автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Исследование процессов и устройств магнитного ориентирования радиодеталей при вибротранспортировании

На правах рукописи

КИП КАЕВ А Елена Григорьевна

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ И УСТРОЙСТВ МАГНИТНОГО ОРИЕНТИРОВАНИЯ РАДИОДЕТАЛЕЙ ПРИ ВИБРОТРАНСПОРТИРОВАНИИ

Специальность 05.13.07 - .Автоматизация

технологических процессов и производств (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт- П етербург 1996

Работа выполнена на кафедре «Автоматы» Санкт-Петербургского государственного технического университета

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор И.Б.Челпанов

Научный консультант: кандидат технических наук,

доцент В.Ю.Клюкин

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Бурдаков С.Ф.; кандидат технических наук Красильщиков М.Я.

Ведущая организация: АОЗТ «Светлана».

Защита состоится 18 февраля 1997 года в 16 часов на заседании специализированного совета К 063.38.28 в Санкт-Петербургском государственном техническом университете по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул. 29, 1-й учебный корпус, ауд. 439.

С диссертацией можно ознакомится в фундаментальной библиотеке

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим выслать по адресу университета.

Ученый секретарь специализированного

СПбГТУ.

Автореферат разослан «

1997 г.

совета, к.т.н., доц.

Н.М.Чесноков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. При автоматизации дискретных производств значительные трудности представляет проектирование вспомогательного оборудования, осуществляющего транспортирование, загрузку и автоматическое ориентирование объектов производства (деталей, компонентов, заготовок, изделий) при подаче их на технологические позиции производственных систем.

В отечественной науке и технике решению этой проблемы уделялось существенное внимание. На основе различных физических принципов были разработаны и исследованы оригинальные загрузочно-ориентирующие устройства (ЗОУ), позволившие создать автоматические машины для различных отраслей промышленности.

Широкому применению механических и вибрационных ЗОУ при автоматизации производства ряда отраслей промышленности способствовали труды С.И.Артоболевского, Е.Г.Вайсмана, А.А.Иванова, М.И.Камышного, В.С.Корсакова, М.С.Лебедовского, А.Н.Малова, Л.В.Петрокаса, В.А.Повидайло, В.Ф.Прейса, А.Н.Рабиновича, Н.А.Усенко и других.

Однако из-за многообразия объектов манипулирования (заготовок, деталей, компонентов), условий работы и требований и, в связи с этим, невозможности создания универсальных средств автоматической загрузки практическое решение задач автоматической подачи и ориентирования конкретных типов деталей и в настоящее время остается актуальным.

Изделия большого класса в таких отраслях промышленности, как приборостроительная, радиотехническая, электронная, имеют длинные гонкие гибкие элементы (контактные выводы), наличие которых влечет за собой ряд трудностей при манипулировании такими изделиями и делает неэффективными традиционные методы ориентирования, основанные на использовании чисто механических средств. На практике,. в частности, в качестве важнейших отрицательных свойств особо отмечают сцепляемость и деформацию изделий при их загрузке, вызываемую наличием длинных тонких элементов.

Опыт показывает, что наиболее перспективными в этом случае являются способы ориентирования, сочетающие в себе контактные и бесконтактные методы воздействия на ориентируемые изделия,

например, направленная вибрация и магнитное поле. Причем, во многих случаях для создания ориентирующего магнитного поля достаточно эффективным является использование постоянных магнитов.

Ориентирование изделий при совместном воздействии на них вибрации и постоянного магнитного поля к настоящему времени изучено недостаточно, и для создания высокоэффективных ЗОУ, использующих такой способ, необходимы новые теоретические и экспериментальные исследования, что определяет актуальность настоящей работы.

следований научно обосновать выбор и разработать принципы проектирования устройств ориентирования радиодеталей с односторонними ферромагнитными стержневыми элементами, в которых используется принцип их ориентирования постоянным магнитным полем в процессе вибротранспортирования.

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:

- сопоставительный анализ различных методов ориентации изделий;

- разработка математической модели процесса ориентирования изделий в постоянном магнитном поле при вибротранспортировании;

- анализ результатов теоретического исследования этого процесса;

- экспериментальное исследование процесса магнитного ориентирования виброгранспоргируемых изделий.

Методы исследований. Построение математической модели, получение расчетных зависимостей осуществлялось на основе общих методов теоретической механики и законов динамики движения тела. Численные алгоритмы для решения задач на ЭВМ основаны на использовании методов вычислительной матемашки. Экспериментальные исследования проводились с привлечением методов статистической обработки данных, физического моделирования магнитного поля, измерения магнитной индукции на основе использования эффекта Холла.

Научная новизна. Разработана математическая модель процесса ориентирования изделий в постоянном магнитном поле при виб-рогранспортировании, которая позволяет определить необходимую совокупность параметров для обеспечения требуемой производительности процесса. С использованием математической модели проведены

- на основе теоретических и экспериментальных ис-

исследования процесса, расчетным путем определены условия ориентирования изделий данным способом. Экспериментально оценена достоверность результатов теоретических исследований и выявлены дополнительные факторы.

Практическая ценность. Использование результатов диссертационной работы позволяет осуществлять оптимизацию при проектировании и создании высокопроизводительных загрузочно-ориентируюхцих устройств, в которых применяется способ магнитного ориентирования вибротранспоргируемых изделий. С. учетом результатов проведенных исследований сформулирован ряд конструкторских рекомендаций, позволяющих значительно повысить эффективность ориентирования при использовании данного способа.

Публикации и апробация работы. По теме диссертации были сделаны доклады на Российской научно-технической конференции «Инновационные наукоемкие технологии для России» (г. С.Петербург, 1995 г.) и на семинарах кафедры «Автоматы» СПбГТУ. Основные результаты работы изложены в 3-х публикациях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 61 наименования, приложения. Она содержит 105 страниц машинописного текста, 63 рисунка, 2 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность выполняемой работы, сформулированы цель и задачи исследования, основные положения, выносимые на защиту, дан краткий обзор диссертации по главам.

В первой главе на основе обзора литературы по автоматизации технологических процессов проведен сопоставительный анализ различных способов и устройств ориентирования изделий, рассмотрены вопросы, сопутствующие автоматическому манипулированию объектами производства (деталями, заготовками, изделиями, компонентами).

Отмечена большая роль в области создания и исследования автоматических устройств загрузки и ориентирования изделий научных коллективов Севастопольского приборостроительного института, Рижского политехнического института, МВТУ им. Баумана, Львовского и

Тульского политехнических институтов, ВНИТИПрибора и ряда других.

Отмечены характерные особенности изделий в таких отраслях промышленности, как приборостроительная, электронная, радиотехническая, связанные с ними трудности и новые возможности технического решения вопроса подачи и ориентации таких изделий.

С учетом современных условий производства обоснована необходимость поиска более совершенных способов ориентирования изделий, поскольку решение эгой проблемы во многом определяет производительность всего технологического процесса.

Представлены примеры технических решений способа магнитного ориентирования деталей, имеющих элементы из ферромагнитных материалов, основанные на материалах отечественных и зарубежных публикаций.

Обоснована необходимость новых теоретических и экспериментальных исследований одного из перспективных способов ориентирования деталей - в постоянном магнитном поле в процессе вибротранс-поршрования, использование результатов которых может способствовать созданию высокоэффективных ЗОУ.

Во второй главе рассмотрена физическая и разработана математическая модели процесса магнитного ориентирования виброгранспорти-руемых изделий, имеющих гибкие стержневые элементы из ферромагнитных материалов, на примере ориентации конденсаторов с односторонними сталемедными выводами в постоянном магнитном поле на вибрационном лотке. Схема такого ориентирования представлена на рис. 1. Данный способ основан на способности стержневых ферромагнитных изделий устанавливаться в магнитном поле вдоль его силовых линий. При этом виброперемещение ориентируемых изделий по лотку может осуществляться в различных режимах (прямое или обратное проскальзывание, с подбрасыванием, без подбрасывания и т.д.). Ориентирующий поворот изделий происходит под действием момента магнитных сил Мм, этому препятствует момент сил трения Мтр. Кроме того, на изделие воздействуют силы: тяжести, нормальная реакция Ы, трения о поверхность лотка Р1р1, магнитного притяжения Рм и обусловленная ею сила трения о стенку вибролотка Ртр2-

силовые линии маънигпноъо

направление к'олеБаний {-ориентируемые изделия; лот^я

2 - ферромагнитные ВыВоды,

3 - 6и<ГролотО£;

постоянный магнит. Рпс. 1. Схема бесконтактного ориентирования конденсаторов в неоднородном магнитном поле на вибролотке.

При разработке расчетной модели учитывались: режимы виб-рогранспортирования (характеризуемые критерием

А со2 tg (а - р)

И,, = -, где А, со - амплитуда и круговая частота коле-

g собР баний лотка),

конфигурация силовых линий магнитного поля и его математическая модель (изменение магнитной индукции аппроксимировано выражением: В = Вп-502 / г2, где Вп - магнитная индукция на полюсе, 50 - координата центра аппроксимирующих силовых линий поля, г - радиус-вектор до точки поля с индукцией В), положение конденсаторов на лотке при виброперемещении (выводами или корпусом вперед), вид взаимодействия контактирующих поверхностей изделия и лотка при движении. Получены математические зависимости:

а) для момента магнитных сил Мм:

Вп2 502 Бв 13 Г Г ип2у1 Г Бш2у2 1

Мм = I I -й\ + I -(111,

2 Но и !Ч2 J г22 ]

где - площадь поперечного сечения вывода, Э - коэффициент, зависящий от параметров изделия, Г) - радиус-вектор элементарного участка вывода длиной с!1, у, - угол между осью вывода и направлением магнитной индукции В;

б) для силы магнитного притяжения Рм в проекциях на координатные оси:

Г Г Б! Рмх = с 11-<11 +

и Г{3 • (А^ ■ БШф + Б1 ■ С05(р)

Г Бз 1

I- <311;

J Г23 • (А2 • втер + Бз • соБф) ]

гг

А1

РМу = С I I

<11 +

и Г13- (А) • энмр + • соБср)

Г

а2

1

<111;

J Г23 ■ (Аз ' 81Пф + Бз • СОБф) J

где

С= -2

А,, Б; - параметры, определяемые

положением изделия на лотке;

в) для силы трения о стенку вибрологка Ргр2, обусловленной действием на изделие силы магнитного притяжения:

^тр2 = ^' Рму( где f - коэффициент трения изделия о стенку лотка;

г) для момента сил трения Мтр при разных видах взаимодействия изделия с лотком:

- при контакте по поверхности (случай прямолинейного вибролотка)

оо

где (а ■ Ь) - площадь поверхности контакта изделия с лотком; - при контакте в дискретных точках

Мтр = Рд ' Гд+ Ид! ■ гд1, где гд, гД1 - радиусы-векторы точек контакта Д и Д^ Рд, РД1 - силы трения в точках контакта.

В третьей гладе с использованием разработанной математической модели проведено исследование процесса ориентирования виб-ротранспортируемых изделий в постоянном магнитном поле. Производительность ЗОУ определяется скоростью перемещения изделий при

Ьа

f [ш g соэр - ш А оо2 бинЫ; tg(a - р)] Г Г

М.

■тр

а- Ь

I Ы< Х2 + У2) ахау

))

определенной вероятности их ориентирования. Вероятность ориентации изделий повышается с увеличением магнитной индукции В, но увеличение В выше определенных значений приводит к снижению скорости движения изделий вплоть до полной их остановки из-за возрастания силы магнитного притяжения, что приводит к «прилипанию» изделий к стенке вибрологка. С увеличением амплитуды А колебаний вибролотка возрастает скорость перемещения изделий, но при очень больших амплитудах затруднено сохранение ориентированного положения изделий, а при достижении режимов вибротранспоргирования с И. > К0.критич: скорость перемещения изделий резко падает (что объясняется особенностями вибротранспортирования). Таким образом, для достижения требуемой производительности процесса ориентирования необходимо нахождение определенной совокупности параметров.

Проведено теоретическое исследование условий осуществления ориентации изделий, главными из которых являются:

- условие начала ориентации; Мм > Мгр;

- условие отсутствия «прилипания» изделий при осуществлении их ориентации.

Определен характер изменения ориентирующего момента магнитных сил Мм и препятствующего ему момента сил трения Мтр от влияющих на них параметров: магнитной индукции В, расстояния от оси магнита до ориентируемого изделия п, зазора 83 между ориентирующей системой с постоянными магнитами и лотком для Мм и амплитуды А и фазы ф колебаний вибролотка, коэффициента трения f между изделием и лотком, характера распределения точек контакта между ними для М1р.

Из анализа полученных зависимостей для моментов Мм и М1р и сопоставления их с результатами экспериментальных исследований даны рекомендации по выбору необходимых для эффективного ориентирования изделий параметров вибротранспортирования и ориентирующего магнитного поля.

С целью исследования условий отсутствия «прилипания» изделий проведен анализ зависимостей силы трения Ртр2 их о стенку лотка от угла поворота изделий, расстояния п до ориентируемого изделия от оси магнита. Сформулированы выводы по основным результатам теоретического исследования процесса ориентирования вибротранспорти-руемых изделий в постоянном магнитном поле.

и

В четвертой главе представлены методика и результаты экспериментальных исследований процесса ориентирования изделий, виб-рогранспоргируемых в магнитном поле. Дано объяснение цели и задач эксперимента, описание экспериментальной установки. Исследовано реальное ориентирующее магнитное поле. Представлена его физическая модель с описанием характера распределения и конфигурации его силовых линий, связанного с этим характера влияния той или иной области магнитного поля на ориентируемые изделия. Экспериментально получены данные для построения и теоретического исследования модели аппроксимирующего магнитного поля.

Магнитное поле оценивалось по его силовой характеристике -магнитной индукции. В ходе экспериментов необходимые измерения индукции ориентирующего магнитного поля производились с помощью

Рис. 2. Граничные значения магнитной индукции и амплитуды колебаний лотка, соответствующие началу поворота изделия:

1, 1* - изделие перемещается корпусом вперед;

2, 2* - изделие - выводами вперед;

* - для другого типоразмера ориентируемых изделий.

прибора - средства измерения магнитной индукции РШ1-10 (действие которого основано на использовании эффекта Холла) - в зоне на вибролотке, где преимущественно происходил ориентирующий поворот изделий.

Наблюдения показали, что поведение перемещающихся корпусом или Выводами вперед изделий в магнитном поле отличается. Это обстоятельство учитывалось как при построении математической модели процесса ориентирования, так и при экспериментальных исследованиях.

Экспериментально определено условие начала ориентирования изделий (рис.2).

Представлены результаты по экспериментальному исследованию вероятности ориентирования изделий рассматриваемым способом (рис:3).

Р, %

В, мТл

Рис. 3. Вероятность ориентирования изделий:

А - ам п л игу да колебаний логка.

Определены экспериментальные зависимости скорости перемещения изделий в процессе ориентирования от параметров магнитного поля и режима виброгранспортирования.

Исследовано влияние плотности потока изделий на процесс их ориентирования в постоянном магнитном поле при вибротранспортировании.

Представлены основные выводы, основанные на анализе полученных экспериментальных результатов.

В процессе проведения экспериментов была сделана видеозапись, наглядно демонстрирующая реальный процесс ориентирования, исследуемый в данной работе.

В пятой главе на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований предложены некоторые практические рекомендации для проектирования дополнительных приспособлений к за-грузочно-ориентирующему устройству, которые повышают эффективность процесса магнитного ориентирования вибротранспоргируемых изделий. Обоснована необходимость использования таких приспособлений.

В работе рассмотрено использование дополнительных средств, в частности:

а) приспособлений, обеспечивающих однослойный поток изделий на вибрологке;

б) ориентагора-уступа, наличие которого увеличивает вероятность правильной ориентации изделий в магнитном поле и совместно с вибрационным воздействием улучшает условия ее осуществления;

в) магнигопровода, обеспечивающего определенную конфигурацию силовых линий магнитного поля;

г) использование струи воздуха для сдува неправильно ориентированных изделий с лотка.

В заключении сформулированы основные положения и выводы диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Определены основные факторы, от которых зависит эффективность процесса ориентирования изделий в постоянном магнитном поле при вибротранспортировании: значение магнитной индукции, характер распределения силовых линий магнитного поля, режим виб-рогранспоргирования, амплитуда и частота колебаний вибролотка, характеристики самого ориентируемого изделия.

2. Определена специфика задач ориентирования изделий с односторонними стержневыми элементами из ферромагнитных материалов.

3. Предложена математическая модель ориентирующего магнитного поля.

4. Получены математические зависимости для сил и моментов, воздействующих на изделие в процессе его ориентирования: сил магнитного притяжения и обусловленной ими силы трения о боковую стенку вибролотка, моментов трения и магнитных сил.

5. Сформулирована задача оптимизации, исходя из компромисса между требованиями «неприлипания» изделий к стенке лотка за счет притягивающего действия магнитного поля и их эффективного ориентирования.

6. На математической модели выполнен анализ влияния различных факторов на условия ориентирования изделий, вибротранспорти-руемых в магнитном поле.

7. Разработана методика эксперимента. Собрана экспериментальная установка; смонтирована экспериментальная ориентирующая магнитная система.

8. Экспериментально установлено, что наиболее существенным фактором, влияющим на надежность ориентирования изделий, вибротранспоргируемых в магнитном поле, является значение магнитной индукции поля.

9. Экспериментально оценены силовые характеристики магнитного поля, необходимые для эффективного ориентирования изделий, и разработаны рекомендации относительно выбора размеров и способа установки ориентирующих магнитов.

10. Даны рекомендации для конструирования дополнительных приспособлений, повышающих эффективность процесса магнитного ориентирования изделий.

11. Экспериментально подтверждена высокая надежность процесса ориентирования вибротранспоргируемых изделий в магнитном поле при условии правильного выбора параметров загрузочно-ориентируклцего устройства.

12. Подготовлен демонстрационный материал в виде видеозаписи, позволяющий проиллюстрировать процесс ориентирования изделий, вибротранспоргируемых в магнитном поле.

ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ

РАБОТЫ:

1. Кипкаева Е.Г., Клкжин В.Ю., Челпанов И.Б. Исследование загрузочного устройства и способа магнитного ориентирования радиодеталей с односторонними гибкими элементами. Российская научно-техническая конференция «Инновационные наукоемкие технологии для России»: Тезисы докладов. 4.4. - СПбГТУ. СПб., 1995. С. 7.

2. Кипкаева Е.Г., Клюкин В.Ю., Челпанов И.Б. Устройство загрузки и ориентации изделий с односторонними гибкими элементами. СПбГТУ,- СПб., 1995,- 7 е.; ил,- Библиогр.: 2 назв.- Рус.- Деп. в ВИНИТИ 22.05. 95, № 1426 - В 95.

3. Кипкаева Е.Г., Клюкин В.Ю., Челпанов И.Б. Экспериментальные исследования способа магнитного ориентирования конденсаторов. Сборник научных трудов СПбГТУ: Вычислительная техника. Автоматика. Радиоэлектроника, 1995, вып.457. С. 118-121.