Автоматизація процесів завантаження об’єктів типу тіла обертання на основі струменевих захоплюючих пристроїв

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автоматизація процесів завантаження об'єктів типу тіла обертання на основі струменевих захоплюючих пристроїв

Савків Володимир Богданович

2. Зміст роботи

У вступі обгрунтована актуальність теми роботи, визначена наукова новизна та практична цінність отриманих результатів досліджень.

У першому розділі “Аналіз методів автоматичного завантаження об'єктів виробництва” викладено літературний огляд, у якому проаналізовано вимоги до автоматичних засобів завантаження та до їх захоплюючих пристроїв (ЗП), вказано на їх переваги та недоліки.

Дослідженнями встановлено, що ефективність застосування автоматичних пристроїв завантаження і надійність виконання ними тих чи інших технологічних операцій залежить від конструкції ЗП. Останні повинні забезпечувати надійне захоплення і утримання об'єктів маніпулювання (ОМ), стабільність базування, недопустимість пошкодження або руйнування ОМ, можливість захоплення і базування об'єктів у широкому діапазоні маси, розмірів і форми, легку їх заміну, можливість автоматичного регулювання зусилля утримування. Міцність ЗП повинна бути високою при малих габаритних розмірах і масі.

Вище перелічені вимоги визначають різноманітність конструктивних виконань ЗП, які залежать також від способу утримування ними ОМ і привідних пристроїв, в якості яких можуть виступати електро-, пневмо- або гідропривід.

Найбільш широко в конструкціях сучасних промислових роботів використовують затискні механічні ЗП. Вони дозволяють захоплення об'єктів у порівняно широкому діапазоні розмірів, форми і маси, проте не завжди забезпечують необхідне положення ОМ при завантаженні і транспортуванні, не виключають пошкодження поверхні об'єкта в місцях контакту, не повністю задовільняють вимоги до надійності захоплення ОМ, розміри і форма яких змінюється після обробки. Більш широкими технологічними можливостями володіють камерні ЗП, які як правило використовуються для захоплення крихких і нежорстких об'єктів складної форми, із значним відхиленями розмірів. Вони забезпечують необхідну жорсткість, пристосованість до форми об'єкта і рівномірний розподіл зусиль затиску по поверхні ОМ. Недоліком камерних ЗП є низька довговічність, неможливість захоплення забруднених та нагрітих ОМ, а також низькі силові характеристики.

Набувають поширення магнітні і вакуумні ЗП, область застосування яких обмежена з ряду причин. Так, наприклад, магнітні (електромагнітні) ЗП придатні для ОМ тільки із намагнічуваних матеріалів. Іншими недоліками магнітних ЗП є залишковий магнетизм і захоплення сторонніх частинок (стружка та інше), здатних пошкодити поверхню ОМ. Загальним недоліком вакуумних ЗП є низька надійність фіксації ОМ, що може привести до інерційного зміщення об'єкта відносно присосу. Крім цього, виконання присосів з еластичного матеріалу не дозволяє здійснити точне позиціювання через їх пружню деформацію під дією ваги захопленого ОМ.

Протягом останіх років набувають поширення струменеві захоплюючі пристрої (СЗП), які діляться на чотири типи: “сопло з плоским торцем”, ежекційні, вихрові та опірні. Перевагою перших трьох типів СЗП є те, що вони здійснюють безконтактне утримування плоских ОМ. Опірні СЗП можуть здійснювати накопичення ОМ, але в зв'язку з низькими силовими та високими витратними характеристиками застосовуються рідко.

Аналіз робіт в області створення СЗП “сопло з плоским торцем” та ежекційного типу вказує на відсутність узагальненої методики інженерного розрахунку, так як приведені в цих працях теоретичні викладки дійсні у вузькому діапазоні зміни конструктивних параметрів та тисків живлення. Не досліджувався характер силової взаємодії струменя повітря з циліндричною поверхнею ОМ, не виявлено впливу параметрів шорсткості захоплюваних ОМ на величину аеродинамічного ефекту, відсутні рекомендації по вибору оптимальних конструктивних параметрів СЗП. Тому дослідження з метою розробки нових конструкцій СЗП з високими статичними та динамічними характеристиками, довговічністю, надійністю, низькою собівартістю і економічністю представляють практичний інтерес. Розроблені СЗП при своїй конструктивній простоті дозволяють: захоплення крихких, гнучких, нежорстких, нагрітих, забруднених, з покриттями та інших ОМ типу тіла обертання; високу точність базування і центрування ОМ; поєднання в одному пристрої функції захоплення, орієнтації і контролю ОМ; здійснювання технологічних операцій миття, сушіння, підігріву і охолодження ОМ; автоматичне регулювання в залежності від ваги ОМ, силових і витратних характеристик.

У другому розділі “Теоретичні дослідження статичних, динамічних і витратних характеристик струменевих захоплювачів автоматичних пристроїв завантаження” теоретично обгрунтовано аеродинамічний ефект взамодії різних за формою і напрямком газових потоків з твердим тілом, виявлено фізичні основи силової взаємодії сформованого сопловими елементами струменя із циліндричною поверхнею, проведено системний аналіз основних методів створення розрідження на торцевій і циліндричній поверхнях ОМ, на основі цих методів розроблено методику побудови СЗП різних модифікацій та досліджено їх статичні, динамічні та витратні характеристики.

В основу розроблених конструкцій СЗП покладено ефект виникнення аеродинамічної сили. Він полягає у взаємодії витікаючого із екранованого сопла струменя повітря з поверхнею ОМ. Величина результуючої силової дії струменя повітря на поверхню об'єкта, суттєво залежить від відстані h між торцями сопла і ОМ (рис. 1). Витікаючий із сопла струмінь, направлений у сторону ОМ, віддаленого від торця сопла на величину h>15 мм, діє на нього реактивною відштовхуючою силою (зона 1). При зменшенні відстані між торцями СЗП та ОМ переважаючою у порівнянні з реактивною стає присмоктуюча дія струменя (зона 2), яка досягає максимуму при відстані між ними h_опт=0,16…0,3 мм (зона 3).

Захоплення ОМ вагою G_ом з максимальної відстані h_max відбувається при умові F(h_max)G_ом (при G_ом0 h_тах6…7 мм). Коли дана умова виконується, ОМ під дією зростаючої аеродинамічної сили рухається в напрямку торця захоплювача. При h<h_опт швидкість об'єкта зменшується, а при деякій відстані h_min, що відповідає умові F(h_min)=G_ом, він зупиняється (при G_ом0, h_min0,08мм). Притягнутий до торця ОМ не знаходиться в безпосередньому контакті із захоплювачем, а вільно переміщується на повітряній подушці, автоматично підтримуючи зазор h_min. Фіксацію ОМ від зміщень у площині власного торця здійснюють за рахунок сил тертя до виступаючих нижче торця сопла на величину h_опт базуючих фрикційних накладок або за рахунок бічних упорів.

Основним фактором, який впливає на статичні та динамічні характеристики і вимагає принципової зміни конструкції СЗП або певних його конструктивних елементів, являється конфігурація захоплюваних ОМ. В зв'язку з цим виникає необхідність проектування СЗП для типових плоских, циліндричних, сферичних і конічних поверхонь ОМ. В залежності від конфігурації захоплюваних об'єктів та співвідношення їх розмірів, а також використовуваних у кожному з цих випадків тих чи інших конструктивних особливостей соплових елементів, можна виділити такі три можливі випадки створення аеродинамічного ефекту: за рахунок створення розрідження на торці ОМ при поширенні струменя повітря по його поверхні у вигляді плоского радіального потоку; за рахунок створення розрідження на торці ОМ при поширенні струменя повітря по його зовнішній або внутрішній циліндричній поверхні у вигляді циліндричного кільцевого потоку; за рахунок створення розрідження на циліндричній поверхні ОМ.

На рис. 2 приведена схема соплового СЗП циліндричних ОМ. Результуюча дія струменя на циліндричну поверхню ОМ:

,

де F_п.с. - сила, викликана падінням статичного тиску на поверхні ОМ за межами сопла; F_с - сила, викликана дією надлишкового статичного тиску на поверхню об'єкта в зоні, розташованій навпроти сопла; F_р - реактивна сила, викликана попаданням струменя на поверхню ОМ та поворотом потоку на кут 90.

Сила, виникаюча від дії розрідження по всій поверхні ОМ:

, (1)

де r_ом - радіус циліндричної поверхні ОМ; - кутова величина шляху взаємодії потоку повітря з поверхнею ОМ; r_с - радіус сопла; n - кількість рівномірних кутових секторів, на який розбитий кут /2 сопла; t - кількість рівномірних інтервалів , на який розбитий шлях взаємодії струменя із об'єктом на розгортці його бічної поверхні; Р_а - атмосферний тиск; Р_ij - абсолютне значення тиску, що діє на елемент бічної поверхні ОМ;

де ; де .

Через наявність у ексцентричному зазорі, утвореному взаємодіючими поверхнями СЗП і ОМ, надзвукової і дозвукової зон розрідження, розділених прямим стрибком тиску, у формулу (1) підставляють Р_ij= - для надзвукової і Р_ij= - для дозвукової зони, тобто:

;

, (2)

де Р_к - абсолютний тиск живлення СЗП; - умовний розрахунковий абсолютний тиск; К₃=0,77 - коефіцієнт; k=1,4 - показник адіабати для повітря; R=287,14 Дж/(кгК) - газова стала для повітря; Т_к - абсолютна температура повітря в камері СЗП; _а=1,23 кг/м³ - густина атмосферного повітря;

- площа прохідного січення ексцентричного зазору; =r_з-r_ом - максимальне значення величини ексцентричного зазору; h₀ - мінімальне значення величини ексцентричного зазору; r_з - радіус захоплювача; _ср - середнє значення коефіцієнта в'язкого тертя повітря до поверхонь СЗП та ОМ;

- текуче значення висоти ексцентричного зазору; при r_j=r_c; h_i0=h_ij при r_j=r_c.

Формули для розрахунку розподілу тиску в надзвуковій і дозвуковій зоні мають такий вигляд:

, (3)

, (4)

де К₁=0,85, К₂=0,22 - коефіцієнти; - коефіцієнт витрат повітря; r₂=r_ом/2.

При зазорах h₀<0,3 мм і радіусах сопла r_c>1 мм значення статичного тиску Р_с на поверхні об'єкта навпроти сопла стале і приблизно рівне Р_к, тому сила від дії цього тиску визначається формулою:

Реактивну силу струменя повітря визначають за формулою:

. (6)

В роботі розроблено ряд центруючих СЗП ежекційного типу. Схема СЗП, призначеного для захоплення об'єктів типу “стакани”, наведена на рис. 3. Сила F притягування стакана струменевим захоплювачем пропорційна величині розрідження Р_в=Р_а-Р_т на торці конічної тарілки (силою в'язкого тертя потоку повітря до поверхні ОМ можна знехтувати):

,

де Р_т - абсолютний тиск в порожнині стакана; d_ом - діаметр об'єкта маніпулювання.

Абсолютний тиск Р_к в камері захоплювача, який забезпечує необхідну величину тиску Р_т, визначається за формулою:

,

де - площа поперечного перерізу кільцевого зазору, утвореного внутрішньою поверхнею об'єкта маніпулювання і бічною поверхнею захоплювача; d_з - діаметр захоплювача; _щ - коефіцієнт швидкості, який характеризує втрати питомої енергії потоку в кільцевій конічній щілині висотою h_щ; - площа поперечного перерізу кільцевої конічної щілини; r_з - радіус СЗП; l_з - довжина активного зазору захоплювач-об'єкт; _з, _ом - середні значення коефіцієнтів в'язкого тертя повітря до поверхонь СЗП та ОМ відповідно.

При роботі з об'єктами різної ваги виникає потреба регулювання силових і, як наслідок, витратних характеристик СЗП. У роботі запропоновано ряд методів регулювання, які базуються на використанні вмонтованих змінних дроселів та клапанів, наведено конструкцію СЗП з можливістю автоматичного регулювання масових витрат повітря в залежності від ваги ОМ, виведено формули для розрахунку тиску в камері СЗП в залежності від магістрального тиску та параметрів соплових і дроселюючих елементів.

Дослідження динамічних характеристик полягає в аналізі перехідних процесів у підвідних трубопроводах та камері СЗП, аналізі параметрів руху об'єкта до торця СЗП, які визначаються диференціальним рівнянням

,

де m_ом - маса ОМ; - прискорення ОМ; f - сила притягування, яка є функцією текучої відстані х між торцями СЗП та ОМ; F_ло - сила лобового опору, пропорційна квадрату швидкості ; G_ом - вага ОМ.

У результаті розв'язку диференціальних рівнянь перехідних процесів та руху об'єкта визначено максимальний час t_тах спрацювання СЗП, який є сумою: часу t₁ спрацювання розподільчого пристрою; часу t₂ поширення хвилі тиску від розподільчого пристрою до камери СЗП; часу t₃ перехідного процесу, тобто наповнення підвідного трубопроводу та камери СЗП; часу t₄ руху ОМ до торця СЗП.

У третьому розділі “Експериментальні дослідження струменевих захоплювачів автоматичних пристроїв завантаження” викладена методика проведення експериментальних досліджень, описані конструкції експериментальних установок, апаратура для вимірювання і реєстрації результатів досліджень, викладена методика статистичної обробки експериментальних даних, а також результати досліджень.

Для проведення досліджень були виготовлені декілька типорозмірів СЗП різних груп та розроблені дослідні установки. Експериментальним дослідженням підлягали такі фактори: характер розподілу тиску в радіальному, концентричному і ексцентричному зазорі, утвореному взаємодіючими поверхнями СЗП та ОМ; характер силової взаємодії струменів повітря, направлених паралельно, перпендикулярно чи під кутом до осі ОМ, з торцевою і циліндричною поверхнями ОМ; витратні характеристики СЗП; динамічні показники СЗП.

Регульованими в процесі експериментальних досліджень були прийняті наступні фактори: тиск живлення СЗП; геометричні параметри соплових елементів (діаметр сопла, товщина щілини виміряна в нормальному до її стінок напрямі, довжина та ширина щілини, кут нахилу щілини відносно осі СЗП); геометричні параметри зазору (радіального, концентричного, есцентричного); конструктивні параметри ОМ (зовнішній та внутрішній діаметри, довжина); параметри шорсткості поверхонь ОМ, з якими взаємодіє потік повітря; умови підводу стиснутого повітря в камеру СЗП.

У результаті досліджень параметрів газового потоку отримано формулу для визначення радіуса стрибка тиску в зоні торця корпуса ежекційних СЗП.

При дослідженні силових характеристик СЗП соплового типу встановлено: діапазон ефективних значень радіуса сопла 0,3 ммr_с<4 мм; оптимальні значення радіального зазору між взаємодіючими поверхнями СЗП і ОМ h=0,160,2 мм; оптимальні значення радіуса торця корпуса СЗП r_к=4,8r_с+(812) мм. Для ежекційних СЗП товщина щілини, виміряна в нормальному до її стінок напрямі, повинна становити h_щ=0,080,12 мм; оптимальне значення радіального зазору h_рк=(2,53,2)h_щ (рис. 4); радіус торця корпуса r_к повинен бути на 1015 мм більшим радіуса конічної вставки r_в; довжина щілини повинна становити l_щ=(5…7)h_щ, а кут її нахилу до осі СЗП <20°. При шорсткості захоплюваної поверхні ОМ _ом=20 мкм присмоктуюча сила зменшується на 2030%.

Експериментальні дослідження витратних характеристик СЗП та порівняння їх з теоретичними даними дозволяють визначити коефіцієнти витрат повітря через соплові елементи, які для СЗП соплового типу знаходяться в межах =0,760,83, а для СЗП ежекційного типу при та плавному вході в щілину =0,860,95.

Експериментальні дослідження показують, що величина максимальної зони дії аеродинамічного ефекту () у захоплювачах ежекційного типу сягає мм, а в соплових СЗП мм. Дослідженнями також встановлено, що при відстані між торцями СЗП та ОМ х=24 мм сила притягування становить 515 % від її максимального значення F_max при х=0, а характер зміни сили F(х) для х<4 мм близький до параболічного, тобто

.

Максимальний час захоплення ОМ з відстані х=48 мм, починаючи з моменту спрацювання пневморозподільника, складає 0,10,3 с.

Аналіз експериментальних досліджень підтвердив достовірність отриманих теоретичних залежностей, що свідчить про їх придатність для практичних розрахунків; показав, що всі види розроблених СЗП можна застосовувати в якості робочих органів пристроїв завантаження; при вантажопідйомності до 150200 Н та тисках живлення P_кн<500 кПа вони працюють стабільно і надійно. Величина вантажопідйомності СЗП регулюється зміною вхідного тиску або конструктивних параметрів, а продуктивність - періодичною подачею стиснутого повітря, циклічно до роботи обладнання.

У четвертому розділі “Основи проектування та методика розрахунку струменевих захоплювачів автоматичних пристроїв завантаження” розроблені технічні вимоги до СЗП, визначені їх технічні характеристки, викладена методика вибору конструктивних параметрів СЗП та розрахунку їх характеристик.

Технічні вимоги до СЗП розроблені на основі техніко-економічного аналізу не тільки даних пристроїв, але й цілого виробництва, і переважаючими в них є вимоги технічного і експлуатаційного характеру. Зокрема вимоги до: маси і габаритів СЗП; здатності до переналагодження та автоматичної заміни СЗП або окремих його елементів; жорсткості кріплення СЗП; надійності фіксації і утримування ОМ; зручності технічного обслуговування; багатофункціональності та ін.

Теоретичні та експериментальні дослідження дозволили визначити ряд технічних характеристик СЗП: точність базування та центрування ОМ; надійність роботи СЗП; стабільність присмоктуючої дії; питомі силові характеристики; коефіцієнти корисної дії (ККД) та ефективності СЗП; шумові характеристики СЗП.

На основі аналізу похибок точності позиціювання маніпулятора ₁, розміщення затискного пристрою ₃ та похибки центрування ОМ відносно осі СЗП ₂ визначено ймовірність виконання операції завантаження. На основі експериментальних даних для центруючих СЗП ₂=1020 мкм. Крім цього визначено похибку базування ОМ на торці СЗП та вимоги до проектування та розташування базуючих елементів на торці СЗП.

Надійність СЗП R(t) визначалась як ймовірність його задовільної роботи протягом певного періоду експлуатації. Ймовірність безвідмовної роботи СЗП приблизно становить 99,8 %.

Дослідженями також встановлено, що нестабільність присмоктуючої дії СЗП становить 1025 %, питомі силові характеристики для соплових СЗП складають до , для ежекційних - до , загальний ККД знаходиться в межах _заг=0,080,18, а шумові характеристики СЗП не перевищують встановлених норм.

З врахуванням виконаних теоретичних і експериментальних досліджень, аналізу технологічного процесу, властивостей ОМ і характеристик робота, а також технічних вимог до СЗП викладена методика проектування і розрахунку СЗП. На її основі здійснюється вибір типу СЗП, розрахунок їх геометричних параметрів, максимальної присмоктуючої сили і зони її дії, часу їх спрацювання, необхідні витрати стисненого повітря.

Основні результати і висновки

Виявлено фізичні основи виникнення аеродинамічного ефекту притягання при взаємодії струменя повітря з циліндричною поверхнею об'єкта. На основі газодинамічного аналізу протікання струменів повітря систематизовано основні методи створення розрідження на торцевій та циліндричній поверхнях об'єктів, розроблено методику побудови принципово нових схем струменевих захоплювачів.

На основі динаміки руху різних за формою і напрямком газових потоків в зазорі взаємодіючих поверхонь захоплювача і об'єкта проведено дослідження статичних, динамічних і витратних характеристик струменевих захоплювачів. Встановлено, що вантажопідйомність струменевих захоплювачів соплового типу при тисках живлення менших 400 кПа - до 40 Н, ежекційного типу - до 200 Н. Запроновано методи обмеження масових витрат стисненого повітря в момент захоплення об'єктів маніпулювання, а також їх автоматичного регулювання при маніпулюванні об'єктами різної ваги. Максимальний час захоплення об'єктів з відстані х=4…8 мм складає 0,1…0,3 с.

Експериментальні дослідження струменевих захоплювачів підтвердили правильність теоретичних залежностей і показали, що при своїй конструктивній простоті захоплювачі надійні в роботі і на відміну від інших придатні для автоматичного завантаження гнучких, крихких, неміцних, нежорстких, нагрітих, забруднених, з покриттями та інших циліндричних об'єктів. Дослідженнями встановлено, що величина максимальної зони дії аеродинамічного ефекту для струменевих захоплювачів ежекційного типу сягає мм, для соплових - мм. При відстані між захоплювачем та об'єктом х=24 мм сила притягування становить 515 % від її максимального значення F_max при х=0, а характер зміни сили F(х) для х<4 мм близький до параболічного.

Максимальні силові характеристики струменевих захоплювачів ежекційного типу досягаються, коли висота кільцевої конічної щілини становить h_щ=0,08…0,12 мм, а висота кільцевого зазору між поверхнями захоплювача і об'єкта h_з=(2,8…3,2)h_щ, для захоплювачів соплового типу - коли радіус сопла r_c<4мм, а h_з=0,16…0,2 мм.

Розроблено технічні вимоги до струменевих захоплювачів та визначено їх технічні характеристики: точність центрування об'єктів ₂=1020 мкм; ймовірність безвідмовної роботи більша від 99,8 %; нестабільність присмоктуючої дії - 1025 %; питомі силові характеристики для соплових струменевих захоплювачів складають до , для ежекційних - до ; загальний ККД знаходиться в межах _заг=0,080,18; рівень шуму менший 50 дБ.

На основі теоретичних і експериментальних досліджень, аналізу технологічного процесу, властивостей об'єкта маніпулювання, характеристик робота та технічних вимог, викладена методика проектування і розрахунку струменевих захоплювачів, яка рекомендується при роботі пристроїв завантаження в діапазоні робочих магістральних тисків 200…500 кПа. На її основі здійснюється вибір типу струменевого захоплювача, розрахунок його геометричних параметрів, максимальної присмоктуючої сили і зони її дії, часу спрацювання, необхідні витрати стисненого повітря.

Впровадження результатів роботи у виробництво для завантаження листових заготовок в прес і розвантаження готових виробів при автоматизації технологічного процесу виготовлення тарілок параболічних антен дозволило отримати річний економічний ефект у розмірі 34 тис. грн. у цінах 1998р.

Список опублікованих праць

Проць Я., Федорів П., Савків В. Регульований пневмоструменевий захоплювач // Вісник Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя. - 1997. - Т. 2, число 2. - С. 119-125.

Савків В., Проць Я. Розрахунок параметрів струменевих захоплювачів деталей за їх внутрішню циліндричну поверхню // Вісник Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя. - 1998. - Т. 3, число 1. - С. 48-54.

Савків В., Проць Я. Струменеві захоплюючі пристрої об'єктів типу “фланці” // Вісник Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя. - 1998. - Т. 3, число 4. - С. 120-124.

Савкив В.Б. Струйные захваты цилиндрических деталей // Оптимизация производственных процессов. Вып. 1. - Севастополь: Издательство СевГТУ. - 1999. - С. 74-79.

Проць Я.І., Савків В.Б., Козбур І.Р. Струменеві пристрої для захоплення та контролю розмірів об'єктів в процесі маніпулювання // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 1998. - №1. - С. 22-25.

Проць Я., Савків В., Лобур Т. Струменеві захоплюючо-орієнтуючі пристрої // Збірник тез третьої науково-технічної конференції “Прогресивні матеріали, технології та обладнання в машино- і приладобудуванні”. - Тернопіль. - 1998. - С. 33.

Размещено на Allbest.ru