автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Повышение эффективности пневмовихревых захватных устройств промышленных роботов

/

На правах рукописи

Стегачев Евгений Вячеславович

УДК 621.865.8.14-851.1

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПНЕВМОВИХРЕВЫХ ЗАХВАТНЫХ УСТРОЙСТВ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ

Специальность 05.13.06- Автоматизация и управление технологическими

процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград - 2004

Работа выполнена в Волгоградском государственном техническом университете

Научный руководитель — кандидат технических наук, доцент

Кристаль Марк Григорьевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Чаплыгин Эдуард Иванович

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Козырев Юрий Георгиевич

Ведущая организация -

ОАО «Тракторная компания «ВГТЗ»», г. Волгоград

Выражается особая благодарность доктору технических наук, профессору, чл.-корр. РАН Бабушкину Марку Николаевичу за помощь при выполнении диссертационной работы.

Защита состоится « 3 » <р*6раля 200£ г. в часов на заседании диссертационного совета К 212.028.02 в Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400131, г. Волгоград, проспект Ленина, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан « 28 » <?ека£ря 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного .

совета, кандидат технических наук, доцент Быков Ю. М.

з фб^ХМ)

% <9 0 &0 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время, в серийном и мелкосерийном производствах для подачи предметов производства (ПП) в технологическое оборудование, применяются промышленные роботы и автоматические манипуляторы, снабженные захватными устройствами различных типов. Среди них можно выделить пневмовихревые захватные устройства (ПВЗУ), содержащие вихревые камеры (ВК) в виде полуоткрытых цилиндров с тангенциальными питающими соплами. Истекающие из этих сопел струи сжатого воздуха создают вихревой воздушный поток, в средней части которо! о образуется разрежение. Они универсальны, просты по конструкции, долговечны и надежны в работе, не требовательны к физическим свойствам захватываемых предметов, обладают способностью центрирования ПП при их захватывании. Однако эти устройства имеют ограничения грузоподъемности, обусловленные недостаточной степенью разрежения в захватной области ПВЗУ, из-за потерь энергии в вихревом воздушном потоке на трение о стенки ВК и на сопротивление в питающих соплах, что снижает эффективность их использования.

Зачастую, при подаче деталей на позицию сборочного автомата необходимо их захватывание по торцевым поверхностям малой площади. К предметам с малой площадью захватывания (МПЗ) можно отнести сепараторы, кольца и ролики подшипников качения, а также различные уплотнительные элементы (прокладки плоские эластичные, резиновые уплотнительные кольца, резиновые армированные манжеты для валов, манжеты шевронных уплотнений и др.). Захватывание данных предметов затруднено в силу низкого уровня усилий, создаваемых в зоне действия ПВЗУ. Это обусловлено, помимо перечисленного выше, дросселированием потока воздуха в вакуумных каналах малого сечения (размер сечения определяется МПЗ предмета), и смещением ПП относительно оси ПВЗУ.

В связи с этим, исследования методов повышения степени разрежения в захватной области ПВЗУ и улучшения условий захватывания предметов с МПЗ, разработка прогрессивных конструкций ПВЗУ являются актуальными задачами. Данная работа выполнена в рамках госбюджетной НИР №35-53/302-99 «Исследование процессов автомагического контроля и управления сложных нелинейных систем».

Цель работы. Повышение степени разрежения в захватной области ПВЗУ и улучшение условий захватывания предметов с МПЗ, а также разработка новых типовых прогрессивных конструкций ПВЗУ и методики их проектирования.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Разработка метода повышения степени разрежения в захватной области ПВЗУ за счет вращения сопел вихревой камеры и его математической модели.

2. Разработка метода улучшения условий захватывания предметов с МПЗ воздействием на них разнонаправленных вихревых потоков, создаваемых в кольцевых камерах с вращающимися стенками, и создание, на егд основу математической модели процесса захватывания. *ОС. |Щ|МММи11

3. Создание теоретических моделей динамики п юцес ДМЫШММАия ГШ.

4. Экспериментальная оценка адекватности предложенных математических моделей реальному процессу захватывания.

5. Разработка типовых прогрессивных конструкций ПВЗУ повышенной грузоподъемности, ПВЗУ для захватывания деталей с МПЗ и методик их инженерного проектирования.

Методы исследования. Теоретические исследования проведены с использованием законов газовой динамики, методов теоретической механики и вычислительной математики Экспериментальные исследования выполнены с применением физического моделирования, статистической обработки результатов по схеме одно- и многофакторного эксперимента с использованием современных регистрирующих и вычислительных средств.

Научная новизна:

Предложены математические модели, устанавливающие зависимость величины степени разрежения в захватной области и времени захватывания от геометрических и физических характеристик предмета производства, конструктивных параметров пневмовихревых захватных устройств, давления питания и кинематических характеристик вихревой камеры. Предложена эмпирическая зависимость радиуса внутренней границы истекающего вихревого потока на срезе ВК от основных параметров захватных устройств.

Методики и результаты экспериментальных исследований ПВЗУ, обеспечивающих повышенную степень разрежения в захватной области и улучшение условий центрирования предметов с МПЗ.

Практическая ценность:

Разработаны типовые конструкции ПВЗУ с вращающимися соплами вихревой камеры, ПВЗУ с вращающимися соплами вихревой камеры с центральным ротором, ПВЗУ с кольцевой вихревой камерой для предметов с МПЗ, струйное вихревое загрузочное устройство и устройство для автоматической сборки роликовых подшипников, используютттее предложенные ПВЗУ Устройства защищены патентами РФ №2179504, №2199428, №2199432, №2202466, №2239735.

Разработаны методики инженерного проектирования ПВЗУ с повышенной степенью разрежения в захватной области и ПВЗУ обеспечивающих улучшение условий захватывания путем предварительного центрирования предметов с МПЗ.

На защиту выносятся:

Методы повышения степени разрежения в захватной области ПВЗУ и улучшения условий захватывания предметов с МПЗ.

Математические модели процесса захватывания предметов посредством ПВЗУ с вращающимися соплами вихревой камеры и с кольцевыми вихревыми камерами, позволяющие определить уровень разрежения в захватной области устройств в зависимости от их основных параметров. Результаты теоретического исследования предложенных моделей.

Результаты экспериментальных исследований влияния параметров работы ПВЗУ с вращающимися соплами вихревой камеры и с кольцевыми вихревыми камерами на параметры процесса захватывания предметов производства. Эмпирическая зависимость радиуса внутренней границы истекающего вихревого Лосока йа*р»э1еЗЖ огосновных параметров ПВЗУ.

I

1 .1 „ ««• * , *

Методики инженерного проектирования ПВЗУ с вращающимися соплами вихревой камеры и ПВЗУ с кольцевыми вихревыми камерами.

Новые конструкции ПВЗУ повышенной эффективности, струйное вихревое загрузочное устройство и устройство для автоматической сборки роликовых подшипников.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на VII и VIII региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2002, 2003 гг.), Международной научно-технической конференции «Высокие технологии в машиностроении» (Самара, 2002 г.), X международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века» (Севастополь, 2003 г.), Международной конференции «Актуальные проблемы конструкторско-технологического обеспечения машиностроительного производства» (Волгоград, 2003 г.) и отчетных научных конференциях профессорско-преподавательского состава Волгоградского государственного технического университета в 2001 - 2004 гг.

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 13 печатных работах, в том числе 5 патентах РФ.

Объем работы. Диссертационная работа изложена на 142 страницах машинописного текста, иллюстрируется рисунками на 62 страницах и состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка использованной литературы из 114 наименований и 3 приложений на 14 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации в связи с проблемами повышения степени разрежения в захватной области ПВЗУ и улучшения условий захватывания предметов с МПЗ, сформулированы цель, задачи диссертации и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен анализ предметов производства с позиции применимости захватных устройств, литературных источников по современному состоянию автоматического захватывания предметов производства промышленными роботами, методам и способам повышения эффективности работы захватных устройств. Обоснована цель и сформулированы задачи исследования.

Разработке научных основ течения струйных вихревых потоков посвящены труды ряда отечественных ученых: Г.Н. Абрамовича, Е.В. Герца, М.А. Гольдштика, JI.A. Залманзона, C.B. Иванова, JI.A. Клячко, Д.М. Левчука, А.П. Меркулова, А.Д. Суслова, Э.И. Чаплыгина. Исследованию струйных вихревых захватных устройств посвящены труды: В.А, Бубнова, Г.П. Исупова, Б.Ю. Овсянникова, Б.А. Сентякова, Я.И. Проць.

На основе обзора литературы предложена классификация захватных устройств, составленная по физическому принципу создания сил взаимодействия предметов производства с рабочими элементами захватного устройства и способу их приложения к удерживаемому предмету, а также с учетом конструктивных признаков захватных устройств, согласно которой установлено, что для автоматического захватывания предметов с МПЗ наиболее целесообразно применять ПВЗУ. Установлено, что пневмовихревые захватные устройства обладают про-

стотой конструктивного исполнения, долговечностью и надежностью в работе, не требовательны к физическим свойствам захватываемых предметов и к шероховатости поверхности захвата. Тем не менее, известные ГГВЗУ не получили достаточно широкого использования при захватывании предметов с МПЗ из-за необходимости точного центрирования их относительно ПВЗУ и ограниченного уровня разрежения, создаваемо! о в зоне захватывания вследствие дросселирования потока воздуха в вакуумных каналах малого сечения.

Изучение способов и методов повышения разрежения в захватной области ПВЗУ показано, что они также разработаны, в основном, для предметов производства с неограниченными поверхностями захвата. В работах Б.А. Сентяко-ва выявлена зависимость величины максимального разрежения Рв в приосевой области ВК от ряда параметров ПВЗУ:

а=—- м2е+у^)1 (1)

Р хГ ^ст

где р- плотность воздуха; гС1 - радиус линии встречи вихревого потока с поверхностью предмета; Q,J,M - соответственно расход, количество движения и момент количества движения воздуха в выходном сечении ВК, без учета движения воздуха в ее центральной части.

Однако выражение (1) получено для ПВЗУ не обладающих возможностью преодоления потерь энергии в вихревом воздушном потоке о стенки ВК и в питающих соплах. Кроме того, в литературе не обнаружены теоретические разработки, касающиеся расчета динамики процесса центрирования и захватывания предметов с МПЗ, при их взаимодействии с вихревым потоком.

Во второй главе предлагается увеличить уровень разрежения в захватной области ПВЗУ за счет вращения питающих сопел вихревой камеры, обеспечивающего дополнительную составляющую тангенциальной скорости вихревого потока, истекающего из ВК.

На (рис. 1-а) показана предложенная схема ПВЗУ с вращающимися соплами вихревой камеры. В качестве захватываемого предмета производства (ПП) принята плоская деталь условно неограниченных размеров, расположенная перпендикулярно оси вихревой камеры. Здесь, ВК с питающими тангенциальными соплами (ТС) установлена в корпусе ПВЗУ на опорах вращения (ОВ). При подаче давления питания Рах в камеру нагнетания (КН), воздух, через тангенциальные сопла, подается в полость вихревой камеры, где ударяется о ее стенки и раскручивается, образуя вихревой воздушный поток. Одновременно придается ВК вращение с угловой скоростью со, в направлении, совпадающим с направлением вращения вихревого потока. Это позволяет, на среднем радиусе Я подачи воздуха в В К, добавить к тангенциальной скорости потока на входе в нее дополнительную величину, равную окружной скорости вращения питающих сопел Ус = Я ю, а также уменьшить торможение воздуха о стенки ВК. В центральной части усиленного вихря создается область повышенного разрежения, обеспечивающего захватывание 1111.

Разработана модель, учитывающая влияние основных параметров системы «захватное устройство - предмет производства» на величину разрежения в захватной области ПВЗУ. Модель получена при следующих допущениях- гид-

Рис. 1 Схема ПВЗУ с вращающимися соплами вихревой камеры (а) и схемы действия сил на ПП при его притягивании (б) или отталкивании (в)

равлические потери внутри ВК отсутствуют; момент количества движения, приобретенный частицами воздуха на входе в ВК, остается неизменным вплоть до их выхода на срезе ВК; воздух, используемый для питания ПВЗУ, считается идеальной несжимаемой жидкостью; также не учитываются турбулентные пульсации потока и теплообмен с окружающей средой.

Получены эквивалентные значения параметров в (1) - расход О , количество движения J и момент количества движения М , функционально зависящие от: Рвх - давления питания; со - угловой скорости вращения ВК; , -среднеинтегральных значений тангенциальной и осевой составляющих скоростей потока на срезе ВК, - суммарной площади тангенциальных питающих сопел; гс- радиуса стенки ВК; гг- радиуса внутренней границы истекающего вихревого потока на срезе ВК (линия нулевых значений статического давления в потоке). Заменой в(1) £? = £?*, J = J , М = М*, гст =гср +г ге((3) была получена величина разрежения Ра на оси в захватной области ПВЗУ с вращающимися соплами вихревой камеры, где гср - средняя линия струи вихревого потока; (р)= Ух / К, - закрутка потока.

В связи с затруднением аналитического определения г, его значение установлено эмпирически:

(0,7603 + 801,1 /вх) гс, при Ръх < 4 х 104 Па

0,7946 - 0,1349 х 10 со - 2098 /т (0,8264х10~6 -0,1479x10"" + 0,3542 х Ю",0ш + 0,0738 /вх)

-Л

рт +

гс,при/>вх >4x10 Па

Значения тангенциальной и осевой составляющих скоростей потока на срезе ВК предлагается определять как:

'(г-ге)1п(*Г

__ гс\1 2 Рвх со R

Vx = Г—— —+---+ югсехр

г \ Р г

/

V, =

где Г, ц - соответственно геометрическая характеристика и коэффициент расхода ВК, зависимые от ее размерных параметров; к - коэффициент, определяющий влияние вращающихся стенок на величину Vx (из эксперимента к = 0,01); Р*К - эквивалентное давление питания.

Получаемая таким образом величина Рн, справедлива на участке z > zK (рис. 1 -б), где на ПП действует притягивающая сила Fn, возникающая за счет разрежения Рв. Начиная с критического расстояния гК начинает сказываться дросселирование вихревого потока в зазоре между поверхностью ПП и торцевой поверхностью ВК, что при дальнейшем уменьшении z (рис. 1 -в) приводит к действию на ПП о гталкивающей силы F0T, обусловленной возникающим избыточным давлением Рот. Изменение направления действия на ПП силы F(z) в процессе его захватывания приводит к возникновению колебаний предмета, описываемых уравнением:

¿4/i:2z-g-6sign(i)-v/(z,i) = 0, (3)

где К2 = F(z)/(mz) - коэффициент, определяющий частотные характеристики колебаний предмета при его захватывании; g - ускорение свободного падения; т - масса предмета; 0 = FB / т - коэффициент, учитывающий влияние сопротивления воздушного потока FB; \\i(z, z) - коэффициент, учитывающий влияние сопротивления воздушной подушки FBn, возникающей в зазоре между поверхностью ПП и торцевой поверхностью ПВЗУ.

Исследование модели выполнено в следующих интервалах параметров: давление питания Psx -10...50 кПа, частота вращения ВК п = 30 со/л = 0...20000 об/мин, радиус стенки ВК гс-15 мм, суммарная площадь питающих сопел fKX - 5... 25 мм2 , средний радиус подачи воздуха на входе в ВК R = 14 мм. Установлено, что при расстоянии z « zK, с увеличением частоты п от 4000 об/мин до 20000 об/мин, коэффициент разрежения р = Ръ!Рт получает приращение от0,0144 до 0,1326, что составляет20...186% от величины разрежения для случая с неподвижной ВК. Также установлено оптимальное значение суммарной площади fm питающих каналов, при котором в захватной области ПВЗУ обеспечивается максимальный уровень разрежения, при неизменном давлении PB]i питания и расходе Q.

Исследование динамики захватывания 111 I посредством численного решения уравнения (3) методом Рунге-Кутта четвертого-пятого порядка на ЭВМ, позволили установить, что процесс захватывания предмета имеет вид затухающих колебаний, по завершении которых ПП занимает устойчивое положение на расстоянии z » zK, когда сила Fn уравновешивается силой F0T С возрастанием величин п и Рвх увеличивается частота колебаний захватываемого предмета, что уменьшает время захватывания. В случае, когда не требуется бесконтактное удержание захваченного ПП, на ПВЗУ могут быть выполнены специальные упоры, позволяющие исключить колебания ПП при его захватывании.

В третьей главе, для улучшения условий предварительного центрирования и последующего захватывания предметов с МПЗ, предложено одновременно воздействовать на ПП разнонаправленными вихревыми потоками, создаваемыми в кольцевых камерах с вращающимися стенками. На рис. 2 показана предлагаемая схема ПВЗУ с кольцевыми вихревыми камерами. При подаче давления Рвх питания в кольцевую камеру нагнетания (КН), воздух, посредством тангенциальных сопел (ТС), подается в кольцевую вихревую камеру (КВК), где раскручивается и образует вихревой воздушный поток. За счёт трения потока о наружную цилиидрическую поверхность втулки (В), установленной в опорах вращения (ОВ), обеспечивается её вращение относительно центральной оси. При встрече истекающего из КВК вихревого потока с поверхностью установки предмета производства (ПП), в приосевой области ПВЗУ создается разрежение, а по периферии область избыточных давлений, что обеспечивает предварительное центрирование захватываемых предметов с МПЗ.

Одновременно источник разрежения Ртк коммутируется с камерой разрежения (КР), и далее, посредством радиальных отверстий (РО), с вакуумным кольцевым каналом (КК) с вращающейся стенкой, что обеспечивает создание восходящего вихревого потока с последующим захватыванием предварительно сцентрированного ПП.

Для исключения необходимости использования внешних источников разрежения Риак нами также предлагается схема ПВЗУ с кольцевой ВК и встроенным эжектором, обеспечивающим требуемое разрежение в нижней части вакуумного кольцевого канала.

Разработана модель, позволяющая определить условия процесса захватывания предмета с МПЗ в зависимости от следующих характеристик системы

г

- разрежение, подводимое к

вакуумной кольцевой камере; /вх- суммарная площадь тангенциальных питающих сопел; R- средний радиус подачи воздуха в КВК; r¡, г2

- наружный и внутренний радиусы кольцевой вихревой камеры; г3,г4 - наружный и внутренний радиусы вакуумной кольцевой камеры; г„„, г0в - наружный и внутренний радиусы ПП; h - высота 1111; г(м - смещение между осями ПП и ПВЗУ; z - расстояние между ПВЗУ и поверхностью

«захватное устройство -предмет производства»: Раж

iм

Рис. 2 Схема ПВЗУ с кольцевыми вихревыми установки ПП. камерами для захватывания предметов с МПЗ

С учетом принятых выше допущений, получена функциональная зависимость давления Р(г)в захватной области ПВЗУ от радиальной координаты г:

^0"'-Аст1)3'8.приО</-<гст,

Р{г)--\0,5РУ?п(1 -Зт)2 + 2г)3)2 ,пригст) <г<гст2, (4)

0, при г > гст2

где гст1,гст2 - соответственно радиальные координаты линии встречи внутренней и внешней границ вихревого потока с поверхностью установки ПП; -максимальная величина осевой составляющей скорости потока; г) = /(г, г) -безразмерный параметр, функционально зависящий от радиальной координаты г и расстояния г.

Также получена зависимость разрежения Р„(г) на поверхности предварительно сцентрированного ПП от расстояния г:

0+0,5 г), (5)

где г = 2/(г3 - г4) - коэффициент положения.

Интегрированием величин давлений (4) и (5) по поверхностям ПП определены зависимости приведенных к центру С масс ПП, результирующих сил: ^ - обеспечивающую центрирование предмета и К - обеспечивающую захватывание предмета. Тогда динамические показатели процесса центрирования и последующего захватывания ПП определяются из:

г-К^г-щ^яда^О, (6)

■¿ + К1г-в = 0, (7)

где К} = /*). /(тг) - коэффициент, определяющий частотные характеристики колебаний ПП при его центрировании; цт - коэффициент трения скольжения ПП по поверхности установки ПП, учитывающий влияние сопротивления силы трения Ртр; к\ = /(тг) - коэффициент, определяющий скорость движения захватываемого ПП.

Исследование модели выполнено для предмета производства - кольцо 086-092-36-2-4 ГОСТ 9833-73, в следующих интервалах параметров: Рвх=\0. ..50 кПа; РВЯК=2..Л кПа; /ет=16 мм2; г{ = 56 мм, г2 - 48 мм; г3 -41,5 мм, г4 =43 мм. Установлено что максимальная величина допустимого радиального смещения гси, при котором происходит центрирование и последующее захватывание предмета, для расстояний 2 = 1...3 мм составляет 22...30мм. Численным решением уравнений (6) и (7) определено время I захватывания предмета, составляющее 0,2... 0,38 с.

В четвертой главе приводятся методика и результаты экспериментальной проверки достоверности теоретических выводов.

Путем изменения основных параметров опытного образца ПВЗУ с вращающимися соплами ВК, входящего в состав изготовленной экспериментальной установки, исследован характер измерения уровня разрежения в захватной области ПВЗУ и динамика процесса захватывания предмета. Измеряемые параметры: давление Рвх питания, разрежение Рв на поверхности предмета в при-осевой зоне ВК, частота п вращения ВК, перемещение 2 предмета при захватывании, регистрировались посредством сопряженных с ЭВМ датчиков.

и Г^ — ¿V, п 'П/УУ, *Лх ~~ "

а) б)

Рис. 3 Зависимость коэффициента paipeжeнuя р на поверхности захваченного объекта в приосевой зоне ВК от коэффициента положения г (а) и от частоты п вращения ВК (б)

Экспериментальные исследования выполнены для интервала значений давления питания /^.=10...50 кПа, частот вращения ВК п = 0... 10ООО об/мин, при радиусе стенки ВК гс~ 15 мм и суммарной площади сечения тангенциальных питающих каналов =12,6 мм2. В качестве ПП использовалась прямоугольная пластина 120x120 мм, с возможностью изменения массы за счет прикрепления дополнительных грузов. На рис. 3 показана зависимость коэффициента разрежения р = Рв/Рвх на поверхности захваченного предмета производства в приосевой зоне ВК, о г коэффициента положения г = г/г^ (а) и от частоты п вращения ВК, при г = гк (б). На рис. 3-а цифрами указаны зависимости, рассчитанные аналитически при Рвх = 50 кПа и 1) и = 0, 2) п = 4000 об/мин,

3) п = 8000 об/мин. На рис. З-б цифрами указаны зависимости, рассчитанные аналитически при г - гк и 1) Рвх= 20 кПа, 2) Рдх =30 кПа, 3) Рвх =40 кПа,

4) Рех = 50 кПа. Результаты исследования подтвердили предположение о повышении уровня разрежения в зоне действия захватного устройства от вращения сопел вихревой камеры, при этом с увеличением частоты п вращения ВК от 2000 об/мин до 10000 об/мин, величина относительного разрежения р получает приращение в размере от 7% до 51% величины разрежения для случая с неподвижной ВК. Установлено, что в диапазоне исследований аналитические зависимости качественно хорошо согласуются с экспериментом, а максимальная разность между экспериментальными и аналитически полученными значениями разрежения составляет 28 %, идущая в запас расчета.

Для теоретической оценки величины притягивающей силы (рис. 1-6), экспериментально установлено распределение разрежения РЛ(г) в радиальном направлении г по поверхности захваченного предмета (рис 4). Значения Рв(г) по рис. 4 аппроксимируются выражением вида

Р,{г)=Р,(\-г1гт?*, (8)

где Ря - разрежение в приосевой зоне ВК (рис. 3).

Интегрирование выражения (8) по площади захватывания предмета дает значение притягивающей силы ^. Для условия Fn=mg получена зависи-

,кПа

уГ ф

У*»

5 10 15 г> хЮ _3м 60 кПа, г = 0,9 мм; п = 10000 мин-1; « 60, г = 3,8, и = 10000; ■ Рт= 60, г = 0,9, п - 0; 60, т = 3,8, л = 0; • 20, г = 0,9, и = 0; • & = 20, г = 3,8, л = 0;

0,1

0,2 0,3 /я, кг

.Рис. 5 Зависимость минимального разрежения Ртп, при котором объект удерживается устройством, от массы т объекта.

Рис 4 Зависимость разрежения Рв{г) в радиальном направлении г по поверхности захваченного объекта

мость минимального разрежения Рвтш на оси ВК, при котором предмет еще удерживается устройством, от массы т ПП (рис. 5). При этом максимальная разность экспериментально полученных значений />вт,п на оси ВК и величин Рвтш, рассчитанных из (8), составляет не более 20 %, которая также идет в запас расчета.

При исследовании динамических характеристик захватывания установлено, что ПП совершает затухающие колебания, по завершении которых он занимает устойчивое положение на расстоянии г ® гк, а разность между расчетными и экспериментальными значениями частот колебаний, времени захватывания предмета не превышает 32%.

Проведены экспериментальные исследования опытного образца ПВЗУ с кольцевой вихревой камерой, предназначенного для захватывания колец 086-09236-2-4 ГОСТ 9833-73. Исследования выполнены на специально разработанной экспериментальной установке в следующих интервалах параметров: давление питания Рвх = 10...50 кПа, величина разрежения Рвзк = 2,5...7к.Па. Установлено, что в диапазоне коэффициента положения г = г /(г3 - г4) < 1... 1,5, экспериментальные значения соответствуют расчетным значениям величин давления на поверхности установки ПП и разрежения на поверхности сцентрированного предмета с МПЗ при его захватывании, с погрешностью, не превышающей 10 %. Методом хронофотографии установлено, что экспериментальные траектории движения ПП при центрировании и захватывании близки к расчетным значениям (рис. 6).

Результаты экспериментальных исследований подтверждают правомочность использования теоретических расчетов при проектировании предлагаемых

0 -10 -20

*

0 0,1 0,20 0,3 Г, с

Рис б Расчетная и экспериментальная траектории движения объекта при центрировании (Рмк = 5 кПа, Рвх = 50 кПа, 2 = 3 мм,)

ПВЗУ повышенной эффективности.

В пятой главе дается описание конструкций и принципа работы типовых ПВЗУ повышенной эффективности и устройства для автоматической сборки роликовых подшипников, использующего предложенные ПВЗУ, разработанных автором, а также методики их инженерного расчета.

В ПВЗУ с вращающимися соплами вихревой камеры (патент РФ №2199432), для повышения грузоподъемности захватного устройства, соосно корпусу установлена вращающаяся вихревая камера с тангенциально выполненными питающими соплами, что обеспечивает прибавление к скорости потока на входе в вихревую камеру дополнительной скорости вращения питающих сопел, и увеличение тангенциальной составляющей скорости вихревого потока, тем самым возрастает разрежения в зоне действия ПВЗУ.

Предложена конструкция ПВЗУ с вращающимися соплами вихревой камеры и вращающимся ротором с направляющими ребрами (патент РФ №2202466). Такая конструкция, за счет создания направленного вихревого потока по всей длине вихревой камеры, позволяет использовать дополнительную составляющую скорости вихревого потока из за уменьшения потерь энергии на турбулентную и вязкую диссипацию в вихревом потоке.

Описано ПВЗУ с кольцевой вихревой камерой для предметов с МПЗ (патент РФ №2179504), в котором осуществляются предварительное центрирование и последующее захватывание предмета за счет одновременного воздействия на него вихревого потока, истекающего из наружной кольцевой вихревой камеры, и вихревого потока, засасываемого внутренней вакуумной кольцевой камерой. При этом, для уменьшения дросселирования вихревых потоков, одна из стенок каждой кольцевой камеры вращается в сторону совпадающую с направлением вращения вихревых потоков в этих камерах. Такой способ воздействия на предметы производства разнонаправленных вихревых потоков позволил разработать струйное вихревое загрузочное устройство (патент РФ №2199428) предназначенное для ориентированной загрузки предметов производства, представляющих собой тела вращения. Здесь осевое ориентирование предметов происходит в восходящем вихревом потоке, истекающим из кольцевого вихревого канала с вращающейся стенкой, с последующим совмещением оси вращающегося предмета с осью загрузочного канала и дальнейшее его транспортирование посредством нисходящего вихревого потока сжатого воздуха.

Разработано также устройство для автоматической сборки роликовых подшипников (патент РФ №2239735), использующее предложенные ПВЗУ.

Приведены алгоритм и основные расчетные зависимости, позволяющие определить основные конструкционные и технологические параметры ПВЗУ повышенной эффективности в зависимости от геометрических и физических параметров захватываемого предмета производства.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Из обзора литературных источников установлено, что известные пневмовихревых захватные устройства просты по конструкции, не требовательны к геометрическим параметрам и физическим свойствам захватываемых предметов производства, долговечны и ремонтнопригодны, что указывает на

перспективность их применения. Ввиду ограничения степени разрежения в захватной области этих устройств, что особенно затрудняет их использование для предметов с малой поверхностью захвата, отсутствия исследований по динамике захватывания предметов производства и новых методов повышения эффективности их работы, является актуальным проведение таких исследований.

2. В работе предложен новый метод увеличения степени разрежения в зоне действия пневмовихревого захватного устройства, за счет прибавления к скорости вихревого потока дополнительной составляющей тангенциальной скорости от вращения вихревой камеры. Метод используется в предложенной схеме пневмовихревого захватного устройства с вращающимися соплами вихревой камеры, где увеличение тангенциальной составляющей скорости вихревого потока обеспечивается за счет прибавления к скорости потока на входе в вихревую камеру дополнительной окружной скорости вращения питающих сопел.

3. Предложен метод обеспечения захватывания предметов по малой площади с их предварительным центрированием, путем совместного действия на предмет разнонаправленных вихревых потоков в зоне действия захватного устройства. Метод реализован в предложенном пневмовихревом захватном устройстве с кольцевыми камерами, в котором предварительное центрирование и захватывание предмета производства осуществляются разнонаправленными вихревыми потоками, создаваемыми в кольцевых камерах с вращающимися стенками.

4. Разработана модель, учитывающая влияние основных характеристик системы «захватное устройство - предмет производства» на величину разрежения в захватной области пневмовихревого захватного устройства с вращающимися соплами вихревой камеры. На основе модели предложен расчет динамики захватывания предмета производства, позволяющий определить параметры колебательного движения предмета в зависимости от его размеров, массы, величины начального расстояния между предметом и захватным устройством, скорости их взаимного сближения. Теоретически установлено, что вращение сопел вихревой камеры пневмовихревого захватного устройства с частотами от 4000 об/мин до 20000 об/мин, позволяет повысить уровень разрежения в зоне действия захватного устройства на 20... 186% по отношению к уровню разрежения пневмовихревого захватного устройства с неподвижными соплами вихревой камеры. Процесс захватывания предмета производства имеет вид затухающих колебаний, по завершении которых предмет занимает устойчивое положение.

5. Предложена модель, позволяющая определить условия захватывания предмета производства с малой поверхностью захватывания посредством пневмовихревого захватного устройства с кольцевыми камерами, в зависимости от основных характеристик системы «захватное устройство — предмет производства». Предложен расчет времени захватывания на основе динамики движения предмета производства с малой поверхностью захватывания, позволяющий определить его траектории движения при центрировании и последующем захватывании, учитывающий геометрические и физические параметры предмета, величину начального расстояния между ним и захватным устройством, начальное смещение между их осями, скорость их взаимного сближения. Теоретическим исследованием модели для предмета производства типа кольцо 086-092-36-2-4 ГОСТ 9833-73, установлено, что максимальная величина допустимого радиаль-

ного смещения между осями предмета и захватного устройства составляет 22...30мм. Процесс центрирования предмета производства имеет вид затухающих колебаний, по завершении которых расстояние между осями предмета производства и захватного устройства не превышает 0,8 мм.

6. Экспериментальные исследования подтверждают возможность повышения разрежения в захватной области ПВЗУ посредством увеличения тангенциальной составляющей скорости вихревого потока за счет вращения сопел ВК. При этом максимальная разность между экспериментальными и аналитически полученными значениями разрежения составляет 28 %, идущая в запас расчета. Экспериментально подтверждено, что посредством разнонаправленных вихревых потоков создаваемых в кольцевых вихревых камерах с вращающимися стенками, удается обеспечить гарантированный автоматический захват предметов с малой поверхностью захватывания, смещенных относительно захватного устройства. Эмпирически получены зависимости, необходимые для проектирования предложенных пневмовихревых захватных устройств повышенной эффективности.

7. Разработаны новые типовые пневмовихревые захватные устройства промышленных роботов и средство загрузки, обладающие повышенным уровнем разрежения в захватной области, защищенные патентами РФ №2179504, №2199428, №2199432, №2202466. А также устройство для автоматической сборки роликовых подшипников (патент РФ №2239735), использующее предлагаемые в работе захватные устройства.

8. Предложены методики проектирования типовых пневмовихревых захватных устройств повышенной эффективности, обеспечивающие выбор их основных параметров в зависимости от свойств захватываемых предметов производства.

9. Результаты работы внедрены на ОАО ВПЗ, г. Волжский Волгоградской области, с суммарным годовым экономическим эффектом 840000 руб.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Кристаль М.Г., Стегачев Е.В. Повышение грузоподъемности пневмовихревых захватных устройств. / Высокие технологии в машиностроении. Материалы международной научно-технической конференции (19.11.02 -21.11.2002). - Самара. - 2002. - С. 260 - 263.

2. Кристаль М.Г., Стегачев Е.В. Пневмовихревое вакуумное захватное устройство к дискретно-непрерывным роторным машинам / Комплексная автоматизация производства на базе роторных и роторно-конвейерных линий (к 90-летию со дня рождения академика АН СССР JI. Н. Кошкина). Сб науч. трудов. Под ред. В. В. Прейса. - Тула. - 2002. - С. 67 - 71.

3. Кристаль М.Г., Широкий A.B., Стегачев Е.В. Вакуумное захватное устройство. //Сборка в машиностроении, приборостроении. -2002. -№11. - С. 10-12.

4. Патент РФ №2179504, МКИ 7 В 25 J 15/06. Вакуумное захватное устройство / Кристаль М.Г., Стегачев Е.В., Филимонов В.В., Еремеев В.В., Шос-тенко C.B., Широкий A.B. Опубл в БИ №5,20.02.2002.

5. Кристаль М.Г., Стегачев Е.В. Разработка и исследование пневмовихревых захватных устройств: Тезисы докладов VII Региональной конференции мо-

9-1 182

лодых исследователей Волгоградской области, г. Волгоград, 12-15 ноябпя 2009 г / Волгогр. гос. технич. ун-т и др. - Волгоград, 2003.

6. Патент РФ №2199428, МКИ 7 В 23 Q 7/00. Струйное загру

ройство / Кристаль М.Г., Попов В.В., Шостенко C.B., Широкий i . лл д чев Е.В., Еремеев В.В. Опубл. в БИ №6,27.02.2003. ЦтУК)**

7. Патент РФ №2199432, МКИ 7 В 25 J 15/06, В 66 С 1/02. Пнев

схват / Кристаль М.Г., Стегачев Е.В., Филимонов В.В., Еремеев В.В., Шостенко C.B., Широкий A.B. Опубл. в БИ №6,27.02.2003.

8. Патент РФ №2202466, МКИ 7 В 25 J 15/06, В 66 С 1/02. Пневматический схват / Кристаль М.Г., Стегачев Е.В., Широкий A.B., Филимонов В.В., Лесной Б.В. Опубл. в БИ №11,20.04.2003.

9. Кристаль М.Г., Стегачев Е.В., Широкий A.B. Математическая модель пневмовихревого захватного устройства с вращающейся вихревой камерой. / Машиностроение и техносфера XXI века, сб. тр. X международной научн.-техн. конференции, Донецк, 2003. - С. 99 - 103.

10. Кристаль М.Г., Стегачев Е.В. Пневмовихревое захватное устройсхво повышенной грузоподъемности. / Актуальные проблемы конструкторско-технологического обеспечения машиностроительного производства, материалы международной конференции, часть 1, Волгоград, 16-19 сентября 2003 г. -С. 225 - 228.

11. Кристаль М.Г., Стегачев Е.В. Моделирование процесса захвата деталей пневмовихревым захватным устройством с вращающейся вихревой камерой: Тезисы докладов VIII Региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области, г. Волгоград, 11-14 ноября 2003 г / Волгогр. гос. технич. ун-т. - Волгоград, 2004. - С 69-71.

12. Кристаль М.Г., Стегачев Е.В. Моделирование пневмовихревого захватного устройства с вращающейся вихревой камерой. // Сборка в машиностроении, приборостроении. - 2004. - №1. - С. 19 - 23.

13. Патент РФ №2239735, МКИ 7F 16С 43/06. Устройство для сборки радиальных роликовых подшипников / Кристаль М. Г., Стегачев Е. В., Широкий А. В. Опубл. БИ №31, 10.11.2004.

Повышение эффективности пневмовихревых захватных устройств промышленных роботов

Подписано в печать 25 А? 2004 г. Заказ № 900 Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Типография «Политехник» Волгоградского государственного технического университета.

Стегачев Евгений Вячеславович

400131, Волгоград, ул. Советская, 35

Введение.

Глава 1 Обзор литературных источников по средствам и методам автоматического захватывания предметов производства промышленными роботами.

1.1 Общие положения.

1.2 Классификация захватных устройств промышленных роботов.

1.3 Методы и средства повышения эффективности пневмо-вихревых захватных устройств (ПВЗУ).

1.3.1 Анализ предметов производства с позиции применимости захватных устройств.

1.3.2 Анализ работ в области повышения степени разрежения в рабочей зоне пневмовихревых захватных устройств.

1.4 Анализ теоретических и экспериментальных исследований пневмовихревых захватных устройств.

1.5 Выводы из анализа литературных источников, уточнение цели, постановка задач исследования.

Глава 2 Теоретические исследования пневмовихревых захватных устройств с вращающимися соплами вихревой камеры (ВК)

2.1 Разработка схемы ПВЗУ с вращающимися соплами ВК

2.2 Математическая модель, устанавливающая взаимосвязь уровня разрежения в ПВЗУ с вращающимися соплами ВК от его конструктивных и кинематических параметров.

2.3 Динамическая модель ПВЗУ с вращающимися соплами вихревой камеры.

Выводы по главе 2.

Глава 3 Теоретические исследования пневмовихревых захватных устройств для предметов с малой площадью захватывания.

3.1 Разработка схем ПВЗУ для предметов с малой площадью захватывания.'.

3.1.1 ПВЗУ с кольцевыми вихревыми камерами.

3.1.2 ПВЗУ с кольцевыми вихревыми камерами и эжектором.

3.2 Математическая модель статической грузоподъемности ПВЗУ с кольцевыми вихревыми камерами.

3.3 Динамическая модель ПВЗУ с кольцевыми вихревыми камерами.

Выводы по главе 3.

Глава 4 Экспериментальные исследования пневмовихревых захватных устройств повышенной эффективности.

4.1 Конструкция экспериментальной установки для исследования ПВЗУ.

4.2 Методики проведения экспериментальных исследований и обработки полученных результатов.

4.3 Результаты экспериментального исследования ПВЗУ с вращающимися соплами вихревой камеры и их интерпретация.

4.3.1 Оценка влияния геометрических параметров ВК, угловой скорости ее вращения и давления питания, на величину радиуса внутренней границы вихревого потока.

4.3.2 Исследование влияния частоты вращения ВК, давления питания и расстояния до захватываемого предмета на величину разрежения на оси ВК.

4.3.3 Изменение величины разрежения на поверхности захватывания в радиальном, от оси вихревой камеры, направлении.

4.3.4 Оценка тяговой способности ПВЗУ.

4.3.5 Оценка влияния угловой скорости вращения вихревой камеры и давления питания на скорость вихревого потока.

4.3.6 Определение времени захватывания (отпускания) предмета, в зависимости от его массы и давления питания.

4.4 Результаты экспериментального исследования ПВЗУ с кольцевыми вихревыми камерами, и их интерпретация.

4.4.1 Распределение в радиальном направлении величины давления на поверхности установки предмета производства

4.4.2 Влияние расстояния до предмета производства на величину разрежения на поверхности захватывания.

4.4.3 Оценка времени захватывания предмета производства

Выводы по главе 4.

Глава 5 Разработка типовых конструкций ПВЗУ повышенной эффективности и методик их инженерного расчета.

5.1 ПВЗУ с вращающимися соплами вихревой камеры.

5.2 ПВЗУ с вращающимися соплами вихревой камеры и центральным ротором.

5.3 ПВЗУ с кольцевыми вихревыми камерами для предметов с малой площадью захватывания.

5.4 Струйное вихревое загрузочное устройство.

5.5 Устройство для автоматической сборки радиальных роликовых подшипников.

5.6 Методика инженерного расчета типовых конструкций ПВЗУ повышенной эффективности.

Выводы по главе 5.

В настоящее время, в серийном и мелкосерийном производствах для подачи предметов производства (ПП) в технологическое оборудование, широко применяются промышленные роботы и автоматические манипуляторы, снабженные захватными устройствами различных типов. Среди них можно выделить пневмовихревые захватные устройства (ПВЗУ), содержащие вихревые камеры (ВК) в виде полуоткрытых цилиндров с тангенциальными питающими соплами. Истекающие из этих сопел струи сжатого воздуха создают вихревой воздушный поток, в средней части которого образуется разрежение. Они универсальны, просты по конструкции, долговечны и надежны в работе, не требовательны к физическим свойствам захватываемых предметов, обладают способностью центрировать ПП при их захватывании, имеют возможность бесконтактного захватывания, высокое быстродействие, малые габаритные размеры и массу, не подвержены влиянию агрессивной среды и шероховатости поверхности захватывания. Однако, эти устройства имеют ограничения грузоподъемности, обусловленные недостаточной степенью разрежения в захватной области ПВЗУ, из-за потерь энергии в вихревом воздушном потоке на трение о стенки ВК и на сопротивление в питающих соплах, что снижает эффективность их использования.

Зачастую, при подаче деталей на позицию сборочного автомата необходимо их захватывание по торцевым поверхностям малой площади. К предметам с малой площадью захватывания (МПЗ) можно отнести сепараторы, кольца и ролики подшипников качения, а также различные уплотни-тельные элементы (прокладки плоские эластичные, резиновые уплотни-тельные кольца, резиновые армированные манжеты для валов, манжеты шевронных уплотнений и др.). Захватывание данных предметов затруднено в силу низкого уровня усилий, создаваемых в зоне действия ПВЗУ. Это обусловлено, помимо перечисленного выше, дросселированием потока воздуха в вакуумных каналах малого сечения (размер сечения определяется МПЗ предмета), и смещением ГШ относительно оси ПВЗУ.

Существенный вклад в развитие струйных и вихревых захватных устройств внесли научные коллективы Государственного НИИ машиностроения, ЭНИМСа, Московского государственного технологического университета "Станкин", Ростовского-на-Дону НИИ технологии машиностроения, Государственного аэрокосмического университета им. H. Е. Жуковского "Харьковский авиационный институт", Ижевского государственного технического университета, Воронежской государственной технологической академии, Львовского политехнического института др.

Разработки захватных устройств, использующих струйные и вихревые эффекты, активно ведутся за рубежом, в частности, Иллинойским технологическим институтом (США), Лувенским католическим университетом (Бельгия), университетом Cantenbury (Новая Зеландия), фирмами Hitachi, Fujitsu Fenuc Ltd (Япония), Simrit (Германия), Sormel, Astek , Skilam, ACMA (Франция), EPEL (Швейцария).

Разработке научных основ течения струйных вихревых потоков посвящены труды ряда отечественных ученых: Г.Н. Абрамовича, Е.В. Герца, М.А. Гольдштика, Л.А. Залманзона, C.B. Иванова, Л.А. Клячко, Д.М. Лев-чука, А.П. Меркулова, А.И. Сутина, А.Д. Суслова, Э.И. Чаплыгина. Исследованию струйных вихревых захватных устройств посвящены труды: В.А. Бубнова, Г.П. Исупова, Б.Ю. Овсянникова, Б.А. Сентякова, Я.И. Проць.

Повышение грузоподъемности ПВЗУ достигается в основном за счет увеличения, как скорости вихревого потока в полости ВК и на выходе из неё, так и площади, по которой действует разрежение, и числа вихревых камер в устройстве. В известных ПВЗУ повышение скорости вихревого потока обеспечивается в вихревых камерах различных форм, выполненных с уменьшением диаметра проточной части на выходе из камеры. С одной стороны это приводит к увеличению тангенциальной скорости потока и степени разрежения на оси захватного устройства, это же приводит к уменьшению площади действия разрежения и к значительному увеличению избыточного давления на периферии ВК, а значит и к увеличению отталкивающей силы. Увеличение радиальной составляющей скорости потока на выходе из ВК достигается путем выбора рациональных значений зазора между торцевой поверхностью вихревой камеры и поверхностью захватывания предмета. Увеличение числа вихревых камер ПВЗУ и площади, по которой действует разрежение, ограничивается габаритами захватываемого предмета. Перечисленные способы повышения грузоподъемности ПВЗУ разработаны, в основном, для предметов производства с «неограниченными» поверхностями захвата, и не позволяют преодолеть потери энергии в вихревом воздушном потоке о стенки вихревых камер и в питающих соплах. Кроме того, отсутствуют экспериментальные и теоретические исследования динамики процесса центрирования и захватывания предметов с МПЗ, при их взаимодействии с вихревым потоком.

Таким образом, исследования направленные на дальнейшее повышение эффективности пневмовихревых захватных устройств, изыскания новых методов увеличения степени разрежения в захватной области ПВЗУ и улучшения условий центрирования захватываемых предметов с МПЗ являются актуальными, а их проведение позволит расширить область применения пневмовихревых захватных устройств при автоматизации загрузки технологического оборудования.

Целью настоящей работы является повышение грузоподъемности ПВЗУ и улучшение условий захватывания предметов с МПЗ, а также разработка новых типовых прогрессивных конструкций ПВЗУ и методик их проектирования.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Разработка метода повышения степени разрежения в захватной области ПВЗУ за счет вращения сопел вихревой камеры и его математической модели.

2. Разработка метода улучшения условий захватывания предметов с МПЗ воздействием на них разнонаправленных вихревых потоков, создаваемых в кольцевых камерах с вращающимися стенками, и создание, на его основе, математической модели процесса захватывания.

3. Создание теоретических моделей динамики процесса захватывания предметов производства.

4. Экспериментальная оценка адекватности предложенных математических моделей реальному процессу захватывания.

5. Разработка типовых прогрессивных конструкций ПВЗУ повышенной грузоподъемности, ПВЗУ для захватывания деталей с МПЗ и методик их инженерного проектирования.

По результатам выполненных исследований автор защищает:

- Методы повышения степени разрежения в захватной области ПВЗУ и улучшения условий захватывания предметов с МПЗ.

- Математические модели процесса захватывания предметов посредством ПВЗУ с вращающимися соплами вихревой камеры и с кольцевыми вихревыми камерами, позволяющие определить уровень разрежения в захватной области устройств в функции от их основных параметров. Результаты теоретического исследования предложенных моделей.

- Результаты экспериментальных исследований влияния параметров работы ПВЗУ с вращающимися соплами вихревой камеры и с кольцевыми вихревыми камерами на параметры процесса захватывания предметов производства. Эмпирическую зависимость радиуса внутренней границы истекающего вихревого потока на срезе ВК от основных параметров ПВЗУ.

- Методики инженерного проектирования ПВЗУ с вращающимися соплами вихревой камеры и ПВЗУ с кольцевой вихревой камерой.

- Новые конструкции ПВЗУ повышенной эффективности, струйное вихревое загрузочное устройство и устройство для автоматической сборки роликовых подшипников.

В первой главе приведен анализ предметов производства с позиции применимости захватных устройств, литературных источников по современному состоянию автоматического захватывания lili промышленными роботами, методам и способам повышения эффективности работы захватных устройств. В этой же главе уточняется цель и задачи исследования.

Во второй главе рассматривается новый метод повышения величины разрежения в захватной области ПВЗУ за счет вращения питающих сопел вихревой камеры, обеспечивающего дополнительную составляющую тангенциальной скорости вихревого потока, истекающего из ВК. Разработана новая схема ПВЗУ и математическая модель, учитывающая влияние основных характеристик системы «захватное устройство - предмет производства» на величину разрежения в приосевой области вращающейся вихревой камеры. На основе модели предложен расчет динамики захватывания предмета производства, позволяющий определить параметры колебательного движения предмета в зависимости от его размеров, массы, величины начального расстояния между предметом и захватным устройством, скорости их взаимного сближения.

В третьей главе предлагается метод улучшения условий предварительного центрирования и последующего захватывания предметов с МПЗ, путем одновременного воздействия на ГШ разнонаправленных вихревых потоков, создаваемых в кольцевых камерах с вращающимися стенками. Разработана новая схема ПВЗУ с кольцевыми вихревыми камерами и математические модели, учитывающие влияние основных параметров системы «захватное устройство - предмет производства» на условия захватывания ПП с малой площадью захватывания. По разработанным моделям динамики предложены расчеты величины времени процесса захватывания, позволяющие определить параметры затухающего колебательного движения захватываемых предметов в зависимости от их геометрических и физических характеристик.

В четвертой главе приведены методики проведения и результаты экспериментальных исследований, позволяющие оценить адекватность полученных теоретических моделей повышения разрежения в захватной области и динамики процессов захватывания ПП. Эмпирически установлены зависимости, описывающие распределение разрежения в радиальном направлении по поверхности захватывания ПП и величину радиуса внутренней границы истекающего вихревого потока на срезе ВК (линия нулевых значений статического давления в потоке) в функции от давления питания, геометрических и кинематических параметров ВК, необходимые для проектирования предложенных пневмовихревых захватных устройств повышенной эффективности.

Пятая глава посвящена описанию конструкций новых типовых пневмовихревых захватных устройств промышленных роботов и средств автома-. тической загрузки ПП, обладающих повышенным уровнем разрежения в захватной области. Также рассмотрено устройство для автоматической сборки роликовых подшипников, где детали сборочного комплекта с МПЗ подаются на рабочую позицию промышленным роботом, оснащенным предлагаемыми в работе захватными устройствами. Приводятся методики проектирования новых типовых пневмовихревых захватных устройств повышенной эффективности, обеспечивающие выбор их основных параметров в зависимости от свойств захватываемых предметов производства.

Основные положения, сформулированные в диссертации, являются результатами исследований по госбюджетной НИР № 35-53/302-99 «Исследование процессов автоматического контроля и управления сложных нелинейных систем», выполненной под руководством доктора технических наук, профессора, чл.-корр. РАН [Бабушкина Марка Николаевича!, которому автор выражает особую благодарность за ценные замечания и помощь при выполнении диссертационной работы. захватывание (отпускание) до момента завершения процесса захватывания (отпускания).

При создании новых ЗУ необходимо, что бы основные эксплуатационные показатели удовлетворяли двум основным требованиям: 1) они должны определяться экспериментально или рассчитываться теоретически с достаточной точностью; 2) необходимо, чтобы показатели можно было непосредственно использовать при проектировании ПР, при программировании движений и формулировке требований к устройствам основного и вспомогательного оборудования, а также должны обеспечивать достаточно полное описание свойств захватных устройств в процессе эксплуатации.

9. Результаты работы внедрены на ОАО ВПЗ, г. Волжский Волгоградской области, с суммарным годовым экономическим эффектом 840000 руб.

1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М: Наука, 1969. - 632 с.

2. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй М. : Наука 1984,- 716с.

3. Абрамович Г.Н. Теория центробежной форсунки. Промышленная аэродинамика М,: изд БНТ ЦАГИ 1942.

4. Алексеенко C.B., Окулов B.JI. Закрученные потоки в технических приложениях (обзор) - Теплофизика и аэромеханика, том 3, № 2, 1996.

5. Анцупов A.B. Исследование взаимодействия закрученной струи газа с плоской преградой // Труды ЦАГИ,- М., 1979. Вып. 2025. 25 с.

6. Аэродинамика закрученной струи. Под. ред. Р.Б. Ахмедова. М.: Энергия, 1977.-208 с.

7. Базилевич В.А. Использование колмогоровского масштаба в качестве параметра, определяющего эффект снижения сопротивления при течении полимерных растворов. В кн.: Гидромеханика. Киев, «Наукова думка», 1972, с. 84-96.

8. Бармин И.В., Солонин В.И. Поля тангенциальной скорости и статического давления в вихревой камере // Труды МВТУ. М., 1975. - № 207.- С. 92-98.

9. Бородин В.А., Дитякин Ю.Ф. Распиливание жидкостей. М.: Машиностроение, 1967.-263 с.Ю.Брэдшоу Б. Турбулентность. М.: Машиностроение, 1980.

10. Бубнов В.А. Вихревое захватное устройство // Механизация и автоматизация производства. -1988. № 1-С. 16-18

11. Бубнов В.А. Вихревое захватное устройство промышленного робота //Вестникмашиностроения.- 1988. -№2-С. 11-12

12. Матвейчук B.C. Исследование загрузочно-разгрузочных устройств с магнитными и вакуумными захватами. Львов: Львовский политехнический институт, 1959.- 108 с.

13. Вакуумная техника: Справочник. Под общ. ред. Е.С. Фролова и В.Е. Ми-найчева. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1992.-471 с.

14. Валландер C.B. Лекции по гидроаэродинамике. Л.: ЛГУ, 1978. -294с.

15. Васильев О.Ф. Основы механики винтовых и циркуляционных потоков. -Л.: Госэнергоиздат; 1958

16. Вечтомова Д.Г., Жмылевская M.JL, Маслов В.А. Захваты промышленных роботов для машиностроения // Станкостроение. М.: НИИмашиностроения, 1984.-57 с.

17. Вихревой эффект и его промышленное применение: Материалы III всесоюзной научно-технической конференции.- Куйбышев: КуАИ, 1981.- 444 с.

18. Вихревые аппараты / А.Д. Суслов, C.B. Иванов, A.B. Мурашкин, Ю.В. Чижиков. -М.: Машиностроение, 1985.

19. Вихри и волны: Сб. статей. Пер. с англ. Под. ред. В.Н. Николаевского. -М.: Мир, 1984.-366 с.

20. Вулис JI.A., Устименко Б.П. Об аэродинамике циклонной топочной камеры // Вопросы аэродинамики и теплоэнергетики. М., 1958. -С. 176-188.

21. Герц Е.В. Некоторые вопросы структуры классификации пневматических устройств // Труды семинара по ТММ. М., 1956. Вып. 63. -34с.

22. Гиневский A.C. Турбулентный след и струя потока при наличии продольного градиента давления.- М.: Изв. АН СССР, Механика и машиностроение, 1952.-№2, с. 31-36.

23. Гольдштик М.А. Гидродинамическая устойчивость и турбулентность. АН СССР Сиб. отд. инст. теплофизики. Новосибирск: Наука, 1977,- 366 с.

24. Грузозахватные устройства: Справочник // Раздел «Вакуумные устройства». М.: Машиностроение, 1980. 463 с.

25. Гупта А., Липли Д., Сайред Н. Закрученные потоки. М.: Мир, 1987.-385 с.

26. Дейч М.Е. Техническая газодинамика. Изд. 2-е переработ. M.-JL Госэнер-гоиздат, 1961, 671 с.

27. Денисов Д.А. Компьютерные методы анализа видеоинформации: Монография.- Красноярск.: Изд-во Краснояр. ун-та, 1993.- 192 с.

28. Дитякин Ю.Ф., Клячко JI.A., Новиков Б.В., Ягодкин Б.И. Распыливание жидкостей. -М.: Машиностроение, 1977. 208 с.

29. Дубовик А. С. Фотографическая регистрация быстропротекающих процессов. 3-е изд., перераб. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984. - 320 с.

30. Захватные устройства промышленных роботов: Классификация. Основные требования.-М.: Госкомиздат СССР по стандартам, 1981.-17 с.

31. Козловский М.А. Присасывающее действие струи, обтекающей пластинку //Приборостроение: Межвуз. респуб. инжен.-техн. сбор. -Киев, 1965. Вып. 2. -С. 15-32.

32. Козловский М.А. Транспортирование тонких пластинок на струйном лотке // Автоматизация производственных процессов: Сбор, тр.-Киев, 1965.-С.21-36.

33. Козловский М.А., Проць Я.И. Струйный захватный орган // ГП и ГПА. -Киев, 1976.-№ 12.- С. 93-95.

34. Козырев Ю.Г. Промышленные роботы: Справочник. М.: Машиностроение, 1983.-376 с.

35. Конищева О.В. Вихревые струйные захватные устройства для автоматической загрузки технологического оборудования: Дис. канд. техн. наук / КГТУ. Красноярск, 1997. - 162 с.

36. Конструирование роботов: Пер. с франц. / Андре П., Кофман Ж.М., Лот Ф„ Тайар Ж.- П. -М.: Мир, 1986. 360 с.

37. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1984. - 832 с.

38. Красов В.Б. Вихревой поток в автоматизации технологических процессов // Автоматизация технологических процессов. Тула, 1981.- С. 93-104.

39. Кристаль М. Г., Широкий А. В., Стегачев Е. В., Филимонов В. В. Метод повышения производительности вибрационных бункерных загрузочных устройств. // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2002. №4. - С. 16 - 19.

40. Кристаль М.Г., Стегачев Е.В. Моделирование пневмовихревого захватного устройства с вращающейся вихревой камерой. // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2004. - № 1. - С. 19 - 23.

41. Кристаль М.Г., Широкий A.B., Стегачев Е.В. Вакуумное захватное устройство. // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2002. - №11. -С. 10-12

42. Кристаль М.Г., Стегачев Е.В. Повышение грузоподъемности пневмовихревых захватных устройств. / Высокие технологии в машиностроении. Материалы международной научно-технической конференции (19.11.02 — 21.11.2002). — Самара. — 2002. — С. 260 — 263.

43. Кузнецов В.Н. Многоэлементные вакуумные схваты для промышленных роботов // Технология и организация применения промышленных роботов:Межвуз. тематический сб. науч. тр. • Куйбышев: Изд-во авиацион. института, 1977.-С. 31 -48.

44. Кузнецов В.М., Лебедев М.А. Топочные устройства судовых паровых котлов с нефтяным отоплением. Д.: Судпромгиз, 1959. -206 с.

45. Кулагин JI.B., Морошкин М.Я. Форсунки для распыливания тяжелых топ-лив. М.: Машиностроение, 1973. - 200 с.

46. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Гидродинамика. -М.: Наука, 1988. -203с.

47. Ланцов В.А., Полонский Л.А. Вакуумные грузозахватные приспособления. Л.: Стройиздат., 1968. - 45с.

48. Лебедев И.В., Трескунов С.Л. и Яковенко B.C. Элементы струйной автоматики. -М.: Машиностроение, 1973.-360 с.

49. Лойцянекий Л.Г. Механика жидкости и газа. -М.: Наука, 1987. • 365с.

50. Магид М.З. Расчет производительности воздухонаправляющих аппаратов и регулируемых центробежных форсунок. // Судостроение. 1950. - №2. -С. 10-17.

51. Мацнев А.П. Классификация вакуумных захватов // Некоторые вопросы автоматизации технологических процессов в машиностроении: Сб. науч. тр. -М.: ВЗМИ, 1969.-С. 118-130.

52. Мацнев А.П. Перспективы развития вакуумных захватов, их конструктивные особенности и области их применения // Некоторые во-прсы автоматизации технологических процессов в машиностроении: Сб. науч. тр. М.: ВЗМИ, 1969. -Ч. 2.-С. 123-130.

53. Меркулов А.П. Вихревой поток и его применение в технике. Изд. 2-е пе-рераб. и доп. Самара, Оптима, 1997. 96 с.

54. Методы и техника измерений параметров газового потока (приемники давления и скоростного напора) Петунин А.Н. М.: Машиностроение, 1972.

55. Методы расчета турбулентных течений. / Под ред. Колльмана В. -М.: Мир, 1984.-214 с.

56. Монин A.C., Яглом A.M. Статистическая гидродинамика в 2-х томах. М.: Наука, 1965.

57. Пажи Д.Г., Прахов A.M., Равикович Б.Б. Форсунки в химической промышленности. — М. Химия, 1971. 220 с.

58. Патанкар C.B. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 97 с.

59. Пикнер М.Я. Исследование аэродинамического эффекта при струйных захватных питателей // Известия ВУЗов. М.: Машиностроение, 1968.-№10. -С. 164-169.

60. Пинсон И.И., Лившиц Я.Н. Электромагнитные и вакуумные перегружатели для листового и профильного материала. Л.: ЛДНТП, 1982.

61. Прахов A.M. Исследование и расчет центробежной форсунки// Автоматическое регулирование авиадвигателей вып. 1 М,: Оборониз. 1959 С. 11-183

62. Решетников М.Т. Робототехника. Томск: Изд-во Томского ун-та, 1985.-155с.

63. Робототехнические системы в сборочном производстве / Под. ред. Е.В. Пашкова.- Киев.: Вища школа. Головное изд-во, 1987.-272 с.

64. Роуч П. Дж. Вычислительная гидродинамика. -М.: Мир, 1980. -128с.

65. Румшисьсий Л. 3. Математическая обработка результатов эксперимента. — М.: Наука, 1971.

66. Седов Л.И. Механика сплошной среды в 2-х томах. М.: Наука, 1983.

67. Сентяков Б. А. Исследование струйного вихревого первичного преобразователя для систем управления пневмоприводом: Дис. канд. техн. наук / ИМИ. -Ижевск, 1982.-162 с.

68. Сентяков Б.А. Разработка средств совершенствования технологической оснастки на основе вихревых эффектов: Дис. док. тех. наук / ИМИ. Ижевск, 1994.-279 с.

69. Сентяков Б.А., Исупов Г.П. и др. Струйное захватное устройство со шне-ковым завихрителем потока // Механизация и автоматизация производства. -1985.-№ 1.-С. 25-26.

70. Сентяков Б.А., Исупов Г.П. Пневматическое захватное устройство. // Механизация и автоматизация производства. • 1984. № 2. - С. 5-6.

71. Смирнов Е.М. К вопросу формирования закрученных струй, вытекающих из кольцевых сопел // Инженерно-физический журнал, 1975. т. 28, - № 4. -С. 643 - 652.

72. Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты. 3-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 352 с.

73. Сукомел A.C. Теплообмен и трение при турбуленитном течении газа в коротких каналах. -М.: Энергия, 1979.-216 с.

74. Теория элементов пневмоники / Залманзон JI.A. -М.: Наука, 1969.- 508с.

75. Хавкин Ю.И. Центробежные форсунки. Л.: Машиностроение, 1976.- 168 с.

76. Ханжонков В. И. Аэродинамика аппаратов на воздушной подушке. М.: Машиностроение, 1972. 328 с.

77. Харт X. Ведение в измерительную технику: Пер с нем. М. М. Гельмана. — М.: Мир, 1999.

78. Чеканина О.В. Захват заготовок с любой степенью шероховатости и любой температурой // Роботы и их применение в народном хозяйстве: Тезисы докл. моек. гор. конф. молодых ученых и спец-в.-М, Мосстанкин 1987.-С.29.

79. Челпанов И.Б., Колпашников С.Н. Схваты промышленных роботов. -Машиностроение. 4-40 Ленингр. отд-ние, 1989.-287 с.

80. Челпанов И.Б. Устройство промышленных роботов. JL: Машиностроение, 1990.-223 с.

81. Шлыгин В. В. Графические методы расчетов в машиностроении. М.: Машиностроение, 1967.-288с.

82. A.c. 1060554 / СССР / Вакуумное грузозахватное устройство / Упоров B.C., Галкин Н.К. // Б.И. 1983, № 46.

83. A.c. 1350006/ СССР / Захватное устройство / Бубнов В.А., Чеканина О.В. и др. // Б.И. 1987, №41.

84. A.c. 1553385 / СССР / Пневматический схват / Сентяков Б.А., В. А. Бубнов и Стерхов В.В. //Б.И. 1990, №12.

85. A.c. 1620300 / СССР / Пневматический схват / Овсянников Б.Ю. и Гавгя-нен Ю.В. // Б.И. 1991,№2.

86. A.c. 1761464 / СССР Пневматический вихревой схват / Гявгянен Ю.В.//Б.И. 1992, №34.

87. A.c. 1766810 / СССР / Грузозахватное устройство / Луус P.A. // Б.И.1992, №37.

88. A.c. 1812102/ СССР / Захватное устройство / Гявгянен Ю.В. // Б.И.1993, № 16

89. A.c. 537915 / СССР / Автоматический питатель листовых заготовок / Козловский М.А. и др. // Б.И. 1976, № 45.

90. A.c. 537924 / СССР Вакуумное грузозахватное устройство / Золотухин В.К. и др. //Б.И. 1976, №45.

91. A.c. 776915 / СССР / Вакуумный держатель / Исупов Г.П., Сентя-ков Б.А.//Б.И. 1980, №41.

92. Патент 3523706 / Япония / Пневматический захват открытого типа / Ниппон дэнки К К. 1982, № 2-62.

93. Патент 4527824 / США / Vacuum cane for picking up articles off tire floor / Paul Rosenfeld // US Patent. 1985.

94. Патент 57-2477 / США / Apparatus for supporting articles without structural contract and for positioning the supported articles / Joseph C. Logue//US Patent. 1970.

95. Патент РФ №2114782, МКИ 7 В 25 J 15/06. Вакуумное грузозахватное устройство / Конищева О.В., Конищев В.М. Опубл в БИ №9, 10.07.1998.

96. Патент РФ №2179504, МКИ 7 В 25 J 15/06. Вакуумное захватное устройство / Кристаль М.Г., Стегачев Е.В., Филимонов В.В., Еремеев В.В., Шос-тенко C.B., Широкий A.B. Опубл в БИ №5,20.02.2002.

97. Патент РФ №2199428, МКИ 7 В 23 Q 7/00. Струйное загрузочное устройство / Кристаль М.Г., Попов В.В., Шостенко C.B., Широкий A.B., Стегачев Е.В., Еремеев В.В. Опубл. в БИ №6,27.02.2003.

98. Патент РФ №2199432, МКИ 7 В 25 J 15/06, В 66 С 1/02. Пневматический схват / Кристаль М.Г., Стегачев Е.В., Филимонов В.В., Еремеев В.В., Шостенко С.В., Широкий А.В. Опубл. в БИ №6, 27.02.2003.

99. Патент РФ №2201860, МКИ 7 В 23 Q 7/04, 7/14. Устройство для подачи деталей / Кристаль М. Г., Широкий А. В., Филимонов В. В., Стегачев Е. В., Безрукова Т. В. Опубл. в БИ №10, 10.04.2003.

100. Патент РФ №2202466, МКИ 7 В 25 J 15/06, В 66 С 1/02. Пневматический схват / Кристаль М.Г., Стегачев Е.В., Широкий А.В., Филимонов В.В., Лесной Б.В. Опубл. в БИ№11,20.04.2003.

101. Патент РФ №2215680, МКИ 7 В 65 G 27/22. Устройство для подачи деталей / Кристаль М. Г., Широкий А. В., Стегачев Е. В., Филимонов В. В., Широкий В. П. Опубл. БИ №31,10.11.2003.

102. Патент РФ №2239735, МКИ 7 F 16 С 43/06. Устройство для сборки радиальных роликовых подшипников / Кристаль М. Г., Стегачев Е. В., Широкий А. В. Опубл. БИ№31, 10.11.2004.

103. Решение о выдаче патента на изобретение по заявке №2003113277/02(013992) МКИ 7 В 23 Q 7/02. Устройство для ориентации цилиндрических деталей / Кристаль М. Г., Широкий А. В., Стегачев Е. В.

104. Chen Y. S. Viscous flow computations using a second-order upwing differencing scheme / A1AA Paper, 1988. № 88-0417.