Фендьо О.М. Обґрунтування параметрів та конструкцій струминних захоплювачів пристроїв завантаження. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.17 - гідравлічні машини та гідропневмоагрегати. - Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя. - Тернопіль, 2012.

Дисертація присвячена обґрунтуванню конструктивних та експлуатаційних параметрів струминних захоплювальних пристроїв з метою підвищення їх піднімальної здатності за рахунок ефективного використання енергії потоку повітря.

В дисертації проведено газодинамічний аналіз процесів протікання потоків повітря в соплових елементах та в проміжку між взаємодіючими поверхнями струминних захоплювальних пристроїв та об'єктів маніпулювання, на його основі обґрунтовано методи підвищення піднімальної здатності даних пристроїв.

Виведено аналітичні залежності для розрахунку силових характеристик струминних захоплювачів та визначено їх раціональні конструктивні параметри. Обґрунтовано вплив геометричних параметрів активної поверхні струминних захоплювачів на їх силові характеристики.

Розроблено технічні вимоги до струминних захоплювачів та визначено їх технічні характеристики. Розроблено методику інженерного розрахунку параметрів та динамічних характеристик струминних захоплювачів. Запропоновано ряд конструктивних схем пристроїв завантаження листового матеріалу на основі струминних захоплювачів, наведено формули для розрахунку їх основних параметрів.

Ключові слова: безконтактний захоплювальний пристрій, струминний захоплювач, аеродинамічний ефект, повітряна подушка, струмінь повітря, об'єкт маніпулювання, сопло.

Фендьо Е.Н. Обоснование параметров и конструкций струйных захватов устройств загрузки. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.17 - гидравлические машины и гидропневмоагрегаты. - Тернопольский национальный технический университет имени Ивана Пулюя. - Тернополь, 2012.

Диссертация посвящена обоснованию конструктивных и эксплуатационных параметров струйных захватных устройств с целью повышения их грузоподъемности за счет эффективного использования энергии потока воздуха.

В диссертации проведен газодинамический анализ процессов протекания потоков воздуха в сопловых элементах и в промежутке между взаимодействующими поверхностями струйных захватов и объектов манипулирования, на его основе обоснованы методы повышения грузоподъемности данных устройств.

Выведены аналитические зависимости для расчета силовых характеристик струйных захватов и определены их рациональные конструктивные параметры. Обосновано влияние геометрических параметров активной поверхности струйных захватов на их силовые характеристики.

Теоретическими исследованиями установлено, что эффективными являются струйные захваты с комбинированными плоско-конической и плоско-сферической активными поверхностями. Их силовые характеристики выше от захватов с плоским торцом (на 40…60% для захватов с цилиндрическим соплом и на 20.30% для захватов с кольцевым соплом).

Проведены экспериментальные исследования распределения давления на поверхности объектов манипулирования и силовых характеристик струйных захватов, определены их рациональные конструктивные параметры, подтверждены установленные теоретические зависимости.

струминний захоплювач потік повітря

На основе анализа особенностей эксплуатации струйных захватных устройств разработан ряд общих и специальных требований к их конструкции. Разработана методика инженерного расчета параметров струйных захватов. Доказано, что процесс захвата объекта манипулирования осуществляется без его удара к поверхности захватного устройства за счет амортизации удара упругостью воздушной подушки.

Предложен ряд конструктивных схем струйных устройств загрузки, которые под действием сжатого воздуха позволяют осуществлять захват и транспортировку листового материала, что является перспективным и актуальным при автоматизации транспортно-загрузочных операций. Приведены формулы для расчета основных параметров устройств загрузки на основе струйных захватных устройств.

Ключевые слова: бесконтактное захватное устройство, струйный захват, аэродинамический эффект, воздушная подушка, струя воздуха, объект манипулирования, сопло.

O.M. Fendyo. Substantiation of the parameters and structures of jet captures the automated boot device. - Manuscript.

Thesis for the degree of candidate of technical sciences, specialty 05.05.17 - hydraulic machines and hidropnevmoahrehaty. - Ternopil State Technical University named after Ivan Pul'uj. - Ternopil, 2012.

The thesis is devoted to the explanation of design and operational parameters zahoplyuvalnyh inkjet devices to increase their carrying capacity by the efficient use of air flow.

In the thesis held gas-dynamic analysis process flow of air flow in the nozzle and the elements in between the interacting surfaces zahoplyuvalnyh inkjet devices and objects of manipulation, based on his reasonable methods of increasing carrying capacity data devices.

Displaying analytical dependences for calculating the strength characteristics of jet zahoplyuvachiv and determined their rational design parameters. Substantiates the influence of geometrical parameters of the active surface of the jet zahoplyuvachiv their force characteristics.

Developed technical requirements for inkjet zahoplyuvachiv and defined specification. A method for calculating engineering parameters and dynamic characteristics of jet zahoplyuvachiv. A number of constructive schemes boot device sheet material based inkjet zahoplyuvachiv, provides formulas for calculating their parameters.

Key words: non-contact gripping device, aerodynamic effect, air stream, air flow, object manipulation, circular nozzle.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. У технологічних процесах різних галузей промисловості для виконання операцій завантаження виробів в технологічне обладнання, перспективним є використання струминних захоплювальних пристроїв, що відрізняються високою надійністю, довговічністю роботи та низькою собівартістю виготовлення. Можливість безконтактного захоплення та утримування об'єктів маніпулювання незалежно від їх матеріалу, механічних характеристик, структури поверхневого шару та температури підтверджує доцільність використання струминних захоплювачів.

Поряд з цим, недостатньо вивчені та потребують подальшого дослідження динаміка та умови протікання газового потоку в проміжку між взаємодіючими поверхнями струминного захоплювального пристрою та об'єкта маніпулювання, методи підвищення підіймальної здатності даних пристроїв за рахунок оптимізації їх конструктивних параметрів.

Тому питання, щодо обґрунтування параметрів та конструкцій струминних захоплювальних пристроїв завантаження, є актуальним та доцільним з огляду розширення сфери їх використання у виробничих процесах.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана згідно з планом науково-дослідної роботи кафедри автоматизації технологічних процесів і виробництв Тернопільського національного технічного університету імені Івана Пулюя (НДР ВК33-11 "Силові механізми піднімально-транспортних машин на базі струменевих елементів", номер державної реєстрації 0111U002594).

Мета і завдання дослідження. Мета роботи - обґрунтування конструктивних та експлуатаційних параметрів струминних захоплювальних пристроїв для підвищення їх піднімальної здатності за рахунок ефективного використання енергії потоку повітря.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі:

провести газодинамічний аналіз процесів протікання потоків повітря в соплових елементах та в проміжку між взаємодіючими поверхнями струминних захоплювачів та об'єктів маніпулювання, на його основі обґрунтувати методи підвищення піднімальної здатності даних пристроїв;

вивести аналітичні залежності для розрахунку силових характеристик струминних захоплювачів та визначення їх раціональних конструктивних параметрів;

обґрунтувати вплив геометричних параметрів активної (взаємодіючої з об'єктом маніпулювання) поверхні струминних захоплювачів на їх силові характеристики;

провести експериментальні дослідження розподілу розрідження на поверхні об'єктів маніпулювання та силових характеристик струминних захоплювачів, визначити їх раціональні конструктивні параметри, підтвердити встановлені теоретичні залежності;

встановити технічні вимоги, розробити методику інженерного розрахунку параметрів та динамічних характеристик струминних захоплювачів і механізмів завантаження на їх основі.

Об'єкт дослідження - газодинамічні процеси, що виникають в повітряному проміжку між активною поверхнею струминного захоплювача та об'єкта маніпулювання.

Предмет дослідження - вплив форми та розмірів активної поверхні, параметрів соплових елементів та джерела стиснутого повітря на експлуатаційні характеристики струминних захоплювальних пристроїв.

Методи дослідження. Під час проведення теоретичних досліджень використано методи математичного моделювання, інтегрального та диференціального числення, що базуються на класичних рівняннях механіки рідин та газів (рівняння нерозривності потоку, законах збереження енергії та кількості руху потоку повітря). Розв'язки рівнянь знайдено аналітичними або чисельними методами. Встановлення адекватності математичних моделей здійснювалась шляхом порівняння результатів розрахунку з даними фізичного експерименту.

Наукова новизна одержаних результатів:

вперше запропоновано та обґрунтовано способи збільшення ширини та глибини зони розрідження, створюваного струминним захоплювачем на поверхні об'єкта маніпулювання;

удосконалено математичні моделі для розрахунку статичних та динамічних характеристик струминних захоплювачів;

на основі виведених аналітичних залежностей вперше визначено раціональні геометричні параметри активної поверхні струминних захоплювачів;

встановлено закономірності впливу конструктивних параметрів та параметрів джерела стиснутого повітря на експлуатаційні характеристики струминних захоплювачів.

Практичне значення одержаних результатів. На основі результатів теоретичних та експериментальних досліджень параметрів потоку повітря та силових характеристик струминних захоплювачів з різними формами активної поверхні, розроблено раціональні конструкції даних пристроїв з циліндричним або кільцевим соплом, що призначені для утримування як плоских так і циліндричних об'єктів маніпулювання. Запропоновано інженерну методику розрахунку струминних захоплювачів та проектування пристроїв завантаження на їх основі, що має практичне застосування під час захоплення і транспортування виробів на різних етапах технологічного процесу.

Результати роботи впроваджені на ПАТ "Булат" (Тернопільська обл., смт. Микулинці) при автоматизації процесів завантаження заготівок у фрезерний верстат з ЧПК. Прогнозований річний економічний ефект від впровадження cкладає 13840 грн.

Особистий внесок здобувача. Основні положення та результати досліджень за темою дисертаційної роботи отримані автором самостійно, на основі власних ідей та розробок, а окремі досягнуті у співавторстві з працівниками кафедри. У працях, опублікованих у співавторстві, здобувачем особисто: проаналізовано способи подачі виробів у технологічне обладнання за допомогою струминних захоплювачів та перспективи їх застосування [9, 13]; запропоновано механізми для завантаження об'єктів у робочу зону обладнання на базі струминних захоплювальних пристроїв [1, 2, 10, 11]; проведено експериментальні дослідження захоплювачів з різною формою активної поверхні з метою визначення їх раціональних конструктивних параметрів [3]; визначено раціональні значення конструктивних параметрів струминних захоплювальних пристроїв для автоматизації завантаження циліндричних об'єктів [4]; проаналізовано умови протікання газового потоку в кільцевому соплі та в проміжку між взаємодіючими поверхнями струминного захоплювального пристрою та об'єкта маніпулювання [5]; запропоновано аналітичні залежності для розрахунку технічних та експлуатаційних характеристик струминних захоплювальних пристроїв [6]; запропоновано конструкцію захоплювача для безконтактного захоплення об'єктів типу пластин, дисків [8]; проведено моделювання та дослідження динаміки процесу захоплення об'єктів струминними захоплювачами [7, 12].

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались: на наукових конференція Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя (м. Тернопіль, 2006р., 2007р., 2008р.); на всеукраїнській науковій конференції Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя (м. Тернопіль, 2009р.); на міжнародній науково-технічній конференції “Фундаментальні та прикладні проблеми сучасних технологій” (м. Тернопіль, 2010р.); на міжнародній науково-технічній конференції “Науково-прикладні аспекти автомобільної галузі” (м. Луцьк, 2010р.); на науковому семінарі "Науково-прикладні аспекти гідромеханіки та розвитку автоматизованих технологій в галузі транспортних машин" (проводився на базі кафедри технічної механіки, інженерної та комп'ютерної графіки Херсонської державної морської академії, протокол № 7 від 23.01.2012р.), на розширеному засіданні кафедри автоматизації технологічних процесів і виробництв Тернопільського національного технічного університету імені Івана Пулюя (27 грудня 2011р., протокол № 7).

Публікації. Основні положення та результати дисертаційних досліджень опубліковані в 14 наукових працях, з яких 7 статей у фахових наукових журналах та збірниках наукових праць, 2 тези доповідей всеукраїнської наукової конференції та міжнародної науково-технічної конференції, 4 тези доповідей науково-технічних конференцій, 1 патент на корисну модель.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, загальних висновків і рекомендацій, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг дисертації складає 182 сторінки, містить 79 рисунків, 1 таблицю з текстом, список використаних джерел із 135 найменувань на 13 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі дослідження, висвітлено наукову новизну та практичне значення роботи. Наведено відомості про апробацію отриманих результатів дослідження та публікації, що висвітлюють основні положення дисертаційної роботи.

У першому розділі проведено аналіз публікацій щодо стану теоретичних та експериментальних досліджень методів захоплення та утримування виробів, проаналізовано переваги та недоліки кожного з них. Слід зазначити дослідження, викладені в роботах Герца Є.В., Залманзона Л.А., Ідельчика І. Є., Проця Я.І., Савківа В.Б., Danyluk S, Vincent Vandaele, Xin Li та ін.

З проведеного аналізу публікацій можна зробити висновок, що впродовж останніх років ефективними та практичними стали струминні захоплювальні пристрої, які здійснюють безконтактне захоплювання та утримування об'єктів маніпулювання з різного матеріалу, з різними фізичними та механічними характеристиками, структурою поверхневого шару. Серед них виділяють чотири основні типи: соплові, ежекційні, вихрові та опірні. Перевагою перших трьох типів струминних захоплювачів є те, що вони здійснюють безконтактне захоплювання та утримання плоских об'єктів. Опірні струминні захоплювачі можуть здійснювати накопичення об'єктів, але у зв'язку з низькими силовими характеристиками застосовуються рідко.

Доцільність використання струминних захоплювальних пристроїв зумовлена тим, що вони володіють принципово новими властивостями: відсутністю механічних контактів з функціональною поверхнею об'єкта маніпулювання, високою точністю центрування об'єктів, високими динамічними характеристиками, керованою навантажувальною здатністю, можливістю демпфування ударів об'єкта в процесі його захоплення. Тому дані захоплювачі забезпечують високу якість виконуваних операцій за рахунок відсутності на поверхні виробів слідів контакту, забруднень і пошкоджень, чого неможливо уникнути при використанні традиційних захоплювачів.

Проте, огляд наукових публікацій та патентів показує, що питання обґрунтування параметрів та конструкцій струминних захоплювальних пристроїв, з метою забезпечення їх високих експлуатаційних характеристик, залишається недослідженими. Відсутня узагальнена методика інженерного розрахунку даних захоплювачів, оскільки приведені в цих працях теоретичні залежності дійсні у вузькому діапазоні зміни конструктивних параметрів і тиску живлення.

На основі проведеного аналізу визначено задачі дослідження, основною метою яких є виявлення впливу форми активної поверхні струминних захоплювальних пристроїв на їх силові характеристики, і відповідно їх подальше конструктивне удосконалення.

У другому розділі обґрунтовано способи збільшення ширини та глибини зони розрідження, створюваного струминним захоплювачем на поверхні об'єкта маніпулювання. Проведено газодинамічний аналіз процесів протікання потоків повітря в соплових елементах та в проміжку між взаємодіючими поверхнями захоплювача та об'єкта. Виведено аналітичні залежності для розрахунку силових характеристик струминних захоплювачів та визначено їх раціональні конструктивні параметри.

В основу розроблених принципових схем і конструкцій струминних захоплювачів покладено аеродинамічний ефект притягання при взаємодії витікаючого з сопла потоку повітря з плоскою або циліндричною поверхнею об'єкта. Суттєвий вплив на силові характеристики даних захоплювачів має форма їх активної поверхні. Вона повинна бути гладкою і забезпечувати плавне розширення потоку з метою його безвідривного режиму руху. Активна поверхня захоплювача може бути плоскою, конічною, сферичною або складатися з комбінації цих елементарних поверхонь (рис.1).

Рисунок 1 - Схеми соплових струминних захоплювачів з різними комбінаціями форм активної поверхні: а) - плоска; б) - конічна; в) - сферична; г) - плоско-конічна; д) - плоско-сферична

В результаті проведених досліджень встановлено, що раціональними є конструкції струминних захоплювачів з комбінацією плоско-конічної та плоско-сферичної поверхонь, які забезпечують максимальну присмоктуючу силу без можливості відриву об'єкта від торця захоплювача. Характерними геометричними параметрами даних захоплювачів є радіус сопла r₀, радіус захоплювача r₂, відстань між краєм сопла і об'єктом h₀.

Встановлено, що характер течії, глибина та ширина зони розрідження, і відповідно величина силової дії потоку повітря на поверхню об'єкта маніпулювання в найбільшій мірі залежить від відстані h₀ від краю циліндричного сопла до об'єкта. На рис.2 показано характер розподілу тиску на поверхні об'єкта маніпулювання для різних відстаней h₀, причому для двох випадків активної поверхні захоплювача - плоскої (зліва) та плоско-конічної (справа).

Рисунок 2 - Характер розподілу тиску на поверхні об'єкта маніпулювання для різних радіальних проміжків

Спочатку, при великих значеннях відстані h₀>15 мм, вільний струмінь повітря не прилипає до активної поверхні захоплювача, тобто витікання відбувається у відкритому режимі. При цьому струмінь повітря діє на об'єкт реактивною відштовхуючою силою. При зменшенні відстані між поверхнями захоплювача та об'єкта (рис.2, а), зростає присмоктуюча дія струменя, яка досягає максимуму при відстані h₀=0,2…0,5 мм (рис.2, б). Притягнутий до захоплювача об'єкт не знаходиться з ним у механічному контакті, а вільно переміщається на повітряній подушці. Фіксацію об'єкту від бічних зміщень здійснюють за рахунок сил тертя до базуючих фрикційних накладок або за рахунок бічних упорів. Подальше зменшення проміжку h₀ призводить до утворення пружної пневматичної подушки (рис.2, в).

Для аналізу параметрів повітряного потоку в проміжку між поверхнею захоплювача та об'єкта маніпулювання, в дисертації використано систему рівнянь Ейлера. У нашому випадку потік повітря усталений і осесиметричний, тобто його основні параметри, такі як швидкість V та тиск p в заданій точці потоку, визначаються однією координатою - текучим радіусом r. Знехтувавши для повітря впливом масових сил і врахувавши вплив сил в'язкого тертя, в результаті отримано диференціальне рівняння

,

де h - поточне значення висоти радіального проміжку; л - коефіцієнт в'язкого тертя.

Для проведення теоретичного дослідження газодинамічних характеристик струминних захоплювачів, зроблено наступні припущення: потік повітря входить в проміжок між взаємодіючими поверхнями захоплювача та об'єкта із звуковою швидкістю; термодинамічний процес протікання потоку - ізотермічний; втрати енергії при повороті потоку в радіальний проміжок малі у порівнянні із втратами на тертя, тому ними можна знехтувати; закон розподілу швидкостей у радіальному проміжку приймається рівномірним.

Врахувавши рівняння нерозривності газового потоку, стану ідеального газу та відповідних термодинамічних процесів, після підстановок і перетворень, отримано остаточне диференціальне рівняння:

,

де S - площа перерізу потоку на радіусі r; G - масова витрата повітря; R=287,14 Дж/ (кгК) - газова стала для повітря; Т - абсолютна температура повітря; _д - коефіцієнт динамічної в'язкості повітря; - еквівалентна абсолютна шорсткість поверхонь формуючих потік повітря.

Дане диференціальне рівняння розв'язувалось чисельними методами в програмному середовищі Mathcad. Розподіл тиску р_rн в надзвуковій зоні був знайдений із урахуванням початкової умови р=р_кр=0,53р₀ при r=r₀, відповідно розподіл тиску р_rд в дозвуковій зоні відповідав початковій умові р=р_а при r=r₂.

Величину сили притягання струминним захоплювачем об'єкта маніпулювання визначено за формулою:

.

Остання складова в цій формулі враховує силу, викликану статичним тиском у зоні навпроти сопла.

Рисунок 3 - Графіки залежності сили притягання об'єктів F від надлишкового тиску живлення р_0н для захоплювачів з різними формами активної поверхні

З метою якісного та кількісного порівняння результатів досліджень силових характеристик, для всіх струминних захоплювачів з різними формами активної поверхні діаметр сопла був прийнятий рівним 6 мм, а відстань від торця сопла до об'єкта 0,2 мм. При однаковому діаметрі сопла витратні характеристики захоплювачів приблизно однакові, проте захоплювачі з різними формами активної поверхні забезпечують різну глибину та ширину зони розрідження. Результати розрахунків силових характеристики представлені на рис.3. При цьому конструктивні параметри для різних варіантів активної поверхні захоплювачів наступні: плоска - r₂=18 мм; конічна - r₂=33 мм, д=0,2 мм; сферична - r₂=33 мм, д=0,2 мм; плоско-конічна - r₁=14 мм, r₂=33 мм, д=0,2 мм; плоско-сферична - r₁=14 мм, r₂=28 мм, д=0,2 мм.

Аналіз представлених результатів досліджень показує, що найбільш ефективним є струминний захоплювач з комбінованою плоско-сферичною активною поверхнею. Його силові характеристики вищі від захоплювачів з плоским торцем на 40…60 %.

З метою визначення ефективних значень конструктивних параметрів струминного захоплювача з плоско-сферичною активною поверхнею, шляхом послідовної зміни розмірів r₀, r₁ і r₂, було розраховано піднімальну силу і визначено при яких значеннях цих розмірів вона буде максимальною, причому у якомога ширшому діапазоні зміни тисків живлення р₀. При цьому відстань від торця сопла до об'єкта була прийнятою h₀=0,2 мм.

Як приклад, на рис.4 представлені результати розрахунків залежності піднімальної сили від відношень радіусів r₂/r₀ при надлишковому тиску живлення захоплювача р_0н=400 кПа і д=0,2 мм.

Рисунок 4 - Графіки залежності сили притягання об'єктів F від відношення радіусів r₂/r₀ для захоплювачів з плоско-сферичною активною поверхнею

В результаті теоретичних досліджень струминного захоплювача з циліндричним соплом і плоско-сферичною активною поверхнею, визначено ряд раціональних значень параметрів та співвідношень між ними: р_0н<400 кПа; h₀=0,16…0,25 мм; д=0,21…0,24 мм; r₀<4 мм; r₁/r₀= (4,5…5,5) і r₂/r₀= (8,5…10,5).

Струминні захоплювальні пристрої ежекційного типу характеризуються наявністю в площині торця кільцевої щілини, завдяки якій їх силові характеристики вищі від захоплювачів з циліндричним отвором-соплом. Це обумовлено явищем ежекції, коли на поверхні об'єкта маніпулювання створюється зона постійного розрідження.

Раціональні конструктивні схеми струминних ежекційних захоплювачів наведені на рис.5. Вони забезпечують максимальну присмоктуючу силу, виключають можливість відриву об'єкта від торця захоплювача та забезпечують стабільне положення об'єкта при його безконтактному утримуванні.

Рисунок 5 - Схеми ежекційних струминних захоплювачів з різними формами активної поверхні: а) - плоско-конічна; б) - плоско-сферична

До конструкції соплової частини ежекційних струминних захоплювачів поставлено такі основні вимоги: вхід сопла повинен бути заокругленим з радіусом R>5h₀; довжина кільцевого сопла повинна бути ; шорсткість поверхні сопла повинна бути якомога меншою; кут нахилу сопла 20.

Результуюча сила F з якою захоплювач діє на об'єкт

.

При цьому функцію розподілу тиску на поверхні об'єкта у зоні торця корпуса визначено у вигляді

,

а розрідження у зоні навпроти конічної вставки визначалось з рівняння

,

де k=1,4 - показник адіабати для повітря; р_ат, _ат - відповідно тиск і густина атмосферного повітря; - коефіцієнт швидкості.

Також у дисертації запропоновано ряд струминних пристроїв для захоплення циліндричних об'єктів маніпулювання, зокрема для деталей типу "диски" та "зрізаний конус" з кутом конусності меншим 15, для об'єктів з глухими та наскрізними циліндричними отворами (стакани, фланці, кільця та ін.). Вони відрізняються підвищеною точністю центрування об'єктів маніпулювання та відсутністю механічних контактів з циліндричною поверхнею об'єктів.

Рисунок 6 - Схема струминного захоплювача для об'єктів типу «диски»

На рис.6 представлено конструктивну схему струминного захоплювача для об'єктів типу "диски". Форма його активної поверхні являє собою послідовну комбінацію циліндричної та конічної поверхонь з відповідними довжинами l₁ і l₂. Таке конструктивне виконання підвищує їх вантажопідіймальність, полегшує процес захоплення об'єктів у випадку не точного позиціювання промислового робота.

Сила притягання захоплювачем об'єкта маніпулювання

,

залежить від величини вакууму на торцевій поверхні об'єкта та сили в'язкого тертя потоку F_т.

Теоретичними та експериментальними дослідженнями ежекційних захоплювачів встановлено, що оптимізація форми їх активної поверхні забезпечить підвищення силових характеристик на 15…20%.

У третьому розділі викладено методику проведення експериментальних досліджень, представлено конструкцію експериментальної установки, комплекс вимірювальної апаратури, наведено методику статистичної обробки результатів експериментальних досліджень та безпосередньо самі результати досліджень.

Для підтвердження результатів теоретичних досліджень та уточнення аналітичних залежностей, розроблено та виготовлено обладнання для проведення експериментального дослідження та декілька типорозмірів струминних захоплювачів різних груп.

У процесі експериментального дослідження регулюються наступні параметри: тиск живлення в захоплювачі; геометричні параметри сопел (діаметр, товщина, довжина та ширина кільцевого сопла, кут нахилу сопла відносно осі захоплювача); геометричні параметри проміжку між взаємодіючими поверхнями струминного захоплювача та об'єкта маніпулювання; умови підводу стиснутого повітря в робочу камеру струминного захоплювача; конструктивні параметри об'єкта маніпулювання (довжина, внутрішній та зовнішній діаметри).

Загальний вигляд установки для вимірювання характеру розподілу тиску в проміжку між взаємодіючими поверхнями струминних захоплювачів і об'єкта маніпулювання, представлено на рис.7.

Рисунок 7 - Загальний вигляд установки для вимірювання характеру розподілу тиску в радіальному проміжку

Зміна абсолютного тиску р_r в радіальному проміжку для захоплювачів з циліндричним соплом та різними формами активної поверхні представлена на рис.8. Графіки відповідають захоплювачам з такими конструктивними параметрами: r₀=3 мм, r₁=11 мм, r₂=24 мм, д=0,2 мм, h₀=0,2 мм. Вимірювання проводились при надлишковому тиску живлення захоплювачів р_0н=250 кПа.

Експериментальні дослідження силових характеристик різних груп струминних захоплювальних пристроїв підтвердили достовірність отриманих теоретичних залежностей, що свідчить про їх придатність для практичних розрахунків. Також експериментальними дослідженнями встановлено ряд раціональних значень конструктивних параметрів.

Для струминних захоплювачів з циліндричним соплом (рис.1) ефективний діапазон розмірів радіуса r₀ становить r₀= (2h₀…4) мм, а при значеннях радіального проміжку h₀= (0,16…0,25) мм забезпечуються їх максимальні силові характеристики.

Зведені результати експериментальних та теоретичних досліджень силової дії витікаючого з кільцевого сопла струменя повітря на плоску поверхню об'єкта подано на рис.9. Графіки відповідають захоплювачам з такими параметрами: r₀=20 мм, r₁=25 мм, r₂=35 мм, д=0,3 мм, h₀=0,1 мм, h₁=0,3 мм для плоского торця і h₁=0,2 мм для інших комбінацій поверхонь. Відхилення розрахункових даних від експериментальних не перевищує 14%.

Рисунок 8 - Графіки зміни абсолютного тиску р_r в радіальному проміжку для захоплювачів з різними формами активної поверхні

Рисунок 9 - Графіки залежності сили притягання F плоских об'єктів від тиску р_0н для ежекційних захоплювачів з різними активними поверхнями

Для струминних захоплювачів з кільцевим соплом та плоско-сферичною активною поверхнею (рис.5) ефективне значення радіального проміжку h₁= (1,9…2,2) h₀, висота кільцевого сопла h₀= (0,08…0,12) мм, а кут його нахилу <20. При різниці радіусів r₂-r₀=20мм та =45 зона дії аеродинамічного ефекту буде найбільшою і при зміні надлишкового тиску живлення захоплювача в межах 0,1…0,3 МПа становитиме 12…26 мм.

В результаті експериментальних досліджень струминних захоплювальних пристроїв для циліндричних деталей запропоновано межі співвідношень їх розмірів. Ефективність їх забезпечується тоді, коли відношення h₁/h₀=2,4…2,8, кут =8…10, величина д= (3,5…4) h₁, .

Встановлено, що застосування безконтактних струминних захоплювачів є доцільним для об'єктів з високою чутливістю до механічного впливу, зокрема: виготовлених із легкопошкоджуваних матеріалів, з низькими характеристиками міцності та жорсткості; для конструкцій з малою товщиною стінок; для поверхонь, оброблених по високому квалітету точності; для об'єктів, покритих тонким шаром лакофарбового матеріалу.

При вантажопідіймальності до 150…200 Н і тиску живлення менше 500кПа струминні захоплювальні пристрої працюють стабільно і надійно. Величина вантажопідіймальності регулюється зміною вхідного тиску або конструктивних параметрів, а продуктивність - періодичною подачею стиснутого повітря, циклічно до роботи устаткування.

У четвертому розділі проведено дослідження технічних характеристик струминних захоплювачів з метою розробки максимально ефективних та економічних в експлуатації пристроїв.

Для дoслiджeння тoчнoстi пoзицiювання та надiйнoстi рoбoти струминних захoплювачiв використовувалась устанoвка на базi прoмислoвoгo рoбoта РКТБ-7.

В результаті дослідження було встановлено, що середнє значення похибки центрування об'єктів маніпулювання струминними захоплювачами приблизно становить 22 мкм, при середньому квадратичному відхилені 6 мкм, ймовірність безвідмовної роботи вища 99,85%.

Питома підіймальна сила струминних захоплювальних пристроїв визначалась як відношення сили притягання об'єкта маніпулювання до площі активної торцевої поверхні захоплювача. Для захоплювачів з циліндричним соплом питома піднімальна сила менша 1,3 Н/см², для захоплювачів з кільцевим соплом - до 3,5 Н/см².

Для аналізу енергетичної ефективності струминних захоплювачів у статичному режимі запропоновано використовувати коефіцієнт ефективності, що характеризує відношення величини присмоктуючої сили F до затрачуваної потужності Р_з

В результаті досліджень встановлено, що енергетична ефективність струминних захоплювальних пристроїв з кільцевим соплом є вищою від захоплювачів з циліндричним соплом приблизно в три рази, а енергетична ефективність захоплювачів з плоско-конічною або плоско-сферичною активними поверхнями приблизно на 30% вища ніж захоплювачів з плоским торцем.

На основі аналізу особливостей експлуатації струминних захоплювальних пристроїв розроблено ряд загальних та спеціальних вимог до їх конструкції. Зокрема, вимоги до надійності захоплення та утримування об'єктів маніпулювання, стабільності базування, недопустимості пошкодження або руйнування об'єктів, мінімальної маси та габаритів, здатності до переналагодження та автоматичної заміни захоплювачів, багатофункціональності та ін.

У розділі 5 наведено методику інженерного розрахунку конструктивних параметрів та динамічних характеристик струминних захоплювачів та проектування на їх основі механізмів завантаження.

Мінімальну необхідну величину сили притягання струминним захоплювачем об'єктів маніпулювання визначено із врахуванням максимальної ваги одного з об'єктів, інерційних сил, що діють на об'єкт в процесі маніпулювання, розташування осі захоплювача в просторі (вертикальне, горизонтальне) та інших факторів.

Запропонована методика інженерного розрахунку полягає у виборі раціональних конструктивних параметрів струминних захоплювачів на основі отриманих теоретичних залежностей та даних експериментальних досліджень. При цьому враховується мінімально необхідна величина сили притягання струминним захоплювачем об'єктів маніпулювання та розраховуються параметри споживання стиснутого повітря.

Для того, щоб уникнути пошкодження об'єкта маніпулювання, необхідно врахувати вплив струминного захоплювача на об'єкт як в статичному, так і в динамічному режимі, тобто в процесі його захоплення з відстані.

Захоплення об'єктів даними струминним захоплювачами відбувається з певної відстані h_max, максимально допустиме значення якої визначається умовою F_сз (h_max) mg (точка 1 на рис.10).

Для аналізу динаміки руху об'єкта маніпулювання в зоні пружної дії пневматичної подушки, використано еквівалентну розрахункову схему струминного захоплювального пристрою, представлену на рис.11. Вісь x позначає відхилення об'єкта в даний момент часу t від положення його рівноважного стану при , а h_ст - статичне відхилення об'єкта маніпулювання, викликане його вагою mg, від стану рівноваги при .

До моменту усталеного положення об'єкта відносно торця безконтактного захоплювального пристрою, відбуваються його гармонічні затухаючі коливання. Рівняння коливань має наступний вигляд:

.

Рисунок 10 - Залежність сили притягання від відстані до об'єкта та графік його коливань

Рисунок 11 - Еквівалентна розрахункова схема струминного захоплювального пристрою

Параметри А і визначено як

, ,

де b - коефіцієнт опору, значення якого доцільно визначати експериментальним шляхом.

В результаті досліджень встановлено, що процес захоплення об'єкта маніпулювання здійснюється без його удару до поверхні захоплювального пристрою, за рахунок амортизації удару пружністю повітряної подушки.

Також у даному розділі запропоновано ряд конструктивних схем струминних пристроїв завантаження, які під дією стисненого повітря дозволяють здійснювати захоплення та транспортування листового матеріалу, що є перспективним та актуальним при автоматизації транспортно-завантажувальних операцій. Наведено формули для розрахунку основних параметрів пристроїв завантаження на основі струминних захоплювальних пристроїв.

Основні результати і висновки

1. Проць Я.І. Механізми подачі стрічкового матеріалу в листоштампувальному виробництві / Я.І. Проць, В.Б. Савків, О.М. Фендьо. // Вісник Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя. - 2007. - Том 12. - № 4. - С.47-58.

2. Проць Я.І. Механізми завантаження штучних заготовок / Я.І. Проць, О.М. Фендьо, В.Б. Савків, І.Я. Стахів. // Міжвузівський збірник "Наукові нотатки". - Луцьк, вип. № 21, 2008. - С.220-231.

3. Савків В.Б. Оптимізація форми активної поверхні струменевих захоплювальних пристроїв промислових роботів / В.Б. Савків, Я.І. Проць, О.М. Фендьо, Г.В. Савків. // Вісник Тернопільського національного технічного університету імені Івана Пулюя. - 2010. - Том 15. - № 1. - С.73-80.

4. Фендьо О.М. Оптимізація конструкції струменевих захоплювальних пристроїв для автоматизації завантаження циліндричних об'єктів / О.М. Фендьо, В.Б. Савків. // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем. Збірник наукових праць. - Краматорськ, вип. № 26, 2010. - С.439-448.

5. Савків В.Б. Удосконалення конструкції струменевих ежекційних захоплювачів автоматичних пристроїв завантаження / В. Б Савків, О.М. Фендьо, Г.В. Савків. // Вісник Тернопільського національного технічного університету імені Івана Пулюя. - 2010. - Том 15. - № 3. - С.64-74.

6. Фендьо О.М. Дослідження технічних характеристик струменевих захоплювальних пристроїв промислових роботів і маніпуляторів / О.М. Фендьо, В.Б. Савків. // Міжвузівський збірник наукових праць "Наукові нотатки". - Луцьк: РВВ ЛДТУ, вип. № 28, 2010. - С.544-548.

7. Савків В.Б. Дослідження динаміки процесу захоплення об'єктів маніпулювання безконтактними струменевими захоплювальними пристроями / В.Б. Савків, О.М. Фендьо. // Вісник КНУТД. - 2010. - № 6. - С.33-36.

8. Пат.64472 U Україна, МПК B25J 15/06. Захоплювальний пристрій / Савків В.Б., Проць Я.І., Скочиляс В.В., Фендьо О.М., Савків Г.В., Федорів П.С., Бігус В. В.; заявник та патентовласник Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя. - № u201104280; заявл.08.04.2011; опубл.10.11.2011, Бюл. № 21.

9. Фендьо О.М. Аналіз методів безконтактного транспортування заготовок / Я.І. Проць, В.Б. Савків, О.М. Фендьо. // Дванадцята наукова конференція Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя, 14-15 травня 2008р.: тези доповідей. Тернопіль, 2008. - С.108.

10. Проць Я.І. Безконтактні захоплюючі пристрої промислових роботів для утримування сферичних об'єктів / Я.І. Проць, О.М. Фендьо, Г.В. Савків. // Всеукраїнська наукова конференція Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя, 13-14 травня 2009р.: тези доповідей. Тернопіль, 2009. - С.75.

11. Фендьо О.М. Струменеві механізми подачі пруткового матеріалу в штампувальному виробництві / О.М. Фендьо, Ю.П. Рак, Я.І. Проць. // Одинадцята наукова конференція Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя, 16-17 травня 2007р.: тези доповідей. Тернопіль, 2007. - С.59.

12. Савків В.Б. Моделювання роботи захоплюючо-орієнтуючих пристроїв / В.Б. Савків, В.В. Бігус, О.М. Фендьо, Г.В. Савків. // Міжнародна науково-технічна конференція Тернопільського національного технічного університету імені Івана Пулюя, 19-21 травня 2010р.: тези доповідей. Тернопіль, 2010. - С.309-310.

13. Савків В.Б. Перспективи застосування силових струменевих елементів у транспортно-завантажувальних механізмах поліграфічних систем / В.Б. Савків, О.М. Фендьо, Г.В. Савків. // Десята науково-технічна конференція Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя, 17-18 травня 2006р.: тези доповідей. Тернопіль, 2006. - С.124.

14. Фендьо О.М. Обґрунтування конструктивних параметрів струменевих захоплювальних пристроїв промислових роботів / О.М. Фендьо // Збірник тез першої наукової конференції "Теоретичні та прикладні аспекти розвитку нових автоматизованих технологій і дослідження матеріалів" Тернопільського національного технічного університету імені Івана Пулюя, Тернопіль. - 2011. - С.12-13.

Размещено на Allbest.ru