автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Совершенствование гравитационного ориентатора с L-образным захватом для роторных систем автоматической загрузки

На правах рукописи

АСТРАХАНЦЕВ Александр Геннадьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ГРАВИТАЦИОННОГО ОРИЕНТАТОРА С ¿-ОБРАЗНЫМ ЗАХВАТОМ ДЛЯ РОТОРНЫХ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЗАГРУЗКИ

Специальность 05.02.13 Машины, агрегаты и процессы (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула 2009

003469386

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Прейс Владимир Викторович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Усенко Николай Антонович

кандидат технических наук Галонска Михаил Константинович

Ведущая организация:

ОАО «Конструкторское бюро автоматических линий им. Л.Н. Кошкина»

Защита состоится 10 июня 2009 г. в 14-00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.271.10 при Тульском государственном университете по адресу: 300600, г. Тула, просп. Ленина, 92 (учеб. корп. 4, ауд. 311).

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

Автореферат разослан^?апреля 2009 г,

Ученый секретарь диссертационного совета

В.А. Крюков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Основой развития машино- и приборостроительных отраслей промышленности является , комплексная автоматизация производства, базирующаяся на создании современных технологических систем машин-автоматов и автоматических линий, что требует разработки общих принципов, единой методологии и типовых технических средств автоматизации производства. В массовых производствах патронов для охотничьего, спортивного и боевого стрелкового оружия и строительно-монтажных патронов, элементов приводных роликовых цепей, инъекционных игл однократного применения, а также в пищевой промышленности для расфасовки и укупорки сыпучих и жидких продуктов в различную тару нашли широкое применение Автоматические роторные линии (APJI).

Для загрузки штучных предметов обработки в APJ1 с производительностью более 200 шт./мин используют многопозиционные роторные системы автоматической загрузки (САЗ), которые построены по принципу роторных технологических машин, что обеспечивает надежную синхронную передачу предметов обработки в непрерывно движущиеся транспортные органы APJI.

Одним из основных функциональных устройств роторных САЗ, обеспечивающих ориентирование и выдачу предметов обработки в последующие устройства САЗ, является ориентирующее устройство. Предметы обработки массой до 0,05 кг и длиной до 0,05 м, относящиеся к осесимметричным объемным деталям-телам вращения (классы 71-72 по классификатору ЕСКД), эффективно используются в устройствах с гравитационными ориентаторми. Такие ориентирующие устройства имеют высокую производительность, просты по конструкции и кинематике, поскольку не имеют приводных механизмов, обладают широкой универсальностью и возможностью переналадки, что делает их эффективным средством для создания типовых конструкций роторных САЗ.

Для ориентирования равноразмерных колпачков, относящихся к осесимметричным объемным деталям-телам вращения, с отношением габаритных размеров 1,1 <l/d<\,2(l-длина, d - диаметр предмета обработки) и колпачков близких к равноразмерным (1,2 < l/d < 1,5) эффективно используются гравитационные ориентаторы с ¿-образным захватом. Однако в известных конструкциях подача ориентируемых предметов обработки на вход ориентатора происходит по наклонной, а не вертикальной прямой. Это требует использования в роторной САЗ криволинейных лотков-накопителей для передачи предметов обработки от захватывающих органов, имеющих вертикальную ось, к гравитационным ориентаторам, что неоправданно усложняет конструкцию и увеличивает радиальные размеры всей системы.

Поэтому создание роторных САЗ с требуемой производительностью на основе гравитационных ориентаторов с ¿-образным захватом для ориентирования равноразмерных и близких к ним предметов обработки типа колпачков, относящихся к осесимметричным объемным деталям-телам вращения, является актуальной задачей.

Цель работы. Расширение технических возможностей гравитационного ориентатора с L-образным захватом для ориентирования в роторной САЗ рав-норазмерных и близких к ним предметов обработки типа колпачков, относящихся к осесимметричным объемным деталям-телам вращения.

Объект исследования. Гравитационный ориентатор с ¿-образным захватом роторной САЗ для ориентирования равноразмерных и близких к ним предметов обработки типа колпачков.

Предмет исследования. Взаимное влияние геометрических параметров, коэффициента трения равноразмерного предмета обработки о направляющие поверхности гравитационного ориентатора с ¿-образным захватом и центробежной силы инерции, возникающей вследствие транспортного вращения роторной САЗ, на величину времени ориентирования предмета обработки.

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

Теоретические и экспериментальные исследования базировались на научных работах в области теории и проектирования ориентирующих устройств для предметов формы тел вращения Л.Ф. Анчишкиной, А.Н. Беляковой, М.К. Галонска, Н.И. Камышного, А.Н. Малова, М.В. Медвидя, В.Ф. Прейса, В.В. Прейса, В.Д. Рожковского, ДА. Свинаренко, H.A. Усенко.

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

Автор защищает:

1. Совокупность конструктивных ограничений на геометрические параметры гравитационного ориентатора с ¿-образным захватом для ориентирования равноразмерных и близких к ним предметов обработки типа колпачков, относящихся к осесимметричным объемным деталям-телам вращения.

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

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса ориентирования равноразмерного предмета обработки в гравитационном ориентаторе с ¿-образным захватом роторной САЗ, подтвердившие адекватность и корректность разработанной математической модели.

4. Усовершенствованные конструкции гравитационного ориентатора с ¿-образным захватом и инженерную методику их проектирования, базирующуюся на результатах теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна. Впервые выявлено взаимное влияние на время ориентирования предмета обработки центробежной силы инерции, возникающей вследствие транспортного вращения роторной САЗ, геометрических параметров и коэффициента трения предмета обработки о направляющие поверхности гравитационного ориентатора с ¿-образным захватом.

Практическая значимость работы. Разработаны инженерная методика проектирования и усовершенствованные конструкции гравитационного ориентатора с ¿-образным захватом, обеспечивающие создание роторных САЗ с требуемой производительностью для ориентирования равноразмерных и близких к ним предметов обработки типа колпачков, относящихся к осесимметричным объемным деталям-телам вращения, длиной / < 0,05 м, с отношением габаритных размеров lid < 1,5 и массой до 0,05 кг.

Реализация работы. Результаты проведенных исследований используются в учебном процессе Тульского государственного университета, инженерная методика проектирования и техническая документация на разработанную конструкцию гравитационного ориентатора с ¿-образным захватом приняты к использованию в ОАО «Конструкторское бюро автоматических линий им. Л.Н. Кошкина» (Московская обл., г. Климовск), ЗАО «Ротор» и ОАО «Тульский патронный завод им. С.М. Кирова» (г. Тула).

Апробация работы. Основные научные положения диссертации, результаты исследований и разработок докладывались соискателем на международных научно-технических конференциях «Автоматизация: проблемы и решения (АПИР)» (г. Тула, 2005, 2006 и 2008 гг.); на II Международной научно-технической конференции «Глобальный научный потенциал» (г. Тамбов, 2006 г.), II Международной научно-технической конференции «Автоматизация машиностроительного производства» (г. Вологда, 2006 г.) и XIII Международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века» (г. Севастополь, 2006 г.), на которой доклад был отмечен дипломом II степени.

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 12 научных работ (4 - единолично, остальные - в соавторстве), в том числе 4 статьи (3 - в периодических изданиях, рекомендованных ВАК РФ), 6 докладов на международных конференциях и 2 патента РФ на полезные модели.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и общих выводов, списка литературы из 97 наименований и приложений. Объем диссертационной работы составляет 110 страниц, в том числе 53 рисунка и 2 таблицы. Объем приложений - 25 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первом разделе рассмотрено состояние изучаемого вопроса.

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

Для загрузки штучных предметов обработки в АРЛ с производительностью более 200 шт./мин используют многопозиционные роторные САЗ, которые построены по принципу роторных технологических машин, что обеспечивает надежную синхронную передачу предметов обработки в непрерывно движущиеся транспортные органы АРЛ.

Одним из основных функциональных устройств роторных САЗ, обеспечивающих ориентирование и выдачу предметов обработки в последующие устройства САЗ, является ориентирующее устройство.

Предметы обработки массой до 0,05 кг и длиной до 0,05 м, относящиеся к осесимметричным объемным деталям-телам вращения (классы 71-72 по классификатору ЕСКД), эффективно ориентируются в устройствах с гравитационными ориентаторами. Такие устройства имеют высокую производительность, просты по конструкции и кинематике, обладают широкой универсальностью и возможностью переналадки, что делает их эффективным средством для создания типовых конструкций роторных САЗ. Для ориентирования равноразмерных предметов обработки типа колпачков (стаканов) с отношением габаритных размеров 1,1 <Ис1< 1,2 (/-длина, с1- диаметр предмета обработки) и предметов близких к равноразмерным (1,2 < 1/с1 < 1,5) эффективно используются гравитационные ориентаторы с ¿-образным захватом.

Подача ориентируемого предмета обработки на вход известных конструкций ориентаторов с ¿-образным захватом происходит по наклонной, а не по вертикальной прямой, поэтому их применение в роторной САЗ неоправданно усложняет её конструкцию и увеличивает радиальные размеры системы, так как требует использования криволинейных лотков-накопителей для передачи предметов обработки от захватывающих органов, имеющих вертикальную ось.

Поэтому необходимо найти пути совершенствования конструкции гравитационных ориентаторов с ¿-образным захватом для ориентирования равно-размерных предметов обработки типа колпачков и предметов, близких к равно-размерным, с целью создания на их основе роторных САЗ с требуемой производительностью.

Изучение отечественных и зарубежных научных работ показало, что большинство их них посвящены созданию стационарных (не роторных) САЗ и, следовательно, не учитывают влияния на предмет обработки центробежной силы инерции, возникающей вследствие транспортного вращения роторной САЗ.

Впервые математическая модель и результаты компьютерного моделирования процесса ориентирования предмета обработки в гравитационном ори-ентаторе роторной САЗ с вертикальной опорой были представлены в работах В.В. Прейса, в которых было показано, что центробежная сила инерции от вращения ротора, действующая в направлении перпендикулярном оси опоры, существенно влияет на время ориентирования предмета обработки.

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

1. Совершенствование конструкции гравитационного ориентатора с ¿-образным захватом и разработка совокупности конструктивных ограничений на его геометрические параметры с целью обеспечения возможности ориентирования равноразмерных и близких к ним предметов обработки типа колпачков, относящихся к осесимметричным объемным деталям-телам вращения, и компоновки ориентатора в роторной САЗ.

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

3. Проведение теоретических и экспериментальных исследований процесса ориентирования равноразмерного предмета обработки в гравитационном ориентаторе с ¿-образным захватом роторной САЗ для подтверждения адекватности и корректности разработанной математической модели.

4. Разработка инженерной методики проектирования усовершенствованной конструкции гравитационного ориентатора с ¿-образным захватом, способной ориентировать равноразмерные и близкие к ним предметы обработки типа колпачков с соотношением размеров 1/с1 < 1,5 и обеспечивающей возможность рациональной компоновки ориентатора в роторной САЗ.

Во втором разделе предложены схемы и разработаны конструктивные ограничения на геометрические параметры гравитационного ориентатора с ¿-образным захватом, разработана математическая модель и проведены теоретические исследования процесса ориентирования предмета обработки в ориентаторе роторной САЗ.

Разработана схема ориентатора с ¿-образным захватом (рис. 1), в которой траектории движения ориентируемых предметов обработки на входе и выходе ориентатора совпадают, являются прямолинейными и вертикальными. Предмет обработки 2 поступает в вертикальный входной канал 3, имеющий общую вертикальную стенку 1 с приемным каналом 8, в который выдается предмет обработки после ориентации, т.е. входной и приемный каналы выполнены соосными. Между ними установлен на оси 6 маятниковый ¿-образный захват 7, выполненный в виде рычага с захватным крючком, взаимодействующим с торцами ориентируемых предметов обработки типа колпачков и осуще-

ствляющим поворот предметов, поступающих открытым торцом вперёд. В исходном положении маятниковый захват поджат к упору 4 возвратной пружиной 5 (рис. 1, а) или под действием груза, размещаемого на плече рычага, противоположном захватному крючку (рис. 1,6).

Рис. 1. Схема гравитационного ориентатора с ¿-образным захватом

Для обеспечения надежного ориентирования равноразмерных предметов обработки и предметов близких к равноразмерным были сформированы конструктивные ограничения на геометрические параметры ориентатора:

1. Захватный крючок ¿-образного захвата должен находиться от общей

D 3

вертикальной стенки на расстоянии — < с < — D, где D - внутренний диаметр входного канала.

2. Расстояние от вершины захватного крючка в его начальном положении до стенки входного канала, противоположной общей вертикальной стенки, удовлетворяет неравенству b < 0,25/ - a cosa, где а - высота захватного крючка рычага; а - начальный угол наклона рычага относительно горизонтальной оси (а = 25... 35°).

Í7T

3. Высота захватного крючка рычага а-0,5Лс/вн+—, где dmi - внутренний диаметр предмета обработки.

4. Длина рычага ¿-образного захвата (расстояние от оси поворота захвата до его захватного крючка) зависит от размеров предмета обработки, началь-

2 d-^L

ного угла наклона а рычага и удовлетворяет неравенству L >-—.

v cosa

Особенность построения математической модели процесса ориентирования предмета обработки в гравитационных ориентаторах роторных САЗ заключается в том, что наличие переносного вращательного движения ориента-тора с постоянной угловой скоростью со [рад/с] вокруг вертикальной

неподвижной оси OOj роторной САЗ (см. рис. 1, б) приводит к появлению цен-

2

тробежной силы инерции в переносном движении Fn б = ni2<a R<¡, где т2 - масса предмета обработки; R0 - начальный радиус расположения ориентатора на рабочей позиции роторной САЗ.

Основываясь на известных работах В.Ф. Прейса, В.Д. Рожковского, Л.Ф. Анчишкиной по теории ориентирования предметов обработки формы тел вращения в гравитационных ориентаторах стационарных САЗ и В.В. Прейса -роторных САЗ, при построении математической модели процесса ориентирования предмета в гравитационном ориентаторе с ¿-образным захватом были приняты следующие допущения:

1. Величина момента сил трения предмета обработки о захватный крючок мала по сравнению с моментом сил трения предмета обработки о боковые стенки ориентатора, поэтому в математических моделях её не учитывают.

2. Зазор Д между предметом обработки диаметром d и боковыми стенками ориентатора является бесконечно малой величиной, что позволяет рассматривать продольную ось предмета обработки всегда параллельной плоскости боковых стенок ориентатора.

3. При движении предмета обработки между боковыми стенками ориентатора имеет место чистое скольжение, т.е. вращение предмета обработки вокруг своей продольной оси симметрии отсутствует.

Процесс ориентирования предмета обработки в гравитационном ориентаторе с ¿-образным захватом роторной САЗ состоит из нескольких этапов. На первом этапе (рис. 2, а) происходит свободное падение предмета обработки из состояния покоя до контакта с захватом (С20» и ~ начальное, текущее

и конечное положения центра масс предмета обработки). В конечной точке Cik свободного падения происходит удар предмета обработки о рычаг

(рис. 2, б). На втором этапе движения (рис. 2, в) предмет обработки входит в контакт с захватом и начинает совместное движение: захват поворачивается относительно оси О, предмет обработки совершает плоское движение, оставаясь в контакте со стенкой лотка, в точке D контакт предмета обработки с захватом не разрывается. На третьем этапе (рис. 2, г) предмет обработки начинает поворачиваться относительно крючка захвата. На четвертом этапе происходит свободное падение предмета обработки после освобождения от захвата до того момента, когда предмет обработки займет вертикальное положение (рис. 2, д). На

пятом этапе предмет обработки свободно падает, пройдя путь Нр до соприкосновения с основанием (рис. 2, е).

е

Рис. 2. Этапы движения предмета обработки в процессе ориентирования

На первом этапе (см. рис. 2, а) время движения предмета обработки

I 2Я ...

и скорость vc¡c в конце этапа

где ки =-— - динамическии параметр.

Е

В конце первого этапа в момент удара (см. рис. 2, б) происходит мгновенное изменение скорости предмета обработки и рычага. Приняв допущение о том, что удар абсолютно неупругий, и применив к предмету обработки теорему об изменении количества движения, момента количества движения относительно точек О и С2к при ударе, теорему о скоростях при плоском движении

для точек С2к и К, получим систему семи алгебраических уравнений с семью

неизвестными, которую запишем в матричной форме:

1 0 0 «2 0 0 0 0

0 1 0 0 т2 0 0 т2п

к «пф10 -'1«КФ10 0 0 0 А 0 0

к с1 2 /2-й 0 0 0 •¡1 "С* 0

0 0 0 1 0 /^¡Пф^ -н "Су 0

0 0 0 0 1 2 0

0 0 0 0 0 -и со2 0

"су о

Решая систему (2), находим значения ударных импульсов и скоростей в конце удара. Значения этих скоростей являются начальными условиями для второго этапа.

На втором этапе положение предмета обработки определяем координатами центра масс (т. С) Х£, у^ и углом поворота ф2 (см. рис. 2,в). Связь между обобщенной координатой ф) и углом поворота предмета обработки ф2 описывается квадратным уравнением:

а251п2ф2 +а1(ф1)5Шф2 +а0(ф1) = 0, (3)

гце, - г2 + И2 \ а1(ф])=2г(/,-/]С03ф[ +г), ао(ф1 )=(/-/] соэф}-г)2-Л2.

Решение уравнения (3) позволяет определить зависимость угла ф2 от угла ф[:

У^'А2 ~4д2до(ф1)

2 а2

(4)

Условие окончания второго этапа и перехода к третьему этапу имеет вид

Ф2(Ф1) = Ф1 + 2Я"

(5)

Решив уравнение (5) совместно с зависимостью (4), найдем значение обобщенной координаты ф^ , соответствующее окончанию второго этапа, значения координаты и скорости центра масс предмета обработки и т. К, а также угловые скорости предмета обработки и захвата.

Для составления уравнения движения системы «захват - предмет обработки» применим уравнение Лагранжа второго рода. В качестве обобщенной координаты принимаем угол поворота захвата ф] с учетом того, что на предмет обработки действуют силы тяжести предмета обработки и захвата соответственно б], С2, переносные центробежные силы инерции, приложенные к захва-

(Ф1-Ф10)т

ту и предмету обработки , , сила упругости пружины Ру = суТ1 т]() / ^ при допущении, что в начальный момент времени сила тяжести захвата уравно-

вешивается силой упругости пружины, а центр масс захвата лежит на расстоянии 2 от его оси вращения, сила трения предмета обработки о стенку лотка ^тр2 = где "сила нормальной реакции опоры (рис. 3).

'///А

Рщ>2 К

Рис. 3. Расчетная схема для определения обобщенной силы

Дифференцируя уравнение Лагранжа и выполняя необходимые преобразования, получим уравнение движения в следующем виде:

^ +Ш2

? ,

*с

«: (ф1)+

Ф1)

■Ф1 +

(Ф1>

уЯПф!

ГП2

ХС

(ф1Кс(ф1)

-^с(ф1К.с(Ф1)

+ ^2(ф1К2(ф1)

-с(ф1-ф1о)(|] С03(Р1+ °2чУс{т)-

+ ихс (ф1) - иук (ф1)>

(6)

где /1 - момент инерции захвата относительно оси вращения; ^ " момент инерции предмета обработки относительно оси, проходящей через центр масс; п%2 - масса предмета обработки.

В качестве начальных условий принимаем значения скоростей, определенных на предыдущем этапе. Условие окончания второго этапа записаны ранее выражением (5).

На третьем этапе (см. рис. 2, г) в качестве обобщенных координат были приняты углы поворота захвата и предмета обработки ф|, ср2- По аналогии со вторым этапом были получены кинематические уравнения, связывающие вспомогательные координаты с обобщенными координатами, и уравнения, определяющие изменение координат центра масс предмета обработки от обобщенных координат. Это позволило составить уравнения движения системы «захват - предмет обработки» на третьем этапе в форме уравнений Лагранжа вто-

poro рода, а после преобразований привести их к системе дифференциальных уравнений в форме Коши:

¿0 = z2> ¿1 = 2з;

¿2 = ^(ФЪФ2.Ф1.Ф2)-/22(ФЬФ2)-^2(Ф1.(Р2.ФЬФ2У12(Ф1.Ф2). ■ЛКфь ф2^2г(фь Фг)-^(ФЬ Фг) ^(фь Ф2. Фь Фг)-7! 1(фь Фг)~ ЖФЬ Ф2. ФЬ ФгУ^Сфь Фг) А 1 (ф1> Ф2 )J22(ф1 »92)- J\2(ф1. 92)

z3=-

На четвертом этапе (см. рис. 2, д) плоское движение предмета обработки описывается дифференциальным уравнением:

У2Ф2 +?(ф2)"2е3 СОЗФ2Ф2 = -т2е3 созф2(ф2)2 ^(фг). (8)

где ^(ф2)=е35тф2-ц(езсозф2+г)

Разрешаем уравнение (8) относительно старшей производной _/^2_-от2е3со5ф2(ф2)2

ф2:

-9(фг)-

(9)

Интегрирование уравнения выполняем до принятия заготовкой вертикального положения (ф2 = л/2). После того, как предмет обработки принял вертикальное положение, он продолжает движение по выходному каналу ори-ентатора (см. рис. 2, е), проходя некоторый путь Нр до соприкосновения с

дном приемника. Тогда общее время ориентирования предмета обработки

'ор=Г +

vck +

Hk +2g{\-\xK(1))H¡

sO-HKm)

(10)

где Т= 2 11 - время ориентирования предмета обработки в гравитационном

/=1

ориентаторе, определяемое по разработанной аналитической модели как сумма времен I, движения предмета на каждом из четырех этапов процесса ориентирования; 1>С£ - вертикальная скорость центра масс предмета обработки в конце четвертого этапа.

Для решения составленных дифференциальных уравнений (6), (7), (9) численными методами и определения общего времени ориентирования предмета обработки в гравитационном ориентаторе была разработана компьютерная программа с использованием стандартной программной среды \iathCAD 14.

На рис. 4 представлены графики (а) зависимости общего времени ориентирования (10) от динамического параметра Ка предмета обработки длиной / = 0,015 м и диаметром г/ = 0,001 м при различных значениях коэффициента трения. Радиус расположения ориентатора на роторной САЗ /?о = 0,2 м.

Рис. 4. Графики зависимости времени ориентирования предмета обработки от динамического параметра при различных значениях коэффициента трения

предмета обработки о стенки ориентатора, рассчитанного: а - по разработанной математической модели; б - по упрощенной формуле (1)

Анализ графиков показал, что с увеличением динамического параметра до значений Ка < 0,4 происходит увеличение времени ориентирования практически по линейному закону и для диапазона значений ¿1 = 0,2...0,5 графики совпадают. При К(й > 0,4 происходит резкое увеличение /ор, при этом чем больше коэффициент трения, тем интенсивнее изменение времени ориентирования предмета обработки. При коэффициентах трения ц < 0,4 и значениях Ка —* 2 компьютерное моделирование процесса ориентирования показало торможение предмета обработки на этапе 3. При ц^0,4 торможение предмета обработки

наблюдается при Ка —»1,6. Это аналогично результатам, полученным В.В. Прейсом при моделировании процесса ориентирования удлиненного предмета обработки в гравитационных ориентаторах с центральной опорой.

Значения времени ориентирования предмета обработки, рассчитанные по разработанной математической модели, в 1,5 раза больше значений времени ориентирования, рассчитанных по упрощенной формуле (1), предполагающей простое скольжение предмета обработки по вертикальной стенке ориентатора на всем её протяжении (см. рис. 4, б).

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

Для проведения экспериментальных исследований процесса ориентирования предметов обработки были разработаны макеты гравитационного ориентатора двух конструктивных исполнений: с подпружиненным ¿-образным захватом, отличающимся формой захватного крючка, и с двуплечим ¿-образным захватом и грузом-противовесом, для ориентирования стального предмета обработки типа стакана с соотношением размеров 1/й = 1,5 (с/= 10 мм) и массой

гп2 = 5 г. Макеты разработаны на основе предложенных во втором разделе диссертации схем и конструктивных ограничений на геометрические параметры ориентатора (см. рис. 1).

Момент начала движения предмета обработки по входному каналу фиксировался загоранием светодиода. Процесс ориентирования предмета обработки в гравитационном ориентаторе фиксировался с помощью цифровой видеокамеры с разрешением 60 кадров/с. Время ориентирования предмета обработки определялось расшифровкой полученной кинограммы. В каждом испытании проводилось по 10 единичных опытов, по которым рассчитывались среднее арифметическое значение времени ориентирования предмета обработки, среднеквадратичное отклонение среднего а и коэффициент вариации

V = 100— [%]. Расшифрованная по кадрам кинограмма процесса ориентиро-

вания предмета обработки в гравитационном ориентаторе с ¿-образным захватом в стационарном положении представлена на рис. 5.

Кадр 4 Кадс 5 Кагш 6

Рис. 5. Кинограмма испытаний гравитационного ориентатора с двуплечим ¿-образным захватом и грузом-противовесом

Для экспериментальных исследований макетов гравитационных ориен-таторов на вращающемся роторе, имитирующем работу ориентатора в роторной САЗ, был разработан роторный стенд (рис. 6).

2 з. 4. ,5 л

Рис. 6. Общий вид экспериментального роторного стенда: 1 - автотрансформатор; 2 - электродвигатель; 3 - макет ориентатора; 4 - коллектор; 5 - щетки; 6 - стойка; 7 - вал; 8 - неподвижный бумажный диск;

9 - кнопка; 10 - станина

Совместный анализ экспериментальных кинограмм процесса ориентирования предмета обработки в гравитационных ориентаторах различного конструктивного исполнения показал соответствие экспериментально выявленных этапов ориентирования, теоретической последовательности этапов (см. рис. 2), положенных в основу построения математической модели процесса ориентирования предмета обработки. Расшифровка кинограмм не выявила существенного различия в средних значениях общего времени ориентирования предмета обработки в гравитационном ориентаторе с подпружиненным ¿-образным захватом и в ориентаторе с двуплечим ¿-образным захватом и грузом-противовесом.

В таблице представлены обработанные результаты определения экспериментальных значений общего времени ориентирования ¿ор (10) предмета обработки в гравитационном ориентаторе с подпружиненным ¿-образным захватом при различных частотах вращения ротора.

Экспериментальные значения общего времени ориентирования предмета обработки

Частота вращения ротора п, об/мин 0 40 50 70 80

Величина динамического параметра Ка 0 0,393 0,614 1.2 1,57

Среднее значение времени ориентирования гов, с 0,15 0,15 0,213 0,379 0,504

Дисперсия среднего значения времени ориентирования, О* 103 2,03 2,30 7,63 31,73 68,69

Среднее квадратическое отклонение (а = 7о)хЮ3, с 4,5 4,8 8,73 17,81 26,21

Коэффициент вариации К = 100 [о/10р)> % 3,0 3,2 4,1 4,7 5,2

На рис. 7 показаны графики зависимости времени ориентирования предмета обработки от динамического параметра, анализ которых показывает, что при частотах вращения ротора до 40 об/мин, соответствующих значению

Ка < 0,4, экспериментальное время ориентирования предмета обработки незначительно отличается от теоретических результатов, полученных по упрощен-

от динамического параметра: 1 - теоретические значения, рассчитанные по упрощенной формуле (1);

2 - теоретические значения, рассчитанные по разработанной математической модели; • - экспериментальные значения

Как видно из рис. 7 теоретические значения времени ориентирования хорошо согласуются к экспериментальными значениями. Относительное отклонение экспериментальных значений времени ориентирования от теоретических значений не превышает 15 %. Подтверждено теоретически найденное граничное значение динамического параметра, при котором нарушается стабильность процесса ориентирования предмета обработки Ка< 1,6.

Таким образом, подтверждена адекватность разработанной математической модели процесса ориентирования предмета обработки в гравитационном ориентаторе с ¿-образным захватом как в стационарном положении, так и на роторном стенде, имитирующем динамические условия работы ориентатора в роторной САЗ при различных частотах вращения ротора.

В четвертом разделе представлена инженерная методика проектирования гравитационного ориентатора с ¿-образным захватом двух конструктивных исполнений: с подпружиненным ¿-образным захватом и двуплечим ¿-образным захватом и грузом-противовесом, разработанная на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Представленная диссертация является научной квалификационной работой, в которой на базе теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная научно-техническая задача, заключающаяся в создании роторных САЗ с требуемой производительностью на основе гравитационных ориентаторов с ¿-образным захватом для ориентирования равноразмерных и близких к ним предметов обработки типа колпачков, относящихся к осесим-метричным объемным деталям-телам вращения.

Впервые выявлено взаимное влияние на время ориентирования предмета обработки центробежной силы инерции, возникающей вследствие транспортного вращения роторной САЗ, геометрических параметров и коэффициента трения предмета обработки о направляющие поверхности гравитационного ориентатора с ¿-образным захватом.

Основные научные и практические результаты проведенного исследования заключаются в следующем:

1. Обосновано, что предложенная схема гравитационного ориентатора с ¿-образным захватом, в котором траектории движения ориентируемых предметов обработки на входе и выходе ориентатора совпадают и являются прямолинейными и вертикальными, при разработанных конструктивных ограничениях на геометрические параметры ориентатора обеспечивает возможность компоновки ориентатора в роторной САЗ и условия стабильного ориентирования равноразмерных предметов обработки типа колпачков, относящихся к осесиммет-ричным объемным деталям-телам вращения с отношением габаритных размеров 1Д < Ис1 < 1,2 и колпачков близких к равноразмерным с отношением габаритных размеров 1,2 <Ис1< 1,5.

2. Показано, что на основе разработанной математической модели процесса ориентирования предмета обработки в гравитационном ориентаторе с ¿-образным захватом возможна оценка времени ориентирования предмета обработки с учетом взаимного влияния на время ориентирования предмета центробежной силы инерции, возникающей вследствие транспортного вращения роторной САЗ и действующей на предмет обработки в процессе его ориентирования, геометрических параметров предмета обработки и коэффициента трения предмета о направляющие поверхности ориентатора.

3. Выявлено, что влияние центробежной силы инерции и коэффициента трения на время ориентирования предмета обработки существенно для значений динамического параметра Ка> 0,4; при этом чем больше коэффициент трения, тем более интенсивно происходит увеличение времени ориентирования предмета обработки при возрастании динамического параметра. Определены граничные значения динамического параметра 2 > Кы > 1,5, при которых стабильность процесса ориентирования предмета обработки нарушается, для коэффициентов трения (0,2 < ц < 0,5).

4. Обоснована рациональность прямоугольной формы крючка ¿-образного захвата, обеспечивающей стабильное ориентирование предмета обработки дном вниз, в результате экспериментальных исследований в стационарном положении макетов гравитационного ориентатора в двух конструктивных исполнениях: с подпружиненным ¿-образным захватом и двуплечим ¿-образным захватом и грузом-противовесом.

5. Подтверждены адекватность и корректность разработанной математической модели процесса ориентирования предмета обработки в гравитационном ориентаторе с ¿-образным захватом на основе экспериментальных исследований макетов гравитационного ориентатора в двух конструктивных исполнениях: с подпружиненным ¿-образным захватом и двуплечим ¿-образным захватом и грузом-противовесом как в стационарном положении, так и на вращающемся роторе, имитирующем динамические условия работы ориентатора в роторной САЗ. Относительное отклонение теоретических значений времени ориентирования от их экспериментальных значений не превышает 15 %. Подтверждено граничное значение динамического параметра Ка < 1,6, при котором стабильность процесса ориентирования предмета обработки нарушается.

6. Разработана инженерная методика проектирования и конструкторская документация усовершенствованного гравитационного ориентатора с ¿-образным захватом двух конструктивных исполнений: с подпружиненным ¿-образным захватом и двуплечим ¿-образным захватом и грузом-противовесом, обеспечивающих рациональную компоновку ориентатора в роторной САЗ и стабильное ориентирование равноразмерных предметов обработки типа колпачков, относящихся к осесимметричным объемным деталям-телам вращения, с отношением габаритных размеров 1,1 <Ис1< 1,2 и колпачков близких к равноразмерным с отношением габаритных размеров 1,2 < 1Ш < 1,5.

Инженерная методика проектирования и конструкторская документация усовершенствованного гравитационного ориентатора с ¿-образным захватом переданы на ряд ведущих предприятий; результаты теоретических и экспериментальных исследований используются в учебном процессе Тульского государственного университета.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В РАБОТАХ

1. Астраханцев А.Г. Анализ производительности способов активного ориентирования предметов обработки в роторных ориентирующих устройствах // Материалы Междунар. конф. «АПИР-10». Тула: Изд-во ТулГУ, 2005. С. 137-142.

2. Астраханцев А.Г. Разработка и исследование гравитационного ориентатора для ориентирования равноразмерных предметов обработки // Лучшие научные работы студентов и аспирантов технологического факультета: сборник статей. Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. С. 18-23.

3. Астраханцев А.Г. Экспериментальные исследования гравитационного ориентатора в роторной системе автоматической загрузки // Материалы Меж-дунар. конф. «АПИР-11». Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. С. 77-79.

4. Астраханцев А.Г. Моделирование процесса и оценка времени ориентирования предмета обработки в гравитационном ориентаторе с ¿-образным захватом // Сб. трудов Междунар. конф. «АПИР-13». Тула: Изд-во ТулГУ, 2008. С. 244-247.

5. Астраханцев А.Г., ПрейсВ.В. Разработка и исследование механического гравитационного ориентатора // Сб. материалов 2-й Междунар. конф. «Глобальный научный потенциал». Тамбов: Изд-во Першина Р.В., 2006. С. 126-128.

6. Астраханцев А.Г., Прейс В.В. Гравитационные ориентаторы для ориентирования равноразмерных предметов обработки формы тел вращения // Сб. трудов XIII Междунар. конф. «Машиностроение и техносфера XXI века» в г. Севастополе. Донецк: ДонНТУ, 2006. Т. 1. С. 48-52.

7. Астраханцев А.Г., Прейс В.В. Разработка и исследование работы гравитационного ориентатора в роторной системе автоматической загрузки // Сб. докл. 2-й Междунар. научно-техн. конф. «Автоматизация машиностроительного производства». Вологда: ВолГТУ, 2006. С. 14-17.

8. Астраханцев А.Г., Прейс В.В. Кинематика процесса ориентирования предмета обработки в гравитационном ориентаторе с ¿-образным захватом // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. Вып. 3. 2007. С. 61-66.

9. Астраханцев А.Г., Прейс В.В. Применение гравитационных ориентирующих механизмов в роторных системах автоматической загрузки // Автоматизация и современные технологии, 2008. Вып. 4. С. 17-22.

10. Астраханцев А.Г., Давыдова Е.В., Прейс В.В. Динамика процесса ориентирования предмета обработки в гравитационном ориентаторе с ¿-образным захватом // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. Вып. 1.2009. С. 3-13.

11. Пат. 57262 РФ на полезную модель. МПК7В 65 в 47/24. Устройство для ориентации изделий типа стаканов / А.Г. Астраханцев, В.В. Прейс. Опубл. 10.10.2006 г. Бюл. № 28.

12. Пат. 62095 РФ на полезную модель. МПК7 В 65 в 47/24. Устройство для ориентации равноразмерных изделий типа стаканов / А.Г. Астраханцев, В.В. Прейс. Опубл. 27.03.2007 г. Бюл. № 9.

Изд. лиц. ЛР № 030300 от 12.02.97. Подписано в печать 2?,ау.0д Формат бумаги 60x84 1/ц. Бумага офсетная.

Усл-печ. л. 1,1. Уч. изд. л. 1,0.

Тираж 80 экз. Заказ 77 Тульский государственный университет 300600, г. Тула, просп. Ленина, 92. Отпечатано в Издательстве ТулГУ 300600, г. Тула, ул. Болдина, 151

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Области применения и проблемы автоматической загрузки APJI штучными предметами обработки.

1.2. Анализ методов ориентирования и ориентирующих устройств роторных САЗ.

1.3. Анализ научной проблемы и постановка задач диссертационного исследования.

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОРИЕНТИРОВАНИЯ ПРЕДМЕТА ОБРАБОТКИ

В ГРАВИТАЦИОННОМ ОРИЕНТАТОРЕ

С Z-ОБРАЗНЫМ ЗАХВАТОМ.

2.1. Разработка схемы и конструктивных ограничений на геометрические параметры гравитационного ориентатора.

2.2. Математическая модель процесса ориентирования предмета обработки в гравитационном ориентаторе с Z-образным захватом.

2.3. Аналитическое исследование процесса ориентирования предмета обработки в гравитационном ориентаторе.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГРАВИТАЦИОННЫХ ОРИЕНТАТОРАХ

С Z-ОБРАЗНЫМ ЗАХВАТОМ.

3.1. Исследования гравитационных ориентаторов в стационарном положении.

3.2. Экспериментальные исследования гравитационных ориентаторов на вращающемся роторе.

4. ИНЖЕНЕРНАЯ МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГРАВИТАЦИОННОГО ОРИЕНТАТОРА С L-ОБРАЗНЫМ ЗАХВАТОМ

ДЛЯ РОТОРНОЙ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЗАГРУЗКИ.

4.1. Конструирование и расчет геометрических параметров гравитационного ориентатора.

4.2. Компоновка и расчет цикловой производительности роторного ориентирующего устройства.

Актуальность работы. Основой развития машино- и приборостроительных отраслей промышленности является комплексная автоматизация производства, базирующаяся на создании современных технологических систем машин-автоматов и автоматических линий, что требует разработки общих принципов, единой методологии и типовых технических средств автоматизации производства. Автоматические роторные линии (APJI) нашли широкое применение в массовых производствах патронов для охотничьего, спортивного и боевого стрелкового оружия и строительно-монтажных патронов, элементов приводных роликовых цепей, инъекционных игл однократного применения, а также в пищевой промышленности для расфасовки и укупорки сыпучих и жидких продуктов в различную тару.

Для загрузки штучных предметов обработки в APJI с производительностью более 200 шт./мин используют многопозиционные роторные системы автоматической загрузки (САЗ), которые построены по принципу роторных технологических машин, что обеспечивает надежную синхронную передачу предметов обработки в непрерывно движущиеся транспортные органы APJI.

Одним из основных функциональных устройств роторных САЗ, обеспечивающим ориентирование и выдачу предметов обработки в последующие устройства САЗ, является ориентирующее устройство. Предметы обработки массой до 0,05 кг и длиной до 0,05 м, относящиеся к осесимметричным объемным деталям-телам вращения (классы 71-72 по классификатору ЕСКД), эффективно ориентируются в устройствах с гравитационными ориентаторми. Такие ориентирующие устройства имеют высокую производительность, просты по конструкции и кинематике, поскольку не имеют приводных механизмов, обладают широкой универсальностью и возможностью переналадки, что делает их эффективным средством для создания типовых конструкций роторных САЗ.

Для ориентирования равноразмерных колпачков, относящихся осе-симметричным объемным деталям-телам вращения, с отношением габаритных размеров 1,1 < l/d < 1,2 (/ - длина, d - диаметр предмета обработки) и колпачков близких к равноразмерным (1,2 < l/d < 1,5) эффективны гравитационные ориентаторы с Z-образным захватом. Однако в известных конструкциях подача ориентируемых предметов обработки на вход ориентатора происходит по наклонной, а не вертикальной прямой. Это требует использования в роторной САЗ криволинейных лотков-накопителей для передачи предметов обработки от захватывающих органов, имеющих вертикальную ось, к гравитационным ориентаторам, что неоправданно усложняет конструкцию и увеличивает радиальные размеры всей системы.

Поэтому создание роторных САЗ с требуемой производительностью на основе гравитационных ориентаторов с Z-образным захватом для ориентирования равноразмерных и близких к ним предметов обработки типа колпачков, относящихся к осесимметричным объемным деталям-телам вращения, является актуальной задачей.

Цель работы. Расширение технических возможностей гравитационного ориентатора с Z-образным захватом для ориентирования в роторной САЗ равноразмерных и близких к ним предметов обработки типа колпачков, относящихся к осесимметричным объемным деталям-телам вращения.

Объект исследования. Гравитационный ориентатор с Z-образным захватом роторной САЗ для ориентирования равноразмерных и близких к ним предметов обработки типа колпачков.

Предмет исследования. Взаимное влияние геометрических параметров, коэффициента трения равноразмерного предмета обработки о направляющие поверхности гравитационного ориентатора с Z-образным захватом и центробежной силы инерции, возникающей вследствие транспортного вращения роторной САЗ, на величину времени ориентирования предмета обработки.

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

Теоретические и экспериментальные исследования базировались на научных работах в области теории и проектирования ориентирующих устройств для предметов формы тел вращения Л.Ф. Анчишкиной, А.Н. Беляковой, М.К. Галонска, Н.И. Камышного, А.Н. Малова, М.В. Медвидя, В.Ф. Прейса, В.В. Прейса, В.Д. Рожковского, JI.A. Свинаренко, Н.А. Усенко.

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

Автор защищает:

1. Совокупность конструктивных ограничений на геометрические параметры гравитационного ориентатора с Z-образным захватом для ориентирования равноразмерных и близких к ним предметов обработки типа колпачков, относящихся к осесимметричным объемным деталям-телам вращения.

2. Математическую модель процесса ориентирования предмета обработки в гравитационном ориентаторе с Z-образным захватом, учитывающую взаимное влияние на время ориентирования предмета центробежной силы инерции, возникающей вследствие транспортного вращения роторной САЗ и действующей на предмет обработки в процессе его ориентирования, геометрических параметров предмета обработки и коэффициента трения предмета о направляющие поверхности ориентатора.

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса ориентирования равноразмерного предмета обработки в гравитационном ориентаторе с /--образным захватом роторной САЗ, подтвердивших адекватность и корректность разработанной математической модели.

4. Усовершенствованные конструкции гравитационного ориентатора с /-образным захватом и инженерную методику их проектирования, базирующуюся на результатах теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна. Впервые выявлено взаимное влияние на время ориентирования предмета обработки центробежной силы инерции, возникающей вследствие транспортного вращения роторной САЗ, геометрических параметров и коэффициента трения предмета обработки о направляющие поверхности гравитационного ориентатора с /-образным захватом.

Практическая значимость работы. Разработаны усовершенствованные конструкции гравитационного ориентатора с /-образным захватом, обеспечивающие создание роторных САЗ с требуемой производительностью для ориентирования равноразмерных и близких к ним предметов обработки типа колпачков, относящихся к осесимметричным объемным деталям-телам вращения, длиной / < 0,05 м, с отношением габаритных размеров l/d < 1,5 и массой до 0,05 кг, а также инженерная методика проектирования гравитационных ориентаторов с /-образным захватом.

Реализация работы. Результаты проведенных исследований используются в учебном процессе Тульского государственного университета, инженерная методика проектирования и техническая документация на разработанную конструкцию гравитационного ориентатора с /-образным захватом приняты к использованию на ОАО «Конструкторское бюро автоматических линий им. JI.H. Кошкина» (Московская обл., г. Климовск), ЗАО «Ротор» и ОАО «Тульский патронный завод им. С.М. Кирова» (г. Тула).

Апробация работы. Основные научные положения диссертации, результаты исследований и разработок докладывались соискателем на международных научно-технических конференциях «Автоматизация: проблемы и решения (АПИР)» (г. Тула, 2005, 2006 и 2008 гг.); на П-ой международной научно-технической конференции «Глобальный научный потенциал» (г. Тамбов, 2006 г.), П-ой международной научно-технической конференции «Автоматизация машиностроительного производства» (г. Вологда, 2006 г.) и XIII международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века» (г. Севастополь, 2006 г.), на которой доклад был отмечен дипломом П-ой степени.

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 12 научных работ (4 - единолично, остальные - в соавторстве), в том числе 4 статьи, (3 - в периодических изданиях, рекомендованных ВАК РФ), 6 докладов на международных конференциях и 2 патента РФ на полезные модели.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и общих выводов, списка литературы из 97 наименований и приложений. Объем диссертационной работы составляет 110 страниц, в том числе 53 рисунка и 2 таблицы. Объем приложений - 25 страниц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Представленная диссертационная работа является научной квалификационной работой, в которой на базе теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная научно-техническая задача, заключающаяся в создании роторных САЗ с требуемой производительностью на основе гравитационных ориентаторов с Х-образным захватом для ориентирования равноразмерных и близких к ним предметов обработки типа колпачков, относящихся к осесимметричным объемным деталям-телам вращения.

Впервые выявлено взаимное влияние на время ориентирования предмета обработки центробежной силы инерции, возникающей вследствие транспортного вращения роторной САЗ, геометрических параметров и коэффициента трения предмета обработки о направляющие поверхности гравитационного ориентатора с L-образным захватом.

Основные научные и практические результаты проведенного исследования заключаются в следующем.

1. Обосновано, что предложенная схема гравитационного ориентатора с L-образным захватом, в котором траектории движения ориентируемых предметов обработки на входе и выходе ориентатора совпадают, являются прямолинейными и вертикальными, при разработанных конструктивных ограничениях на геометрические параметры ориентатора обеспечивает возможность компоновки ориентатора в роторной САЗ и условия стабильного ориентирования равноразмерных предметов обработки типа колпачков, относящихся к осесимметричным объемным деталям-телам вращения, с отношением габаритных размеров 1,1 < l/d < 1,2 и колпачков близких к равнораз-мерным с отношением габаритных размеров 1,2 < l/d < 1,5.

2. Показано, что на основе разработанной аналитической модели процесса ориентирования предмета обработки в гравитационном ориентаторе с L-образным захватом, возможна оценка времени ориентирования предмета обработки с учетом взаимного влияния на время ориентирования предмета центробежной силы инерции, возникающей вследствие транспортного вращения роторной САЗ и действующей на предмет обработки в процессе его ориентирования, геометрических параметров предмета обработки и коэффициента трения предмета о направляющие поверхности ориентатора.

3. Выявлено, что влияние центробежной силы инерции и коэффициента трения на время ориентирования предмета обработки существенно для значений динамического параметра 1Са > 0,4; при этом, чем больше коэффициент трения, тем более интенсивно происходит увеличение времени ориентирования предмета обработки при возрастании динамического параметра.

Определены граничные значения динамического параметра 2 > К^ > 1,5, при которых стабильность процесса ориентирования предмета обработки нарушается, для коэффициентов трения (0,2 < ц < 0,5).

4. Обоснована рациональность прямоугольной формы крючка Z-образного захвата, обеспечивающей стабильное ориентирование предмета обработки дном вниз в результате экспериментальных исследований в стационарном положении макетов гравитационного ориентатора в двух конструктивных исполнениях: с подпружиненным L-образным захватом и двуплечим L-образным захватом и грузом-противовесом.

5. Подтверждена адекватность и корректность разработанной аналитической модели процесса ориентирования предмета обработки в гравитационном ориентаторе с L-образным захватом на основе экспериментальных исследований макетов гравитационного ориентатора в двух конструктивных исполнениях: с подпружиненным L-образным захватом и двуплечим L— образным захватом и грузом-противовесом, как в стационарном положении, так и на вращающемся роторе, имитирующем динамические условия работы ориентатора в роторной САЗ. Относительное отклонение теоретических значений времени ориентирования от их экспериментальных значений не превышает 15 %. Подтверждено граничное значение динамического параметра

Кт <1,6 при котором стабильность процесса ориентирования предмета обработки нарушается.

6. Разработана инженерная методика проектирования и конструкторская документация усовершенствованного гравитационного ориентатора с Z-образным захватом двух конструктивных исполнений: с подпружиненным Z-образным захватом и двуплечим Z-образным захватом и грузом-противовесом, обеспечивающих рациональную компоновку ориентатора в роторной САЗ и стабильное ориентирование равноразмерных предметов обработки типа колпачков, относящихся к осесимметричным объемным деталям-телам вращения, с отношением габаритных размеров 1,1 < l/d < 1,2 и колпачков близких к равноразмерным с отношением габаритных размеров 1,2 < l/d < 1,5.

Инженерная методика проектирования и конструкторская документация усовершенствованного гравитационного ориентатора с Z-образным захватом переданы на ряд ведущих предприятий; результаты теоретических и экспериментальных исследований используются в учебном процессе Тульского государственного университета.

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе Тульского государственного университета на кафедрах «Технологическая механика» и «Технологические системы пищевых и перерабатывающих производств» при выполнении курсовых проектов, лабораторных и практических работ студентами, обучающихся в бакалавриате и магистратуре по направлению 150400 Технологические машины и оборудование, и в специалитете по специальностям 170104 «Высокоэнергетические устройства автоматических систем» и 260601 «Машины и аппараты пищевых производств».

1. Автоматизация загрузки прессов штучными заготовками / В.Ф.Прейс, И.С.Бляхеров, В.В.Прейс, Н.А.Усенко; Под ред. В.Ф.Прейса. М.: Машиностроение, 1975. 280 с.

2. Автоматизация дискретного производства / Б.Е.Бонев, Г.И.Бохачев, И.К.Бояджиев и др.; Под общ. ред. Е.И.Семенова, Л.И.Волчкевича. М.: Машиностроение, 1987, София: Техника, 1987. 376 с.

3. Автоматические роторные линии / И.А.Клусов, Н.В.Волков, В.И.Золотухин и др. М.: Машиностроение, 1987. 288 с.

4. Автоматическая загрузка технологических машин: Справочник / И.С.Бляхеров, Г.М.Варьяш, А.А.Иванов, В.В.Прейс и др.; Под общ. ред. И.А.Клусова. М.: Машиностроение, 1990. 400 с.

5. Автоматическая загрузка роторных и роторно-конвейерных линий / В.В.Прейс, Г.В.Комаров, И.А.Клусов и др. / (Машиностроит. пр-во. Сер. Автоматизация пр-ва, ГПС и робототехника: Обзор, информ.). М.: ВНИИТЭМР, 1990. Вып.8. 56 с.

6. Анчишкина Л.Ф. Некоторые задачи динамики процесса ориентирования заготовок: Дисс. . канд. техн. наук. Тула, 1969. 400 с.

7. Анчишкина Л.Ф., Рожковский В.Д., Прейс В.Ф. Ориентирование деталей в гравитационном поле // Автоматизация в машиностроении и приборостроении. Киев: Техника, 1968. С. 100-120.

8. Артоболевский И.И., Капустин И.И., Прейс В.Ф. Производительность и методы ориентации штучных деталей в автоматических бункерных захватно-ориентирующих устройствах // Теория машин автоматического действия. М.: Наука, 1969. С. 126-129.

9. Астраханцев А.Г. Анализ производительности способов активного ориентирования предметов обработки в роторных ориентирующих устройствах // Материалы междунар. конф. «АПИР-10». Тула: Изд-во ТулГУ,2005. С. 137-142.

10. Астраханцев А.Г., Экспериментальные исследования гравитационного ориентатора в роторной системе автоматической загрузки // Материалы междунар. конф. «АПИР-11». Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. С. 77-79.

11. Астраханцев А.Г. Моделирование процесса и оценка времени ориентирования предмета обработки в гравитационном ориентаторе с Z-образным захватом // Сб. трудов междунар. конф. «АПИР-13». Тула: Изд-во ТулГУ, 2008. С. 244-247.

12. Астраханцев А.Г., Прейс В.В. Разработка и исследование механического гравитационного ориентатора // Сб. материалов 2-й междунар. конф. «Глобальный научный потенциал». Тамбов: Изд-во Першина Р.В.,2006. С. 126-128.

13. Астраханцев А.Г., Прейс В.В. Кинематика процесса ориентирования предмета обработки в гравитационном ориентаторе с Z-образным захватом // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. Вып. 3. 2007. С. 61-66.

14. Астраханцев А.Г., Прейс В.В. Применение гравитационных ориентирующих механизмов в роторных системах автоматической загрузки // Автоматизация и современные технологии, 2008. Вып. 4. С. 17-22.

15. Астраханцев А.Г., Давыдова Е.В., Прейс В.В. Динамика процесса ориентирования предмета обработки в гравитационном ориентаторе с Z-образным захватом // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. Вып. 1. 2009. С. 3-13.

16. А. с. 154145 СССР. Автомат питания / В.И.Кузнецов, Г.В.Комаров. Опубл. вБ.И., 1963, №8.

17. А. с. 253549 СССР. Механизм для вторичной ориентации деталей / Л.Н.Кошкин, Г.В.Комаров, П.Е.Майоров, Н.И.Сольдина. Опубл. в Б.И., 1973, №3.

18. А. с. 267306 СССР. Ротор ориентации штучных деталей / Л.Н.Кошкин, Г.В.Комаров, П.Е.Майоров. Опубл. в Б.И., 1970, № 12.

19. А.с. 502806 СССР. Устройство для ориентации изделий типа стаканов /В.П. Антипов, С.И. Евсеев, В.Ф. Прейс и др. Опубл. В Б.И., 1976, № 6.

20. А. с. 1042951 СССР. Роторный автомат питания / А.Н.Новиченко, Н.И.Балашов и др. Опубл. в Б.И., 1983, № 35.

21. А. с. 1098752 СССР. Ротор ориентации штучных деталей / Г.В.Комаров, В .В .Прейс, А.И.Гостев. Опубл. в Б.И., 1984, № 23.

22. А. с. 1191255 СССР. Роторный автомат питания / Н.И.Балашов, В.И.Хоменко, А.Н. Новиченко. Опубл. в Б.И., 1985, № 42.

23. А. с. 1340982 СССР. Роторный автомат питания / К.А.Шевейко, А.К.Савостьянов. Опубл. в Б.И., 1987, № 36.

24. А. с. 1816642 СССР. Загрузочный ротор / А.А.Иванов, Г.В.Комаров, В.В.Прейс и др. Опубл. в Б.И., 1993, № 19.

25. Бать М.И., Джанелидзе Г.Ю., Кельзон А.С. Теоретическая механика в примерах и задачах. 3-е изд., стереотип. М.: Наука, 1966. Т.2: Динамика. 663 с.

26. Белякова А.Н. Исследование производительности дисковых и трубчатых автоматических бункерных захватно-ориентирующих устройств (АБЗОУ): Дисс. . канд. техн. наук. Тула, 1969. 220 с.

27. Бобров В.П., Чеканов Л.И. Транспортные и загрузочные устройства автоматических линий. М.: Машиностроение, 1980. 159 с.

28. Гринштейн Я.Г., Вайсман Е.Г. Системы питания автоматов в приборостроении. М.: Машиностроение, 1966. 179 с.

29. Давыденко Э.М., Канаев А.С. Автоматизация производства средствами ЭМАГО. Рига.: Знание, 1984. 224 с.

30. Иванов А.А. Проектирование систем автоматического манипулирования миниатюрными изделиями. М.: Машиностроение, 1981. 271 с.

31. Информационно-статистические методы в технологии машиностроения: Пособие по обработке результатов эксперимента / В.Г. Григорович и др. М.: ГУЛ Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2000. 184 с.

32. Иоффе Б.А., Калнинь Р.К. Ориентирование деталей электромагнитным полем. Рига.: Знание, 1972. 300 с.

33. Камышный Н.И. Автоматизация загрузки станков. М.: Машиностроение, 1977. 287 с.

34. Камышный Н.И. Медвидь М.В., Прейс В.Ф. Проблемы теории автоматической загрузки станков и прессов штучными заготовками // Теория машин автоматического действия и теория точности в машиностроении и приборостроении. М.: Машгиз, 1960. С. 2-71.

35. Капустин И.И., Ильинский Д.Я. Устройства и механизмы автоматических сборочных машин. М.: Машиностроение, 1968. 260 с.

36. Классификатор ЕСКД. Детали тела вращения. Классы 71-74. М.: Стандарты, 1985. 50 с.

37. Клусов И.А. Проектирование роторных машин и линий. М.: Машиностроение, 1990. 320 с.

38. Комаров Г.В. Исследование производительности и основы проектирования роторных загрузочных устройств: Дисс. . канд. техн.наук. Тула, 1975. 267 с.

39. Кошкин JI.H. Роторные и роторно-конвейерные линии: 3-е изд. пе-рераб. и доп. М.: Машиностроение, 1991. 400 с.

40. Крагельский И.В., Виноградова И.Э. Коэффициенты трения: справочное пособие. М.: МАШГИЗ, 1962. 220 с.

41. Кулешов Е.М. Системы автоматического питания. М.: ВЗИТЛП, 1974. 74 с.

42. Лебедовский М.В., Федотов А.И. Автоматизация в промышленности: Справочная книга. Л.: Лениздат, 1976. 254 с.

43. Малов А.Н. Загрузочные устройства для металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1972. 200 с.

44. Маткин Ю.Л., Камышный Н.И., Клусов И.А. Вибрационные устройства загрузки штучных заготовок в технологическое оборудование М.: НИИМаш, 1983. 32 с.

45. Медвидь М.В. Автоматические ориентирующие загрузочные устройства. М.: МАШГИЗ, 1963. 299 с.

46. Мельников И.П. Новые конструкции роторных загрузочных устройств//Кузнечно-штамп. пр-во. 1991. № 8. С. 25-27.

47. Мельников И.П., Усенко Н.А. Основы проектирования ро-торных загрузочных устройств для APJ1 // Кузнечно-штамп. пр-во. 1991. № 10. С. 31-35.

48. Патент 57262 РФ на полезную модель. МПК7В 65 G 47/24. Устройство для ориентации изделий типа стаканов / А.Г.Астраханцев, В.В.Прейс. Опубл. 10.10.2006 г. Бюл. № 28.

49. Патент 62095 РФ на полезную модель. МПК7В 65 G 47/24. Устройство для ориентации равноразмерных изделий типа стаканов / А.Г.Астраханцев, В.В.Прейс. Опубл. 27.03.2007 г. Бюл. № 9.

50. Прейс В.В. Технологические роторные машины: вчера, сегодня, завтра. М.: Машиностроение, 1986. 128 с.

51. Прейс В.В. Основы теории и проектирование роторных систем автоматической загрузки штучных предметов обработки: Дисс. . докт. техн. наук. Тула, 1986. 384 с.

52. Прейс В.В. Автоматизация загрузки дискретных деталей в роторные и роторно-конвейерные линии // Кузнечно-штамп. пр-во. Вып. 1, 1987. С. 12-15.

53. Прейс В.В. Модели структуры, классификация и области применения роторных систем автоматической загрузки // Известия ТулГУ. Серия «Машиностроение», 2001. Вып. 6. С. 134-151.

54. Прейс В.В. Системы автоматической загрузки штучных предметов обработки в роторные и роторно-конвейерные линии // Вестник машиностроения. Вып. 12, 2002. С. 136-143.

55. Прейс В.В. Роторные системы автоматической загрузки штучных предметов обработки // Автоматизация и современные технологии, 2002, № 9. С. 3-8.

56. Прейс В.В., Астраханцев А.Г. Применение теории подобия в экспериментальных исследованиях гравитационных ориентаторов // Сб. трудов междунар. конф. «АПИР-9». Тула: Изд-во ТулГУ, 2004. С. 6-8.

57. Прейс В.В., Галонска М.К. Бункерные загрузочные устройства с вращающимися воронками криволинейного профиля / Под ред. В.В. Прейса. Тула: Изд-во ТулГУ, 2004. 128 с.

58. Прейс В.В., Крюков В.А. Комплексная автоматизация производства на базе роторных и роторно-конвейерных линий // Вестник машиностроения, 2002, № 11. С. 35-39.

59. Прейс В.В., Бондаренко Д.С. Автоматические роторные и роторно-конвейерные машины и линии в пищевых производствах // Вестник машиностроения, 2003, № 7. С. 37-43.

60. Прейс В.В., Цфасман В.Ю., Савельев Н.И. Роторные и роторно-конвейерные линии в производствах массовых деталей сельскохозяйственного и автотракторного машиностроения // Вестник машиностроения, 2003, № 9. С. 40-43.

61. Прейс В.В., Быстров В.А., Фролович Е.Н., Клусов И.А. Роторные технологии, машины и линии на современном этапе промышленного развития // Вестник машиностроения, 2003, № 10. С. 43-47.

62. Прейс В.Ф. Исследование производительности крючковых и кар-манчиковых автоматов питания: дисс. канд. техн. наук. М., 1948. 198 с.

63. Прейс В.Ф. Основы теории бункерных устройств для захвата и ориентации заготовок в автоматах и автоматических линиях штамповочного производства: дисс. докт. техн. наук. Тула, 1962. 284 с.

64. Прейс В.Ф., Рожковский В.Д. Исследование процесса поворота заготовок на ноже-призме // Труды ТМИ. Тула: Оборонгиз, 1949. № 3. С. 29-51.

65. Прейс В.Ф., Рожковский В.Д. Исследование условий поворота полуфабрикатов на ножах, расположенных на наклонном вращающемся диске // Труды ТМИ. Тула: Оборонгиз, 1951. № 5. С. 64-79.

66. Рабинович А.Н. Автоматическое ориентирование и загрузка штучных деталей. Киев: Техника, 1968. 290 с.

67. РТМ 70-63 РТМ 81-63. Автоматизирующие устройства для холодной листовой штамповки штучных заготовок. М.: Изд-во стандартов, 1964.211 с.

68. РТМ 25247 76. Устройства зарузочные к металлорежущим и сборочным станкам: в 2-х частях. М.: ВНИТИприбор. 355 с.

69. Рувинов Д.Я. Хворостьянинова В.И. Автоматические загрузочные устройства к металлорежущим станкам. М.: Машиностроение, 1963. 180 с.

70. Сахаров Ф.М. Пути повышения производительности роторных загрузочных устройств: Дисс. канд. техн. наук.- Тула, 1975.77. Сахаров Ф.М., Прейс В.Ф. Роторные автоматические загрузочныеустройства//Кузнечно-штамп. пр-во. 1975. № 3. С.

71. Свинаренко JI.A. Ориентирование деталей в вибророторном загрузочном устройстве автоматических роторных линий штамповочного производства: Дисс. . канд. техн. наук. Тула, 1990. 243 с.

72. Средства автоматической загрузки и межоперационного транспорта машин-автоматов и автоматических линий / Сб. под ред. В.Ф. Прейса и И.А. Клусова. Тула, ЦБТИ Тульского Совнархоза, 1962, 236 с.

73. Старков А. Модернизация промышленности США по производству обычных боеприпасов // Зарубежное военное обозрение. 1980. № 11. С. 21-24.

74. Тилипалов В.Н. Автоматические роторные линии в радиоэлектронной промышленности. М.: Машиностроение, 1980. 168 с.

75. Тилипалов В.Н. Технологические и конструкторские методы повышения эффективности автоматических роторных линий механической обработки: Дисс. докт. техн. наук. Тула, 1993. 379 с.

76. Усенко Н.А. Основы теории проектирования высокопроизводительных автоматических загрузочных устройств штучных заготовок: Дисс. . докт. техн. наук. Тула, 1984. 304 с.

77. Усенко Н.А., Бляхеров И.С. Автоматические загрузочно-ориентирующие устройства. М.: Машиностроение, 1984. 112 с.

78. Черпаков Б.И. Загрузочные и транспортные устройства в автоматизированном производстве. М.: Высшая школа, 1977. 55 с.

79. Шабайкович В.А. Программное ориентирование деталей. Львов: Вища школа, 1983. 168 с.

80. Шерешевский Н.И. Анализ и синтез многоярусной сборки. М.: Машиностроение, 1964. 248 с.

81. Яхимович В.А. Транспортно-загрузочные и сборочные устройства и автоматы. Киев: Техника, 1976. 192 с.

82. MathCAD 2001: Учебный курс / В. Дьяконов и др. СПб.: Питер, 2001.624 с.

83. Boothroyd G. Kleine Werkstucke automatisch handhaben // Montage und Handhabungtechnik. 1976. № 1. P. 8-11.

84. Boothroyd G., Murch L.E. Predicting Efficiency of Parts Orienting Systems // Automation. 1971. Vol. 18. № 2. P. 55-57.

85. Hesse S. Probleme des Werstuckflusses bei automatischer Montage // Fertigungstechnik und Betrieb. 1973. Vol. 23. № 8. P. 487-491.

86. Hesse S. Einsatz und Auswahl von Magazineinrichtungen // Fertigungstechnik und Betrieb. 1975. Vol. 25. № 9. P. 545-548.

87. Hesse S., Zapf H. Verkettungseinrichtungen in der Fertigunstechnik. Berlin: Verlag Technik, 1970. 188 p.

88. Murch L.E. A user's guide to parts orienting and feeding // Tool and Prod. 1978. Vol. 44. № 5. P. 84-87.

89. Murch L.E., Boothroyd G, Poli C. Feeding small parts for assembly // American Machinist. October, 1975. P. 106-110.

90. Twenty completed components . or more . every second! // Machinery Engeniring. 1984. № 6. P. 49.