

1 Пахомов И.Н. Анализ конструкций гравитационных ориентаторов роторных систем автоматической загрузки // Сб. док. V молодежной научно-практ. конф ТулГУ «Молодежные инновации» 22 февраля 2011 г.; под ред. д-ра техн. наук, проф. Е.А. Ядыкина. В 2-х ч. Ч. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. С. 138-140.

2. Пахомов И.Н. Совершенствование гравитационных ориентаторов для сплошых предметов формы тел вращения с асимметричными торцами //Сб. док. V молодежной научно-прак-г. конф. ТулГУ «Молодежные инновации» 22 февраля 2011 г.; под ред. д-ра техн. наук, проф. Е.А. Ядыкина. В 2-х ч. Ч. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. С. 140-142.

3. Патент 107139 РФ на полезную модель. МПК8 В 65 G 47/24. Устройство для ориентации сплошных изделий с асимметричными торцами / И Н. Пахомов, В.В. Прейс. Опубл. 10.08.2011. Бюл. № 22.

4. Прейс В.В., Пахомов И.Н. Автоматическое ориентирование деталей с асимметрией внешней формы в гравитационных ориентаторах с ¿-образным захватом // Материалы междунар. научно-техн. семинара «Современные технологии сборки» 20-21 октября 2011 г. М.: МАМИ, 2011. С. 49-54.

5. Пахомов И.Н. Экспериментальная оценка времени ориентирования предмета обработки в гравитационном ориентаторе с ¿-образным захватом // Современная российская наука глазами молодых исследователей: Сб. статей 11 Всеросс. научно-практ. конф. молодых ученых и специалистов; науч ред. Я.А. Максимов. В 2-х т. Т.2. Красноярск: Научно-инновационный центр, 2012.

С. 149-156.

6 Пахомов И.Н., Прейс В.В. Гравитационный ориентатор с маятниковым ¿-образным захватом для предметов обработки, асимметричных по торцам // Сб трудов XIX международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века», 17-22 сентября 2012 года в г. Севастополе. В 3-х томах. Том 2. Донецк: ДонНТУ, 2012. С. 259-262.

7 Пахомов И.Н., Прейс В.В. Кинематнка движения асимметричного по торцам предмета обработки в гравитационном ориентаторе с маятниковым ¿-образным захватом // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 10. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С. 31-40.

8 Пахомов И.Н., Токарев В.Ю. Применение цифровой видеосъемки в экспериментальных исследованиях процесса ориентирования предметов обработки в гравитационном ориентаторе // Вестник Тульского государственного университета. Автоматизация: проблемы, идеи, решения: материалы Междунар. научно-техн. конф. «АПИР-17», 30 ноября 2012 г.; под ред В.В.Прейса, Д.А.Провоторова. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С. 20-25.

9 Пахомов И.Н., Прейс В.В. Математическая модель процесса ориентирования асимметричного по торцам предмета обработки в гравитационном ориентаторе с маятниковым ¿-образным захватом // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 12. В 2-х ч. Ч. 2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С. 46-59.

Изд. лиц. ЛР № 030300 от 12.02.97. Подписано в печать /Г.Щ/Ъг. Формат бумаги 60\84 '/«. Бумага офсетная. Усл-печ. л. 1,1. Уч. изд. л. 1,0. Тираж 80 эю. Заказ 01*/

Тульский государственный университет 300012, г. Тула, просп. Ленина, 92.

Отпечатано в Издательстве ТулГУ 300012, г. Тула, просп. Ленина, 95

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тульский государственный университет»

ГРАВИТАЦИОННЫЙ ОРИЕНТАТОР С МАЯТНИКОВЫМ ¿-ОБРАЗНЫМ ЗАХВАТОМ ДЛЯ СПЛОШНЫХ ПРЕДМЕТОВ ОБРАБОТКИ АСИММЕТРИЧНЫХ ПО ТОРЦАМ

Специальность - 05.02.13 Машины, агрегаты и процессы

(машиностроение)

на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

04201357646

ПАХОМОВ Иван Николаевич

ДИССЕРТАЦИЯ

Научный руководитель, д-р техн. наук, проф. В.В. Прейс

Тула 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................4

1. ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ.........................................9

1.1. Проблемы автоматической загрузки технологических систем

на основе роторных машин штучными предметами обработки....................9

1.2. Анализ методов ориентирования и ориентирующих устройств роторных систем автоматической загрузки...........................................13

1.3. Анализ научной проблемы и постановка задач

диссертационного исследования........................................................19

Выводы по главе 1.........................................................................25

2. АНАЛИТИТЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОРИЕНТИРОВАНИЯ ПРЕДМЕТА ОБРАБОТКИ

В ГРАВИТАЦИОННОМ ОРИЕНТАТОРЕ..........................................26

2.1. Разработка схемы и основных конструктивных ограничений

на геометрические параметры гравитационного ориентатора...................26

2.2. Кинематика движения предмета обработки в гравитационном ориентаторе с маятниковым ¿-образным захватом.................................30

2.3. Динамика процесса ориентирования предмета

обработки в гравитационном ориентаторе..........................................40

2.4. Аналитическое моделирование процесса

и анализ времени ориентирования предмета обработки...........................54

Выводы по главе 2.........................................................................59

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГРАВИТАЦИОННОГО ОРИЕНТАТОРА

С МАЯТНИКОВЫМ ¿-ОБРАЗНЫМ ЗАХВАТОМ.................................61

3.1. Экспериментальное определение коэффициента трения

скольжения предметов обработки по направляющим поверхностям...........61

3.2. Описание стенда и методики проведения

экспериментальных исследований процесса ориентирования....................64

3.3. Результаты экспериментальных исследований процесса

ориентирования предметов обработки в гравитационном ориентаторе........67

Выводы по главе 3.........................................................................77

4. МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГРАВИТАЦИОННОГО ОРИЕНТАТОРА С МАЯТНИКОВЫМ ¿-ОБРАЗНЫМ ЗАХВАТОМ

ДЛЯ РОТОРНОЙ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЗАГРУЗКИ.............79

4.1. Параметрический синтез гравитационного ориентатора

с маятниковым ¿-образным захватом.................................................79

4.2. Компоновка и параметрический синтез роторного ориентирующего

устройства на заданную производительность........................................84

Выводы по главе 4.........................................................................91

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ................................................92

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................95

ПРИЛОЖЕНИЯ

104

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Основой развития современного отечественного машино- и приборостроения является инновационный подход, базирующийся на наукоемких, ресурсосберегающих технологиях и высокопроизводительных автоматизированных технологических системах (машинах-автоматах и автоматических линиях). В ряде массовых производств, таких как, производство патронов стрелкового оружия и строительно-монтажных патронов, элементов приводных роликовых цепей преимущественное применение нашли автоматизированные технологические системы на основе роторных машин (РМ).

Для загрузки осесимметричных штучных предметов обработки формы тел вращения в РМ с производительностью более 200 шт./мин применяют многопозиционные роторные системы автоматической загрузки (САЗ), которые построены по принципу роторных технологических машин (по классификации акад. Л.Н. Кошкина), что обеспечивает надежную синхронную передачу предметов обработки в непрерывно движущиеся транспортные органы РМ.

Ориентирование штучных предметов обработки массой до 0,05 кг и длиной до 0,05 м, относящихся к осесимметричным объемным деталям-телам вращения (классы 71-72 по классификатору ЕСКД), осуществляют в ориентирующих устройствах с гравитационными ориентаторами. Такие ориента-торы имеют достаточно высокую производительность, просты по конструкции и кинематике, поскольку не имеют приводных механизмов, что делает их эффективным техническим средством для создания роторных САЗ.

В частности, для ориентирования предметов обработки типа колпачков с отношением габаритных размеров 1,5 < 1Ш < 2 (/ - длина, с1 - диаметр предмета обработки) А.Г. Астраханцевым и В.В. Прейсом были разработаны гравитационные ориентаторы с маятниковым ¿-образным захватом, отличительной особенностью которых является то, что вход и выход ориентатора

выполнены соосными и имеют общую вертикальную стенку. Это обеспечивает удобную компоновку подобных ориентаторов в роторной САЗ с осе-симметричными захватывающими органами.

Однако разработанные ориентаторы не позволяют ориентировать сплошные осесимметричные предметы обработки формы тел вращения асимметричные по торцам, например, имеющие один из торцов меньшего диаметра (ступенчатые) или конический торец.

Поэтому, разработка и обоснование параметров усовершенствованной конструкции гравитационного ориентатора с маятниковым ¿-образным захватом для ориентирования осесимметричных сплошных предметов обработки формы тел вращения с отношением габаритных размеров 1,5 < 1Ш < 2 асимметричных по торцам и создание на их основе роторных САЗ заданной производительности, является актуальной задачей.

Работа выполнялась в рамках единых госбюджетных НИР № 26-06 «Оценка надежности технологического оборудования и средств автоматизации» и №34-10 «Совершенствование технологического оборудования с целью повышения его производительности и надежности».

Цель работы. Расширение технических возможностей гравитационных ориентаторов с маятниковым ¿-образным захватом, обеспечивающих ориентирование осесимметричных сплошных предметов обработки асимметричных по торцам с отношением габаритных размеров 1,5 < 1/с1 < 2 и создание роторных САЗ заданной производительности.

Объект исследования. Роторная САЗ, имеющая в своей структуре гравитационный ориентатор с маятниковым ¿-образным захватом для ориентирования осесимметричных сплошных предметов обработки формы тел вращения с отношением габаритных размеров 1,5 < 1Ш< 2 асимметричных по торцам.

Предмет исследования. Взаимосвязанное влияние на величину времени ориентирования геометрических параметров предмета обработки и параметров ориентатора, силы трения скольжения предмета обработки о на-

правляющие поверхности ориентатора и центробежной силы инерции возникающей вследствие транспортного вращения роторной САЗ.

Метод исследования, принятый в работе, заключается в сочетании аналитических и экспериментальных исследований процессов ориентирования предметов обработки с использованием математических и натурных моделей. Для построения математической модели процесса ориентирования предмета обработки в гравитационном ориентаторе роторной САЗ использовались методы теоретической механики. При проведении экспериментов применялась цифровая видеосъемка, а для обработки экспериментальных данных использовались методы теории погрешностей и математической статистики.

Теоретические и экспериментальные исследования базировались на научных работах в области теории и методологии проектирования ориентирующих устройств для предметов формы тел вращения Л.Ф. Анчишкиной, А.Г. Астраханцева, А.Н. Беляковой, Н.И. Камышного, Г.В.Комарова,

A.Н. Малова, М.В. Медвидя, В.В. Прейса, В.Ф. Прейса, А.Н. Рабиновича,

B.Д. Рожковского, JI.A. Свинаренко, H.A. Усенко.

Достоверность научных положений и выводов диссертационной работы обеспечивается полнотой учета факторов, влияющих на время ориентирования предмета обработки, корректностью использования общепринятых математических методов и компьютерного моделирования, качественным и количественным соответствием результатов теоретических расчетов с экспериментальными данными, полученными непосредственно соискателем, а также с результатами расчетов и экспериментов, полученными другими авторами.

Автор защищает:

1. Совокупность конструктивных ограничений на геометрические параметры усовершенствованного гравитационного ориентатора с маятниковым L-образным захватом для ориентирования осесимметричных сплошных предметов обработки формы тел вращения асимметричных по торцам.

2. Математическую модель процесса ориентирования предмета обработки в гравитационном ориентаторе с маятниковым ¿-образным захватом, представляющую собой совокупность дифференциальных уравнений, описывающих движение предмета обработки, учитывающую взаимное влияние на время ориентирования центробежной силы инерции, возникающей вследствие транспортного вращения роторной САЗ, геометрических параметров ориентатора и предмета обработки, а также силы трения предмета обработки о направляющие поверхности ориентатора.

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований зависимости времени ориентирования сплошных осесимметричных предметов обработки формы тела вращения асимметричных по торцам в гравитационном ориентаторе с маятниковым ¿-образным захватом, подтвердившие адекватность и корректность разработанной математической модели.

4. Усовершенствованную конструкцию гравитационного ориентатора с маятниковым ¿-образным захватом и инженерную методику его проектирования для роторной САЗ, базирующуюся на результатах теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна. Установлено взаимное влияние на время ориентирования осесимметричного сплошного предмета обработки формы тела вращения асимметричного по торцам его геометрических параметров, параметров усовершенствованного гравитационного ориентатора с маятниковым ¿-образным захватом, коэффициента трения предмета обработки о направляющие поверхности ориентатора и центробежной силы инерции, возникающей вследствие транспортного вращения роторной САЗ.

Практическая значимость работы. Разработаны инженерная методика проектирования и усовершенствованная конструкция гравитационного ориентатора с маятниковым ¿-образным захватом, обеспечивающие создание роторных САЗ заданной производительности для ориентирования осесимметричных сплошных предметов обработки асимметричных по торцам, длиной / < 0,05 м, с отношением размеров 1,5 < Ис1< 2 и массой до 0,05 кг.

Реализация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, инженерная методика проектирования и техническая документация на усовершенствованную конструкцию гравитационного ориента-тора с маятниковым ¿-образным захватом переданы для практического использования в филиал ОАО «Конструкторское бюро приборостроения» -«Центральное конструкторское бюро спортивно-охотничьего оружия» (г. Тула) и ОАО «Тульский патронный завод им. С.М. Кирова», а также используются в учебном процессе Тульского государственного университета.

Апробация работы. Основные научные положения диссертации, результаты исследований и разработок докладывались соискателем на V молодежной научно-практической конференции «Молодежные инновации» (г. Тула, ТулГУ, 2011 г.), международном научно-техническом семинаре «Современные технологии сборки» (г. Москва, МАМИ, 2011 г.), XVII международной научно-технической конференции «Автоматизация: проблемы и решения (АПИР-17)» (г. Тула, ТулГУ, 2012 г.), II Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Современная российская наука глазами молодых исследователей» (г. Красноярск, 2012 г.) и XIX Международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века» (г. Севастополь, 2012 г.), на которой доклад был отмечен дипломом II степени.

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 9 научных работ (3 - единолично, остальные - в соавторстве), в том числе 2 статьи в периодических изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и получен патент РФ на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и общих выводов, списка литературы из 106 наименований и приложений. Объем диссертационной работы составляет _

страниц, в том числе_рисунка и_таблицы. Объем приложений составляет _страниц.

1. ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Проблемы автоматической загрузки технологических систем на основе роторных машин штучными предметами обработки

Современное развитие машино- и приборостроительной отраслей промышленности должно базироваться на создании высокопроизводительных автоматизированных технологических систем (машинах-автоматах и автоматических линиях), что требует разработки общих принципов, единой методологии и типовых технических средств автоматизации производства [2].

В СССР, начиная с 50-х годов прошлого века, основой создания автоматизированных технологических систем в массовых производствах патронов стрелкового оружия стали роторные машины (РМ) [3, 34, 55, 62, 66]. Основоположником этого направления комплексной автоматизации являлся Герой социалистического труда, лауреат Ленинской и Государственных премий СССР, заслуженный изобретатель СССР, заслуженный деятель науки и техники РСФСР, действительный член (академик) ВАСХНИЛ и АН СССР, доктор технических наук, профессор Л.Н. Кошкин [36, 73].

РМ представляет собой технологическую машину, в которой предметы обработки непрерывно транспортируются совместно с обрабатывающим инструментом, размещенным по окружности вращающегося технологического ротора, и обрабатываются в процессе транспортирования. Для передачи предметов обработки в технологический ротор используют транспортные роторы или транспортный цепной конвейер, которые имеют жесткую кинематическую связь с технологическим ротором, что обеспечивает их взаимное синхронное движение и гарантирует надёжную передачу предметов обработки. Систему нескольких РМ, объединенных на одной платформе с единым приводом транспортного вращательного движения, Л.Н. Кошкин назвал автоматической роторной линией (АРЛ).

К середине 70-х годов XX века АРЛ нашли применение в производствах строительно-монтажных патронов, элементов приводных роликовых цепей, деталей сельскохозяйственных машин, элементов электротехнических и других подобных изделий массового выпуска, для изготовления элементов и сборки инъекционных игл однократного применения с производительностью от 100 до 1000 шт./мин [55, 62, 65, 67, 80, 81].

Известно, что в 1970-1980 гг. в США проводились работы по модернизации предприятий, специализирующихся на производстве боеприпасов для стрелкового оружия и автоматических пушек, на основе АРЛ, максимальная производительность которых по различным информационным источникам достигала 1000-1200 шт./мин [79, 91].

Фирма ЬасЬаиззее (Бельгия) более 40 лет производит АРЛ для сборки гильз, снаряжения и маркировки патронов любых калибров и конструкций к охотничьему гладкоствольному оружию с производительностью до 600 шт./мин, а также АРЛ для снаряжения и сборки малокалиберных спортивных патронов с производительностью до 1000 шт./мин [62].

Сегодня технологические системы на базе РМ являются основой комплексной автоматизации в пищевой, химической и фармацевтической промышленности для производства таблетированных и фасованных сыпучих продуктов; изготовления пластиковых бутылок и металлических банок; фасовки жидких и вязкопластичных продуктов в различную тару. Производительность подобных линий в зависимости от вида выпускаемой продукции, объема и вида тары составляет от 100 до 1000 шт./мин [63, 67, 73, 85].

Начиная с 90-х годов прошлого века на мировом рынке оборудования для фасовки жидких и вязкопластичных продуктов прослеживается устойчивая тенденция создания технологических систем на базе РМ, объединяющих максимально возможное число технологических операций [63].

В машино- и приборостроении наиболее предпочтительны для обработки на РМ штучные предметы, принадлежащие к осесимметричным объемным деталям-телам вращения классов 71-72 по классификатору ЕСКД [33].

Для загрузки штучных предметов обработки в РМ и АРЛ с производительностью 200-400 шт./мин в отечественной промышленности и за рубежом широко используют стационарные САЗ на основе механических и вибрационных бункерных загрузочных устройств [1,4, 26, 27, 32, 38-40, 43, 61, 72, 75, 83, 87, 88, 89, 90]. Производительность многопоточных стационарных САЗ может достигать до 1000 шт./мин, однако при загрузке предметов об