Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние проблемы и постановка задачи исследования 8
1.1 Проблемы и особенности создания средств автоматизации на основе УЭПК 8
1.2 Обзор, анализ и классификация захватных устройств с УЭПК... 11
1.2.1 Обзор и анализ захватных устройств на основе УЭПК 11
1.2.2 Классификация захватных устройств на основе УЭПК 21
1.3 Обзор, анализ и классификация средств автоматизации на основе УЭПК 24
1.3.1 Обзор и анализ закрепляющих и приводных устройств 24
1.3.2 Классификация средств автоматизации на основе УЭПК 32
1.4 Выводы по главе 1 35
Цели и задачи исследования 36
Глава 2 Теоретическое исследование основных параметров УЭПК 37
2.1 Исследование математической модели осесимметричной УЭПК... 37
2.1.1 Выбор математических методов численных расчетов 37
2.1.2 Разработка модели процесса деформирования осесимметричных УЭПК 39
2.1.3 . Исследование процессов захвата и удерживания изделий осесимметричными УЭПК 49
2.2 Исследование нагрузочных характеристик осесимметричных УЭПК ; 55
2.3 Исследование процесса центрирования деталей посредством УЭПК 57
2.4 Исследование возможности оценки динамических свойств УЭПК-привода по УЭПК-аналогу 60
2.5 Теоретическая оценка быстродействия набора УЭПК при цикловом переключении 66
2.6 Выводы по главе 2 71
Глава 3 Экспериментальное исследование основных параметров УЭПК и устройств на их основе 72
3.1 Исследование статических характеристик УЭПК 72
3.1.1 Описание экспериментальных установок 72
3.1.2 Методика исследования статических характеристик УЭПК 77
3.2 Исследование физической модели устройства с осесимметричной УЭПК 83
3.2.1 Описание экспериментальной модели захватного устройства с УЭПК 83
3.2.2 Исследование нагрузочных характеристик захватного устройства с УЭПК 87
3.3 Исследование устройства для сопряжения деталей 90
3.3.1 Исследование процесса сопряжения деталей посредством УЭПК... 90
3.3.1.1 Описание экспериментальной установки для сопряжения деталей посредством УЭПК 90
3.3.1.2 Разработка алгоритма функционирования устройства на основе УЭПК для сопряжения деталей 98
3.3.1.3 Исследование условий сопряжения деталей посредством УЭПК 101
3.3.2 Исследование динамических характеристик УЭПК 104
3.3.2.1 Описание экспериментальной установки для определения временных характеристик УЭПК 104
3.3.2.2 Экспериментальное исследование временных характеристик УЭПК 112
3.4 Выводы по главе 3 118
Глава 4 Практическая реализация результатов исследования 120
4.1 Разработка захватных устройств на основе УЭПК для контроля . и сортировки деталей 120
4.1.1 Очувствленное захватное устройство с цилиндрической УЭПК ... 120
4.1.2 Очувствленное захватное устройство с УЭПК в виде полых торов 124
4.2 Устройство для сопряжения деталей 126
4.3 Рекомендации по проектированию и методика выбора параметров УЭПК 132
4.3.1 Общие рекомендации по выбору формы, размеров и материала УЭПК 132
4.3.2 Методика выбора и расчета рабочих параметров УЭПК 134
4.3.3 Алгоритм для автоматизированного выбора параметров УЭПК... 140
4.3.4 Прикладная программа для автоматизированного проектирования устройств с УЭПК 144
Общие выводы и результаты 149
Список литературы 151
Приложение 159
- Проблемы и особенности создания средств автоматизации на основе УЭПК
- Разработка модели процесса деформирования осесимметричных УЭПК
- Методика исследования статических характеристик УЭПК
- Очувствленное захватное устройство с цилиндрической УЭПК
Введение к работе
Одним из перспективных путей повышения производительности в машино- и приборостроительных отраслях промышленности является автоматизация основных и вспомогательных технологических операций. Решить эту проблему можно за счет исследования, разработки и внедрения новых более эффективных средств автоматизации. Важным составляющим компонентом средств автоматизации являются приводные и фиксирующие устройства, в большинстве случаев выполненные на основе пневмоприводов и элементов пневмоавтоматики [39, 40]. Из-за большого количества различных технологических процессов, подлежащих автоматизации, и широкой номенклатуры изготавливаемых изделий требования, предъявляемые к создаваемым средствам автоматизации, также разнообразны и часто противоречивы. Эти требования определяются не только уровнем производительности, габаритами, экономичностью, но и специфическими конструктивными особенностями обрабатываемых деталей. Например, ряд тонкостенных деталей, а также изделий из хрупких материалов требуют при выполнении технологических операций надежной фиксации, но при этом не допускают какой-либо деформации и нарушения качества поверхности, т. е. имеются существенные ограничения по величине прилагаемых к ним зажимных усилий и высокие требования к "качеству" зажима. Кроме того, в этом случае средства автоматизации, как правило, должны быть малогабаритными и конструктивно простыми. Как показал анализ соответствующей научно-технической и патентной литературы, а также проведенные в данной диссертационной работе исследования [4, 5, 7, 9-12], указанные требования к средствам автоматизации наиболее эффективно выполняются при использовании управляемых эластичных пневматических камер (УЭПК). Они при функционировании значительно изменяют свою форму, объем и, в ряде случаев, свои размеры. Управление такими пневмокамерами может обеспечиваться как за счет варьирования скорости нарастания давления рабочей газообразной среды внутри них, так и за счет последовательности их заполнения и опорожнения друг относительно друга (если устройство имеет несколько УЭПК). Под эластичностью пневмокамер понимается их способность значительно изменять первоначальную форму и размеры, а также быстро возвращаться в исходное состояние после прекращения вызывающих эту деформацию факторов (снятия пневматического давления). УЭПК изготавливаются из соответствующих марок резин и каучуков, т. е. эластомерных материалов, которым присуща эластическая деформация. Таким образом, в данной диссертационной работе под УЭПК понимается пневматическое устройство в виде емкости, выполненной из эластомера, форма, объем, линейные размеры, внутреннее и контактное давление которой могут целенаправленно изменяться посредством заполнения сжатым воздухом в соответствии с заданной целью функционирования и определенным алгоритмом управления.
Развитие современной теории и практики пневматических устройств и систем проходило в трех основных направлениях, связанных с созданием пневмоприводов (исследования Герц Е. В., Крейнина Г. В., Погорелова В. И.); элементов и систем пневмоавтоматики (исследования Берендс Т. К., Градецкого В. Г., Дмитриева В. Н., Ефремовой Т. К., Залманзона Л. А., Лебедева И. В., Тагаевской А. А., Трескунова С. Л., Чаплыгина Э. И.), контрольно-измерительной техники (исследования Балакшина О. Б., Березовца Г. Т., Высоцкого А. В., Залманзона Л. А., Куратцева Л. Е., Рабиновича А. Н., Цидулко В. Ф., Курочкина А. П., Цырульникова И. М.). Причем эти направления развития пневматических устройств и систем остаются перспективными и востребованными промышленностью.
Однако, дальнейшее расширение области применения пневматических устройств (в том числе УЭПК) требует дополнительных разработок и исследований, которые позволят создать методики по выбору параметров и рекомендации по проектированию соответствующих средств автоматизации.
Использование УЭПК в средствах автоматизации придает им ряд положительных качеств и достоинств: адаптация к форме захватываемой или фиксируемой детали; возможность плавного регулирования усилия захвата и зажима деталей; возможность обеспечения нежесткой, "плавающей" фиксации деталей; герметизация (уплотнение) заданных объемов; конструктивная простота, взаимозаменяемость и экономичность; легкость встраивания в автоматический цикл промышленных роботов и манипуляторов (ПР и ПМ) и другого автоматизированного оборудования. Вследствие этого, УЭПК могут быть важными узлами многих средств автоматизации технологических операций и выполнять функции захватных и закрепляющих устройств, приводов перемещения, виброприводов и т. д.
Однако, необходимо учитывать, что при изготовлении УЭПК только из имеющихся в промышленности эластомеров средства автоматизации на их основе имеют наибольшую перспективу применения в технологических операциях с тонкостенными деталями и изделиями из хрупких материалов. Поэтому данная диссертация посвящена разработке и исследованию УЭПК для автоматизации операций с этими классами деталей.
В научно-технической литературе отсутствуют какие-либо рекомендации по выбору и расчету параметров УЭПК. При этом, как показали проведенные в диссертации исследования, требования к рабочим параметрам УЭПК существенно меняются в зависимости от назначения и типа средства автоматизации, создаваемого на их основе. Так, на этапе проектирования захватных устройств с УЭПК наибольшие трудности возникают при определении усилий зажима и их грузоподъемности из-за больших нормальных прогибов УЭПК. Для решения этой задачи в данной диссертации разработана модель процесса деформирования осесимметричных УЭПК под действием пневматического давления.' Численные расчеты с использованием этой модели позволяют определять усилие зажима для захватных и зажимных устройств, а также грузоподъемность захватных устройств ПР.
Удержание объекта - лишь необходимая функция захватного устройства на основе УЭПК. На практике наибольший интерес представляют конструкции захватных устройств, обладающих определенными технологическими возможностями. В связи с этим в данной диссертации разработаны оригинальные конструкции захватных устройств с контрольно-измерительной оснасткой и с возможностью выполнения поискового сопряжения деталей типа "вал - втулка". Это подтверждает перспективность применения УЭПК для автоматизации технологических операций.
Еще одной областью использования УЭПК являются приводы перемещения и виброприводы, использование которых в конструкциях различных устройств обусловлено, прежде всего, их небольшими габаритами, конструктивной простотой и более низкой стоимостью по сравнению с пневмо- и гидроцилиндрами.
При разработке приводов на основе УЭПК возникают трудности с определением их быстродействия. В связи с этим в диссертации предложен метод, позволяющий на основе плоских УЭПК-аналогов оценивать динамические свойства объемных УЭПК. Использование этого метода дает возможность оценивать быстродействие приводных устройств с УЭПК и выбирать соответствующие параметры, обеспечивающие его максимально возможное значение.
Работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложения.
В первой главе приведен обзор устройств и средств автоматизации, позволяющий оценить возможности и области применения УЭПК. Наиболее востребованными УЭПК оказались при создании захватных, закрепляющих устройств, приводов перемещения и виброприводов. Дана классификация указанных средств автоматизации в зависимости от типа используемых в них УЭПК. Сформулированы цель и задачи исследования.
Во второй главе приводится разработка математической модели осесимметричных УЭПК. Теоретически исследуются нагрузочные характеристики УЭПК, определяются эпюры распределения контактного давления в зоне контакта УЭПК с поверхностью изделия. Приведены результаты исследования процесса центрирования деталей посредством УЭПК осесимметричной формы, а также динамические характеристики УЭПК. Проведена теоретическая оценка быстродействия устройств с набором УЭПК при их цикловом переключении.
В третьей главе экспериментально исследованы механические упругие и нагрузочные характеристики осесимметричных УЭПК. Представлен алгоритм функционирования устройства для сопряжения на основе УЭПК. Исследованы условия и возможности гарантированного сопряжения деталей типа "вал - втулка". Экспериментально подтверждено соотношение, необходимое для оценки временных характеристик объемных УЭПК-приводов и обеспечения максимального быстродействия устройств на их основе.
В четвертой главе дается описание оригинальных конструкций на основе УЭПК (захватных устройств и устройства для сопряжения деталей типа "вал -втулка"), разработанных с участием автора на основе теоретических и экспериментальных исследований. Предложена методика выбора параметров УЭПК. Приводятся алгоритм и программа для автоматизированного расчета и выбора параметров осесимметричных УЭПК при проектировании средств автоматизации на их основе.
В приложении приведен полный текст основной программы для автоматизированного проектирования устройств с УЭПК. Программа реализована в среде MathCAD 7.
Проблемы и особенности создания средств автоматизации на основе УЭПК
Управляемая эластичная пневмокамера (УЭПК) имеет характерные особенности, которые позволяют использовать ее для выполнения ряда технологических операций. Под УЭПК понимается пневматическое устройство в виде емкости, выполненной из эластомеров, форма, объем, линейные размеры, внутреннее и контактное давление которой могут целенаправленно изменяться посредством заполнения сжатым воздухом в соответствии с заданной целью функционирования и определенным алгоритмом управления. Технологические возможности средств автоматизации на основе УЭПК обусловливаются в основном свойствами используемого для изготовления УЭПК материала -различных марок резин, каучуков, латексов, которые могут быть армированы хлопчатобумажными, шелковыми или капроновыми нитями. Рассмотрим проблемы и особенности создания средств автоматизации на основе УЭПК применительно к закрепляющим, захватным устройствам, приводам перемещения, виброприводам.
Неармированные резины обладают уникальным механическим свойством - способностью к значительному обратимому растяжению (в несколько раз). Это свойство может быть использовано для создания закрепляющих и захватных устройств, применяемых в условиях больших первоначальных зазоров между исполнительным органом - УЭПК и стенками объекта. При этом УЭПК может быть изготовлена в виде одной или нескольких тонкостенных оболочек. Способность материала УЭПК к большим обратимым растяжениям позволяет создавать на их основе широкопредельные, более универсальные и конструктивно простые закрепляющие и захватные устройства для различных средств автоматизации.
Значительные перемещения могут быть получены и с помощью оболочек, изготовленных из "мягкого" нерастягивающегося материала, например, из армированной резины. При изгибе таких оболочек слои материала вблизи одной из ее поверхностей растягиваются, в то время как срединный слой не подвергается ни растяжению, ни сжатию, т. е. остается нейтральным. Указанные растяжения тем больше, чем большее перемещение совершает оболочка. Следовательно, оболочки, изготовленные из армированной резины, в случае больших перемещений также проявляют свои эластичные свойства и могут быть отнесены к УЭПК. Таким образом, одна из главных особенностей УЭПК, используемых в средствах автоматизации, заключается в том, что они могут применяться для получения больших нормальных перемещений (прогибов) исполнительных органов. При разработке таких средств необходимо учитывать, что армирование материала УЭПК повышает их надежность и долговечность, но практически не позволяет им растягиваться и менять свои размеры. Увеличению долговечности армированных УЭПК, работающих при больших перемещениях, также способствует выполнение их многослойными из-за меньшего износа армирующих нитей [100].
Другая характерная особенность УЭПК связана с отсутствием у них сопротивления изгибающим моментам и заключается в возможности "мягкого" охвата поверхности захватываемого или закрепляемого объекта. При этом УЭПК обеспечивает ббльшую площадь контакта с объектом, т. е. делает его захват или зажим более надежным. Подбором формы УЭПК легко добиться равномерного и плавно изменяющегося контактного давления, оказываемого на поверхность объекта в зоне контакта. Эта особенность УЭПК делает их применение особенно перспективным в захватных и закрепляющих устройствах, работающих с изделиями из хрупких материалов (стекло, керамика) или тонкостенными деталями, так как существенно снижается возможность их разрушения или необратимого деформирования из-за воздействия усилий и моментов, превышающих некоторое критическое значение. К указанным выше деталям и изделиям относятся: корпуса электролитических конденсаторов, стеклянные и пластмассовые рассеиватели осветительных приборов [98], тонкостенные гильзы, стеклянные колбы. Кроме обеспечения большой площади контакта и равномерного распределения по ней контактного давления, с помощью УЭПК можно регулировать саму величину контактного давления, действующего на захватываемый объект. Такое регулирование осуществляется путем изменения давления рабочей газообразной среды, подаваемой в УЭПК, и является одним из видов управления ими.
При использовании УЭПК в вибрационных устройствах, например в виброприводах, необходимо учитывать возможность саморазогрева материала, так как в динамических знакопеременных режимах эластомеры достаточно активно выделяют тепло, а в сочетании с их малой теплопроводностью это может привести к существенному повышению температуры УЭПК [56, 57].
При разработке средств автоматизации на основе УЭПК необходимо учитывать такое явление, как старение эластомеров, которое связано с ухудшением прочностных и эластических свойств УЭПК в процессе их хранения и эксплуатации.
Обобщая вышеперечисленные особенности, необходимо отметить, что использование устройств и средств автоматизации на основе УЭПК недопустимо в условиях, когда имеется большая вероятность контакта УЭПК с поверхностями, содержащими острые кромки, заусенцы, металлическую стружку. Вследствие этого УЭПК целесообразно использовать в технологических операциях, которым предшествовала чистовая механическая обработка или другая операция, обеспечивающая образование гладкой поверхности достаточной протяженности, например, штамповка.
При разработке различных устройств на основе УЭПК необходимо учитывать некоторые специфические требования. Одно из них - недопустимость деформирования УЭПК сверх предельно допустимого значения. Второе -недопустимость образования складок на поверхности УЭПК. Учесть эти требования можно подбором соответствующих режимов и условий работы УЭПК. Однако, в научно-технической литературе отсутствуют какие-либо рекомендации по данному вопросу.
Как и большинство резинотехнических изделий, УЭПК могут быть изготовлены формовкой и маканием (формовые УЭПК отличаются от полученных маканием по наличию облоя). Так как изготовление пресс-форм требует больших ресурсных затрат, то при единичном и мелкосерийном производстве УЭПК рекомендуется использовать способ макания. В этом случае наиболее предпочтительным материалом УЭПК являются латексы - коллоидные водные дисперсии полимеров [24]. При одноразовом макании формы этот метод позволяет получать латексные УЭПК толщиной до 1,5... 1,6 мм и достаточно малую разнотолщинность в продольном и поперечном направлениях, достигаемую посредством вращения формы вокруг горизонтальной оси.
Важная совокупность положительных свойств УЭПК обусловливается использованием в качестве рабочей среды сжатого газа. Благодаря своим объемным упругим свойствам сжатый газ обеспечивает дополнительную "мягкость" УЭПК при захвате, закреплении и удержании деталей. К достоинствам УЭПК, обусловленным использованием газообразной рабочей среды, также относятся их высокое быстродействие по сравнению с механическими средствами автоматизации, управляемость процессами срабатывания, возможность использования на взрыво- и пожароопасных производствах [40]. Конструктивные достоинства и различные технологические возможности УЭПК в значительной мере обусловлены использованием как в самом устройстве, так и в его системе управления единого энергоносителя — сжатого газа, прошедшего специальную подготовку [40]. Однако, в научно-технической литературе отсутствуют материалы по исследованию динамических свойств УЭПК и рекомендации по выбору параметров, обеспечивающих требуемое быстродействие.
Разработка модели процесса деформирования осесимметричных УЭПК
При решении задач деформирования осесимметричных УЭПК необходимо решать так называемые двухточечные задачи Коши, в которых часть краевых условий известна на одном конце интервала интегрирования (в начальной точке х0), а часть - на другом конце (в конечной точке /).
Наиболее простым способом решения двухточечных задач Коши является метод начальных параметров [16]. Но он применим лишь тогда, когда разрешающая система дифференциальных уравнений не имеет одновременно как быстро убывающих, так и быстро возрастающих решений, т. е. когда отсутствуют краевые эффекты. В противном случае точность расчета быстро уменьшается с увеличением интервала интегрирования, и часто численный расчет по методу начальных параметров оказывается невозможным.
Другим способом решения двухточечных задач Коши является метод факторизации, который относится к методам прогонки (или, иначе, методам переноса граничных условий) [16]. Недостатком данного метода является возможность неограниченного роста элементов прогоночных матрицы и вектора в задачах расчета гармонических колебаний и устойчивости.
Наиболее удачной модификацией двух приведенных выше методов является метод ортогональной прогонки, предложенный С. К. Годуновым [16, 35, 36, 49, 69]. Этот метод пригоден для численного решения линейных дифференциальных уравнений, когда наряду с убывающими имеются и быстровозрастающие решения. Суть метода Годунова состоит в том, что весь интервал интегрирования разбивают на участки, на каждом из которых проводят численное интегрирование исходного дифференциального уравнения. Длины участков выбирают такими, чтобы в пределах одного участка решения однородного уравнения оставались линейно независимыми. При переходе от участка к участку матрица решений подвергается линейному преобразованию, так что векторы частных решений однородного и неоднородного уравнений становятся ортогональными. Таким образом, удается сохранить линейную независимость решений уравнения на всем интервале интегрирования. При достаточном числе точек ортогонализации процесс решения краевой задачи является устойчивым к погрешностям округления и позволяет с высокой точностью получать ее решения. Метод ортогональной прогонки Годунова в связи с его явным преимуществом по сравнению с другими аналогичными методами используется для построения алгоритмов и создания программ для расчета на ЭВМ напряженно-деформированного состояния УЭПК.
Метод ортогональной прогонки Годунова позволяет находить решения систем линейных дифференциальных уравнений, однако, , напряженно деформированное состояние УЭПК описывается нелинейными дифференциально-алгебраическими соотношениями. Указанное противоречие устраняется выполнением линеаризации уравнений методом Ньютона, альтернативы которому практически не существует. Однако, использование метода Ньютона в исходной форме нецелесообразно из-за необходимости выполнения большого числа вычислений [16, 37, 63]. Существенная экономия машинного времени получается, если использовать предложенную Л. В. Канторовичем модификацию метода Ньютона, которая нашла наибольшее применение при реализации вычислительных алгоритмов [25, 35, 36, 49]. Согласно методу Ньютона - Канторовича нелинейную систему дифференциально-алгебраических уравнений можно представить в форме где и() -дифференциально-алгебраический оператор, у - вектор компонент напряженно-деформированного состояния исследуемой оболочечной конструкции, by - малое приращение искомой вектор-функции. Если считать последующее приближение yj и предыдущее yV достаточно близкими, то с учетом соотношения систему (2.1) можно представить в виде разрешающей линейной системы метода Ньютона - Канторовича ггИ) ; -1 (2.2) где и(у) - линейный дифференциально-алгебраический оператор, 0{у) - нелинейный оператор. Далее используют общую схему алгоритмов. Итерационный процесс заканчивается, когда относительная разность двух последующих приближений yU) и yU-ч по всем компонентам решения оказывается меньше наперед заданного значения е. Для разработки модели процесса деформирования осесимметричных УЭПК воспользуемся гипотезами Кирхгоффа - Лява, принятой в теории оболочек [35, 36]: 1. Материальный элемент, нормальный к срединной поверхности оболочки, остается нормальным к ней и после деформации (срединной является поверхность, проведенная на равном удалении от внешней и внутренней поверхностей оболочки). 2. Нормальные напряжения в площадках, нормаль к которым совпадает с нормалью к срединной поверхности, пренебрежимо малы. 3. Изменение длины нормального к срединной поверхности элемента пренебрежимо мало. Положение любой точки на срединной поверхности осесимметричнои оболочки будем характеризовать измеренным по меридиану расстоянием . s точки от некоторой начальной параллели. Так как при осесимметричнои деформации все меридиональные (продольные) сечения оболочки равноправны, вторая координата (в поперечном сечении) не является 1 существенной. Угол, составляемый нормалью к срединной поверхности недеформированной оболочки с осью ее симметрии, обозначим как 9 . Рассмотрим случай осесимметричной деформации оболочки, в котором угол 0" между нормалью и осью симметрии изменяется существенно, так что уравнения равновесия следует составить для деформированного состояния оболочки. В связи с малостью деформации в направлении криволинейной координаты 5, совпадающей с профилем оболочки (рис. 2.1), не делается различий между элементами дуг ds для деформированной и недеформированной оболочек. Полученная таким образом в [16] система шести нелинейных дифференциальных уравнений имеет вид где г - радиус окружности, образуемой сечением срединной поверхности недеформированной оболочки плоскостью, нормальной к оси симметрии, 4 радиальное перемещение точки, С, - осевое перемещение точки, 0 - угол 0 деформированной оболочки, F(s) - суммарная осевая нагрузка на выделенную часть оболочки, N - нормальная к оси симметрии (распорная) сила, М\ интенсивность изгибающего момента в окружном сечении, q - столбец нагрузочных членов, состоящий из нормальной составляющей q„, распределенной по поверхности участка нагрузки и касательной составляющей qx распределенной нагрузки, а - массив параметров, характеризующих упругие свойства материала УЭПК. Положительные направления перемещений, силовых Щ факторов и распределенных нагрузок, приведенных в системе уравнений (2.3), показаны на рис. 2.1.
Методика исследования статических характеристик УЭПК
В используемой теории оболочек Кирхгоффа-Лява [16] напряженно-деформированное состояние материала предполагается плоским, т. е. таким, при котором напряжения в любой точке материала действуют только в двух независимых направлениях. Гауссова ортогональная система координат {oci,a2}, определяющая положение точек срединной поверхности, в случае нагружения осесимметричной оболочки системой внешних осесимметричных нагрузок переходит в новую ортогональную систему координат (так как срединная поверхность деформированной оболочки также имеет ось симметрии). Таким образом, деформация сдвига, связанная с изменением первоначального угла между координатными линиями, в случае осесимметричной задачи отсутствует [16], следовательно, в материале оболочки нет касательных напряжений. Отметим далее, что материал УЭПК должен испытывать только деформации растяжения, т. к. деформации сжатия приводят к потере устойчивости и, как следствие, образованию складок в материале УЭПК. Анализируя приведенные выше условия, приходим к выводу, что исследование материала УЭПК должно заключаться в испытании образца на двухосное несимметричное (плоское) растяжение [62]. В данной работе материалом УЭПК является изотропный эластомер с одинаковыми по всем направлениям механическими свойствами. В зоне деформаций до 80% при плоском напряженно-деформированном состоянии упругие механические свойства такого эластомера описываются соотношениями
В научно-технической литературе [30, 44, 52, 62] описание испытания эластомеров на двухосное несимметричное растяжение отсутствует. Это объясняется тем, что данные испытания эластомеров не предусмотрены стандартом [50]. В связи с этим автором был разработан метод испытания эластомеров на двухосное растяжение, удовлетворяющий принятым требованиям [51].
Для испытания используется прямоугольная эластомерная пластина с размерами axbxh, где а, Ъ и А, соответственно, длина, ширина и толщина образца (рис. 3.5,а). Конкретные размеры а и Ъ выбираются, исходя из скорости затухания краевых эффектов, вызывающих деформации сдвига; возможностей для получения образца и размеров зажимов испытательной установки. Первое условие подразумевает, что а, 6-х», так как при бесконечно больших размерах а и Ъ любые конечные возмущения на краях образца, связанные с деформацией сдвига, не внесут никаких изменений в его напряженно-деформированное состояние вблизи осей симметрии. Второе условие налагает более жесткие ограничения на размеры а и Ъ. Например, плоский образец может быть получен путем раскроя резиновой трубки, имеющей средний диаметр t/тр и длину / . В этом случае размеры а и Ъ не смогут превышать определенных значений: а тій , b l при I titd .
Метод испытания базируется на предположении, что при нагружении эластомерного образца растягивающими усилиями деформации сдвига в нем быстро затухают по мере удаления от его краев и приближении к центру. Деформации сдвига при растяжении образца характеризуются искривлением предварительно нанесенной на его поверхности прямоугольной сетки, соответственно, углы между линиями сетки при этом перестают быть прямыми. Следовательно, область двухосного растяжения образца при его нагружении растягивающими усилиями можно определить по прямоугольной (или приближающейся к таковой) сетке. Как показало нагружение пробного образца, в его центре действительно существует область, где сетка остается практически прямоугольной, что подтверждает правильность выдвинутого предположения.
На пробном образце на одинаковом расстоянии от каждой из его осевых линий были нанесены две пары прямых линий. Эти линии образовали границы двух взаимно перпендикулярных полос (рис. 3.5,а). Перпендикулярно границам наиболее длинной полосы GHKL были нанесены метки v,. Считая, что при нагружении образца растягивающими усилиями в области ABCD будет иметь место чистое двухосное растяжение, определим нормальное напряжение aдействующее в каком-либо из сечений этой области, например, в поперечном сечении EF длиной /2.
Действительное нагружение пробного образца выявило искривление предварительно нанесенных линий, как это изображено на рис. 3.5,6. Из этого рисунка видно, что метки v,- имеют незначительное искривление по сравнению с начальными метками v,. Это свидетельствует о незначительном смещении слоев материала вдоль границ Н В Е С К и G A F D L деформированной полосы G H K V. Указанное свойство можно рассматривать как отсутствие сопротивления продольному растяжению полосы GHKL со стороны материала образца, примыкающего к ее границам. При этом сдвиг слоев материала вдоль меток vj внутри полосы G H K V учитывать нет необходимости.
Так как сопротивление продольному растяжению полосы GHKL отсутствует, то часть продольного растягивающего усилия Nx, действующая в сечении G H , будет вызывать нормальные напряжения aj, равномерно распределенные по поперечному сечению E F длиной 1 2. Аналогичные рассуждения приводят к выводу, что растягивающее усилие ;Vj равномерно распределяется по всему поперечному сечению, примыкающему к кромке зажима, причем деформации этого сечения не происходит. Исходя из этих заключений, вычислим значение а, в поперечном сечении E F : Все величины, входящие в формулы (3.4) и (3.5), можно регистрировать стандартными средствами измерения.
Толщина резиновой трубки, из которой изготавливались плоские образцы и УЭПК экспериментальных установок, определялась таким образом, чтобы пятна, по которым производились измерения, располагались на поверхности трубки с максимальной плотностью, не перекрывая друг друга. По результатам этих измерений, произведенных ручным толщиномером с погрешностью 0,01мм, было получено усредненное значение толщины Л = 0,40 мм с предельными
На экспериментальной установке, изображенной на рис. 3.1, 3.2, производилось двухосное растяжение плоского образца в виде прямоугольной пластины с размерами 65x53x0,4 мм, полученного разрезанием части резиновой трубки в продольном направлении. Сначала на образце специальной краской была нанесена прямоугольная сетка с расстояниями между линиями 5мм, при этом размеры исследуемой прямоугольной области, образованной линиями сетки в центре эластомерного образца, соответственно, оказались /, =10 мм и /2=5мм. После этого эластомерный образец закреплялся в зажимах 8 и 18 экспериментальной установки, причем положение зажимов 18 не фиксировалось винтами 17. Далее производилось нагружение эластомерного образца 11 в продольном направлении растягивающим усилием Т/j, которое складывалось из веса корзины 9 и уложенных в нее грузов. После этого измерялись продольный /{ и поперечный /2 размеры сторон прямоугольной области, образованной линиями сетки в центре деформированного эластомерного образца 11 (область A B C D на рис. 3.5,6). Затем зажимы 18 экспериментальной установки отводились друг от друга до образования необходимой величины поперечного размера /2 указанной прямоугольной области, после чего винты 17 затягивались, фиксируя новое положение зажимов 18. После произведенного таким образом поперечного растяжения эластомерного образца 11 измерялся второй (продольный) размер /{ прямоугольной области. Далее указанные действия повторялись до момента достижения поперечным размером /2 величины 1,8/2 (или меньшей, если дальнейшее увеличение размера /2 вызывало образование складок в деформируемом эластомерном образце 11).
Очувствленное захватное устройство с цилиндрической УЭПК
Захватное устройство (рис. 4.1) содержит установленный на державке 1 корпус, выполненный в виде трубки 2 с поперечными отверстиями 3 и надувной цилиндрической УЭПК 4, закрепленной клеем на наружной боковой поверхности трубки 2. На рабочем торце трубки 2 установлена сменная втулка 5, которая крепится и фиксируется посредством резьбового соединения. В сменной втулке 5 выполнено калиброванное сопло 6 определенного диаметра. Посредством замены втулки 5 можно устанавливать в трубке 2 калиброванные сопла 6 различного диаметра, осуществляя тем самым целенаправленную регулировку расхода воздуха и, следовательно, уровень давления в полости 7 и связанной с ней через отверстия 3 цилиндрической УЭПК 4. В полость 7, УЭПК 4 и к калиброванному соплу 6 сжатый воздух подается через регулируемый дроссель 8 от стабилизированного источника сжатого воздуха. К полости 7 посредством трубопровода 9 подсоединено реле 10 давления, электрический выход которого подключен к контрольному блоку 11, реализованному на пневмоэлектроконтактном датчике. УЭПК 4 обеспечивает захват и удержание детали 12 и одновременно герметизацию ее полости 13. Трубка 2 снабжена измерительным каналом 14, вход которого сопряжен с полостью 13, а выход - с контрольным блоком 11. Это обеспечивает контроль отверстия детали 12 по принципу зависимости ее диаметра dQ от величины давления сжатого воздуха в полости 13 [38, 47, 66], при этом колебания измерительного давления не влияют на уровень и стабильность давления в полости 7 и, следовательно, в УЭПК 4 при установке калиброванного сопла 6 с диаметром меньше диаметра d0 контролируемого отверстия детали 12. При этом реле 10 давления определяет минимальный уровень давления воздуха, при котором обеспечивается захват детали 12, герметизация полости 13 и обеспечивается включение электронной части контрольного блока 11, осуществляющего сортировку деталей по диаметру отверстия на годные и бракованные в зависимости от пневматического сигнала, поступающего из полости 13 через измерительный канал 14. Трубка 2 снабжена регулируемым упором, который выполнен в виде набора винтов 15, установленных по периметру рабочего торца. Ввинчиванием или вывинчиванием винтов 15 осуществляется регулировка упора, обеспечивающего требуемую глубину ввода захвата в деталь 12 и свободное поступление сжатого воздуха через калиброванное сопло 6 в полость 13, его дальнейший выход через отверстие в детали 12 и поступление в измерительный канал 14 при любой форме внутреннего торца детали 12 (конической или плоской) и при любом расположении отверстия в детали 12 (соосном, смешанном или боковом).
Захватное устройство работает следующим образом. Захватное устройство, жестко соединенное с рукой робота посредством державки 1, вводится в полость 13 детали 12 до контакта предварительно отрегулированных винтов 15 упора с ее внутренним торцем. Сжатый воздух от стабилизированного источника подается через регулируемый дроссель 8 в полость 7 трубки Дросселем 8 осуществляется настройка на рабочее давление воздуха, которое обеспечивает надежный захват и удержание детали 12 посредством УЭПК 4, под который сжатый воздух поступает через отверстия 3. УЭПК 4 под воздействием сжатого воздуха раздувается и, достигнув стенок детали 12, контактирует с их внутренней поверхностью и захватывает ее (показано пунктиром на рис. 4.1). Одновременно происходит герметизация полости 13. Когда давление сжатого воздуха в полости 7, а следовательно, и под УЭПК 4 достигает необходимого уровня, оно через трубопровод 9 вызывает срабатывание реле 10 давления, что подтверждает захват детали 12 и герметизацию полости 13 посредством УЭПК 4. При этом реле 10 одновременно дает разрешающий сигнал в электрическую схему контрольного блока 11 о снятии блокировки и начале контроля и сортировки детали 12 по диаметру отверстия d0. Так как диаметр калиброванного сопла 6 предварительно подобран посредством перестановки на рабочем торце трубки 2 сменной втулки 5 таким образом, что он гарантированно меньше диаметра контролируемого отверстия d0, то величина давления сжатого воздуха в полости 13 детали 12 зависит только от диаметра отверстия d0, через которое сжатый воздух выходит в атмосферу. При этом давление в полости 7 трубки 2 не будет зависеть от диаметра отверстия d0 детали 12, то есть будет постоянным по величине и в УЭПК 4, обеспечивая тем самым надежное удержание детали 12. При уменьшении диаметра отверстия d0 по сравнению с эталонным давление в полости 13 будет возрастать, при увеличении диаметра - уменьшится. Это изменение давления передается посредством измерительного канала 14 из полости 13 детали 12 в контрольный блок 11, предварительно настроенный по эталонным деталям, в соответствии с которыми подбираются и калиброванные сопла 6. После поступления разрешающего сигнала на реле 10 давления контрольный блок 11 выдает соответствующий сигнал в блок управления ПР. При этом операция совмещается с транспортировкой и раскладкой деталей в накопители годной и бракованной продукции. При подходе робота к соответствующему накопителю его система управления отключает подачу сжатого воздуха и захватное устройство отпускает деталь 12.
Использование предлагаемого захватного устройства по сравнению с существующим [80] позволяет повысить надежность удержания и контроля деталей за счет того, что полость трубки выполняет только функцию канала, питающего сжатым воздухом УЭПК и калиброванное сопло, поэтому давление в УЭПК не будет зависеть от процесса контроля измерительного давления. Оно будет постоянным, соответствующим заданному уровню, необходимому для надежного удержания детали. Полость, образованная стенками детали и УЭПК и выполняющая функцию измерительной камеры, подсоединена к контрольному блоку, что дополнительно упрощает настройку захвата.
