автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Обоснование функциональных параметров вибророторного автоматического загрузочного устройства

На правах рукописи

ЧУ КУОК ТХУАН

ОБОСНОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВИБРОРОТОРНОГО АВТОМАТИЧЕСКОГО ЗАГРУЗОЧНОГО УСТРОЙСТВА

Специальность 05.02.02-Машиноведение, системы приводов и детали машин

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

7 НОЯ 2013

005537247

Тула 2013

005537247

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» на кафедре механики пластического формоизменения.

Научный руководитель: Усенко Николай Антонович

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

Официальные оппоненты: Кристаль Марк Григорьевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет», профессор кафедры «Автоматизация производственных процессов»;

Чукова Ольга Владимировна, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», кафедра «Математическое моделирование», доцент.

Ведущая организация: ОАО «Конструкторское бюро автоматических ли-

ний»

им. Л.Н. Кошкина (г. Климовск, Московской обл.).

Защита состоится 4 декабря 2013 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.271.10 при Тульском государственном университете по адресу: 300012, г. Тула, просп. Ленина, д. 92, (уч. корп. 9, ауд. 101).

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

Автореферат разослан 31 октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Крюков Владимир Алексеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время одним из актуальных вопросов является широкое внедрение в различные отрасли промышленности средств механизации и автоматизации технологических процессов. Благодаря этому повышаются производительность, качество продукции, безопасность работы, облегчается труд, улучшаются условия труда рабочих.

Одними из наиболее распространенных узлов технологических машин являются автоматические загрузочные устройства (АЗУ). Эти устройства обеспечивают автоматическую загрузку машин-автоматов и автоматических линий штучными предметами обработки и являются одними из наиболее совершенных современных устройств, объединяющих потоки материала, энергии и информации и обеспечивающих получение качественной продукции в течение определенного промежутка времени без участия человека.

На сегодняшний день представляет интерес АЗУ следующего поколения-вибророторное автоматическое загрузочное устройство (ВРАЗУ), созданное на базе вибрационных загрузочных и роторных устройств. ВРАЗУ позволяет перейти к новому уровню производительности, возможности автозагрузки сложных предметов обработки. Этот тип АЗУ, воплотивший в себе достоинства АЗУ вибрационного и роторного типов, несомненно, представляет собой автоматическое загрузочное устройство нового поколения, технологические и технические возможности которого далеко еще не раскрыты полностью.

Конструктивные исполнения ВРАЗУ могут быть многовариантными в зависимости от производительности устройства, типа предмета обработки и способа ориентирования, захвата и выдачи: борт бункера может принадлежать бункеру; борт принадлежит реактивной части вибропривода; борг - кольцо, свободно посаженное в паз бункера; борт не связан с вибророторным автоматическим загрузочным устройством.

В первом случае вибророторное автоматическое загрузочное устройство можно применять для автозагрузки машин-автоматов, автоматических линий в массовом производстве на операциях счета, контроля, сборки и др.. Исследование процессов функционирования ВРАЗУ, когда борт является принадлежностью бункера, в части подготовки к захвату и процессе захвата предмета обработки является важной актуальной задачей.

Цель работы. Обеспечение заданной производительности вибророторного автоматического загрузочного устройства на основе научно обоснованного выбора направления и величины скорости виброперемещения предмета обработки, а также времени его захвата захватными органами.

Для достижения указанной цели в работе поставлены следующие задачи исследования.

1. Разработать математическую модель, описывающую процесс подготовки предмета обработки к захвату, и вычислительную программу для определения относительной скорости предмета обработки с наличием реверса при его перемещении у борта ВРАЗУ, когда борт является принадлежностью бункера.

2. Разработать математические модели процесса безударного захвата и процесса захвата предмета обработки с учетом возможных ударов в ВРАЗУ и

вычислительную программу для определения времени захвата предмета обработки.

3. Провести параметрический анализ процессов перемещения предмета обработки у борта бункера ВРАЗУ и его захвата.

4. Разработать экспериментальный комплекс для определения параметров вращения, вибрации бункера, относительной скорости и времени захвата.

5. Разработать инженерную методику проектирования ВРАЗУ с заданной производительностью с учетом возможного реверса относительной скорости перемещения предмета обработки у борта бункера.

Объект исследования. Вибророторное автоматическое загрузочное устройство, в котором борт является принадлежностью бункера.

Предмет исследования. Процессы подготовки к захвату и захвата предметов обработки в вибророторном автоматическом загрузочном устройстве.

Методы исследования. Теоретическое исследование базируется на использовании законов теоретической механики и основных положениях теории удара для разработки математических моделей. Решение дифференциальных уравнений на ЭВМ осуществляется численным методом Рунге - Кутга на основе разработанных алгоритмов.

Экспериментальные исследования проводились в лаборатории кафедры МПФ ТулГУ с использованием: ВРАЗУ, в основе которого электропривод с раздельным возбуждением вибраций; фотодатчика; индуктивного датчика; платы усиления, детектирования и фильтрации; платы ЛА-2ШВ; фотокамеры Sonv HDR-CX200E и ЭВМ.

Научная новизна работы. Установлена взаимосвязь между геометрическими, кинематическими параметрами, параметрами вибрации бункера вибророторного автоматического загрузочного устройства и относительной скоростью перемещения предмета обработки у борта, когда борт является принадлежностью бункера, в процессах подготовки предмета обработки к захвату и его захвата при наличии реверса относительной скорости.

Основные научные результаты диссертации, выносимые на защиту, включают:

1. Математические модели перемещения предмета обработки у борта бункера при наличии реверса его относительной скорости перемещения, процесса безударного захвата и захвата с ударом;

2. Параметрический синтез процесса перемещения предмета обработки у борта бункера и параметрический анализ процесса безударного захвата и захвата с ударом;

3. Оригинальный экспериментальный комплекс, созданный для определения параметров вращения и вибрации бункера, измерения относительной скорости предмета обработки и его времени захвата;

4. Рекомендации и инженерную методику проектирования ВРАЗУ с требуемой производительностью на базе исследований процессов подготовки предметов обработки к захвату и захвата.

Достоверность основных научных выводов обеспечивается использованием теоретических зависимостей, допущений, математической постановкой

проводимых исследований. Расчеты осуществляются численным методом с помощью ЭВМ и рассчитанные параметры сравниваются с результатами натурного экспериментального исследования, отклонение между ними не более 10 %.

Практическая значимость. Разработанные математические модели позволяют определить относительную скорость перемещения предмета обработки у борта с реализацией реверса, время его захвата с учетом изменения параметров колебаний, угловой скорости ротора и обеспечить заданную производительность —а. Разработана методика определения параметров функционирования

Реализация результатов работы. Математические модели и результаты экспериментальных исследований процесса перемещения предмета обработки и процесса его захвата приняты к внедрению в практике автоматизации технологических процессов на ООО «ТПЗ-Рондоль», а также используются в учебном процессе на кафедре МПФ ТулГУ при выполнении лабораторных работ.

Апробация работы. Основные научные положения диссертации, результаты разработок, теоретических и экспериментальных исследований докладывались на Международной научно-технической конференции «АПИР - 16»(г Тула, ТулГУ, 2011г.); на X Международной научно-технической конференции «Вибрация -2012», «Управляемые вибрационные технологии и машины»(г. Курск, Юго-Зап. гос. университет) и на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ в 2010-2012 гг.

Публикации. По теме диссертации автором опубликованы 8 научных работ, в том числе 3 статьи - в ведущих рецензируемых научных изданиях, входящих в Перечень ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и общих выводов, списка использованных источников из 85 наименований и приложений. Общий объем работы составляет 142 страницы, в том числе 62 рисунка и 11 таблиц. Объем приложений составляет 8 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой в работе научно-технической задачи, сформулированы цель работы, положения, выносимые на защиту, научная новизна, методы исследования, практическая ценность и реализация работы, приведены данные об апробации работы, публикациях, структуре и объеме диссертационной работы и краткое содержание разделов диссертации.

В первой главе рассмотрено состояние вопроса при обзоре исследований вибрационных и роторных устройств, на основе которых создано вибророторное автоматическое загрузочное устройство. Вопросом расчета и проектирования ВЗУ большое внимание уделено в работах И.И. Блехмана, А.Н. Малова, Н.И. Камышного, М.В. Медвидя, Д.Д. Малкина, В.Ф. Прейса, В.А. Повидайло, А.Н. Рабиновича, H.A. Усенко, И.С. Бляхерова, Ю.Л. Маткина, A.A. Иванова и многих других авторов.

Решение задач, связанных с исследованием роторных загрузочных устройств, базируется в основном на работах ученых Л.Н. Кошкина, И.А. Клу-сова, В.В. Прейса. Обзор показал, что автоматические роторные линии (APJI) и роторно-конвейерная линия (АРКЛ) имеют большие перспективы внедрения в

различные отрасли промышленности. В настоящее время АРКЛ имеет производительность до 1200 шт./мин, но для предметов обработки относительно простых по степени сложности и автоматическая загрузка осуществляется роторными механическими загрузочными устройствами. Для обеспечения и расширения возможности автозагрузки широкого класса по степени сложности предметов обработки в АРКЛ с большей производительностью требуется создать загрузочное устройство следующего поколения. На основе анализа теоретических и практических работ в области автоматической загрузки предложено оригинальное устройство - ВРАЗУ, в котором соединены достоинства роторных устройств механического типа и стационарных вибрационных загрузочных устройств.

Решение задач, связанных с исследованием ВРАЗУ, базируется в основном на работах H.A. Усенко, Л.А. Свинаренко, О.О. Чуковой, Л.Ф. Анчишкиной, A.B. Фалдина, А.Б. Зайцева, Ле Динь Шона.

В известных научных работах и патентных документах вопросы проектирования и разработки вышеуказанного устройства еще недостаточно изучены. Дальнейшей задачей является исследование ВРАЗУ в других конструктивных вариантах с вариацией параметров функционирования с целью разработки рекомендаций для его проектирования.

Во второй главе дано описание конструкции вибророторного автоматического загрузочного устройства, его основных технических характеристик и принципа работы. Разработана математическая модель процесса перемещения предмета обработки у борта, когда борт является принадлежностью бункера.

Вибророторное автоматическое загрузочное устройство позволяет загружать широкую гамму предметов обработки с размерами не более 50 мм и массой до ОД кг.

Процесс перемещения предмета обработки у борта рассматривается, когда бункер ВРАЗУ совершает следующие движения:

- вращается с постоянной угловой скоростью со = сое1 вокруг вертикальной оси симметрии;

- совершает вертикальные колебания вдоль вертикальной оси симметрии

по закону т] = Л8ш(Пг + б) где Q = 314 с~1-круговая частота вынужденных колебаний бункера при f -50 Гц;

- совершает крутильные колебания вокруг вертикальной оси симметрии по закону ß = В sin(Qf).

При исследовании процесса перемещения предмета обработки у борта бункера рассматривается безотрывный режим движения (! = 0и; = 0),а реальный предмет обработки - как материальная точка расположена в центре массы предмета обработки и масса которой равна его массе. Эти допущения реальны в том случае, если предмет обработки устойчиво перемещается у борта бункера. Кроме того, считаем, что площадка бункера у борта является горизонтальной.

Схема сил, действующих на материальную частицу при её перемещении у борта бункера, показана на рис. 1. Для изучения перемещения частицы выбираем систему координат 0, р, у, г. При этом предмет обработки всегда находится в контакте с бортом, поэтому р = R.

У/////1

Рис. I. Схема сил, действующих на предмет обработки у борта бункера ВРАЗУ Дифференциальное уравнение, описывающее относительное движение предмета обработки у борта бункера ВРАЗУ, представляется в виде

у = В02 БтОг-цХ

т

у2 + со2 + 2соу + В2П2 сое2 +

(1)

где у- угловое относительное ускорение предмета обработки, рад/с2; у - угловая относительная скорость предмета обработки, рад/с.

Условие существования движения предмета обработки в тангенциальном направлении относительно борта вытекает из уравнения (1)

Гсо2+В2П2+^-^|. (2)

Я К

ВО.1 >ц

На основе решения уравнения (1) построены зависимости относительной скорости Уср перемещения предмета обработки у борта от радиуса бункера Я,

фазового угла с для различных угловых скоростей бункера, амплитуд верти-

кальных А и крутильных В колебаний (рис. 2-5).

У ЛЯ 3}0 340е(град.)

Рис. 2. Зависимость относительной скорости предметов обработки у борта от фазового угла 8 и угловой скорости бункера со (Л = 0,06 лш,В = 0,007рад, Я = 200 лш, Ц = 0,2): 1- о = 0 рад/с; 2- <0 = 3 рад/с; 3- со = 5 рад! с; 4- со = 7 рад/ с; 5- со = 9 рад/с

Рис. 3. Зависимость относительной скорости предметов обработки у борта от фазового угла £ для различных амплитуд А (а = 6рад/с ,В = 0,006рад, « = 200 мм, ц = 0,2): 1 -А=0,03 мм; 2-А=0,06мм; 3 — А=0,09 мм

Угр, и*.';

^ср.мм/с

Рис. 5. Зависимость относительной скорости предметов обработки у борта от радиуса бункера Д при разных значениях угловой скорости бункера со ( А = 0,06 леи, ц = 0,2 ,

£ = 0,006 рад = 90°):I - со = 0 рад/с; 2-ю = 2 рад/с; 3 - <в = 4 рад/с; 4- со = 6 рад!с; 5- со = 8 рад!с

Рис. 4. Зависимость относительной скорости предметов обработки у борта от фазового угла С яры разных значениях амплитуд крутильных колебаний В (А- 0,06 мм,

/2 = 200 мм, ц = 0,2, со = 6рад!с):

1- В - 0,004 рой; 2- В = 0,006 рад ;

3- В = 0,008 рад

В результате выявлено, что существенное влияние на величину скорости перемещения предмета обработки и ее направление оказывает фазовый угол колебаний. При е = 90° и г = 270° относительная скорость предмета обработки имеет максимум (см. рис. 2-4). Отметим следующее:

при 8 = 90°, Л = 0,2 м, ц = 0,2, со = 3—10 рад/с, В = 0,002...0,01рад, А = 0,03...0,09 мм (направление виброперемещения предмета обработки в вращения бункера встречное) относительная скорость предмета обработки Уср изменяется в диапазоне: 24...364 мм/с;

при 8 = 270°, Я = 0,2 м, ц = 0,2, ш = 3...б рад/с, В = 0,002...0,01рад, А = 0,03...0,1 мм (направление виброперемещения предмета обработки и вращения бункера попутное) относительная скорость предмета обработки Уср изменяется в диапазоне: 0...304 .им!с. При угловой скорости вращения бункера ю >7 рад/с направление виброперемещения предмета обработки и вращения бункера не будет попутным и предмет обработки может прижаться к борту.

В третьей главе проведены исследования процесса захвата предмета обработки в захватные органы ВРАЗУ. Рассмотрено решение задачи плоского круглого предмета обработки в захватные органы (окно). В зависимости от зазора между предметом и стенками захватного органа может возникать в процессе захвата удар предмета обработки о стенку. Рассмотрены два варианта: безударный процесс захвата и процесс захвата с ударом.

Первый вариант — безударный процесс захвата

Предмет обработки круглой формы диаметром с!П0 переместится в захватный орган (окно) под действием центробежной и Кориолисовых сил инерции. Движение предмета обработки складывается из двух составляющих: радиальной и тангенциальной. Величина скорости предмета обработки должна быть такой, чтобы при перемещении на величину АЬ + 0,5(1 П0 в тангенциальном

направлении предмет обработки успел переместиться в радиальном направлении на величину Л/г, обеспечивающую условие захвата предмета обработки (рис. 6),

2 ¿ПО

t Ab + Q,5dno (

1 V ' 2 w

r хер ->* yep

где Ухср - средняя скорость в радиальном направлении; Ууср - средняя относительная

скорость в тангенциальном направлении. Условие захвата: ^ <'] • Для изучения этого процесса выбираем систему координат, связанную с бункером (вибрирующим и вращающимся): 0, у, р, г. Здесь р = Я + х, где К - наибольший радиус бункера. На рис. 7 показана схема сил, действующих на предмет обработки при безударном захвате.

Рис. 6. Схема западания предмета обработки в захватный орган

ъ ¡-к.

о

/7У//7

Рис. 7. Схема сил, действующих на предмет обработки при безударном захвате Дифференциальное уравнение относительного движения частицы в векторной форме имеет вид

та = Р + N + + F^ + F^ + Fklx +

4

e2

(3)

+ F k2x + FtPx + FTpy + Fkly + Fkly + Fx

Преобразуем это уравнение аналогично процессу перемещения предмета обработки у борта, в результате получим окончательные дифференциальные уравнения, описывающие относительное движение частицы в радиальном х и в тангенциальном направлениях у:

у = рШ2 sin Qí - 2со Vx - 2ВО. Vx cos П/-ц - Vy . (g - AO2 sin(Qt + s)), (4)

* = рш2 + рВ2П2 соэ2 Ш + 2Уут + 2УуВ£1созЫ -

-Ц

Ф

На основе решения уравнений (4) и (5) проведен параметрический синтез процесса безударного захвата, результаты которого показаны на рис. 8-11.

То.,«

Рис. 8. Зависимость времени захвата Тзах

от угловой скорости бункера со при А = 0,06 ММ, В = 0,007 рад, г = 270°, ц = 0,2

Тш.с

о.н ■

0,05? о.йЭ 0,055 0.08

Рис. 9. Зависимость времени захвата Тзах от коэффициента трения ц при А = 0,06 мм, В = 0,007 рад, 6 = 90°, д = 0,2, со = 6 рад!с

о 0,1X2 0,004 С.006 0.058 0-01 В,рЫ

Рис. 10. Зависимость времени захвата Тзах от амплитуды крутилышх колебаний. В для различных амплитуд А (е = 90°, ® = 6 рад/с, ц = 0,2): I- А = 0,04 мм; 2- А = 0,06 мм;3- А = 0,08 мм

о О.м: 0.004 0,006 0,008 О.ен В.рдд

Рис. 11. Зависимость времени захвата Туах от амплитуды крутильных колебаний В для разли чных амплитуд А (е = 270", со = 4 рад/с, ц = 0,2):1- А = 0,05мм; 2- А = 0,06 мм;3- Л = 0,08 мм

Из рис. 8 очевидно, что время захвата предмета обработки уменьшается с увеличением угловой скорости бункера. Это обусловлено увеличением центробежной силы при вращении бункера. Графики рис. 10 показывают, что при

встречном направлении (е = 90°) виброперемещения предмета обработки и вращения бункера время захвата увеличивается с увеличением амплитуд крутильных и вертикальных колебаний, соответственно уменьшается возможная производительность устройства. А при попутном направлении (е = 270°) виброперемещения предмета обработки и вращения бункера, наоборот, время захвата уменьшается с увеличением амплитуд крутильных и вертикальных колебаний

(рис. 11), соответственно увеличивается возможная производительность устройства.

Второй вариант - процесс захвата с ударом.

Если величина АЬ + 0,5¿/уне обеспечивает безударный захват, то происходит процесс захвата с ударом. Предмет обработки перемещается к стенке захватного органа, ударяется о стенку и движется обратно к другой стенке, процесс повторяется, и возможен случай, когда предмет обработки прижат к одной стенке и движется относительно неё. Поэтому для исследования ударного процесса захвата удобно разбить движение предмета обработки на два случая:

1) предмет обработки движется на интервале между соударениями;

2) предмет обработки прижат к одной из стенок канала (без удара) и движется относительно от борта.

При исследовании удара используются два известных соотношения:

- соотношение нормальных составляющих иу, \у скоростей (рис. 12)

чу=-кау, (6)

где к — коэффициент восстановления (0 < к < 1);

- тангенциальная составляющая ударного импульса пропорциональна его нормальной составляющей, при этом в качестве коэффициента пропорциональности принимается коэффициент / сухого трения:

*х-«х=±/(»у-иу), (7)

где их, \х- тангенциальные составляющие скоростей предмета обработки до и после удара.

Знак «+» или «-» в правой части (7) выбирается по знаку величины их с учетом того, что ударные взаимодействия всегда приводят к уменьшению относительной скорости движения соударяющихся тел.

Рис. 12. Схема скоростей до и после удара Уравнения, описывающие движение предмета обработки на интервале между соударениями, такие же, как при безударном захвате.

На рис. 13 представлена схема сил, действующих на предмет обработки при прижатии к стенке захватного органа.

Нормальная реакция стенки захватного органа определяется по формуле

Ы2 = трВП2 ътОх -2тшУх -2тУхВПс05О1, (8)

Отсюда условие прижатия предмета обработки к стенке захватного органа (условие N2 > 0) будет

рва2 sinfii -2<aVx- 2VxBClcos Qi > 0.

(9)

Рис. 13. Схема сил, действующих на предмет обработки при прижатии к стенке захватного органа С соблюдением этого условия уравнение, описывающее относительное движение предмета обработки в радиальном направлении будет иметь вид

х = рсо2 + р52Г22 cos2 0/-ц[ЛП2 sin(f}i+ е)+рВП2 sinfi<-2o»-2i.BQcosi2/]. (10) В зависимости от зазора между предметом обработки и стенкой окна и от функциональных параметров ВРАЗУ относительная траектория предмета обработки в окне и число ударов Moiyr быть разным.

Результаты расчета показали, что время захвата при захвате с ударом превышает на 6...30 % время захвата при безударном захвате, так как возможно мгновенное прижатие предмета обработки к стенке захватного органа и дополнительные циклические движения в тангенциальном направлении при ударе

Четвертая глава работы посвящена экспериментальным исследованиям функционирования ВРАЗУ.

В данной главе дано описание экспериментальной установки (рис 14) и процесса проведения эксперимента. Основой измерительного комплекса является JBM, на котором установлена программа La2USB. Параметры вибрации измеряются индуктивными датчиками 5.

Для преобразования непрерывных аналоговых сигналов с датчика в цифровые применена плата аналого-цифрового преобразования 7 (АЦП) ЛА-2 USB -14, предназначенная для проведения высокоточных измерений мониторинга технологических процессов. Представленная экспериментальная установка применена для определения относительной скорости перемещения предмета обработки у борта, времени захвата и амплитуд крутильных и вертикальных колебании вследствие изменения напряжения и изменения зазора в магнитном приводе, сдвига фаз между этими колебаниями.

Для измерения амплитуд колебаний были построены тарировные графики крутильных и вертикальных колебаний с использованием индикатора 2 тип МИГ.

На основе измерений построены зависимости амплитуд колебаний от напряжения и тока, произведена фиксация амплитуд крутильных и вертикальных колебаний с помощью построенных зависимостей. Далее варьируем враще-

ние ВРАЗУ, угловая скорость которого измеряется с использованием фотодатчика G18-3A30PC 8, записываем перемещение предмета обработки у борта и процесс захвата и выдачи с помощью видеокамеры 4 Sony HDR - СХ200Е. Видеозаписи разбиты на кадры по времени с помощью программы HandySaw DS, на этой основе определены относительная скорость перемещения предмета обработки у борта и время его захвата в захватный орган. Отклонение теоретических и экспериментальных исследований составило не более 10 %.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 ¡0 11

Рис. 14. Общий вид экспериментальной установки 1 - лабораторные автотрансформаторы (ЛАТР); 2 - индикатор; 3 - ВРАЗУ;

4 - видеокамера; 5 - индуктивные датчики; 6 - плата усиления, детектирования и фильтрации; 7 - плата ЛА- 2С^В-14; 8 - фотодатчик С18-ЗАЗОРС; 9 - генератор(1КГи, 5В); 10 - компьютерный блок питания; 11-ЭВМ В пятой главе предложена инженерная методика проектирования ВРАЗУ с заданной производительностью и приведен пример расчета для плоского круглого предмета обработки. Разработанная методика базируется на результатах теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в рамках данной диссертации, а также на ранее известных работах.

На основе требуемой производительности и геометрических параметров предмета обработки, числа возможных размещенных в ВРАЗУ захватных органов определяется ориентировочная относительная скорость Уср перемещения

предмета обработки у борта. Особенностью параметрического синтеза процесса перемещения предмета обработки у борта является подбор функциональных параметров и направления виброперемещения для достижения такой ориентировочной скорости. Далее с помощью разработанной программы определяется время ¿2, за которое предмет обработки переместится в радиальном направлении на величину, равную у его диаметра с1ПО. Проверяется условие захвата

^ '--тг-^-' СП)

v ' ср

где АЬ- зазор между предметом обработки и стенкой захватного органа, мм.

На этой основе определяется минимальный зазор, обеспечивающий условие захвата. Если зазор был фиксирован, то определяем направление и максимальную относительную скорость, которая удовлетворяет условию захвата. Если условие (11) не выполняется, то нужно подбирать другую относительную скорость, меньше максимальной возможной скорости и повторить расчет.

На базе результатов исследований подбираем рациональный скоростной режим, удовлетворяющий условию (11) и непрерывное перемещение в захватный орган ¡по т

т, > 1 зах'

(12)

где 1по - преимущественный размер предмета обработки, в данной работе это диаметр предмета обработки ¿по,мм.

Теоретическая производительность для одного захватного органа

П 60

цт.зах = ----(13)

^ зах

Число захватных органов и определяется по формуле

ПТ

и = 7Г~> (14)

где ПТ- теоретическая производительность устройства. Значение и округляется до большего числа из ряда возможных значений: 6, 12, 18, 24, 32. Полученное значение сравнивается с допустимым возможным, определяемым размерами детали, радиуса бункера и требованием устройства.

2тгЛ

= л-ТТ' (15)

аПО +5

где Л - радиус бункера; Лпо- диаметр предмета обработки; б - толщина перемычки захватного органа.

С другой стороны, Пт=и-п-а2, где а2- возобновление захвата и выдачи предметов обработки в пределах одного кинематического цикла; п - частота

60

Тзах'п

вращения ротора, об/мин; Отсюда а2 =

Таким образом, данная методика позволяет проектировать ВРАЗУ с заданной производительностью путем подбора многократности выдачи предмета обработки за один кинематический цикл, подбора рациональных параметров функционирования ВРАЗУ и увеличения числа захватных органов ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ В работе решена актуальная научная задача, состоящая в теоретическом исследовании процессов подготовки к захвату и захвата предметов обработки в ВРАЗУ, отличающемся тем, что борт принадлежит бункеру.

В результате теоретического и экспериментального исследований получены основные результаты и сделаны следующие выводы.

1. Анализ состояния исследований высокопроизводительных автоматических загрузочных устройств подтвердил, что перспективными для совершенствования являются АЗУ, получившее название вибророторных автоматических загрузочных устройств (ВРАЗУ).

2. Разработанная математическая модель, описывающая процесс перемещения предметов обработки у борта, позволяет определить относительную скорость перемещения предмета обработки у борта в зависимости от параметров вибрации и вращения бункера с целью обеспечения условия захвата предмета обработки. При Я = 0,2 м, ц = 0,2, В = 0,002...0,01рад, А = 0,03...0,1 мм для еэ = 3...10 рад!с при встречном направлении виброперемещения предмета обработки и вращения бункера относительная скорость предмета обработки Уср изменяется в диапазоне 24...364 мм!с, а для ш = 3...7 рад!с при попутном направлении виброперемещения предмета обработки и вращения бункера, относительная скорость предмета обработки Уср изменяется в диапазоне

0...304 мм!с, для а>> 7 рад!с ¥ср=0.

3. Разработанные математические модели, описывающие процессы безударного захвата и захвата с ударом, позволяют определить условие захвата при конкретных значениях относительной скорости и ее направлениях, определить время захвата с учетом влияния конструктивных размеров захватного органа и функциональных параметров ВРАЗУ и тем самым предопределить теоретическую производительность устройства.

4. Разработаны алгоритмы решения дифференциальных уравнений, описывающих процессы перемещения предмета обработки у борта, захвата и предложены программы реализации разработанных алгоритмов на ЭВМ. На основе решений проведены параметрические синтезы этих процессов.

5. Сравнение условий захвата при одинаковой угловой скорости бункера, относительной скорости перемещения предмета обработки у борта показало, что условие захвата при попутном направлении вращения и виброперемещения лучше, чем при встречном, например, при ю = 4 рад!с , Уср = 180 мм/с время

захвата при встречном направлении в 2 раза больше чем при попутном. Время захвата при захвате с ударом превышает на 6...30 % время захвата при безударном захвате, так как возможны мгновенное прижатие предмета обработки к стенке захватного органа и дополнительные циклические движения в тангенциальном направлении при ударе.

6. Проведены экспериментальные исследования на оригинальной установке для измерения: амплитуд крутильных и вертикальных колебаний и фазового угла между ними, угловой скорости бункера, относительной скорости предмета обработки у борта и времени захвата. Отклонение теоретических и экспериментальных исследований составило не более 10 %.

7. Разработанная инженерная методика расчета на этапе проектирования позволяет подобрать кинематические и конструктивные параметры виброротор-

ного автоматического загрузочного устройства для обеспечения заданной производительности.

8. Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс кафедры МПФ ТулГУ и приняты к внедрению на ООО «ТПЗ-Рондоль».

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В ПУБЛИКАЦИЯХ

1. Усенко H.A., Чу Куок Тхуан. Захват предметов обработки в вибророторном автоматическом загрузочном устройстве // Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов. Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. С. 150-158.

2. Усенко H.A., Чу Куок Тхуан, Фалдин A.B. Вопросы циклограммирования процесса автоматической загрузки предметов обработки в вибророторном загрузочном устройстве // Вестник ТулГУ. Автоматизация: проблемы, идеи, решения: материалы Междунар. научно-техн. конф. «АПИР-14» Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. С. 169-174.

3. Клейменов Р. И., Чу Куок Тхуан. Измерение собственной частоты и жесткости упругой системы ВАЗУ с раздельным приводом // IV-я Магистерская научно-техническая конференция Тульского государственного университета. Тула: Изд-во ТулГУ, 2009, С. 306-307.

4. Усенко H.A., Чу Куок Тхуан. Ориентирование предметов обработки в приемнике вибророторного автоматического загрузочного устройства // Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов. Тула- Изд-во ТулГУ, 2010. С. 75-80.

5. Чу Куок Тхуан. Исследование процесса виброперемещения предметов обработки у борта вибророторного автоматического загрузочного устройства // Управляемые вибрационные технологии и машины: сб. науч. ст. в 2 ч. 4.2 / С. Ф. Яцун [и др.]; Курск: Юго-Зап. гос. ун-т. 2012. С. 203-211.

6. Усенко H.A., Чу Куок Тхуан. Параметрический синтез перемещения предметов обработки у подвижного борта вибророторного автоматического загрузочного устройства // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 6: в 2 ч. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. 4.1. С. 176-182.

7. Усенко Н. А., Чу Куок Тхуан. Исследование безударного захвата предметов обработки в вибророторном автоматическом загрузочном устройстве// Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 6: в 2 ч Тула-

Изд-во ТулГУ, 2013. 4.1. С.153-161.

8. Усенко Н. А., Чу Куок Тхуан. Выдача предметов обработки в вибророторном автоматическом загрузочном устройстве // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 7: в 2 ч. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. 4.2.

Изд.лиц.ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 31.10.2013 Формат бумаги 60x84 1/16- Бумага офсетная. Усл.печ. л. 0,9 Уч.изд. л. 0,8 Тираж 100 экз. Заказ 066 Тульский государственный университет. 300012, г. Тула, просп.Ленина 92 Отпечатано в Издательстве ТулГУ. 300012, г. Тула, просп.Ленина 95

ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

ОБОСНОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВИБРОРОТОРНОГО АВТОМАТИЧЕСКОГО ЗАГРУЗОЧНОГО

УСТРОЙСТВА

Специальность 05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и детали

машин.

На правах рукописи

04201450301

ЧУ КУОК ТХУАН

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Усенко H.A.

Тула 2013

СОДЕРЖАНИЕ

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

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ... 9

1.1. Основные загрузочные устройства, на основе которых создано вибророторное автоматическое загрузочное устройство....................................9

1.2. Роторные загрузочные устройства................................................................10

1.3. Вибрационные загрузочные устройства.......................................................14

1.3.1. ВЗУ с синхронным ЭМП.........................................................................17

1.3.2 ВЗУ с раздельным ЭМП............................................................................20

1.4. Вибророторные автоматические загрузочные устройства.........................23

1.5. Производительность автоматических загрузочных устройств..................33

1.6. Постановка, цели и задачи исследования.....................................................38

2. ПОДГОТОВКА ПРЕДМЕТОВ ОБРАБОТКИ К ЗАХВАТУ.............................40

2.1. Макет вибророторного автоматического загрузочного устройства..........41

2.2. Исследование перемещения предмета обработки у борта..........................44

вибророторного автоматического загрузочного устройства.............................44

2.2.1 Математическая модель перемещения предмета обработки у борта бункера.................................................................................................................44

2.2.2. Параметрический синтез процесса перемещения предмета обработки у борта..................................................................................................................53

2.3. Выводы по главе 2...........................................................................................62

3. ЗАХВАТ ПРЕДМЕТОВ ОБРАБОТКИ В ВРАЗУ...............:..............................63

3.1. Исследование безударного захвата предметов обработки.........................63

3.2. Процесс захвата с ударом...............................................................................75

3.2.1. Предмет обработки движется на интервале между соударениями.....76

3.2.2. Предмет обработки прижат к одной из стенок канала и движется в радиальном направлении...................................................................................79

3.3. Вывод по главе 3.............................................................................................83

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

ВИБРОРОТОРНОГО АВТОМАТИЧЕСКОГО ЗАГРУЗОЧНОГО УСТРОЙСТВА...........................................................................................................85

4.1. Описание экспериментальной установки.....................................................85

4.1.1. Описание экспериментальной установки для измерения параметров вибрации..............................................................................................................85

4.1.2. Определение частот, амплитуд вертикальных и крутильных колебаний, фазового угла между ними, вынужденных колебаний...............88

4.1.3. Измерение угловой скорости вибророторного автоматического загрузочного устройства....................................................................................95

4.2. Определения коэффициента трения............................................................100

4.2.1. Определение статического коэффициента трения.:............................100

4.2.2. Определение динамического коэффициент трения............................101

4.3. Определение относительных скоростей предмета обработки у борта и

время его захвата..................................................................................................102

4.4. Выводы по главе 4.........................................................................................105

5. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВРАЗУ...................107

5.1. Последовательность расчета основных параметров ВРАЗУ....................107

5.2. Пример расчета параметров ВРАЗУ...........................................................119

5.3. Выводы по главе 5.........................................................................................123

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ...........................!............................124

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. КОДЫ ПРОГРАММ...............................................................126

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ..............................................................132

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..............................................134

ВВЕДЕНИЕ

Комплексная механизация и автоматизация производственных процессов являются главными решающими средствами, обеспечивающими дальнейший технический прогресс в народном хозяйстве и на этой основе - новый подъем производительности труда, снижение себестоимости и улучшение качества продукции.

Автоматизация технологических процессов по обработке штучных предметов обработки (ПО) на металлорежущих станках, прессовом оборудовании, сборочных автоматах тесно связана с автоматической подачей их на позицию обработки - сборки, контроля и т.д. Автоматизация загрузки технологических систем штучными предметами обработки занимает особое место и является наиболее сложной и актуальной проблемой высокопроизводительного комплексно-автоматизированного производства, т.к. слишком велико разнообразие технологических процессов механической обработки.

Автоматизация загрузки приобретает важное значение при создании автоматических, линий, т.к. надежная и экономичная конструкция загрузочного устройства, гарантирующая бесперебойную подачу правильно ориентированных в пространстве ПО, во многом определяет качественные и количественные показатели всей линии.

Устройства, обеспечивающие автоматическую загрузку машин-автоматов и автоматических линий штучными ПО, являются одними из наиболее совершенных современных устройств, объединяющих потоки материала, энергии и информации и обеспечивающих получение качественной продукции в течение определенного промежутка времени без участия человека. Такие устройства называются автоматические загрузочные устройства (АЗУ).

Одним из основных видов автоматического загрузочного устройства является вибророторные автоматические загрузочные устройства (ВРАЗУ), которое позволяет иметь производительность до 1200 шт./мин и более, может осу-

ществить автозагрузку широкого класса по степени сложности предметов обработки.

Диссертация на тему «Обоснование функциональных параметров вибророторного автоматического загрузочного устройства» имеет следующие особенности:

Актуальность работы. В настоящее время одним из актуальных вопросов является широкое внедрение в различные отрасли промышленности средств механизации и автоматизации технологических процессов. Благодаря этому повышается производительность, качество продукции, безопасность работы, об-

1

легчается труд, улучшаются условия труда рабочих.

Одними из наиболее распространенных узлов технологических машин являются автоматические загрузочные устройства. Эти устройства обеспечивают автоматическую загрузку машин-автоматов и автоматических линий штучными предметами обработки и являются одними из наиболее совершенных со)

временных устройств, объединяющих потоки материала, энергии и информации и обеспечивающих получение качественной продукции в течение определенного промежутка времени без участия человека.

На сегодняшний день представляет интерес АЗУ следующего поколения-вибророторное автоматическое загрузочное устройство (ВРАЗУ), созданное на базе вибрационных загрузочных и роторных устройств. ВРАЗУ позволяет перейти к новому уровню производительности, возможности автозагрузки сложных предметов обработки. Этот тип АЗУ, воплотивший в себе достоинства АЗУ

I

вибрационного и роторного типа, несомненно, представляет собой автоматическое загрузочное устройство нового поколения, технологические и технические возможности которого далеко еще не раскрыты полностью.

Конструктивные исполнения ВРАЗУ могут быть многовариантными [75] в зависимости от производительности устройства, типа предмета обработки и способа ориентирования, захвата и выдачи: борт бункера может принадлежать бункеру; борт представляет собой принадлежность реактивной части вибро-

привода; борт - кольцо, свободно посаженное в паз бункера; борт не связан с вибророторным автоматическим загрузочным устройством.

В первом случае вибророторное автоматическое загрузочное устройство можно применять для автозагрузки машин-автоматов, автоматических линий в массовом производстве на операциях счета, контроля, сборки и др.. Исследование процессов функционирования ВРАЗУ, когда борт является принадлежностью бункера, в части подготовки к захвату и процессе захвата предмета обработки является важной актуальной задачей.

Цель работы. Обеспечение заданной производительности вибророторного автоматического загрузочного устройства на основе научно обоснованного выбора направления и величины скорости виброперемещения предмета обработки, а также времени его захвата захватными органами.

Основные научные результаты диссертации, выносимые на защиту, включают:

1. Математические модели перемещения предмета, обработки у борта бункера при наличии реверса его относительной скорости перемещения, процесса безударного захвата и захвата с ударом;

2. Параметрический синтез процесса перемещения предмета обработки у борта бункера и параметрический анализ процесса безударного захвата и захвата с ударом;

3. Оригинальный экспериментальный комплекс, созданный для определения параметров вращения и вибрации бункера, измерения относительной скорости предмета обработки и его времени захвата;

4. Рекомендации и инженерную методику проектирования ВРАЗУ с требуемой производительностью на базе исследований процессов подготовки предметов обработки к захвату и захвата.

Методы исследования. Теоретическое исследование базируется на использовании законов теоретической механики и основных положениях теории

удара для разработки математических моделей. Решение дифференциальных уравнений на ЭВМ осуществляется численным методом Рунге - Кутта на основе разработанных алгоритмов.

Экспериментальные исследования проводились в лаборатории кафедры МПФ ТулГУ с использованием: BP АЗУ, в основе которого электромагнитный привод с раздельным возбуждением вибраций; фотодатчика; индуктивного датчика; платы усиления, детектирования и фильтрации; платы JIA-2USB; фотокамеры Sony HDR-CX200E и ЭВМ.

Научная новизна работы. Установлена взаимосвязь между геометрическими, кинематическими параметрами, параметрами вибрации бункера вибророторного автоматического загрузочного устройства и относительной скоростью перемещения предмета обработки у борта, когда борт является принадлежностью бункера, в процессах подготовки предмета обработки к захвату и его захвата при наличии реверса относительной скорости.

Практическая значимость. Разработанные математические модели позволяют определить относительную скорость перемещения предмета обработки у борта с реализацией реверса, время его захвата с учетом изменения параметров колебаний, угловой скорости ротора и обеспечить заданную производительность устройства. Разработана методика определения параметров функци-

t

онирования ВРАЗУ.

Реализация результатов работы. Математические модели и результаты экспериментальных исследований процесса перемещения предмета обработки и процесса его захвата приняты к внедрению в практике автоматизации технологических процессов на ООО «ТПЗ-Рондоль», а также используются в учебном процессе на кафедре МПФ ТулГУ при выполнении лабораторных работ.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и общих выводов, списка использованных источников из 85 наименований и приложений.

В первой главе рассмотрено состояние вопроса при обзоре исследований вибрационных и роторных устройств, на основе которых создано вибророторное автоматическое загрузочное устройство.

Решение задач, связанных с исследованием ВРАЗУ, базируется в основном на работах H.A. Усенко, JI.A. Свинаренко, О.О. Чуковой, Л.Ф. Анчишки-ной, A.B. Фалдина, А.Б. Зайцева, Ле Динь Шона.

В известных научных работах и патентных документах вопросы проектирования и разработки ВРАЗУ еще недостаточно изучены. Дальнейшей задачей является исследование ВРАЗУ в других конструктивных вариантах с вариацией параметров функционирования с целью разработки рекомендаций для его проектирования.

Во второй главе дано описание конструкции вибророторного автоматического загрузочного устройства, его основных технических характеристик и принципа работы. Разработана математическая модель процесса перемещения предмета обработки у борта, когда борт является принадлежностью бункера.

В третьей главе проведены исследования процесса захвата предмета обработки в захватные органы ВРАЗУ. Рассмотрено решение задачи плоского круглого предмета обработки в захватные органы (окно). В зависимости от зазора между предметом и стенками захватного органа может возникать в процессе захвата удар предмета обработки о стенку. Рассмотрены два варианта: безударный процесс захвата и процесс захвата с ударом.

В четвертой главе дано описание экспериментальной установки и процесса проведения эксперимента.

В пятой главе предложена инженерная методика проектирования ВРАЗУ с заданной производительностью и приведен пример расчета для плоского круглого предмета обработки. Разработанная методика базируется на результатах теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в рамках данной диссертации, а также на ранее известных работах.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Основные загрузочные устройства, на основе которых создано вибророторное автоматическое загрузочное устройство

Автоматизация производственных и технологических процессов, несмотря на трудности текущего периода, является одним из важнейших направлений, в получении высококачественной и конкурентоспособной продукции. Большой интерес к этой проблеме во всех странах мира говорит о том, что независимо от уровня развития тех или иных государств, от большего или меньшего количества свободных рабочих рук вопросы автоматизации не теряют своей актуальности [84].

Одними из наиболее распространенных узлов технологических машин являются автоматические загрузочные устройства (АЗУ). В АЗУ отдельные предметы обработки извлекаются из общей массы, получают требуемую ориентацию в пространстве и через лоток-магазин, питатель выдаются на рабочую

I

позицию технологического оборудования.

Значительное расширение областей применения автоматических роторных и роторно-конвейерных линий в различных отраслях промышленности поставило сложную задачу - разработать такой тип автоматического загрузочного устройства, которое имело бы производительность 1200 шт./мин и более, и могло осуществить автозагрузку широкого класса по степени сложности предметов обработки (ПО).

Было предложено виброротоное автоматическое загрузочное устройство (ВРАЗУ), созданное на базе вибрационных загрузочных и роторных устройств. ВРАЗУ позволяет иметь максимальное число захватных органов (каналов) и, независимо от частоты его вращения, управление относительной скоростью предметов обработки у борта бункера путем изменения параметров колебаний его вибрационного привода (амплитуд, фазового угла, частоты). Потенциальная

производительность ВРАЗУ для малогабаритных ПО может достигать нескольких тысяч штук в минуту. Этот класс АЗУ, воплотивший в себе достоинства роторных устройств механического типа и стационарных вибрационных загрузочных устройств, несомненно, представляет собой автоматическое загрузочное устройство нового поколения, технологические и технические возможности которых далеко еще не раскрыты полностью.

1.2. Роторные загрузочные устройства

Огромное значение в комплексной автоматизации производства имеют автоматические роторные линии (АРЛ) [26, 27, 33, 34]. Проблема автоматической загрузки АРЛ осложняется высоким уровнем производительности и ее необходимой стабильностью, широкой номенклатурой ПО, автоматически загружаемых в одну и ту же АРЛ, обеспечивающую сборку изделия.

В 60-е годы была решена задача резкого повышения производительности АРЛ [31, 32] . Это вскрыло противоречия между принципом осуществления технологических операций, производимых в процессе транспортирования деталей в АРЛ совместно с рабочим инструментом, и принципом автоматической загрузки ПО на позиции технологической обработки из стационарного автоматического загрузочного устройства (АЗУ).

Решение задач, связанных с исследованием роторных загрузочных устройств, базируется в основном на работах ученых: Л.Н. Кошкина [31, 32, 33], И.А. Клусова [27, 28], В.В. Прейса [34, 54, 55, 56], Сахарова Ф.М. [61], А.Р. Сафарянца [26]. Создание роторных загрузочных устройств (РЗУ) устранило несоответствие условия передачи ПО из неподвижного питателя в движущийся транспортный орган. РЗУ присущи достоинства принципа независимости основных (рабочих) и транспортных функ�