автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.09, диссертация на тему:Механика машин-автоматов для нанесения стеклоэмалевых покрытий

;5гб о;;

2 7 ОПТ 1998

На правах рукописи

ПАРШИН Николай Дмитриевич

МЕХАНИКА МАШИН-АВТОМАТОВ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ СТЕКЛОЭМАЛЕВЫХ ПОКРЫТИЙ

05.04.09. Машины и агрегаты нефтеперерабатывающих и химических производств

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва, 1998 г.

Работа выполнена в Новочеркасском государственном техническом университете

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Калинин В. Ф. доктор технических наук, профессор Кольман Ипапов Э. Э. доктор технических наук, профессор Чувпило А. В.

Ведущее предприятие: завод "Рубин", г. Ростов-на-Дону

Защита состоится 19 ноября 1998 года в 14 часов на заседании Диссертационного Совета Д063.44.01 в Московском государственном университете инженерной экологии по адресу: 107884, г. Москва, ул. Старая Басманная, 21/4

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета инженерной экологии

Отзывы и замечания в 2-х экземплярах, заверенных печатью, направлять по вышеуказанному адресу.

Автореферат разослан октября 1998 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета

доктор технических паук, профессор A.C. Тимонин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из главных задач технического прогресса является автоматизация трудоемких технологических процессов с целью повышения производительности труда, повышения качества продукции и снижения ее себестоимости. Это требует разработки и создания высокоэффективного автоматического оборудования, совместимого с современными средствами управления.

Процессы нанесения стеклоэмалевых покрытий на изделия сложной формы характеризуются высокой трудоемкостью, широким распространением ручных операций и трудно поддаются автоматизации. Несмотря на массовый характер продукции, автоматические линии в эмалировочном производстве полностью отсутствовали вплоть до последнего времени.

Диссертационная работа является результатом участия автора в реализации научно-технических программ ГКНТ СССР, отраслевых программ МИНЧЕРМЕТа СССР, комплексной программы "Теория и принципы создания машин автоматов, роботов и ГАУ" МИНВУЗа РФ, а также ряда НИР, выполнявшихся на договорной основе и по бюджетным программам ВУЗа.

Цель работы. Разработка научных основ для создания средств комплексной автоматизации процессов нанесения стеклоэмалевых покрытий на изделия сложной формы.

Научная новизна работы.

1. На основе анализа технологического процесса сформулированы требования к исполнительным механизмам эмалировочных машин-автоматов и манипуляторов и определены диапазоны параметров необходимых рабочих движений.

2. Определены характеристики эмалевого шликера как объекта автоматического регулирования и разработаны основы автоматической коррекции его рабочих свойств.

3. Разработана теория рабочих органов и исполнительных механизмов эмалировочных автоматов с регулируемой кинематикой рабочих движений, построенных на основе управляемых механических систем, совместимых с системами технологической адаптации.

4. Обоснована возможность реализации следящих приводов технологических машин-автоматов с высокими динамическими характеристиками на основе пневмосистем низкого давления с пропорциональным управлением.

5. Обоснованы принципы построения механизмов позиционирования машин-автоматов со специальными требованиями к кинематике рабочих движений.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

1. Разработаны и внедрены в производство унифицированные конструкции рабочих органов машин-автоматов с управляемой кинематикой движений и элементами технологической адаптации, допускающие сопряжение с электронными системами управления.

2. Разработаны и освоены новые магнитоактивные материалы для регулируемых приводов машин-автоматов.

3. Разработаны и внедрены в производство пневматические следящие приводы машин-автоматов с улучшенными динамическими характеристиками.

4. Разработаны и испытаны два типа новых манипуляторов с контурным управлением для нанесения стеклоэмалевых покрытий на крупногабаритные изделия методом напыления и опудривания.

5. Разработаны, построены и впервые внедрены в эмалировочное производство три автоматические линии, а так же ряд машин-автоматов и робототехнических комплексов для нанесения стеклоэмалевых покрытий на изделия сложной формы.

6. Годовой экономический эффект от одной роботизированной линии составляет 200 тыс. рублей (в ценах 1988г.).

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на:

- Всесоюзных совещаниях по методам расчета механизмов машин-автоматов, г. Львов, 1968,1971, 1976, 1979 гг.

Республиканской научной конференции "Стеклоэмаль и эмалирование металлов", г. Новочеркасск, 1973 г.

- I и II Всесоюзных съездах по ТММ, г. Алма-Ата, 1977 г. и г. Одесса, 1982 г.

- XIY Всесоюзном совещании "ПНЕВМОАВТОМАТИКА", г. Новочеркасск, 1982 г.

- Всесоюзной конференции по робототехнике, г. Ленинград, 1983 г.

- Международной научно-технической конференции "Стекло-эмали и жаростойкие покрытия", г. Новочеркасск, 1993 г.

- Научно-технических совещаниях МИНЧЕРМЕТа СССР, в 1970... 1987 гг.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 61 работе, в том числе 30 авторских свидетельствах на изобретение.

Объем и структура. Диссертация объемом 349 с. включает 254 с. машинописного текста, 150 рисунков, 9 таблиц и состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка литературы из i 13 наименований на 11 с. и приложения на 12 с.

В диссертации защищается:

]. Обоснование технологических условий реализации машинного процесса нанесения покрытий.

2. Теория и конструкции исполнительных органов машин-автоматов я технологических роботов для воспроизведения регулируемого силового поля на основе управляемых механических устройств.

3. Результаты исследований магнитоактивных элементов регулируемых приводов и конструкции на их основе.

4. Результаты исследований и конструкции приводов механизмов позиционирования эмалировочных машин-автоматов и манипуляторов с учетом ограничений, обусловленных особенностями технологии.

5. Результаты исследований и конструкции силовых пневматических устройств с пропорциональным управлением для регулируемого привода технологических машин-автоматов.

6. Методы улучшения динамических свойств приводов эмалировочных машин-автоматов и манипуляторов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

Автоматизация производственных процессов является одним из основных средств технического прогресса, без которого невозможны высокие темпы роста производительности труда. Развитие исследований в области автоматизации производства, в том числе разработка теории и принципов создания новых машин, относится к наиболее важным задачам прикладной науки. Разработка технологических машин-автоматов является определяющим этапом автоматизации. Однако успешное решение этих задач зачастую невозможно без подчинения технологии задачам автоматизации.

Мощным средством повышения эффективности автоматических машин является использование при их создании достижений робототехники, теории и практики автоматического управления, электроники и микропроцессорной техники, управляемых приводов. Построенные с использованием этих принципов управляемые механические системы могут существенно превосходить традиционные машины-автоматы, построенные на чисто механических принципах, по универсальности, надежности, по возможностям технологической адаптации и унификации.

В создании машин-автоматов, автоматических линий и робото-

технических, систем отечественная наука имеет значительные достижения. Развитие механики машин-автоматов связано с именами И.И. Артоболевского, Б.Н. Бежанова, П.Н. Белянина, А.П. Владзиев-ского, Л.И. Волчкевича, И.И. Капустина, Э.Э. Кольмана-Иванова, Л.Н. Кошкина, JI.B. Петрокаса, Г.А. Шаумяна и др.

Эмалированные изделия находят широкое применение в различных отраслях промышленности и в быту. Это элементы химической аппаратуры, газовые и электрические плиты, детали холодильников, стиральных машин, посуда, сантехнические изделия, строительные отделочные элементы и т.д. Годовое производство таких изделий в стране исчисляется десятками миллионов штук. Производство эмалированных изделий и по сей день характеризуется высокой трудо- и энергоемкостью и широким применением ручного труда.

Широкое внедрение машинной технологии эмалирования началось с начала 70-х годов. Было построено несколько десятков типов машин, в их числе машины Лысьвенского металлургического, Новомосковского трубного, Запорожского заводов, конвейерные установки Полтавского НИИЭМАЛЬХИММАШа, итальянской фирмы "МОНЕТА" и немецкой - "ANLAGENBAU". Обстоятельные работы по созданию средств механизации эмалирования выполнены в Новочеркасском политехническом институте под руководством С.И. Гончарова.

Все эти средства механизации первого поколения были построены на чисто механических принципах и имели фиксированную кинематику движений. Они не являлись автоматами, и на их основе нельзя было построить полностью автоматическую линию, поскольку ряд вспомогательных технологических и транспортных операций оставался не автоматизированным и требовал участия человека-оператора. Помимо этого не автоматизированной оставалась вся система шлике-ропитания.

Решение задач комплексной автоматизации процессов нанесения стеклоэмаяевых покрытий потребовало дополнительных исследований технологического процесса и разработки новых управляемых механических систем, допускающих сопряжение с электронными системами управления.

На основании исследований стало очевидным, что для реализации автоматического воспроизводимого технологического процесса необходимо обеспечить два условия: 1) автоматическое поддержание в заданных пределах рабочих свойств шликера; 2) наличие возможности автоматической корректировки циклограммы эмалировочной машины.

В диссертации описаны основные этапы разработки основ тео-

рии и принципов конструирования новых эмалировочных машин-автоматов, проведенные в НГТУ при непосредственном участии автора.

1. Технологические условия реализации машинного процесса нанесения покрытий

Разработка машин-автоматов начинается, как правило, с анализа существующей технологии в целях создания более совершенного варианта технологического процесса, при этом часто возникает необходимость существенной корректировки традиционных способов производства для максимального упрощения задач автоматизации. Технологический процесс нанесения стеклоэмалевых покрытий включает следующие составляющие: выбор параметров наносимого материала, выбор способов нанесения, определение режимов формирования слоя и удаления излишков, определение структуры исполнительных механизмов, транспортирующих и вспомогательных устройств.

В настоящее время применяют, в основном, две технологии эмалирования - мокрую (шликерную) и сухую. Первая включает в себя погружение и облив, а также пульверизацию. Сухая технология состоит в распылении порошковой эмали на сильно нагретое изделие с последующим оплавлением приплавленного слоя. В данной работе предложены средства автоматизации для каждого из этих способов.

Реологические свойства шликера и их влияние на технологический процесс. Эмалевый шликер, наносимый на изделие по мокрой технологии, представляет собой грубодисперсную водную суспензию из размолотой эмали с добавками глины и электролитов. По физико-механическим характеристикам он является сложной полидисперсной системой, обладающей комплексом реологических свойств, которые в значительной мере определяют условия формирования и качество покрытия. Интегральной оценкой рабочих свойств шликера считают его, так называемую, "кроющую способность", которая рассматривается как свойство шликера давать равномерное, устойчивое, легко формируемое покрытие. Это свойство не имеет четкого физического смысла и не выражается через определенные реологические величины.

При разработке машинного технологического процесса возникла необходимость связать рабочие свойства шликера с его однозначно определяемыми реологическими параметрами. Как показали исследования, проведенные ранее в НГТУ, определяющими реологическими параметрами являются предельное напряжение сдвига Рд, подтверждающее наличие структуры в шликере, пластическая вязкость цпл и степень тиксотропности Ктс, определяемая как способность шликера восстанавливать структуру, разрушенную ранее вследствие механиче-

ских воздействий. Последний параметр является менее определенным, поскольку общепризнанного количественного выражения степени тиксотропности не существует.

При формировании покрытия в движущемся слое шликера можно выделить две зоны - зону пластических деформаций, прилегающую к подложке, и зону упругих деформаций, в пределах которой шликер ведет себя как твердое тело. По мере разравнивания покрытия толщина пластической зоны уменьшается, и когда она исчезнет полностью, на изделии остается покрытие с минимальной толщиной ^шп = I /шах > где /- величина объемной силы, касательной к поверхности. Объемная сила складывается из составляющих сил веса и сил инерции, и в процессе обработки изделия может изменяться в широких пределах по своему закону для каждой конкретной точки поверхности. Поэтому пост-роение корректной реологической модели процесса формирования покрытия чрезвычайно затруднено, тем более, что основные реологические параметры для шликера непостоянны и зависят от режима течения слоя.

Точное аналитическое решение задачи о толщине шликерного слоя, оставшегося на сложной поверхности, с учетом нынешних знаний о действительной реологии шликера, видимо, недостижимо. Тем не менее, даже исходя из весьма упрощенных реологических представлений оказалось вполне возможным сформулировать, как показала практика, обоснованные требования к проектированию средств автоматизации, определить рациональные режимы нанесения и наиболее благоприятные виды движений, граничные значения кинематических параметров этих движений, очертить с некоторым запасом круг возможностей, которыми должны обладать исполнительные органы эмалировочных автоматов. Для этого было необходимо выполнить следующее: 1) разделить сложную поверхность на простые формы: плоскость, цилиндр, конус; 2) записать для каждой поверхности выражение объемных сил для стереотипных движений; 3) определить действующие напряжения и оценить степень их влияния на формирование слоя; 4) оценить степень равномерности силового поля на поверхностях изделия для движений различного вида; 5) на основе экспериментальных исследований установить граничные значения касательных и нормальных напряжений в слое, соответствующие различным пороговым условиям: началу течения, отрыву слоя и т.п.; 6) на основе этого анализа выбрать предпочтительные виды движений и способы их реализации.

Автоматическая коррекция рабочих свойств шликера необходима для обеспечения воспроизводимости автоматизированного технологического процесса. Если при ручной технологии и наличии визуаяь-

ного контроля имеется возможность скомпенсировать отклонения рабочих свойств дополнительными манипуляциями, то в условиях машинного техпроцесса это весьма затруднительно.

Воспроизводимость автоматизированного процесса эмалирования целесообразно обеспечивать следующим образом:

1) поддержанием постоянства рабочих характеристик шликера, принятых за оптимальные; 2) компенсацией их остаточных отклонений от оптимума автоматической коррекцией режима работы машины.

Основными регулирующими факторами являются температура, плотность и концентрация электролитов. Хотя структурно-мехапи-ческие свойства шликера на разных заводах обычно не идентичны, проведенные специальные исследования показывают, что характер факторных зависимостей сохраняется и является типичным. Рабочие характеристики снимались специально разработанным автоматическим реометром.

На рис. 1.1 изображены усредненные зависимости реологических параметров шликера от основных регулирующих факторов.

Рд Па

а) 15 ю

Рд Па

б)10 5

О

!ч

\ Рд

ч. \

ч

%««

Па-с 0,10

т 20 ±£с

005

0,2 0,6 0,8 П%

5;

Ра Па 20

10

V

рр

Ьл

Рд Па

г) п

5

Па-с а го

0,05

1,60 1.70 рг/см*

Чал

Чая Пас

0,10

0,05

0,5 10 1,5т

Рис. 1.1. Усредненные зависимости реологических параметров шликера от основных регулирующих факторов: а) температуры; б) влагосодержания; в) добавок

n тт гт*/~чт-> •

Математическое описание типовых зависимостей представлено в формулах:

Рд = Рдо[ап+-^Кап&ГО]{ап +ехр(-г/ 7;)]) Чпл =Ппю\аг\ +с1к(а22&ИТ)}[ап +ехр(-т/7;)]]

(1.1)

Рд = +тг*р/Рв)]^! -ехр(-г/7^)]

Чпл = ^[¿21 ^ЧЬц^р!Рв)\[Ьгъ -ехр(~ г1тР)\

(1.2)

(1.3)

(1.4)

рд = Рдо[с1 ] -ехрс12Л?г}[е!3 -ехр(-тГТп)] 1 Лпя = Ппло[с1\ -ехрс22Дга]-[с23-ехр(-г/7;)]|

рд = Рдо[411 -ехр</12Дго]-[4з - ехр(- г / Т1П)] 1

Лш = Лп,0[а21 -ехрй?22Дт]-[^23 -ехр(- т/Тт)\\ Здесь Рдо и цт0 - предельное динамическое напряжение сдвига и пластическая вязкость шликера в исходном состоянии , Лг = 1кр - г, где гкр- критическая температура для шликера, связанная с разрушением его структуры, Ар=ркр-рш\ Да-лкр-л ; Ат = ткр-т , где ркр , пкр, ткр - значения плотности, концентрации электролитов и относительной добавки незаправленного шликера, соответствующие точкам перегиба кривой Рд отданного параметра.

Анализ усредненных зависимостей Рд и позволяет сделать следующие выводы: 1) для обоих параметров влияние регулирующих факторов во всех случаях имеет одинаковый знак; 2) Р0 является более чувствительным регулируемым параметром, чем 1]т, поэтому процесс регулирования должен завершаться корректировкой именно его; 3) переходные процессы для всех факторов носят экспоненциальный характер и соответствуют инерционному звену с соответствующими постоянными времени Тп причем 1] возрастает с увеличением дозы заправочных средств.

Шликер как объект автоматической коррекции следует оценивать тремя параметрами: Рд,т]т,К„К. Коррекция, в отличие от регулирования, предполагает управление реологическими параметрами в относительно малых пределах, порядка естественной нестабильности в течение нескольких суток. В этом случае оказывается достаточным корректировать два первых параметра, а третий лишь периодически кон-

третировать. Для целей коррекции удобно ввести понятие динамического коэффициента передачи по конкретному фактору влияния: времени г, температуре г, плотности р, фактору состава Изменение любой характеристики при одновременном воздействии всех факторов (при малых отклонениях) записывается в виде:

Д т]пл = SFpAp+Sf At+S^Az+S^ Ц\ Д Рд = Sfap+SfAt + Sf Ar + sf Ц

(1.5)

Здесь - коэффициент передачи функции / по параметру к.

Для удобства построения схем коррекции используются также абсолютные и относительные коэффициенты нестабильности параметра в зависимости от нестабильности регулирующего фактора.

Сложная взаимосвязь влияющих факторов и реологических характеристик шликера накладывают ряд специфических условий на систему коррекции.

Исследования переходных характеристик шликера показали, что одновременное управление всеми факторами вызывает колебательность выходных параметров со слабым затуханием. Учитывая инерционность шликера как объекта управления, было использовано управление поочередно каждым фактором с последующей выдержкой времени. Алгоритм коррекции реализуется в функциональном блоке, где вычисляется число доз добавок по каждому фактору. Структурная схема автоматической коррекции представлена на рис. 1.2.

реометр

СТА~г

Qpgg}—»I СУ {-*) PO jj

Рис. 1.2. Структурная схема устройства автоматической коррекции рабочих свойств шликера:

В К - вычислитель-корректор; ФБ - функциональные блоки; СТА - система технологической адаптации; ЗУ — запоминающее устройство; Д — дозатор

После выполнения цикла коррекции остаточная нескорректиро-ванность компенсируется автоматическим изменением режима работы автомата через систему технологической адаптации.

Исследования процессов нанесения покрытия выполнены с учетом особенностей принятой интенсивной технологии, характеризуемой короткой, относительно сложной циклограммой работы при значительных силовых возмущениях. Изучено влияние различных динамических факторов, характерных для предлагаемых исполнительных механизмов с регулируемой кинематикой движений и многомерным возмущением. Для случая одномерного силового возмущения аналогичные исследования ранее были выполнены С.И. Гончаровым.

Для получения качественного покрытия необходимо обеспечить равномерное сбрасывание избытка шликера и растекание его по поверхности. Это связано с равномерностью создаваемого силового поля. Были рассмотрены различные виды движения изделия в пространстве, начиная с простейших: 1) вращение вокруг оси; 2) планетарное движение; 3) одномерные крутильные колебания; 4) одномерная вибрация; 5) крутильные колебания в переносном движении; 6) двухмерное силовое воздействие. Проанализированы особенности силового поля в каждом случае. Так, практически во всех одномерных движениях имеются зоны с ухудшенными условиями формирования покрытия. При вращении с угловой скоростью со на плоских поверхностях под углом а к горизонту выделены зоны обратного течения с радиусом г0= gsmacosO/со1 (в-утоп между радиусом-вектором и меридианом). Определены также застойные зоны - зоны упругих деформаций, в пределах которых в условиях данного силового поля отсутствует движение слоя. Показана недостаточность одномерного силового воздействия для создания равномерного силового поля, определены граничные параметры дополнительных движений, исключающих неблагоприятные зоны. Реализация многомерного управляемого силового возмущения стала возможной с появлением нового рабочего органа с несколькими степенями подвижности.

Машинный процесс нанесения шликерного слоя был разработан с учетом возможностей новых рабочих органов с регулируемой кинематикой движений. Номенклатуру изделий по степени сложности и габаритам целесообразно разделить на 7... 10 групп, для усредненного изделия каждой группы определялся набор стереотипных движений и строилась базовая циклограмма машины, которая должна корректироваться при отладке для конкретного типа изделий. При наличии системы технологической адаптации циклограмма может автоматически корректироваться путем изменения длительности отдельных операций и изменением интенсивности режимов обработки.

Динамические ограничения на передвижение изделий, имеющих сырое покрытие, имеют целью обеспечить сохранность покрытия во время дальнейших транспортных манипуляций. Установлено, что наибольшие допустимые тангенциальные ускорения на поверхности изделия не должны превышать 0,8 g.

Технические требования к проектированию эмалировочных автоматов сформулированы на основе исследования процессов формирования покрытий. Важнейшими из них являются требования, определяющие необходимую структуру средства автоматизации и располагаемые кинематические параметры движения исполнительных механизмов, в особенности располагаемые и максимально допустимые ускорения в рабочих и транспортных режимах.

2. Предлагаемые машины-аптоматы

В главе II описан комплекс новых машин-автоматов и манипуляторов, разработанных в НГТУ для автоматизации нанесения стек-лоэмалевых покрытий на изделия сложной конфигурации. Новые машины позволяют исключить ручной труд на большинстве операций эмалирования и открывают возможность строить на нх основе полностью автоматические линии.

1. Унифицированный рабочий орган, на основе которого можно комплектовать машины-автоматы различной структуры. Рабочий орган РО построен на блоках электромагнитных порошковых муфт в сочетании с механическими передачами и относится к классу устройств с регулируемой кинематикой рабочих движений.

По конструкции он представляет собой небольшой манипулятор с двумя или тремя степенями подвижности, позволяющими сообщать эмалируемому изделию вращательные движения по двум или трем осям по произвольному закону. Важным преимуществом РО является его легкая сопрягаемость с электронной системой управления, и все многообразие его движений обеспечивается исключительно программными средствами без механических переключений.

Широкие возможности РО по реализации желаемых рабочих движений позволяют построить систему технологической адаптации, при которой РО может автоматически корректировать базовую циклограмму обработки изделия в зависимости от изменения реологических свойств шликера. Сигналы автоматической коррекции программы вырабатываются в функциональном блоке от сигналов автоматического реометра, встроенного в рабочую ванну автомата. Так, например, при изменении вязкости шликера автоматически изменяется длительность низкочастотных фаз обработки, а при возрастании тик-

сотропности или предельного напряжения сдвига - увеличивается интенсивность силовых воздействий за счет увеличения предельного момента порошковых муфт.

Конструктивным вариантом унифицированного РО является силовой модуль серии ЭП, предназначенный для групповой обработки малогабаритных изделий.

2. Эмалировочный роботокомплекс РТК-118Э предназначен для обработки изделий среднего размера (посуды, изделий технического назначения) и может использоваться самостоятельно, либо в составе автоматической линии. Комплекс содержит эмалировочный полуавтомат на основе модуля ЭП-118, манипулятор- перестановщик и устройство доработки покрытия. Поскольку манипулятор оперирует изделиями с "сырым" покрытием, не допускающим тряски, в конструкции его приводов приняты специальные меры, обеспечивающие ограничение ускорений при позиционировании и фиксации. Доработка сырого покрытия в комплексе состоит в удалении капель и очистке борта изделия, подготовке борта к напрессовке металлического ободка.

Комплекс имеет собственную систему управления, а при работе в составе линии стыкуется в общей системой управления линии.

Комплекс обрабатывает цилиндрические изделия диаметром до 260 мм, производительность - до 350 изделий в час.

3. Автомат для обработки крупногабаритных изделий ЭП-122СМ предназначен для нанесения покрытий методом погружения на крупногабаритные изделия массой до 20 кг: корпуса стиральных машин с центрифугой, корпуса газовых и электрических плит, емкости, крупногабаритную посуду и т.п. Автомат можно использовать при соответствующем дооснащенин для групповой обработки изделий средних габаритов. По конструкции автомат представляет собой манипулятор в полярно-сферической системе координат с двумя рабочими органами. Благодаря развитому набору движений, автомат обладает высокой универсальностью и пригоден для построения на его основе автоматических линий различной структуры. Эффективность автомата возрастает с увеличением габаритов и сложности форм изделий.

Вследствие наличия четырех приводов на основе управляемых порошковых муфт и комплекта цифровых датчиков, автомат ЭП-122СМ является технологическим устройством высокого класса и в комплекте с микропроцессорной системой управления позволяет реализовать самые сложные алгоритмы обработки, взаимодействовать с движущимся конвейером и сложными загрузочными устройствами, участвовать в контрольных операциях и стыковаться с системами тех-

нологической адаптации. Производительность автомата в зависимости от сложности изделия составляет 60...100 изделий в час.

4. Установка для нанесения пудровых эмалей РТК-120ПУ представляет собой роботокомплекс в составе манипулятора с контурным управлением, несущим рассеиватель сухой (пудровой) эмали, и управляемого позиционера с нагретым изделием, которое перемещается в пространстве, "подставляя" участки своей поверхности под поток рассеиваемой эмали. Основным объектом обработки являются чугунные ванны всех стандартных габаритов. Запыленность абразивной пылью и соседство сильно нагретого крупногабаритного изделия создают при существующей ручной технологии исключительно неблагоприятные условия труда и делают задачу автоматизации этого процесса актуальной.

Манипулятор, несущий сито, выполнен по рычажной схеме, имеет три степени подвижности и снабжен приводами, построенными на блоках порошковых муфт, получающих движение от асинхронного электродвигателя. Программирование манипулятора производится методом непосредственного обучения: исполнительному органу одни раз вручную сообщается желаемое движение, которое фиксируется в памяти, и затем автоматически может быть воспроизведено любое число раз. Такой метод программирования требует принятия специальных конструктивных мер по уменьшению перестановочных усилий и уравновешиванию статических нагрузок. Входящий в состав установки позиционер-кантователь изделия представляет собой манипулятор с двумя степенями подвижности. Позиционер - необходимая часть установки, и неудачи прежних попыток автоматизировать процесс эмалирования чугунных изделий объясняются прежде всего отсутствием управляемого позиционера. В ходе программирования сначала обучается позиционер, а после установки изделия на обученный позиционер - выполняется обучение манипулятора. Для обеспечения воспроизводимости процесса установка снабжена специальным регулятором потока пудровой эмали.

5. Автоматическая линия ЛС-220Э предназначена для производства эмалированных изделий среднего габарита. В прак тике эмалировочного производства линия ЛС явилась первым отечественным эмалировочным комплексом, выполняющим без применения ручного труда все технологические операции по нанесению и обжигу стеклоэмале-вых покрытий на стальные изделия. Линия содержит следующие основные части и агрегаты: 1) накопитель изделий и загрузочное устройство; 2) эмалировочный полуавтомат; 3) манипулятор-перестановщик; 4) устройство доработки сырого покрытия; 5) шаговый конвейер с повышенной плавностью передвижения; 6) высокотемпературный arpe-

гат с глубоким регулированием температуры; 7) манипулятор-съемник обожженных изделий; 8) устройство доработки обожженного покрытия; 9) шаговый конвейер охлаждения; 10) систему управления механизмами; 11) систему управления тепловым агрегатом большой мощности; 12) систему шликеропитания.

В комплект оборудования линий входят вспомогательные устройства доработки сырого и обожженного покрытия, представляющие собой управляемые механические системы с элементами адаптации, которые корректируют программу своей работы для каждого конкретного изделия, с учетом заранее автоматически определенных дефектов его покрытия.

Производительность линии - 250...400 изделий в зависимости от сложности формы. Эффективность линии можно повышать программными средствами.

6. Автомат МКУ-6Э предназначен для эмалирования методами пульверизации крупногабаритных стальных изделий - ванн, корпусов газовых и электрических плит и т.п. Конструктивно автомат представляет собой манипулятор рычажной конструкции на основе следящего пневматического привода низкого давления с контурным управлением. Вплоть до последнего времени все устройства такого типа строились исключительно на основе существенно более сложного и дорогого гидропривода высокого давления. Новым в предлагаемом автомате является использование принципа активно-пассивного управления движением, что позволяет резко улучшить динамику пневмопривода, особенно его реверсивные свойства, сделать его пригодным для отработки колебательных движений с частотой 1-2 Гц, характерных для операций окраски и нанесения покрытий с помощью пульверизатора.

Предложенный комплекс машин и автоматических устройств обеспечивает повышение качества продукции, значительное повышение производительности труда, экономию дорогостоящих материалов, существенное улучшение условий труда.

3. Исследование магнитоактивиых элементов приводов машин-автоматов

В приводах новых машин-автоматов используются регулирующие элементы, изменяющие свои рабочие характеристики под действием магнитного поля. Это позволяет с большой гибкостью и быстродействием управлять параметрами движения и достаточно простыми средствами обеспечивать сопряжение приводов с электронными системами управления.

К числу магнитоактивных элементов приводов относятся наполнители электромагнитных порошковых муфт (ЭПМ), магнитореоло-гические жидкости, используемые в поворотных механизмах повышенной плавности, и ферроэластичные материалы, применяемые в управляемых регуляторах давления, входящих в состав пневматических приводов машин-автоматов.

Особенности применения электромагнитных порошковых муфт в машинах-автоматах связаны с их специфическими характеристиками. Порошковые муфты обладают уникальными регулировочными свойствами, позволяющими построить на их основе управляемый привод с характеристиками, в некоторых отношениях недостижимыми для любого электродвигательного привода.

Наиболее ценные рабочие свойства ЭПМ - это практически линейная зависимость момента от тока управления, начинающаяся с нуля, и малый момент инерции ее ведомой части. Последнее обстоятельство обеспечивает весьма малую механическую постоянную времени привода и позволяет получать исключительно высокие значения ускорения выходного звена - порядка (1-2)-105 рад/с2, - намного больше чем у лучших электродвигательных приводов. Таким образом, ЭПМ представляет собой быстродействующий, электрически управляемый источник момента (к сожалению, одного знака), па основе которого можно строить различные высокоэффективные управляемые механические системы.

Тем не менее, при наличии таких преимуществ широкого применения в современной технике ЭПМ не находят. Главным недостатком этих муфт, обесценивающим их высокие динамические свойства, является непостоянство их моментных характеристик, определяемое нестабильностью механических и магнитных свойств ферропорошка, находящегося в рабочем зазоре и передающего крутящий момент за счет сдвиговых напряжений между частицами в магнитном поле.

Применяемые в настоящее время ферросмеси обеспечивают постоянство передаваемого момента в течение нескольких сотен часов, после чего требуется трудоемкая перезаправка. В связи с этим возникла необходимость в разработке новых ферропорошковых смесей (ФПС), обеспечивающих постоянство моментных характеристик муфт в течение 3-5 тысяч часов, что соответствует одной перезаправке в год.

ЭПМ явились основой целого семейства механических генераторов движений в машинах-автоматах и манипуляторах, разработ анных в НГТУ поэтому для создания надежных средств автоматизации эмалирования рабочие свойства ЭПМ, их надежность и быстродействие имеют первостепенное значение. В связи с этим были выполнены ра-

боты по совершенствованию магнитоактивных элементов ЭПМ по следуюшим направлениям: 1) разработка рецептуры оптимального наполнителя с наивысшей возможной магнитной проницаемостью и высоким постоянством механических и магнитных свойств во времени; 2) отработка материала для магнитопровода муфт повышенного быстродействия, имеющего высокое электрическое сопротивление при достаточной индукции.

В ходе выполнения этих работ были решены следующие необходимые задачи, (хотя и не вполне входящие в круг задач механики машин): 1) выявлены факторы, снижающие стабильность эксплуатационных свойств наполнителя; 2) определены меры противодействия этим факторам; 3) на основе этих исследований разработаны составы наполнителей для ЭПМ с повышенным уровнем эксплуатационных свойств и увеличенным в 7-10 раз сроком службы; 4) отработаны конструкции быстродействующих ЭПМ с цельнопрессованным порошковым магнитопроводом.

Наполнители ЭПМ представляют собой ферропорошковую смесь, состоящую из железного порошка различной дисперсности (от 4 до 100 мкм), диэлектрического разделителя для улучшения сыпучести и некоторых присадок для придания смеси желаемых механических и химических свойств. Использовались порошки карбонильного железа высокой дисперсности Р10 и более крупные распыленные порошки ПЖВ2, в качестве разделителя - коллоидный графит С1 и порошок меди МС-1, а также испытывались рекомендуемые в литературе оксид цинка и дисульфид молибдена. Обычное соотношение железного порошка и разделителя - в пределах от 25/1 до 70/1.

Режим работы ЭПМ в составе эмалировочного автомата отличается высокой частотой переключения - до десятков герц в режиме генерации колебаний и до сотен герц в режиме регулирования скорости - и значительным тепловыделением в режиме глубокого скольжения с местным нагревом до 300 °С. В таких условиях происходит интенсивный износ и окисление ферромагнетика и ухудшение его магнитных свойств. Известные по литературе ФПС в таких условиях имеют ограниченный срок службы и отличаются нерегулярным снижением момента, достигающим 40 %.

Были проведены достаточно трудоемкие испытания четырех перспективных ферропорошковых смесей, подобранных методами планирования эксперимента. Исследования проводились в течение нескольких тысяч часов на специально разработанных стендах с периодическим анализом наполнителей и цифровой регистрацией момента.

Анализ микроструктуры проводили на микроскопе NEOPHOT-21 и электронном микроскопе REM-200. Для оценки изменений кристал-

лической решетки частиц ферромагнетика снимали рентгенограммы на дифрактометре ДРОН 1,5. Исследование характера окисления выполнялись в воздушной среде на дифференциальном сканирующем калориметре ТСОЗС-111 (Ие Гагат).

Было установлено, что среди причин, вызывающих нестабильность свойств наполнителей, доминируют три фактора: 1) структурные изменения ферромагнетика, связанные с пластической деформацией его частиц при передаче сдвиговых напряжений и вызывающей ухудшение их магнитных свойств; 2) окисление частиц железа в рабочем зазоре муфты при повышении температуры в режиме скольжения; 3) структурная неустойчивость порошковой смеси, ее классификация под действием сил веса и центробежных сил и последующее комкование железного порошка.

Наиболее эффективным средством, противостоящим двум первым факторам, оказалось нанесение медной пленки на частицы ферромагнетика гальваническим способом. Полезность наличия меди в зоне контакта известна из триботехники, когда образуется система автокомпенсации износа. Было установлено, что аналогичный механизм имеет место и при работе ЭПМ, если в зазоре находится омедненный ферромагнетик. Отмечено значительное снижение влияния пластической деформации на кристаллическую решетку ферромагнетика, поэтому наполнитель с омедненным ферромагнетиком отличается повышенной стабильностью магнитных и механических свойств.

Устойчивость ферросмеси к разделению компонентов удалось обеспечить путем создания в смеси внутренней структур гл. Это достигнуто введением в ФПС присадки из магнитотвердого высококоэрцитивного сплава БтСо^. Частицы магнитного сплава после снятия магнитного поля, обладая остаточной намагниченностью и равномерно распределенные по всему объему смеси, удерживают покрытые графитом частицы ферромагнетика в ориентированном положении. Наличие 5тСо$ в смеси в количестве более 4 % надежно препятствуют гравитационному разделению компонентов смеси и, следовательно, комкованию и слеживанию наполнителя при шобой ориентации оси муфты. При концентрации ЗтСоз более 7 % заметно возрастает неуправляемый момент муфты.

Как показали исследования, наличие структуры в ФПС повышает также устойчивость ферромагнетика к окислению (рис. 3.1).

Свойства ФПС с улучшенными характеристиками приведены в таблице 3 1

Магнитные свойства наполнителей ЭПМ определяют величину предельного момента муфты, и от их постоянства в конечном счете зависят все ее существенные рабочие характеристики. Важнейшим пока-

зателем является магнитная проницаемость, изменяющаяся в преде-лах(8-10)106 Гн/м, причем увеличение доли разделителя, улучшающее механические свойства ФПС, ведет к ухудшению магнитных свойств. Изучено изменение магнитной проницаемости с изменением температуры в рабочем зазоре от 20 до 300 °С. Показано, что лучшей температурной стабильностью обладают структурированные ферросмеси со стабилизатором SmCo5.

йТП

e/cJ в,0

6,0

4,0

го

0 20 40 60 80 100 120 140 tfC

Рис. 3.1. Изменение массы ФПС от температуры: 1 - Р10 / Гр;

2 - Р10 / Си; 3 - Р10 / Гр / SmCo5-, 4 - ПЖВ2-(+0050-0063)

Таблица 3.1

Составы ФПС Средний размер частиц, мкм Дт в % ИОЛ Гн/м, при Н= =8-104 А/м

N п/п Плотность ■ утряски, г/см3 Коэфф. внутр. трения при Т=20°С--200СС при Т=200°С т= 4 ч.

1. Р10:Гр= =25:1 3,5 3,94 2,20 9,0 0,75 8,0

2. Р10:Си= =70:1 3,5 4,41 2,40 6,07 0,65 9,2

3. (Р10:Гр) SmCo¡ — =(30:1)5% 3,5 4,12 3,71 4,28 0,55 8,4

4. (ПЖВ2)Си 56,5 3,25 0,635 4,63 0,25 8,0

Моментно-динамичеекие характеристики ЭПМ с наполнителями различных типов снимались на специальной установке с цифровой ре-

гистрацией результатов. Были исследованы статические, динамические п временные характеристики почти всех известных наполнителей, как

традиционных, так и вновь предложенных. Было подтверждено существенное превосходство двух новых типов наполнителей по стабильности и седиментационной устойчивости - структурированного наполнителя с магнитотвердой добавкой и наполнителя на основе крупнодисперсного омедненного ферромагнетика (рис. 3.2).

М,

нм

2,0

1,0

О 250 500 750 %гас

Рис. 3.2. Диаграммы стабильности моментных характеристик ЭПМ:

1 - Р10/ZnO; 2 - PIO / Гр / SmCoy, 3 - (ПЖВ2) Си

Порошковые муфты повышенного быстродействия разрабатывались для построения приводов с предельно высокими динамическими характеристиками. Опыт применения таких муфт в литературе не описан. Для повышения быстродействия ЭПМ необходимо максимально сократить длительность электромагнитных процессов в ее магнито-проводе. Это достигалось применением целыгопрессованного порошкового магнитопровода, обладающего высокими электрическим сопротивлением при достаточно большой индукции насыщения. Эти требования являются противоречивыми: для первого условия необходимо в композиции увеличивать количество связующего, а для второго условия - увеличивать количество ферромагнетика. Идеальный магнитопровод должен состоять из плотно спрессованного ферромагнитного порошка, каждая частица которого была бы электрически изолирована от соседних частиц при минимальном количестве связующего и обладать достаточной механической прочностью.

Была разработана технология изготовления элементов магнито-проводов ЭПМ униполярной конструкции методами холодного прессования. Давление прессования составило 0,6...0,8 ГПа, плотность элементов - 6,7...7,1 г/см3, прочность на срез - до 150 МПа, макси-

/2

47" Л, /V

i" ч ч

мальная магнитная проницаемость - 265, индукция Вт = 0,85 Тл при напряженности поля 2500 А/м.

Как показали испытания, ЭПМ с цельнопрессованными магни-топроводами отличаются: 1) повышенным в 5...8 раз быстродействием, вследствие меньших потерь; 2) наличием расширенного линейного участка регулирования.

Магнитореологические суспензии (MPC) как рабочие среды пневмоприводов в некотором смысле аналогичны ферропорошковым смесям, применяемым в качестве наполнителей ЭПМ. MPC представляют собой жидкости, реологические свойства которых (вязкость и предельное напряжение сдвига) существенно меняются под действием внешнего магнитного поля. Это позволяет строить на их основе гидравлические дроссели с управляемым сопротивлением, не содержащие подвижных механических элементов. Такие дроссели являются регулирующими устройствами гидравлических нагружателей комбинированных пневмоприводов с повышенной плавностью движений и позволяют управлять их движениями чисто электрическими методами. Быстродействие таких устройств выше, чем у известных гидроусилителей, а надежность практически целиком зависит от рабочих свойств MPC.

Основные реологические свойства MPC зависят от т ипа и степени дисперсности распределенного в жидкости ферромагнетика. Различают два вида MPC: 1) "нетвердеющие" феррожидкости, применяемые для герметизации зазоров, 2) собственно MPC - грубодисперсные жидкообразные системы, представляющие собой взвеси ферропорош-ка в минеральном или кремнийорганическом масле. Такие MPC проявляют сильную зависимость реологических свойств от напряженности внешнего поля и способны создавать значительные перепады давления на регулирующих устройствах, что позволяет применять их в силовых приводах машин.

Была поставлена задача разработки MPC, пригодной для использования в пневмогидроприводах машин-автоматов. Основные требования: 1) седиментационная устойчивость в сильном магнитном поле; 2) значительное приращение вязкости и прочности структуры под действием поля.

Экспериментальными исследованиями были подобраны составы MPC на основе карбонильного железа и жидкости для гидросистем АМГ-10. Седиментационную устойчивость MPC оказалось возможным обеспечить способом, применяемым для ФПС порошковых муфт: созданием структуры внутри MPC путем добавки в нее магнитотвер-дого ферромагнетика SmCo$. В главе приводятся сведения о рабочих характеристиках предложенных MPC.

Магниторсологические дроссели представляют собой электрически управляемые гидравлические сопротивления, которые будучи поставлены на перепускном канале гидравлического нагружателя, превращают его в быстродействующее электрически управляемое тормозное устройство. В главе приводятся данные о перспективных конструкциях МР дросселей, показано, что их быстродействие выше, чем у стандартного гидравлического усилителя, что обеспечивает потенциально высокие динамические характеристики приводам, построенным на их основе.

4. Исполнительные механизмы и приводы эмалировочных машин-автоматов

По условиям технологии эмалирования исполнительные механизмы эмалировочных автоматов должны обеспечивать регулируемую кинематику рабочих движений, поэтому к механизмам и приводам эмалировочных машин предъявляются весьма специфические требования, выводящие эти устройства в отдельную группу и делающие их объектом специальных исследований.

Исследование исполнительных механизмов эмалировочных автоматов проводилось с целью определения действительных параметров управляемых движений.

Рабочие органы (РО) автоматов предназначены для создания многомерного силового воздействия на слой шликера, находящийся на поверхности изделий, путем сообщения этому изделию необходимых перемещений в пространстве. РО представляют собой генераторы механических движений, построенные па основе ЭПМ, в сочетании с механическими передачами с жесткими или упругими элементами. В рабочих органах с жесткими звеньями ЭПМ являются коммутаторами кинематической цепи; РО с упругими звеньями представляют собой релаксационные генераторы, а ЭПМ управляет потоком энергии, протекающим через упругий накопитель от двигателя к нагрузке.

Рабочие органы с жесткими звеньями более универсальны по своим возможностям, но имеют значительное тепловыделение и низкий КПД. Движение шпинделя с изделием происходит под действием двигательных и тормозных импульсов, поступающих от блока ЭПМ. При этом осуществляется разгон и замедление шпинделя но законам, определяемым инерционностью нагрузки /ир, силами сопротивления Мс и динамическими свойствами ЭПМ. При высокочастотной коммутации играет роль незавершенность переходных механических и электромагнитных процессов в приводе. Быстродействие ЭПМ определяется электромагнитной постоянной времени Тэ.

Возможны два режима коммутации: нормальный (экспоненциальный) и форсированный, при котором экспонента заменяется участком прямой. Основные параметры движения шпинделя представлены в таблице 4.1.

Рабочие органы с упругими элементами имеют высокий КПД, но менее универсальны вследствие зависимости параметров движений от инерционности нагрузки. Схема реализует релаксационный колебательный процесс, параметрами которого можно управлять в широких пределах.

Таблица 4.1.

Параметр Нормальный режим Форсированный режим

время перекрытия, T,ln[2/(1-|)] tB{ 1-0/2

ускорение разгона, г. e0p-2exp(í/T,)-£] s0[2t!tB-{\-^\

скорость разгона, а t ^ -2Co Y^dt t, t 2s0 \[tltB-\ + %)dt J t, S0Q-Z)(tp-tB)

, Мс Тм Му -----; i - \ tj,-_ r.0 =—--; tB-время нарастания момента My l + £ Jn p

Для определения параметров использовалась замкнутая форма решения исходя из периодичности процесса, т.е. (p(t) = (p{t+nT)\ o{t) = co(t+nT).

Для РО с последовательными упругими элементами закон движения определяется зависимостями:

<р = Ш-—sinpí+©>5(l-cos pt) Р

ü) = COa fl -cos pt+pB sin pt]

B=(TB+sinpT„ / p)l(2-cospTny, Здесь Тв и Tn - периоды вращения и паузы соответственно, р собственная частота колебаний шпинделя.

Для РО с параллельными упругими элементами, используя аналогичный метод получим:

<р = су0 Тв eos pt I (1 + eos р Тп),

(о = а,}рТв sin pt /(1+cos рТ„).

Энергетические потери в приводах РО имеют существенное значение в схемах с жесткими элементами, поскольку они связаны со значительным тепловыделением в ЭПМ. Потери возникают в режимах скольжения при генерации колебаний, а также в переходных процессах переключения муфт. Получены выражения для энергетических потерь в различных режимах генерации. Показано, что при коммутации кинематической цепи в условиях незавершенных переходных процессов большая часть потерь связана с разгоном и локализуется в определенной части привода. Средняя мощность потерь N- = Jrpml 1(2Т,, ) зависит от механической постоянной времени привода и показывает желательность форсирования процессов коммутации. Для случая комбинированного режима - вращение с наложенной вибрацией - мощность потерь определяется выражением:

Nr=J„pú)¿[{TJT,iy +2~аПй)0]!4Т1„

где Т„- длительность двигательного импульса, со - средняя скорость наложенной вибрации.

Методы учета потерь позволяют рационально построить систему теплоотвода в приводах эмалировочных машин.

Исследование процессов позиционирования рабочих органов проводилось с учетом ограничении, налагаемых особенностями технологии эмалирования. Сырое эмалевое покрытие весьма чувствительно к тряске, поэтому при технологических и транспортных операциях необходимо обеспечить повышенную плавность перемещений. Особенно важны процессы фиксации, при которых в обычных устройствах позиционирования возникают значительные ускорения.

В эмалировочных машинах и манипуляторах используются два режима позиционирования - жесткое и мягкое. При "жестком" позиционировании производится резкое прерывание движения при достижении конечного положения с относительно большим ускорением, которое зависит от скорости, непосредственно предшествующей остановке. "Жесткое" позиционирование экономит время технологического цикла и проще реализуется, поэтому его целесообразно применять в начале процесса нанесения и при манипуляциях с непокрытыми изделиями.

Процессы "жесткого" позиционирования исследованы для двух режимов работы ЭПМ - нормального (экспоненциального) и форсированного (линейного). Результаты приведены в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Закон управления ЭПМ Форсированный нормальный

Закон изменения моментов ЭПМ мя =МУ-Ш Мт=кг к = Му!2х Мд-Му ехр(-г 1 Тэ) М, = МД1-ехрН/Гэ)]

Результирующий тормозной момент, Мт - Л/, М..(~- 1)=2Аг(?-/,) ' г. М у [1 -2ехр(- —-)]

Ускорение торможения, с П - _ Я,Г / Т .э

Скорость торможения, 0) е г2 г1 сот О <иГ-гь(г-/,) + 1 +2е„ |ехр(——)сй J ^ ¡1

Длительность торможения, 1т 1 ?Г = /0-А-2Гэехр(-^Г) 17 =0,307 Тэ+г0 -2Гэехр(-'г) 1э

Ускорение фиксации, £ф 2кгт •"э

величина тормозного пути (РттАъ ](оЦ2Мс Зсо\12Мс

Зсо1 /4 Не- За} / 4МС

Как видно из таблицы, жесткий режим вполне способен обеспечить малые ускорения при фиксации, однако это связано с сильным затягиванием процесса позиционирования.

Точность позиционирования зависит от вариаций инерционных нагрузок: А<р = ^оУ4Мс)-{2ав +ам +аД

где аа = Асо1Ш\ ак, = АА/У / Му; а, = Д7/7 (чертой отмечены средние значения величин).

Наибольшая скорость торможения а>тах , при которой ошибка позиционирования не превысит допустимого значения Асрм„, определяется из соотношения:

(отт =[Ай> + л/ДбУ2 + A(púmMy-(új +aM)IJ]l{aj +ам).

"Мягкое" позиционирование обеспечивает гарантированное ограничение ускорений на желаемом уровне на всех этапах позиционирования, включая фиксацию. Такой режим весьма благоприятен при манипулировании с объектами, не допускающими тряски. Реализация этого режима оказалась достаточно сложной задачей, поскольку на конечном участке пути необходимо управлять одновременно двумя фазовыми координатами: ускорением и скоростью. Оптимальным по быстродействию было бы завершение позиционирования с максимально допустимым отрицательным ускорением, организованное таким образом, чтобы скорость, плавно спадая, обратилась бы в нуль точно в конечной точке позиционирования.

В главе исследованы способы реализации такого режима и оценена точность позиционирования при этом. Для производственных целей предложен способ поочередного управления фазовыми координатами, при котором на завершающем участке позиционирования осуществляется управление ускорением (без обратной связи по положению) с одной или несколькими промежуточными коррекциями задания. При повышенных требованиях к точности организуется двукратная коррекция, с двумя контрольными точками, в интервале между которыми уточняется реальная динамическая модель механизма, на основе которой дополнительно корректируется теоретически вычисленный корректирующий сигнал задания. Первая коррекция задания ускорения производится по зависимостям: £■<,' = <й02 /2Д<р,;

с= £¡to4a¡1 «£„'(1±2Д<»'/0; As' = 2£¿&CÚ' /Ú)t¡. Вторая коррекция изменяет задание ускорения на величину:

As" -2е"А(о" /&(о"+кшАа>". Величина ка определяется во время наладочных испытаний.

При более жестких требованиях к плавности позиционирования назначается параболический закон скорости и фиксация будет производиться при убывающем ускорении. Условием "мягкой" фиксации будет зависимость:

A(pr = ao^tj -St,tj l2+kstr/6;

h = О» + л/ib2 / «o) / К.

Предложены и испытаны практические схемы для реализации "мягких" режимов позиционирования. Их применение с запасом гарантирует соблюдение технологических норм эмалирования.

Методы повышения динамической точности приводов разработаны для автоматов, наносящих покрытия методом напыления и пульверизации. Такие автоматы представляют собой манипуляторы с контурным управлением, воспроизводящие траекторию, записанную во время программирования. Динамическая точность определяется мгновенным значением рассогласования между заданием и действительным положением исполнительного органа. Повышение динамической точности всегда является актуальной задачей, поскольку это позволяет либо повысить качество выполнения техпроцесса, либо при сохранении прежней точности снизить потребную мощность привода.

При нанесения покрытия указанными способами исполнительный орган (сито, пульверизатор) совершают синусоподобные движения в трех измерениях. Для такого задания известные способы повышения точности повышением порядка астатизма не дают существенного эффекта, хотя и уменьшают динамическую ошибку. Показано, что для привода с астатизмом первого порядка выигрыш в точности определяется соотношением:

£•„„„ Та

где г- постоянная времени дифференцирующего звена компенсирующего канала.

Наибольший интерес представляет осуществление полной инвариантности хотя бы для основной гармоники синусоподобного задания, при которой можно ожидать существенного повышения (на порядок) точности в установившемся режиме, и заметного (в несколько раз) - в переходном режиме.

Методами теории автоматического управления для двух типов приводов: с астатизмом первого порядка (1, 2, 3) и второго порядка (4, 5, табл. 4.3), соответствующим обычному электродвигательному приводу и приводу на ЭПМ, - были определены условия компенсации и вычислены параметры компенсирующего канала. Результаты приведены в табл. 4.3. Компенсирующий канал представляет собой реальное дифференцирующее звено второго порядка, вполне воспроизводимое средствами аналоговой техники. Для возмущения фиксированной расчетной частоты он обеспечивает полное устранение в установившемся режиме амплитудных и фазовых ошибок. В реальном задании частота основной возмущающей гармоники переменная, поэтому необходимо строить компенсирующий канал с передаточной функцией

Г7Г / \ . ^ ■?//■ . 1\ ___________ _ _ ___ ___ ______

уу кКР) — Т,т2р 1{т3р-1-1) с переменными значениями ниСшинныл времени г, и г2.

Таблица 4.3

№ \V2Cp) ^к(р) Вид компенсации Условия компенсации Примечание

1 1) полная _ 1 -со2ТгТг Т2 + Тг т, и Т - зависят от частоты

р(Т\р+Щр+\)

2 ка г,г2р2 7* п 1. ^ полная Необходимо задаться величиной г3

р{Т,р+1) Ч 1 , /¡:в 2

3 К{т,р+1) т\тгР1 полная 7>2+1 П={ТхТг + Т,тъ+Тгтъ)

р{т2р+1) Р 1 , Г,/>+1 адг,«2

4 К рг(Т,р+ 1) ф2 т2р+\ частичная До и Повышение порядка ас-татизма до третьего

5 г]Р2 полная .2 1 (т Т1 + Т2 ] Т, и Тг не связаны

р2{Т2р+ 1) тгр+ 1 /сд; I'2 ' Т{Г2о)г + \) г - Т'+ Т> 2 1]Тга>2 + \

к>

В главе рассмотрены структурные схемы и способы реализации компенсирующего канала. Эффективность действия канала подтверждена экспериментом - при настройке на оптимум динамическая ошибка снижается более чем в 8 раз.

Исследование пневматических приводов и устройств эмалировочных автоматов выполнены с учетом специфических требований технологии. В эмалировочных автоматах и автоматизированных комплексах пневмоприводы используются в основном в следующих устройствах: 1) в манипуляторах-перестановщиках, имеющих дело с изделиями, не допускающими тряски; 2) в манипуляторах для нанесения покрытий методом пульверизации; 3) в устройствах регулируемого облива; 4) в системах программной статической разгрузки звеньев тяжелых машин-автоматов. Все эти устройства должны удовлетворять довольно жестким специфическим требованиям технологии, которым большинство существующих конструкций и технических решений в области пневмопривода не соответствуют. В предлагаемых машинах-автоматах применяются пневматические устройства, использующие все три существующих способа управления: активный, пассивный и предложенный комбинированный (активно-пассивный).

Пневмоприводы активного управления, у которых управление параметрами движения осуществляется через изменение перепада давления на поршне пневмомеханизма, используются в ориентирующих степенях подвижности автоматов для нанесения покрытий пульверизацией. Существующие приводы такого типа удовлетворительно работают лишь на повышенных давлениях - 4 МПа; нами получены приемлемые динамические характеристики привода на низких давлениях -около 0,6 МПа. Это достигнуто благодаря двум обстоятельствам: 1) введением в управление обратной связи по скорректированному перепаду давления, а фактически - по ускорению; 2) введением псевдовязкого демпфера на основе порошковой микромуфты.

Проанализировано 4 схемы предложенных приводов активного управления, из них 3 построены но проточной схеме с непрерывным управлением перепадом, и одна - с управлением перепадом посредством широтно импульсной модуляции входных пневмораспределите-лей.

Исследование проточных приводов производилось на нелинейной электронной модели с проверкой отдельных результатов на натурном экспериментальном стенде. В приводах такого типа перепад давления на поршне создается с помощью четырехплечего пневматического моста, у которого либо два плеча, либо все четыре являются управляемыми пневматическими сопротивлениями, выполненными в виде золотникового пневмораспределителыюго устройства с управле-

пнем от электромеханического преобразователя. Усилие на поршне непрерывно измеряется полупроводниковыми датчиками давления, из сигнала которых путем обработки извлекается сигнал, пропорциональный ускорению.

Моделировалась математическая модель механизма следующего

вида:

тх = Рп (р, - р2) + + Рс;

р, + Х)ИД7Ж?, 1ГП - р,х]\ р2 = [/с/X)]• [/ггде, /Fя - р2х];

= -А; б; = ,«/о.Рм -А; 0; = ^/,рг-А\

Здесь х - перемещение поршня; (?, - расход через соответствующий дроссель; площадь поршня; /0 сечение входных дросселей; /,/2 сечение выходных дросселей; Дх3- смещение золотников; коэффициент расхода.

Построены амплитудные и фазовые характеристики привода, выявлены оптимальные области параметров, обеспечивающие необходимую динамическую точность при достаточном запасе устойчивости.

Исследованиями доказана возможность построения маломощного следящего пневмопривода низкого давления, пригодного для использования в манипуляторах для нанесения покрытий.

Исследование пневмопривода с импульсным управлением показало возможность реализации следящего пневмопривода для устройств средней мощности на основе стандартных пневмораспредслителей, работающих в режиме широтно-импульсной модуляции. В таком режиме распределитель выполняет функции управляемого регулятора расхода, который дозирует поступление энергии в пневмомеханизм. Показано, что при расчетной частоте модуляции распределитель эквивалентен управляемому дросселю с линейной характеристикой, пропорциональной скважности управляющих импульсов.

Теоретические исследования, а также экспериментально снятые амплитудные и фазовые характеристики подтверждают возможность применения таких управляемых ппевмомеханизмов в машинах-автоматах с высокими требованиями к плавности движений.

Пассивное управление в следящем пневмоприводе подразумевает управление движением со стороны сил сопротивлений при постоянстве движущей силы. Управляющим устройством служит нагружатель в виде гидроцилиндра или порошковой муфты. Пассивное управление

позволяет за счет снижения КПД существенно повысить жесткость пневмопривода, однако характерные для этого привода плохие реверсивные свойства остаются не преодоленными, и это ограничивает область его эффективного применения. Подтверждением тому является тот факт, в серийных промышленных роботах с пневмоприводом такое управление применения не нашло.

Пневмоприводы с самоулучшающейся программой были разработаны для того, чтобы в известной мере обойти плохие реверсивные свойства пневмопривода, сделать его способным воспроизводить знакопеременное задание и применить его в окрасочных манипуляторах для приводов переносных степеней подвижности, испытывающих чисто инерционные нагрузки. Эта задача решена исключительно за счет управления.

За основу взята обычная схема пневмопривода с нагружателем в виде порошковой муфты, которая в совокупности с системой регулирования хорошо отрабатывает одностороннее движение с глубоким регулированием скорости. В подобном приводе необходимо постоянное совпадение знака движущей силы Р0 и знака заданной скорости южд, которое нарушается во время реверса, когда из-за инерционности пневмоцилиндра перемена знака Р„ запаздывает но отношению к V,,,,,. В течение этого времени механизм теряет управление и должен быть заблокирован. Это обеспечивает специальное устройство - индикатор неравнозначности, который выявляет несовпадение знаков Р„ и 'ом> и фиксирует механизм, включая на полную мощность нагружатель. Таким образом, при отработке синусоиды например, движение механизма будет сопровождаться остановками различной длительности при переходе скорости через нуль, искажающими воспроизводимый закон движения.

Длительность блокировок I определяется из соотношения: Рм -ехр — 11 - р„ л-ри — I,

V К ; Ь

где ра и рм- атмосферное давление и давление магистрали; V, и

I 2к~

У2 - объемы полостей пневмодвигателя; А'= 1,4; К' = |--<р(&'),

V к }

<р(а') =0,2588 - критическое значение расходной функции.

Для ликвидации остановок при смсне знака и:„ю используется система самокоррекции. Она работает следующим образом. При первом воспроизвсдснии программы в память записываются длительности блокировок при каждом реверсе, и при втором воспроизведении на эту величину сдвигаются вперед моменты переключения пневмок-

лапапов (ЭПК), питающих полости и V,. Новые блокировки, существенно уменьшенные, или даже сменившие знак, вновь записываются и вторично сдвигают вперед или назад моменты переключения ЭПК при третьем воспроизведении программы. Таким образом, в течение двух-трех воспроизведений программы она будет автоматически откорректирована, ЭПК будут переключаться не в момент смены знака , а с определенным упреждением, и задержки движения при реверсе исчезнут или уменьшатся до пренебрежимо малой величины (< 10 мс).

Этот метод эффективен, если нагрузка носит преимущественно инерционный характер. В главе приводятся несколько вариантов структурных схем устройств самокоррекции программы.

При более высоких требованиях к качеству движения манипулятора предложена усложненная схема следящего пневмопривода с мо-ментными связями, содержащая два пневмоцилиндра и два муфтовых блока, соединяющих выходное звено с основанием или с одним из пневмодвигателей. Схема полностью исключает все неопределенности, связанные с реверсом, и способна воспроизводить гармоническое задание с частотой до 10 герц.

Пневмоприводы с активно-пассивным управлением целесообразны для использования в относительно мощных устройствах, где необходимы не только хорошие динамические свойства, но и достаточно высокий КПД. В приводах данного типа управление движением осуществляется за счет одновременного управления как движущими силами, так и силами сопротивления, для чего требуется входной регулятор подачи энергии в механизм и управляемый нагружатель, работающие от общей системы управления.

Регулятор подачи энергии представляет собой управляемый регулятор давления (ЭПП), который непрерывно изменяет величину движущей силы на торцах поршня пневмомеханизма. Потребная величина этой силы непрерывно вычисляется в системе управления и предельно быстро воспроизводится ЭПП. Для обеспечения жесткости привода постоянно осуществляется некоторая передозировка энергии, подаваемой в пневмомеханизм, и избыток ее поглощается управляемым нагружателем, который окончательно "выглаживает" кинематические параметры движения механизма.

Непрерывное управление перепадом динления позволяет существенно ускорить процесс газодинамического реверса в пневмомеханиз-ме. В главе рассмотрены способы максимального форсирования этого процесса. Время реверса определяется соотношением: ? „ = Ап /' Г 1 Ж п ¡V. 4- п.. / К >1

Здесь Ар - минимальный расчетный перепад давления перед реверсом, р - среднее равновесное давление в полостях, рм - давление в магистрали, /т„ - максимальные проходные сечения в ЭПП, В = ¡ик-К'-/ЯТ.

Время реверса пропорционально Ар, которое равно ~ 0,05 р..,, а при обычном пассивном управлении равно ри, т.е. в десятки раз больше. В этом и состоит причина хороших реверсивных свойств при активно-пассивном управлении. Расчеты показывают, что для механизмов среднего размера ^»2..5мс, т.е. газодинамические процессы при данном способе управления не ограничивают быстродействие механизма.

В главе рассматриваются также вопросы управления движущим усилием в пневмомеханизме. Показано, что с помощью нелинейного корректирующего звена можно значительно повысить точность, устойчивость и быстродействие механизма.

Электропневматические преобразователи (ЭПП) являются необходимыми устройствами для реализации активно-пассивного управления. Они представляют собой быстродействующие электрически управляемые регуляторы давления высокой производительности. Их использование позволяет существенно повысить динамические свойства пневмоприводов, приблизив их в некоторых отношениях к следящему гидроприводу и обеспечить сопряжение привода с микропроцессорной системой управления.

В главе описаны конструкции 11 новых типов ЭПП различной производительности и быстродействия, построенных на основе электромеханических, магнитореологических, ферроэластичных элементов и устройств.

Динамика ЭПП исследовалась с помощью электронной модели, построенной на основании структурной схемы преобразователя. Схема содержит два существенно нелинейных звена: газораспределительное устройство и исполнительные пневмополости переменного объема. Оптимизация схем ЭПП производилась вариацией двух величии: коэффициента пропорционального усиления и постоянной времени компенсирующего канала. В главе также кратко рассмотрены основные динамические и энергетические характеристики ЭПП, приведены зависимости относительных потерь энергии на ЭПП при различных режимах работы.

Пневматические регулируемые системы облива применяются в эмалировочных автоматах при обработке крупных изделий. Устройство облива должно обеспечивать максимально равномерное • предвари* тельное нанесение шликера па изделие, что позволяет сократить время технологического цикла и увеличить производительность ма-

шины. Различие форм изделий, изменение параметров шликера и условий нанесения требуют, чтобы дозаторы облива были управляемыми устройствами, способными осуществлять регулирование расхода шликера в течение цикла облива по определенному, легко изменяемому закону и достаточно просто стыковаться с электронной системой управления.

В главе рассмотрена задача управления мембранным дозатором посредством ЭПП на основе пневмораспределителя с широтно-импульсным управлением и показаны способы реализации желаемых режимов облива.

В приложении к диссертации помещены фотографии машин-автоматов и манипуляторов для нанесения стеклоэмалевых покрытий, созданных в НГТУ и нашедших промышленное применение.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Автоматизация процессов нанесения стеклоэмалевых покрытий требует строгой регламентации технологического процесса и рабочих свойств эмалевого шликера.

2. Результаты технологических исследований раскрывают качественную и частично количественную стороны механизированного процесса формирования покрытий по интенсивной технологии на изделиях сложной конфигурации: способы устранения застойных зон, действие различно ориентированных сил, влияние одномерных и двухмерных возмущений на разравнивание шликерного слоя, предельно допустимые силовые воздействия в ходе техпроцесса.

3. Изучен эмалевый шликер как объект автоматического регулирования, определены статические коэффициенты передачи реологических свойств от главных возмущающих факторов. На основе этого при использовании разработанного устройства непрерывного контроля параметров шликера получена возможность осуществить автоматическую коррекцию его рабочих свойств и реализовать системы технологической адаптации эмалировочных машин, повышающие степень автоматизации процессов нанесения покрытий.

4. Сформулированы основные технические требования к машинам-автоматам для напесепия стеклоэмалевых покрытий и отработаны базовые циклограммы технологического процесса нанесения покрытий для основных групп изделий.

5. Осуществлено существенное улучшение рабочих свойств маг-нитоактивных элементов регулируемых приводов эмалировочных автоматов и манипуляторов: магнитореологических суспензий, наполнителей электромагнитных порошковых муфт и прессованных мате-

риалов их магнитопроводов. В итоге получены элементы, превосходящие существующие примерно на порядок по длительности срока эксплуатации, по стабильности механических характеристик, седимен-тационной устойчивости и быстродействию. Это позволяет строить модули приводов автоматических машин с повышенными эксплуатационными показателями.

6. Для целей создания универсальных эмалировочных автоматов, представляющих собой технологические манипуляторы с развитой системой рабочих движений и допускающих сопряжение с электронными системами управления и системами технологической адаптации, разработано семейство механизмов с регулируемой кинематикой движений. Они представляют собой управляемые механические устройства на основе блоков порошковых муфт в сочетании с упругими и жесткими элементами в кинематической цепи. Благодаря их исключительно широким возможностям в смысле генерации рабочих движений удалось решить большинство задач механизированного нанесения покрытий.

7. На основе новых управляемых механических систем построены устройства и разработаны способы реализации рабочих движений и позиционирования инерционных узлов машин-автоматов с повышенными требованиями к плавности перемещений и фиксации, исходя из технологических особенностей процессов эмалирования.

8. На базе выполненных теоретических и экспериментальных исследований исполнительных механизмов с управляемой кинематикой движений, механизмов и устройств позиционирования, новых следящих пневмоприводов пассивного и активно-пассивного управления разработаны основы расчета и конструирования исполнительных механизмов эмалировочных машин-автоматов и манипуляторов.

9. Выполненные исследования способов нанесения покрытий, магнитоактивных элементов приводов, кинематики и динамики основных исполнительных механизмов обеспечили разработку конструкций и промышленное освоение комплекса новых эмалировочных машин автоматов и манипуляторов, перекрывающих большую часть типоразмеров эмалируемых изделий.

Все предложенные машины-автоматы и управляемые вспомогательные устройства допускают сопряжение с электронными системами управления. Это позволяет совершенствовать техпроцесс и повышать степень его автоматизации программными средствами.

10. На основе разработанного комплекса машин построены первые отечественные автоматические линии типа ЛС и ЛК, пригодные для обработки практически всей номенклатуры мало - и среднегаба-ритных эмалированных изделий. За счет автоматизации вспомога-

тельных операций и использования систем технологической адаптации появилась возможность полностью исключить ручные операции при нанесении стеклоэмалевых покрытий, сократить расход дефицитных материалов, улучшить качество продукции и существенно повысить производительность труда.

11. Результаты выполненных исследований могут служить основой для разработки и конструирования эмалировочных машин-автоматов и систем автоматизации процессов нанесения стеклоэмалевых покрытий, а также систем автоматизации процессов специальных химических производств.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В

СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Паршин Н.Д. Измеритель рабочих свойств эмалевого шликера II Стекло и керамика.-1996.-№ 6.-С.23-25

2. Паршин Н.Д. Унифицированный рабочий орган эмалировочного автомата II Стекло и керамика.-1992.-№ 6. С.З 4

3. Паршин Н.Д. Манипулятор для нанесения нудровых эмалей // Стекло и керамика.-1992.-№ 2.-С.24-25

4. Линия для эмалирования металлических изделий сложной конфигурации // В.Я. Иоффе, Н.Д. Паршин, В.А. Нудманов, М.Т. За-гуральский.-Стекло и керамика.-1996.1,2-С.42—44

5. Паршин Н.Д. Пневматический следящий привод для окрасочного робота / Новочерк. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск, 1995.-22с.-Деп. в ВИНИТИ, 03.01.96, №18-В96

6. Паршин Н.Д. Повышение динамической точности манипуляторов с контурным управлением / Новочерк. гос. техн. ун-т.- Новочеркасск, 1995.-22 с. - Деп. в ВИНИТИ, 03.01.96, №19-В96

7. Роботизированная установка для нанесения стеклоэмалевых шликеров // В.Я. Иоффе, Н.Д. Паршин, А.Н. Болтышев, С.И. Дуров.-техн. реферат-Кишинев: Техн. ун-т Молдовы, 1994.-22 с.

8. Паршин Н.Д. Вопросы позиционирования рабочих органов технологических машин-автоматов / Новочерк. гос. техн. ун-т.— Новочеркасск, 1998.-24 с. - Деп. в ВИНИТИ 15.05.98, № 23-145 / БО

9. Паршин Н.Д. Электропневматические преобразователи для следящего пневмопривода / Новочерк. гос. техн. ун-т,- Новочеркасск, 1997.-22 с. - Деп. в ВИНИТИ, 25.08.97, № 2731-В97

Ю.Паршин Н.Д. Перспективы применения робототехничсских систем в эмалированки I! Стеклозмаль и жаростойкие покрытия металлов: Тез. докл. Междунар. Научн.-техн. конф.- Новочеркасск, 1993.-С.59

11. Паршин Н.Д., Захаров В.М. Манипулятор с контурным управлением для нанесения покрытий // Стеклоэмаль и жаростойкие покрытия металлов: Тез. докл. Междунар. Научн.-техн. конф.-Новочеркасск, 1993-С.60

12. Паршин П.Д., Филимонов Е.А. Пневмопозиционные приводы промышленных роботов // Механизация горных работ: Межвуз. сб., Тула, 1983.-С. 127-133

13. Паршин Н.Д. Пневматический следящий привод / Второй Всесоюзн. съезд по теории машин и механизмов: Тез. докл. - Киев, 1982.-С. 96.

14. Паршин Н.Д. Генераторы механических колебаний на основе регулируемого привода // Проектирование механизмов машин и автоматов: Межвуз. сб. -Новочеркасск, 1979. - С. 13-20

15. Паршин Н.Д. Энергетические характеристики рабочего органа эмалировочного манипулятора // Проектирование механизмов машин и автоматов: Межвуз. сб. - Новочеркасск, ] 979. - С.62-70

16. Гончаров С.И., Паршин Н.Д., Болтышев А.Н. Механизмы прерывистого движения на основе регулируемого привода // Теория механизмов и машин: Материалы I Всесоюзного съезда. - Алма-Ата, 1977. - С. 247

17. Эмалировочный полуавтомат с программным управлением ЭП-118 / С.И. Гончаров, Н.Д. Паршин, А.Н. Болтышев, Е.А. Филимонов. - Информ. лист. Ростовского ЦНТИ. - Ростов н/Д, 1978. - № 606-78

18. Дигун О.Г., Паршин Н.Д. Обобщенные реологические характеристики эмалевого шликера: Тр. / Новочерк. политехи, ин-т.- Новочеркасск, 1974,-Т.317.-С. 132-135

19. Гончаров С.И., Дигун О.Г., Паршин Н.Д. Автоматизация процессов измерения реологических параметров эмалевого шликера: Тр./ Новочерк. политехи, ин-та. - Новочеркасск, 1974. - Т. 317,- С. 2226

20. Паршин Н.Д., Владимиров Б.Е. О выборе податливости ведомой системы эмалировочных машин-автоматов // Механизация и автоматизация в производстве эмалирования: Материалы научной конф. Стеклоэмаль и эмалирование металлов.- Новочеркасск, 1973. -Вып. I. - С. 72-74

21. Пневмогидравлические приводы с магнитореологической суспензией / С.И. Гончаров, Н.Д. Паршин, А.Н. Болтышев, Е.А. Филимонов // Гидропневмоавтоматика и гидропривод технологических

„Д -„„„,. 1О01 Г* С. 1

машип. аухч^/юэз'о. — нииич^^ла^л, и/о^. —

22. Гончаров С.И., Паршин Н.Д., Болтышев А.Н. Роботизированный комплекс для эмалирования. - Инф. лист. Ростовск. ЦНТИ. -Ростов н/Д, 1985. - № 159-85

23. Паршин Н.Д., Владимиров Б.Е., Филимонов Е.А. Моделирование работы пневматического окрасочного робота // Динамика узлов и агрегатов сельскохозяйственных машин: Межвуз. сб. Рост. иит. сель-хоз. машиностр. - Ростов н/Д, 1991. - С. 148-153

24. Дорофеев Ю.Г., Паршин Н.Д., Бердник В.М. Исследование наполнителей электромагнитных порошковых муфт / Ред. журн. Изв. Сев.-Кавказ. науч. центра высш. шк. Техн. науки. - Ростов н/Д, 1990. -18 с. - Деп. в НИИЧЕРМЕТ-информация, 10.10.90, № 5592/ЧМ.

25. A.c. 1642318 СССР, МКИ G01N. Автоматический измеритель рабочих свойств эмалевого шликера / Н.Д. Паршин, А.Н. Болтышев, В.М. Захаров. - Опубл. 15.04.91, Бюл. № 14

26. A.c. 1756380 СССР, МКИ C23D. Устройство обработки борта эмалированного изделия / Н.Д. Паршин, А.Н. Болтышев, В.М. Захаров. -Опубл. 23.08.92, Бюл. № 31

27. Заявка на полезную модель, сертификат № 8 МД, МКИ C23D. Линия для эмалирования металлических изделий / В.Я. Иоффе, Н.Д. Паршин, А.Н. Болтышев, С.И. Дуров. - Опубл. в Офиц. бюл. пром. собств. - Кишинев, Молдова, 1994. - № 12

28. A.c. 537123 СССР, МКИ C23D. Рабочий орган устройства для эмалирования / С.И. Гончаров, А.Н. Болтышев, Н.Д. Паршин. -Опубл. 30.11.76, Бюл. №44

29. A.c. 623907 СССР, МКИ C23D. Рабочий орган устройства для эмалирования / С.И. Гончаров, Н.Д. Паршин, А.Н. Болтышев. -Опубл. 15.09.78, Бюл. № 34

30. A.c. 924537 СССР, МКИ G01M. Нагружатель / С.И. Гончаров, Н.Д. Паршин, А.Н. Болтышев. - Опубл. 30.04.82, Бюл. № 16

31. A.c. 908949 СССР, МКИ C23D. Устройство для нанесения пудровой эмали / С.И. Гончаров, Н.Д. Паршин, А.Н. Болтышев, Б.Е. Владимиров. - Опубл. 28.02.82, Бюл. № 8

32. A.c. 1576303 СССР, МКИ B25J. Промышленный робот / Н.Д. Паршин, А.Н. Болтышев, В.М. Захаров. - Опубл. 07.07.90, Бюл. № 25

33. A.c. 1491911 СССР, МКИ C23D. Эмалировочный полуавтомат с технологической адаптацией / С.И. Гончаров, Н.Д. Паршин, А.Н. Болтышев. - Опубл. 07.07.89, Бюл. № 25

34. A.c. 1550233 СССР, МКИ F15B. Электропневматический преобразователь / Н.Д. Паршин, А.Н. Болтышев, В.М. Захаров. - Опубл.

1 Г Г\ ^ Г\Г\ Г-V . ИГ. 1Л

и.иэ.уи, шил. JNy 1U

35. A.c. 1317406 СССР, МКИ G05D. Регулятор давления с электрическим управлением / С.И. Гончаров, Н.Д. Паршин, А.Н. Болты-шев. - Опубл. 15.06.87, Бюл. № 22

36. A.c. 1211495 СССР, МКИ F16K. Пневматический дроссель / С.И. Гончаров, Н.Д. Паршин, А.Н. Болтышев. - Опубл. 15.02.86, Бюл. №6

37. A.c. 1527420 СССР, МКИ F15B. Следящий позиционный пневмогидропривод / Н.Д. Паршин, А.Н. Болтышев, В.М. Захаров. -Опубл. 07.12.89, Бюл. № 45

38. A.c. 562697 СССР, МКИ F16D. Ферромагнитный наполнитель для электромагнитных порошковых муфт / С.И. Гончаров, Н.Д. Паршин, А.Н. Болтышев, Н.Д. Филатова. - Опубл. 25.06.77, Бюл. № 23

39. A.c. 1668770 СССР, МКИ F16D. Ферромагнитный наполнитель для ферромагнитных порошковых узлов / С.И. Гончаров, Н.Д. Паршин, А.Н. Болтышев, В.М. Бердник. - Опубл. 07.08.91, Бюл. № 29

40. A.c. 910844 СССР, МКИ C23D. Устройство регулирования системы облива / С.И. Гончаров, Н.Д. Паршин, А.Н. Болтышев, Е.А. Филимонов. - Опубл. 07.03.82, Бюл. № 9

41. A.c. 994816 СССР, МКИ F15B. Позиционный пневмогидрав-лический привод / С.И. Гончаров, Н.Д. Паршин, А.Н. Болтышев, Е.А. Филимонов. - Опубл. 07.02.83, Бюл. № 5

■о

(Н ОЬ в 9 ''%/^Л

МИНИСТЕРСТВО, ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ НОВОЧЕРКАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

</Л— •—

у

^ „ 0 ^ ' на правах рукописи

. / У; ' Я' Л ■ 'О .

МУ I / I } / Л А ' -О

ПАРШИН Николай Дмитриевич

МЕХАНИКА МАШИН-АВТОМАТОВ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ СТЕКЛОЭМАЛЕВЫХ ПОКРЫТИЙ

05.04.09 "Машины и агрегаты нефтеперерабатывающих и химических производств"

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Новочеркасск, 1998 г.

АННОТАЦИЯ

В работе описаны основные этапы разработки теории и принципов конструирования новых машин-автоматов и робототехнических устройств, предназначенных для комплексной автоматизации процессов нанесения стеклоэмалевых и защитных покрытий на изделия сложной конфигурации.

Описаны результаты аналитических и экспериментальных исследований процессов формирования шликерного покрытия на подложке, сформулированы основные технические требования, предъявляемые к проектированию эмалировочных машин-автоматов и манипуляторов.

Описаны конструкции группы новых машин-автоматов, позволяющих осуществить комплексную автоматизацию основных процессов нанесения стеклоэмалевых покрытий и исключить ручные операции на трудоемких процессах эмалировочного производства.

В работе приведены результаты исследований по совершенствованию управляемых порошковых муфт, на основе которых построены рабочие органы с регулируемой кинематикой эмалировочных манипуляторов, поддающиеся сопряжению с микропроцессорными системами управления.

Работа содержит теоретические и экспериментальные исследования кинематики и динамики управляемых исполнительных устройств машин-автоматов с учетом ограничений, наложенных особенностями технологии эмалирования. Приведены результаты исследований механики автоматических машин, построенных на основе следящего пневмопривода с пассивным и активно-пассивным управлением. Описаны конструкции и динамические характеристики новых элементов регулируемого пневмопривода -электропневматических преобразователей, позволяющих реализовать высококачественный следящий привод, пригодный для технологических эмалировочных манипуляторов с контурным управлением. Рассмотрены методы улучшения динамических характеристик приводов эмалировочных машин-автоматов и манипуляторов.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ...................................................7

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................11

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РЕАЛИЗАЦИИ МАШИННОГО ПРОЦЕССА НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ..............17

1.1. Общая характеристика процесса нанесения стеклоэмалевого покрытия................................................................................................17

1.2. Реологические свойства шликера и их влияние на технологический процесс.....................................................................19

1.3. Автоматическая коррекция рабочих свойств эмалевого шликера.... 26

1.3.1. Основные факторные зависимости рабочих свойств шликера.... 26

1.3.2. Шликер как объект автоматической коррекции.........................30

1.3.3. Реализация факторного управления рабочими характеристиками шликера...........................................................32

1.3.4. Автоматическое измерение рабочих свойств шликера................34

1.4. Исследование процессов нанесения стеклоэмалевых покрытий по интенсивной технологии.......................................................................39

1.4.1. Влияние внешних сил на формирование шликерного слоя.........39

1.4.2. Исследование способов нанесения стеклоэмалевого

покрытия на изделие......................................................................42

1.4.2.1. Вращение вокруг оси...............................................................42

1.4.2.2. Планетарное движение............................................................44

1.4.2.3. Одномерные крутильные колебания......................................46

1.4.2.4. Одномерная вибрация.............................................................47

1.4.2.5. Одномерные крутильные колебания в переносном движении...................................................................................49

1.4.2.6. Многомерное силовое воздействие........................................51

1.5. Машинный технологический процесс нанесения шликерного

слоя........................................................................................................55

1.5.1. Базовые циклограммы эмалировочных автоматов......................55

1.5.2. Динамические ограничения на передвижение изделий................57

1.5.3. Технические требования к эмалировочным машинам-автоматам.......................................................................................64

2. ПРЕДЛАГАЕМЫЕ МАШИНЫ-АВТОМАТЫ.......................................67

2.1. Унифицированный рабочий орган эмалировочного автомата.........67

2.2. Силовой модуль серии ЭП...................................................................72

2.3. Эмалировочный комплекс РТК-118Э.................................................75

2.4. Автомат для обработки крупногабаритных изделий ЭП-122СМ.....78

2.5. Установка для нанесения пудровых эмалей РТК-120ПУ...................82

2.5.1. Манипулятор для рассеивания пудровой эмали МКУ-120П......83

2.5.1.1. Система следящей разгрузки статических сил.......................88

2.5.1.2. Система непрерывной подачи пудровой эмали.....................90

2.5.2. Позиционер ПК-120П...................................................................91

2.6. Автоматическая линия по производству эмалированных изделий ЛС-220Э.................................................................................................94

2.7. Автомат для эмалирования стальных изделий методом пульверизации МКУ-6Э.......................................................................98

2.8. Устройства технологической доработки покрытия..........................104

2.8.1. Устройство доработки сырого покрытия...................................105

2.8.2. Устройство доработки борта обожженного изделия.................105

2.9. Система управления МКУ-6Э-СУ....................................................109

2.9.1. Функциональная схема системы управления..............................110

2.9.2. Устройство записи-воспроизведения программного задания (УЗВ).............................................................................................112

2.9.3. Следящая система (СС) отработки программного задания.......112

3. ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТОАКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

ПРИВОДОВ МАШИН-АВТОМАТОВ.................................................116

3.1. Магнитоактивные элементы электромагнитных порошковых

муфт.....................................................................................................116

3.1.1. Особенности применения электромагнитных порошковых

муфт в машинах-автоматах........................................................116

3.1.2. Конструкции ЭПМ.....................................................................119

3.1.3. Наполнители ЭПМ и их характеристики...................................122

3.1.4. Магнитные свойства наполнителей ЭПМ..................................128

3.1.5. Стабильность рабочих характеристик наполнителей................135

3.1.6. Статические и динамические характеристики ЭПМ..................146

3.1.7. Порошковые муфты с повышенным быстродействием.............151

3.2. Магнитореологические суспензии как рабочие среды

пневмоприводов..................................................................................156

3.2.1. Основные реологические свойства MPC....................................158

3.2.2. Магнитореологические дроссели, их статические и динамические характеристики....................................................163

4. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ И ПРИВОДЫ ЭМАЛИРОВОЧНЫХ МАШИН-АВТОМАТОВ...................................168

4.1. Исследование исполнительных механизмов эмалировочных автоматов............................................................................................168

4.1.1. Кинематика и динамика рабочих органов с жесткими звеньями.......................................................................................169

4.1.2. Кинематика и динамика рабочих органов с последовательными упругими элементами...............................181

4.1.3. Кинематика рабочих органов с параллельными упругими элементами...................................................................................187

4.1.4. Энергетические потери в приводах рабочих органов............188

4.2. Исследование процессов позиционирования рабочих органов машин-автоматов...............................................................................195

4.2.1. "Жесткое " позиционирование...................................................197

4.2.2. "Мягкое" позиционирование рабочих органов..........................206

4.3. Методы повышения динамической точности приводов эмалировочных автоматов.................................................................216

4.4. Исследование пневматических приводов и устройств

эмалировочных автоматов.................................................................235

4.4.1. Следящие пневмоприводы активного управления в эмалировочных автоматах..........................................................237

4.4.1.1. Исследование работы пневмопривода кисти (проточная схема)......................................................................................241

4.4.1.2. Исследование пневмопозиционного привода с импульсным управлением......................................................248

4.4.2. Пассивное управление в следящем пневмоприводе...................255

4.4.2.1. Общие характеристики пневмоприводов пассивного управления..............................................................................256

4.4.2.2. Пневмоприводы с самоулучшающейся программой..........261

4.4.3. Пневмоприводы с активно-пассивным управлением................279

4.4.3.1. Методы улучшения реверсивных свойств............................279

4.4.3.2. Процессы управления движущим усилием...........................285

4.4.4. Электропневматические преобразователи..................................290

4.4.4.1. Конструкции ЭПП................................................................291

4.4.4.2. Динамические свойства ЭПП...............................................307

4.4.5. Пневматические регулируемые системы облива эмалировочных автоматов..........................................................315

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................323

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..........................................................................326

ПРИЛОЖЕНИЕ...........................................................................................337

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из главных задач технического прогресса является автоматизация трудоемких технологических процессов с целью повышения производительности труда, повышения качества продукции и снижения ее себестоимости. Это требует разработки и создания высокоэффективного автоматического оборудования, совместимого с современными средствами управления.

Процессы нанесения стеклоэмалевых покрытий на изделия сложной формы характеризуются высокой трудоемкостью, широким распространением ручных операций и трудно поддаются автоматизации. Несмотря на массовый характер продукции, автоматические линии в эмалировочном производстве полностью отсутствовали вплоть до последнего времени.

Диссертационная работа является результатом участия автора в реализации научно-технических программ ГКНТ СССР, отраслевых программ МИНЧЕРМЕТа СССР, комплексной программы "Теория и принципы создания машин-автоматов, роботов и ГАУ" МИНВУЗа РФ, а также ряда НИР, выполнявшихся на договорной основе и по бюджетным программам ВУЗа.

Цель работы. Разработка научных основ для создания средств комплексной автоматизации процессов нанесения стеклоэмалевых покрытий на изделия сложной формы.

Научная новизна работы.

1. На основе анализа технологического процесса сформулированы требования к исполнительным механизмам эмалировочных машин-автоматов и манипуляторов и определены диапазоны параметров необходимых рабочих движений.

2. Определены характеристики эмалевого шликера как объекта автоматического регулирования и разработаны основы автоматической коррекции его рабочих свойств.

3. Разработана теория рабочих органов и исполнительных механизмов эмалировочных автоматов с регулируемой кинематикой рабочих движений, построенных на основе управляемых механических систем, совместимых с системами технологической адаптации.

4. Обоснована возможность реализации следящих приводов технологических машин-автоматов с высокими динамическими характеристиками на основе пневмосистем низкого давления с пропорциональным управлением.

5. Обоснованы принципы построения механизмов позиционирования машин-автоматов со специальными требованиями к кинематике рабочих движений.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

1. Разработаны и внедрены в производство унифицированные конструкции рабочих органов машин-автоматов с управляемой кинематикой и элементами технологической адаптации, допускающие сопряжение с электронными системами управления.

2. Разработаны и освоены новые магнитоактивные материалы для регулируемых приводов машин-автоматов.

3. Разработаны и внедрены в производство пневматические следящие приводы машин-автоматов с улучшенными динамическими характеристиками.

4. Разработаны и испытаны два типа новых манипуляторов с контурным управлением для нанесения стеклоэмалевых покрытий на крупногабаритные изделия методом напыления и опудривания.

5. Разработаны, построены и впервые внедрены в производство три роботизированные линии, ряд машин-автоматов и робототехнических комплексов для нанесения стеклоэмалевых покрытий на изделия сложной формы.

6. Годовой экономический эффект от одной роботизированной линии составляет 200 тыс. рублей (в ценах 1988г.).

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались

на:

- Всесоюзных совещаниях по методам расчета механизмов машин-автоматов, г. Львов, 1968, 1971, 1976, 1979 гг.

- Республиканской научной конференции "Стеклоэмаль и эмалирование металлов", г. Новочеркасск, 1973 г.

- I и II Всесоюзных съездах по ТММ, г. Алма-Ата, 1977 г. и г. Одесса, 1982 г.

-Х1У Всесоюзном совещании "ПНЕВМОАВТОМАТИКА", г. Новочеркасск, 1982 г.

- Всесоюзной конференции по робототехнике, г. Ленинград, 1983 г.

- Международной научно-технической конференции "Стеклоэмали и жаростойкие покрытия", г. Новочеркасск, 1993 г.

- Научно-технических совещаниях МИНЧЕРМЕТа СССР, в 1970 ... 1987 гг.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 61 работе, в том числе 30 авторских свидетельствах на изобретение.

В диссертации защищается:

1. Обоснование технологических условий реализации машинного процесса нанесения покрытий.

2. Теория и конструкции исполнительных органов машин-автоматов и технологических роботов для воспроизведения регулируемого силового поля на основе управляемых механических устройств.

3. Результаты исследований магнитоактивных элементов регулируемых приводов и конструкции на их основе.

4. Результаты исследований и конструкции приводов механизмов позиционирования эмалировочных машин-автоматов и манипуляторов с учетом ограничений, обусловленных особенностями технологии.

5. Результаты исследований и конструкции силовых пневматических устройств с пропорциональным управлением для регулируемого привода технологических машин-автоматов.

6. Методы улучшения динамических свойств приводов эмалировочных машин-автоматов и манипуляторов.

11

ВВЕДЕНИЕ

Автоматизация производственных процессов является одним из основных средств технического прогресса, без которого невозможны высокие темпы роста производительности труда. Развитие исследований в области автоматизации производства, в том числе разработка теории и принципов создания новых машин, относится к наиболее важным задачам прикладной науки.

Автоматизация производства включает комплекс мероприятий по разработке новых технологических процессов и созданию производительных автоматически действующих машин. Разработка технологических машин-автоматов является определяющим этапом автоматизации. Однако успешное решение задач автоматизации невозможно без критического пересмотра всего производственного процесса, без подчинения технологии задачам автоматизации.

Мощным средством повышения эффективности автоматических машин является использование при их создании достижений робототехники, электроники, теории и практики автоматического управления, микропроцессорной техники, управляемых приводов. Построенные на этих принципах управляемые механические системы могут существенно превосходить традиционные машины-автоматы, построенные на чисто механических принципах, по универсальности, надежности, по возможностям технологической адаптации и унификации. Тем не менее, базовой основой автоматических машин была и остается механика, рационально спроектированные управляемые механические устройства.

В создании машин-автоматов, автоматических линий и робототехни-ческих систем отечественная наука имеет значительные достижения. Первые автоматические линии и роторные автоматы разработаны в нашей стране еще в 30-е годы, и тогда же начала создаваться теоретическая база для проектирования машин-автоматов.

Теории и расчету средств автоматизации посвящены известные труды И.И. Артоболевского / 1 /, Б.Н. Бежанова и В.Т. Бушунова / 2 /, П.Н. Беля-нина / 3 /, А.П. Владзиевского / 4 /, Л.И. Волчкевича / 5 /, И.И. Капустина / 6 /, Э.Э. Кольмана-Иванова / 7 /, Л.Н. Кошкина / 8 /, Л.В. Петрокаса / 9 /, Г.А. Шаумяна /10 / и др.

Изучение опыта и достижений автоматизации металлообработки, легкой, пищевой, текстильной, полиграфической отраслей промышленности представляет большой интерес и облегчает решение задач автоматизации процессов эмалирования. Особое значение имеет опыт создания высокопроизводительных многопозиционных роторных автоматов.

Эмалированные изделия находят широкое применение в различных отраслях промышленности и в быту. Это элементы химической аппаратуры, детали холодильников, стиральных машин, газовые и электрические плиты, посуда, сантехнические изделия: ванны, раковины, строительные отделоч