Повышение эффективности пневмовихревых захватных устройств промышленных роботов Стегачев Евгений Вячеславович

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1 Обзор литературных источников по средствам и методам автоматического захватывания предметов производства промышленными роботами 11

1.1 Общие положения 11

1.2 Классификация захватных устройств промышленных роботов 12

1.3 Методы и средства повышения эффективности пневмовихревых захватных устройств (ПВЗУ) 24

1.3.1 Анализ предметов производства с позиции применимости захватных устройств 24

1.3.2 Анализ работ в области повышения степени разрежения в рабочей зоне пневмовихревых захватных устройств ... 26

1.4 Анализ теоретических и экспериментальных исследований пневмовихревых захватных устройств 38

1.5 Выводы из анализа литературных источников, уточнение цели, постановка задач исследования 45

Глава 2 Теоретические исследования пневмовихревых захватных устройств с вращающимися соплами вихревой камеры (ВК) 48

2.1 Разработка схемы ПВЗУ с вращающимися соплами ВК 48

2.2 Математическая модель, устанавливающая взаимосвязь уровня разрежения в ПВЗУ с вращающимися соплами ВК от его конструктивных и кинематических параметров 51

2.3 Динамическая модель ПВЗУ с вращающимися соплами вихревой камеры 69

Выводы по главе 2 81

Глава 3 Теоретические исследования пневмовихревых захватных устройств для предметов с малой площадью захватывания .. 82

3.1 Разработка схем ПВЗУ для предметов с малой площадью захватывания 82

3.1.1 ПВЗУ с кольцевыми вихревыми камерами 82

3.1.2 ПВЗУ с кольцевыми вихревыми камерами и эжектором 84

3.2 Математическая модель статической грузоподъемности ПВЗУ с кольцевыми вихревыми камерами 86

3.3 Динамическая модель ПВЗУ с кольцевыми вихревыми камерами 89

Выводы по главе 3 113

Глава 4 Экспериментальные исследования пневмовихревых захватных устройств повышенной эффективности 115

4.1 Конструкция экспериментальной установки для исследования ПВЗУ 116

4.2 Методики проведения экспериментальных исследований и обработки полученных результатов 126

4.3 Результаты экспериментального исследования ПВЗУ с вращающимися соплами вихревой камеры и их интерпретация 139

4.3.1 Оценка влияния геометрических параметров ВК, угловой скорости ее вращения и давления питания, на величину радиуса внутренней границы вихревого потока 139

4.3.2 Исследование влияния частоты вращения ВК, давления питания и расстояния до захватываемого предмета на величину разрежения на оси ВК 141

4.3.3 Изменение величины разрежения на поверхности захватывания в радиальном, от оси вихревой камеры, направлении 144

4.3.4 Оценка тяговой способности ПВЗУ 147

4.3.5 Оценка влияния угловой скорости вращения вихревой камеры и давления питания на скорость вихревого потока... 149

4.3.6 Определение времени захватывания (отпускания) предмета, в зависимости от его массы и давления питания.. 151

4.4 Результаты экспериментального исследования ПВЗУ с кольцевыми вихревыми камерами, и их интерпретация 159

4.4.1 Распределение в радиальном направлении величины давления на поверхности установки предмета производства 159

4.4.2 Влияние расстояния до предмета производства на величину разрежения на поверхности захватывания 159

4.4.3 Оценка времени захватывания предмета производства 163

Выводы по главе 4 165

Глава 5 Разработка типовых конструкций ПВЗУ повышенной эффективности и методик их инженерного расчета 167

5.1 ПВЗУ с вращающимися соплами вихревой камеры 167

5.2 ПВЗУ с вращающимися соплами вихревой камеры и центральным ротором 172

5.3 ПВЗУ с кольцевыми вихревыми камерами для предметов с малой площадью захватывания 176

5.4 Струйное вихревое загрузочное устройство 180

5.5 Устройство для автоматической сборки радиальных роликовых подшипников 184

5.6 Методика инженерного расчета типовых конструкций ПВЗУ повышенной эффективности 190

Выводы по главе 5 200

Общие выводы 202

Список использованных источников 205

• Анализ работ в области повышения степени разрежения в рабочей зоне пневмовихревых захватных устройств
• Математическая модель, устанавливающая взаимосвязь уровня разрежения в ПВЗУ с вращающимися соплами ВК от его конструктивных и кинематических параметров
• Математическая модель статической грузоподъемности ПВЗУ с кольцевыми вихревыми камерами
• Исследование влияния частоты вращения ВК, давления питания и расстояния до захватываемого предмета на величину разрежения на оси ВК

Введение к работе

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

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

воздуха в вакуумных каналах малого сечения (размер сечения определяется МПЗ предмета), и смещением ПП относительно оси ПВЗУ.

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

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

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

Повышение грузоподъемности ПВЗУ достигается в основном за счет увеличения, как скорости вихревого потока в полости ВК и на выходе из неё, так и площади, по которой действует разрежение, и числа вихревых камер в устройстве. В известных ПВЗУ повышение скорости вихревого потока обеспечивается в вихревых камерах различных форм, выполненных с уменьшением диаметра проточной части на выходе из камеры. С одной стороны это приводит к увеличению тангенциальной скорости потока и степени разрежения на оси захватного устройства, это же приводит к

7 уменьшению площади действия разрежения и к значительному увеличению избыточного давления на периферии ВК, а значит и к увеличению отталкивающей силы. Увеличение радиальной составляющей скорости потока на выходе из ВК достигается путем выбора рациональных значений зазора между торцевой поверхностью вихревой камеры и поверхностью захватывания предмета. Увеличение числа вихревых камер ПВЗУ и площади, по которой действует разрежение, ограничивается габаритами захватываемого предмета. Перечисленные способы повышения грузоподъемности ПВЗУ разработаны, в основном, для предметов производства с «неограниченными» поверхностями захвата, и не позволяют преодолеть потери энергии в вихревом воздушном потоке о стенки вихревых камер и в питающих соплах. Кроме того, отсутствуют экспериментальные и теоретические исследования динамики процесса центрирования и захватывания предметов с МПЗ, при их взаимодействии с вихревым потоком.

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

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

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

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

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

3. Создание теоретических моделей динамики процесса захватывания предметов производства.

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

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

По результатам выполненных исследований автор защищает:

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

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

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

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

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

В первой главе приведен анализ предметов производства с позиции применимости захватных устройств, литературных источников по современному состоянию автоматического захватывания 1111 промышленными роботами, методам и способам повышения эффективности работы захватных устройств. В этой же главе уточняется цель и задачи исследования.

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

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

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

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

Основные положения, сформулированные в диссертации, являются результатами исследований по госбюджетной НИР № 35-53/302-99 «Исследование процессов автоматического контроля и управления сложных нелинейных систем», выполненной под руководством доктора технических на-

ук, профессора, чл.-корр. РАН [Бабушкина Марка Николаевича!, которому автор выражает особую благодарность за ценные замечания и помощь при выполнении диссертационной работы.

12 захватывание (отпускание) до момента завершения процесса захватывания (отпускания).

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

1.2 Классификация захватных устройств промышленных роботов

Известные отечественные и зарубежные захватные устройства, используемые в автоматизированном производстве многообразны и могут быть классифицированы по следующим признакам [31, 71, 72, 90]: по способу удержания ПП, по физическому принципу создания сил взаимодействия предмета с рабочими элементами ЗУ, по форме предмета производства, по физическим характеристикам ПП, по характеру базирования ПП, по числу рабочих позиций и последовательности их работы, по виду управления, по степени специализации, по методу крепления на руке робота, и т.д. Развернутую классификацию захватных устройств по различным признакам можно найти в работах [35, 71], но здесь мало внимания уделено вакуумным захватным устройствам и устройствам, работающим на аэродинамическом эффекте. Известны классификации Герца Е.В. [22], Мацне-ваА.П. [59], описывающие, в основном, вакуумные ЗУ и их специфику. Рассмотренные классификации не учитывают появившиеся в последнее время конструкций ЗУ, в которых захватывание ПП осуществляется под воздействием струй сжатого воздуха.

Нами предложена классификация захватных устройств (рис. 1.1), где классификационный признак указан в соответствующем пунктирном контуре. Согласно данной классификации все захватные устройства по способу удержания делятся на поддерживающие, зажимные и притягивающие.

Поддерживающие захватные устройства удерживают предмет при условии уравновешивания силы тяжести ПП силой, действующей со стороны захватного устройства в вертикальном направлении. Эти захватные устройства представляют собой опоры, к которым относятся различные крюки, петли, вилки, лопатки [35, 37, 89]. В зажимных захватных устройствах предмет удерживается зажатием между подвижными элементами,

>

причем сила прикладывается к ПП не менее, чем в двух направлениях. Захватные устройства такого типа, в зависимости от конструкции подвиж-

ных-элементов,-делятся-на- механические и пневмо- или- гидромеханиче

ские, имеющие эластичные рабочие камеры, деформируемые под действием давления рабочей среды (жидкости или воздуха) [89]. Притягивающие-захватные устройства обеспечивают удержание за счет действия сил притяжения предмета к элементам захватного устройства. Они делятся, в зависимости от природы притягивающей силы, на магнитные, вакуумные и прочие (адгезионные, электростатические, примораживающие и др. [37]).

Самой многочисленной группой являются механические захватные устройства. Наиболее простые из них не имеют привода, их часто называют пассивными [25]. Сюда относят, в первую очередь, ЗУ с подвижными опорами (рис. 1.2-а). Существует также множество пассивных зажимных захватных устройств (рис. 1.2-6), в которых внешние силы прикладываются к 1111 1 за счет упругого элемента 2, действующего на различные пинцеты, клещи, разрезные упругие валики или втулки (цанги) 3. Высвобождение осуществляется принудительно дополнительными устройствами.

Активные (с приводом) [89] зажимные механические захватные устройства (или схваты) содержат (рис. 1.2-в, г): узел крепления к руке, привод (при работе которого перемещаются рабочие элементы 1 - губки, пальцы - и создаются усилия захватывания), механизм 2 передачи движе-

_ф>%

Рис. 1.2 Примеры механических захватных устройств (а - подвижные опоры; б - пассивные зажимные ЗУ; в,г - активные зажимные ЗУ; д,е - ЗУ с эластичными камерами)

ний и усилий. В качестве привода в схватах, более чем в 90% случаев, используются пневмоцилиндры, причем, даже тогда, когда сам манипулятор имеет другие приводы (гидравлический или электромеханический). Реже применяются гидроцилиндры (обычно плунжерного типа), электромагниты и электроприводы. В конструкциях с электроприводом необходим понижающий редуктор с большим передаточным отношением [89].

Один из характерных признаков многих изделий - высокая чувствительность к механическим воздействиям. Это обусловлено их изготовлением из эластичных или хрупких материалов, таких как стекло, керамика, пресс-порошки, а также особенностями конструкций с малой толщиной стенок; наличием поверхностей, обработанных по высокому квалитету точности, тонкослойных покрытий. Исключение повреждений предметов производства, обладающих малой жесткостью, достигается применением, например, пальцевого центрирующего захватного устройства для цилиндрических предметов производства (рис. 1.2-г), захватывание которых осуществляется утапливающимися пальцами 1, концентрично установленными во втулках мембраны 3, при перемещении приводного штока 2, деформирующего мембрану. Для исключения повреждений ПП используют пневмо- или гидромеханические схваты [25] с эластичными камерами 1 (рис. 1.2-д, е), также относящиеся к активным. Приводом в таких захватных устройствах выступает рабочая среда (жидкость или газ) подаваемая под давлением Р_вх в эластичные камеры, что создает запирающие усилия,

прикладываемые к захватываемому предмету 2.

Однако, для некоторых легко деформируемых предметов, изменяющих свою форму и размеры под воздействием механических усилий, применение механических ЗУ ограничено. Также затруднено использование их для листовых заготовок. При захватывании таких заготовок за край, для исключения недопустимого провисания, используют клещевые ЗУ сложной конструкции. Дополнительные сложности создают погрешности расположения предметов производства относительно зажимных элементов (губок)

17 захватного устройства, неточность выполнения переносных и ориентирующих движений руки манипулятора [36].

К основным недостаткам механических захватных устройств можно отнести: наличие механических передач и связанная с этим сложность конструкции, а также ограниченность применения для эластичных и легкодефор-мируемых ПП и предметов с требованием неповреждаемости поверхности.

В отличие от зажимных, притягивающие захватные устройства, как правило, не содержат механических передач и подвижных элементов. Захватывание и удержание ПП в магнитных захватных устройствах [13, 17] обеспечивается действием магнитной силы, создаваемой либо постоянными (рис. 1.3-а), либо электрическими магнитами 1 (рис. 1.3-6), установленных в корпусе 2. ЗУ с постоянными магнитами отличаются простотой конструкции, не требуют.электропитания, однако должны оснащаться различными сбрасывателями. В электромагнитных захватных устройствах подъемная сила возникает при подаче питания на катушку электромагнита, при отключении питания предмет высвобождается.

Важным достоинством электромагнитных захватных устройств является возможность дистанционного, через зазор, захватывания ПП: без плотного контакта ЗУ и захватываемого предмета. Магнитное захватное устройство может брать предметы производства из навала. Иногда можно допустить, чтобы при этом захватывалась целая гроздь ПП (например, при загрузке вибробункера), но иногда необходимо выбрать один предмет, причем в случае, когда он имеет форму тонкого диска, возможно слипание двух пластинок, что требует использования дополнительных разделителей [13].

Магнитные захватные устройства имеют следующие недостатки [68]: материал 1111 должен быть ферромагнитным; возможность налипания стружки и металлической пыли; после освобождения от ЗУ на ПП имеется остаточный магнетизм; несущая способность ЗУ сильно зависит от качества поверхностей 1111 и его формы; возможность слипания захватываемых предметов; ограниченная продолжительность включения электромагнита;

ТІШ

#

Д)

Рис. 1.3 Притягивающие захватные устройства

( а,б - магнитные ЗУ; в - вакуумное поршневое ЗУ; г - вакуумное эжекционное ЗУ; д,е - вакуумные струйные ЗУ)

19 снижение силы захватывания за время эксплуатации ЗУ с постоянными магнитами; большая масса ЗУ.

Данных недостатков лишены вакуумные захватные устройства. В них, подъемную силу создает необходимый уровень разрежения на поверхности захватывания ПП. Рабочим элементом такого устройства является вакуумная камера [14, 89], создающая, при наложении на предмет производства, замкнутую полость, из которой откачивается воздух, и обеспечивается подъемная сила, пропорциональная площади захватывания.

Вакуумные захватные устройства находят широкое применение в технике [14, 51, 60], так как могут захватывать ПП из немагнитных материалов, обладают меньшим весом и габаритами по сравнению с механическими и электро-магнитными захватными устройствами одинаковой грузоподъемности, большим диапазоном масс захватываемых изделий [13].

В зависимости от конструкции вакуумной камеры и методов создания вакуума захватные устройства бывают активные и пассивные [14, 25, 35, 37, 55]. Пассивными (по ГОСТ 26063-84) вакуумными ЗУ называются устройства, в которых разрежение воздуха в зоне контакта с ПП создается за счет вытеснения воздуха при деформировании упругого рабочего элемента. В качестве упругого рабочего элемента используется эластичный корпус самого захватного устройства, мембрана или сильфон. Разрежение в полости 1 пассивных вакуумных ЗУ 2 может также создаваться за счет хода поршня 3 (рис. 1.3-в). Пассивные вакуумные захватные устройства получили распространение благодаря простоте конструктивного исполнения, отсутствию вакуумных насосов и распределительной аппаратуры. Однако, удержание ими груза ограничено временем сохранения рабочего вакуума, ввиду чего они применяются, в основном, для транспортирования воздухонепроницаемых предметов, имеющих гладкую поверхность и небольшую массу [55].

Активными (ГОСТ 26063-84) вакуумными захватными устройствами называются устройства, в которых разрежение воздуха в зоне контакта с 1111 создается принудительно, например встроенными эжекторами [14]

20 (рис. 1.3-г). Здесь, истекающая из узкой кольцевой щели или отверстия 1 малого диаметра струя сжатого воздуха, увлекает за собой воздух из зоны 2, между поверхностью захватываемого предмета 3 и рабочим элементом захватного устройства 4, обеспечивая необходимую величину разрежения.

Иногда, в активных вакуумных захватных устройствах, для создания разрежения, вакуумная камера коммутируется с внешними источниками разрежения (вакуум-насосами, вентиляторами или с централизованной сетью предприятия).

По виду контакта с предметом производства вакуумные ЗУ могут быть с уплотнительным элементом 4 (рис. 1.3-в) — деформируемым или профильным, обеспечивающим герметичность рабочей зоны, или без него. Пассивные захватные устройства всегда снабжены уплотнительными эле-. ментами. Активные вакуумные захватные устройства могут иметь или не иметь уплотнительных элементов. Для работы вакуумного захватного уст- ' ройства без уплотнительного элемента необходимо постоянное удаление воздуха из зазора между устройством и предметом производства. При наличии уплотнительного элемента необходимость в удалении воздуха отпадает, и при достижении необходимого разрежения, полость захватного устройства может быть отключена от источника разрежения. Чаще всего уплотнительный элемент изготавливается из резины, состояние которой, в значительной степени, подвержено влиянию влажности, масла, температуры, износа. При работе с предметами, имеющими низкую чистоту поверхности R₌ > 40 мкм, требуются дополнительные накладки из пористой резины толщиной 15-30 мм [55], срок службы которых составляет, в среднем, не более трех месяцев. На изделиях с шероховатостью поверхности R_z >320 мкм не удается достичь полной герметизации вакуумной камеры.

Уплотнительные элементы из пористой резины подвержены деформации и сжимаются на 2/3 первоначальной величины, что снижает точность позиционирования 1111. Упругость уплотнительных элементов приводит к тому, что при захватывании и последующем манипулировании

21 предмета возникают его колебания [55]. Обязательным условием работы рассмотренных вакуумных захватных устройств является отсутствие засоренности поверхности захватывания ПП, посторонних веществ и загрязнения (мусора, остатков воды, камней). Требуется центрирование захватываемого предмета относительно ЗУ. При смещении ПП вакуумная камера устройства не полностью перекрывается поверхностью захватываемого предмета, что не позволяет получить в полости вакуумной камеры и уровень необходимого разрежения.

К активным вакуумным ЗУ можно отнести струйные захватные устройства. Ряд работ [32, 33, 34, 67, 70] исследовательского характера показывает целесообразность автоматической загрузки предметов малой массы струйным способом, при котором струйные устройства обеспечивают высокую производительность, .экономичность, .небольшие .расходы сжатого воздуха, а их изготовление не требует больших затрат. Принцип действия струйных ЗУ основан на использовании аэродинамического взаимодействия струи воздуха, истекающей из отверстия (диаметром 0,5-2 мм), с плоской, цилиндрической или шаровой поверхностью. Подъемная сила имеет две составляющие. Одна возникает вследствие эжекции, когда в центральной части захватного устройства образуется разрежение, вторая - из-за непосредственного контакта между струёй сжатого воздуха и поверхностью предмета производства. В результате, силовое воздействие воздушного потока на твердое тело обусловлено суммой реактивной силы, присасывающего действия струи и сил вязкостного трения [36].

В работах М.А. Козловского [32, 33, 99] и М.Я. Пикнера [67] рассматриваются струйные ЗУ, содержащие сопло с плоским торцом, которое соединяется с сетью сжатого воздуха (рис. 1.3-д, е). Предмет производства 1, имеющий развитую обтекаемую поверхность, поднесенный к торцу 2 сопла 3 на определенное расстояние z (около 5 мм), подвергается присасывающему действию, возрастающему по мере уменьшения этого расстояния до некоторого критического значения зазора z_K = 0,5 ± 0,25 мм, через

22 который воздух выходит в атмосферу. При этом возможно бесконтактное захватывание ПП (рис. 1.3-д), когда он как будто висит под воздушной подушкой, что не допускает его повреждений и загрязнения. В случае контактного захватывания 1111 в ЗУ устанавливают упорные элементы 4 (рис. 1.3-е), контактирующие с поверхностью захватываемого предмета.

Недостатком струйных ЗУ является небольшая грузоподъемность (исчисляется граммами), они чувствительны к качеству обработки поверхности предмета. При параметрах шероховатости R_z > 20 мкм, когда высота микронеровностей

становится соизмеримой с высотой зазора z_K (рис. 1.3-д,е), они неэффективны,

что вызвано возникновением срывных течений потока воздуха [70].

Известны [11, 12] также активные вакуумные захватные устройства, называемые вихревыми, в которых подъемная сила создается за счет разрежения в центре воздушного вихря. Принцип действия вихревых захватных устройств основан на том, что в приосевой области захватного устройства, внутри изолированного вихревого воздушного потока образуется зона разрежения, в которую вовлекаются тела разной формы под действием силы радиальной тяги [4, 5, 8, 16, 18, 19, 20, 21, 61]. По способу вихреобразования, вихревые захватные устройства следует разделять на устройства с пневматическим, механическим и с пневмо-механическим вихреобразованием*.

Пневматическое вихреобразование [11, 12, 36, 77, 78, 79, 88] происходит в полости вакуумной камеры (рис. 1.4-а,б), называемой вихревой камерой 1 (ВК), в которую подается сжатый воздух через одно или более тангенциальные отверстия 2.

При механическом вихреобразовании [92, 97] (рис. 1.4-в) в полости вихревой камеры 1 устанавливаются крыльчатки 2, с различными приводами 3. Вращением крыльчатки создается изолированный вихревой поток, внутри которого в радиальном направлении создается область пониженного давления, что способствует захватыванию предмета производства.

впервые предлагается автором

Рис. 1.4 Вихревые захватные устройства

(а, б - с пневматическим вихреобразованием, в - с механическим

вихреобразованием)

Захватные устройства с пневмо-механическим вихреобразованием впервые предлагаются автором. Увеличение скорости вихревого потока, образуемого тангенциальной подачей воздуха в вихревую камеру, обеспечивается вращением сопел вихревой камеры, стенок ее или установленного в полость камеры ротора с ребрами.

Вихревые ЗУ обладают следующими преимуществами [36]: простотой конструктивного исполнения, определяющего высокую ремонтопригодность и надежность функционирования, долговечность; высоким быстродействием; не требовательны к физическим свойствам захватываемых предметов и точной ориентации их при захватывании; могут обеспечивать бесконтактное захватывание ГШ, что исключает возможность повреждения предмета; малыми габаритами и массой; возможностью работы с загрязненными поверхностями ПП; незначительным влиянием шероховатости поверхности захватывания.

1.3 Методы и средства повышения эффективности пневмовихревых захватных устройств

1.3.1 Анализ предметов производства с позиции применимости захватных устройств

В состав различных уплотнительных устройств входят прокладки плоские эластичные по ГОСТ 15180-86 (рис. 1.5-а), резиновые уплотнительные кольца круглого сечения по ГОСТ 18829-73 (рис. 1.5-6), резиновые армированные манжеты для валов по ГОСТ 8752-70 (рис. 1.5-в), манжеты шевронных уплотнений для гидравлических устройств по ГОСТ 5652-65 (рис. 1.5-г). Прокладки плоские эластичные по ГОСТ 15180-86 выпускаются 36 типоразмеров с наружными диаметрами D от 26 до 71 мм, причем каждый из типоразмеров изготавливается из различных материалов: свинец, резина, картон, паронит, полихлорвинил, армированное полотно, медь, алюминий, асбест, мягкая сталь. Резиновые уплотнительные кольца круглого сечения по ГОСТ 18829-73 выпускаются 318 типоразмеров с внутренними диаметрами d от 19,5 до 314,5 мм и сечением Ъ от 2,5 до 8,5 мм.

Рис. 1.5 Предметы производства с МПЗ (а - прокладки плоские эластичные ГОСТ 15180-86, б - резиновые уплотнительные

кольца круглого сечения ГОСТ 18829-73, в - резиновые армированные манжеты

для валов ГОСТ 8752-70, г - манжеты шевронных уплотнений для гидравлических

устройств ГОСТ 5652-65, д - составные части подшипников качения)

Рис. 1.6 Захватывание предметов производства с МПЗ

26 Поверхность, по которой эти детали могут удерживаться захватными устройствами промышленных роботов, для подачи в рабочую позицию сборочного автомата, имеет малую площадь.

При осуществлении автоматической сборки подшипников качения целесообразно подавать детали на сборочную позицию в положении - ось вертикальна (рис 1.5-д). В этом случае захватывание деталей подшипников должно осуществляться по их торцевой поверхности, имеющую также малую площадь захватывания (МПЗ).

Для захватывания 1111 с МПЗ возможно применение активных вакуумных захватных устройств. Однако, из рис. 1.6 видно, что наибольшая ширина 5 кольцевого вакуумного канала КВК захватного устройства В ЗУ, предназначенного для ПП с МПЗ, определяется радиусом г сечения захватываемого предмета, и для любого угла базирования а, в канале шириной 8 происходит дросселирование потока воздуха, что ограничивает уровень усилий захватывания.

Более целесообразно для предметов с МПЗ использовать вакуумные активные вихревые захватные устройства, которые в отличие от других [77], осуществляют предварительное центрирование захватываемых предметов, за счет зоны обратных токов в центральной части вихря. Однако данных, о расчете параметров таких устройств, в литературных источниках не обнаружено. Поэтому необходимо проведение исследований, устанавливающих закономерности функционирования таких устройств и позволяющих повысить эффективность их работы.

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

В середине 70-х начале 80-х годов в работах [5, 18, 39, 84], была доказана возможность и целесообразность для автоматического захватывания ПП использование аэродинамического эффекта взаимодействия вихревой струи воздуха, истекающей из цилиндрической вихревой камеры, с плоской, цилиндрической, конической или сферической поверхностью.

В Харьковском авиационном институте разработано вакуумное грузозахватное устройство [100] с несколькими вихревыми камерами. Устройство состоит из металлической плиты 1 с проушиной 2 для кранового крюка (рис. 1.7). На нижней поверхности плиты закреплены вакуумные цилиндрические камеры 3, имеющие тангенциальные отверстия 4 в стенках. Кожух 5 создает замкнутую полость вокруг камер разрежения. Штуцер 6 служит для подвода сжатого воздуха в замкнутую полость. К плите прикреплены раздвижные упоры 7, необходимые для прижатия плоских изделий от бокового смещения их относительно камер разрежения.

Сжатый воздух, через отверстия 4, тангенциальными струями подается в цилиндрические камеры 3, в которых вращается в противоположных направлениях, для уравновешивания реактивных моментов.

Под действием центробежных сил во вращающемся воздушном потоке между грузозахватным устройством и поверхностью груза возникает разрежение. С уменьшением зазора между грузом и цилиндрическими камерами расход воздуха уменьшается, и давление в камерах повышается, что приводит к бесконтактному удержанию грузов.

Недостатками устройства является наличие вихревых камер в виде полых неподвижных цилиндров, в которых происходит дросселирование вихревого потока, что снижает его функциональные возможности. К недостаткам относится и использование двух камер, возможность соскальзывания груза при боковых нагрузках и при наклоне.

В Московском государственном технологическом университете «Станкин», разработано захватное устройство [93] с механическим вихре-образованием (рис. 1.8). Один торец цилиндрического корпуса 1, в котором установлен двигатель 3 с крыльчаткой 2, выполнен закрытым, а в плоскости открытого торца установлено кольцо 5. К нижнему основанию крепится сетка 6.

При вращении крыльчатки 2 от двигателя 3 в корпусе 1 создается изолированный вихревой поток, который в верхней части опирается на лопасти крыльчатки 2, а в нижней - на сетку 6, а при подъеме более крупных

_{і-Грр"ГйМ}

Рис. 1.7 Вакуумное грузозахватное устройство

fafci

Г"?

Рис. 1.8 Захватное устройство с механическим вихреобразованием

29 предметов, когда сетка убирается, - на поверхность ПП. Во втором случае подъемная сила выше. Войдя через центральное отверстие кольца 5, закрученный воздушный поток поднимается до лопастей крыльчатки 2, затем движется в обратном направлении с большим радиусом закрутки и выходит через отверстия в боковой стенке корпуса 1 между лопатками 4. Величина разрежения зависит от оборотов двигателя. При постоянном числе оборотов двигателя максимальное разрежение можно получить при значениях угла поворота лопаток относительно радиуса 10 ... 60.

Однако, наличие неподвижного цилиндрического корпуса приводит к торможению потока воздуха на его стенках, что снижает грузоподъемность, а использование электродвигателя усложняет и утяжеляет конструкцию.

Для уменьшения потерь скорости потока воздуха в вихревой камере, разработано захватное устройство со шнековым завихрителем [78] (рис. 1.9). Уменьшение потерь достигается уменьшением длины вихревой камеры. Устройство состоит из корпуса 1, в центральной расточке которого запрессован шнек 2, и три регулируемые опоры 3.

Устройство работает следующим образом. При подаче в центральный канал корпуса 1 сжатого воздуха, он через винтовые каналы шнека 2 истекает к атмосферу. Под действием центробежных сил поток воздуха движется в радиальном направлении по торцу корпуса 1. Согласно уравнения Бернулли и закону сохранения количества движения, статическое давление в потоке, движущемся между двумя параллельными поверхностями, одной из которых является торец устройства, а другой - поверхность ПП, меньше атмосферного, что обеспечивает удержание предмета на опорах 3.

В длинных узких винтовых каналах происходит дросселирование потока воздуха, что приводит к резкому падению скорости струй, истекающих из устройства, что ограничивает его тяговую способность.

В научно-производственном объединении по технологии машиностроения* "РостНИИТМ" Ю.В.Гявгяженом и Б.Ю.Овсянниковым созданы ряд конструкций вихревых захватных устройств [95, 96, 98]. В устройстве [95] (рис. 1.10), увеличение грузоподъемности осуществляется за счет уве-

Рисі.9 Захватное устройство с шнековым завихрителем

Рис. 1.10 Пневматический схват с концентричными кольцевыми камерами

31 личения скорости потока воздуха на входе в вихревую камеру путем направления потока по касательной к поверхности кольцевой камеры.

Устройство содержит корпус 1 с полостью 2 и фланцем 3. На корпусе 1 посредством болтов 4 и прокладок 5 закреплен диск 6. Система 7, концентрично расположенных кольцевых камер, содержит тангенциальный питающий канал 8, одну или несколько кольцевых камер 9, связанных между собой тангенциальными каналами 10, направляющих поток воздуха среды по касательной к поверхности 11 кольцевой камеры 9. Полость 2 имеет также поверхности 12, 13. Прокладки 5 регулируют величину зазора 14 между рабочим торцом 15 корпуса 1 и поверхностью 16 диска 6. В диске 6 выполнено сквозное отверстие 17. Вакуумная камера 18 герметизируется уплотнением 19. Внутренняя поверхность 13 полости 2 сопряжена с рабочим торцом 15 корпуса 1 криволинейной поверхностью 20. Внутренняя поверхность 13 полости 2 может иметь криволинейный участок 21.

Устройство работает следующим образом. Сжатый воздух поступает по тангенциальному питающему каналу 10 в систему кольцевых камер 7. Из одной кольцевой камеры 9 в другую воздух поступает по тангенциальным каналам 10, а затем в полость 2 корпуса 1, откуда она через зазор 14 истекает в атмосферу. За счет закручивания потока рабочей среды в центральной части полости 2 создастся разрежение. Из вакуумной камеры 18 рабочая среда через отверстие 17 поступает в полость 2. В вакуумной камере 18 создается разрежение для захватывания 1111.

Недостатком данного устройства является ограничение скорости потока воздуха в концентрично расположенных кольцевых камерах, в каждом узком тангенциальном канале, соединяющим эти камеры. Разрежение создается на сравнительно небольшом участке. Здесь энергия сжатого воздуха используется не в полной степени из-за диска 6, который не позволяет осуществить непосредственный контакт струи сжатого воздуха с притягиваемым предметом.

На рис. 1.11-а приведена схема пневматического ЗУ с подвижной вихревой камерой [94]. Захватное устройство содержит вихревую камеру 1 с

ft,, \

выигрыш в силе

Рис. 1.11 Пневматическое ЗУ с подвижной вихревой камерой

33 тангенциальными соплами 2, жестко закрепленную на мембране 6 с возможностью перемещения в корпусе мембранного блока 8. Тангенциальные сопла

2 связаны с источником сжатого воздуха 13 через замкнутую полость 7 мем
бранного блока посредством отверстия 12. Мембрана б закреплена на корпу
се 8 крышкой 5, в которой установлен винт 3, связанный с мембраной 6 пру
жиной сжатия 4. На корпусе 1 с помощью винтов 10 закреплен регулируемый
по высоте, например, подбором втулок 11, упорный элемент 9.

Работает устройство следующим образом. Сжатый воздух через отверстие 13 в корпусе и замкнутую полость 7 через тангенциальные сопла 2 поступает в вихревую камеру 1, откуда в виде вихревого потока через зазор г, соответствующий высоте упорного элемента над торцом вихревой камеры, истекает в атмосферу. В зоне, ограниченной внутренней поверхностью вихревой камеры и поверхностью удерживаемого предмета, давление воздуха становится меньше атмосферного и ПП, прилегая к упорному элементу, удерживается на нем. Воздух в полости 7 мембраной 6 перемещает вихревую камеру до образования зазора между ее торцом и упорным элементом, равного координате z_K экстремума на графике 1 (рис. 1.11-6).

Отладка устройства путем регулировки степени сжатия пружины 4 винтом

3 и подбором длины втулок 11.

Из рис. 1.11-6 видно, что, если зазор z в процессе работы не меняется, то при уменьшении давления питания от Р_ВХі до Р_ВХ2 сила притяжения

F не достигает своего экстремального значения при некотором давлении Р_вх питания.

В данном устройстве при уменьшении давления питания мембрана 6 перемещает вихревую камеру до значения зазора z_K , (экстремальное значение силы F при уменьшенном давлении питания). Максимальное значение силы F обеспечивается подбором жесткости пружины 4. Автоматическая настройка рационального значения зазора z_K необходима при наличии сдвигающей в поперечном направлении силы, когда предмет удерживается захватным устройством силами трения.

Здесь, также из-за трения воздуха о стенки в вихревой камеры снижается степень разрежение в захватной области.

Вакуумный держатель [79, 101] разработан для повышения надежности захватывания 1111, с различной степенью шероховатости поверхности и температурой нагрева (рис. 1.12). Корпус 1 держателя снабжен конической расточкой и тангенциальным питающим соплом 2. Внутри корпуса 1 помещена вставка 3 с каналом 4. Вставка 3 и коническая расточка корпуса 1 образуют проточную полость 5. На рабочем торце корпуса 1 установлены регулируемые упоры 6.

Устройство работает следующим образом. При подаче сжатого воздуха в сопло 2 корпуса на выходе из корпуса 1 образуется закрученная веерная струя (показана пунктиром). Поверхность ее совместно с поверхностью 7 захватываемого предмета и рабочим торцом корпуса 1 образует полость, давление в которой ниже атмосферного. Приближение вакуумного держателя к поверхности 7 захватываемого предмета вызывает уменьшение давления в канале 4 и в зоне между поверхностью 7 предмета и рабочим торцом корпуса 1, вследствие чего 1111 притягивается к держателю. Упоры 6 удерживают 1111 в зоне наибольшего разрежения, при этом поверхность предмета контактирует с вакуумным держателем только по торцам упоров 6.

Недостатком устройства является узкая кольцевая полость 5, в которой происходит дросселирование потока воздуха. Уменьшение диаметра проточной полости 5 на выходе вихревой камеры приводит к увеличению тангенциальной скорости потока и разрежения на оси захватного устройства, а также -к значительному увеличению избыточного давления и отталкивающей силы на периферии. Грузоподъемность такого устройства не более 0,5 кг [79].

Для повышения разрежения в области контакта устройства с захватываемым предметом и площади действия этого разрежения, разработано вакуумное грузозахватное устройство [36, 105], показанное на рис. 1.13. Оно состоит из цилиндрического корпуса 1, в нижней части имеющего насадку 2 с ребрами 5, боковые стенки 6 которых имеют криволинейную по-

Рис. 1.12 Вакуумный держатель

Рис. 1.13 Вакуумное грузозахватное устройство с развитой торцевой поверхностью

37 верхность. Причем внутренняя поверхность 3 насадки 2 выполнена в виде сопряжения радиусом R цилиндрической поверхности корпуса 1 диаметром d с конической поверхностью этой насадки. Ребра 5 выполнены с неизменным шагом b между ними и имеют расширение к периферии. В верхней части корпус 1 имеет тангенциальные отверстия 7 и кожух 8 для создания замкнутой полости вокруг него с отверстием 9 для подвода сжатого воздуха. Устройство работает следующим образом. При подаче сжатого воздуха через отверстие 9 в кожух 8 и далее через отверстия 7 в корпус 1 сжатый воздух закручивается, создавая в приосевой части область пониженного давления. Когда захватное устройство подводится к поверхности 1111, он под действием разрежения в центральной области вихря прилипает к нижней плоской поверхности ребер 5, при этом образуются щелевые проточные каналы, по которым воздух истекает в атмосферу. В этих каналах разрежение образуется силами вязкостного трения и наличием положительного градиента dV_r/dr радиальной скорости потока воздуха. Ребра 5 имеют

такую высоту на периферии, которая создает такую величину зазора z между рабочей поверхностью насадки 2 и предметом, при котором достигается максимальная подъемная сила. Ребра 5 не позволяют 1111 сблизиться с ЗУ, что может привести его отталкиванию, потере подъемной силы и к колебаниям. Трение о поверхности ребер 5 предотвращает поворот предмета вокруг вертикальной оси и его боковой сдвиг. Таким образом, расширяющиеся ребра позволяют не только увеличить величину радиальной скорости потока воздуха, но и увеличить площадь контакта устройства и предмета производства, что повышает надежность устройства при угрозе сдвига и соскальзывания при изменении положения оси захватного устройства, например, при резком перемещении или повороте.

Диаметр нижней опорной поверхности насадки определяется из соотношения

D₂= 165,4

153,8(>, +2R)

38 где D₂ - диаметр нижней опорной поверхности насадки; D_] - диаметр

внутренней поверхности корпуса; R - радиус сопряжения, соединяющего цилиндрическую поверхность корпуса и нижнюю коническую поверхность насадки; z - высота ребер на периферии.

Недостатком данного устройства является торможение вихревого потока о неподвижную стенку корпуса ЗУ, что ограничивает степень разрежения. Увеличение грузоподъемности в устройстве достигается, в основном, за счет увеличения площади действия разрежения, а, следовательно, устройство не приспособлено для работы с предметами, имеющими малую поверхность захватывания.

Кроме рассмотренных выше, известны аналогичные конструкции вихревых захватных устройств [102, 103, 104], А.с. №: 667481, 738977, 1181867, 1426923, 1553384, 1565684, с разрежением в центре вихревых камер. Общим недостатком рассмотренных ПВЗУ является ограничение в захватной области степени разрежения, обусловленное потерями энергии в вихревом потоке из-за трения о стенки вихревых камер и сопротивления в питающих соплах [82], а также в кольцевых камерах малого сечения при работе с предметами производства с малой площадью захватывания. Преодоление этих недостатков возможно сообщением, как входным соплам, так и стенкам вихревых камер дополнительного вращения в направлении окружной скорости вращения струй сжатого воздуха. Изменение характера течения воздуха в вихревых камерах, при таком подходе, требует проведения дополнительных теоретических и экспериментальных исследований.

1.4. Анализ теоретических и экспериментальных исследований пневмовихревых захватных устройств

Теоретическим исследованиям закрученных течений жидкостей и газов посвящен ряд работ [1, 2, 6, 9, 15, 16, 21, 24, 27, 52, 63]. Известны исследования [20, 26] вихревых течений с осевым генератором закрутки потока, где тангенциальная составляющая скорости имеет малое значение

Завихритель

Форма струи

камере б

вихревая камера ^

Рис.1.14 Обобщенная схема взаимодействия вихревого потока рабочей среды с объектами

40 и для расчета ПВЗУ малопригодны. Для ЗУ наиболее интересны работы [3, 5, 8, 23, 26, 29, 69], где исследуется закрутка потока посредством тангенциальной подачи рабочей среды в цилиндрические вихревые камеры, где формируются вихревые потоки с высокой тангенциальной составляющей скорости. Экспериментальные исследования [18, 26] показывают, что закрутка потока оказывает существенное влияние на характер течения воздуха. Значительно изменяется форма струи (рис. 1.14), истекающей из вихревой камеры. Быстрее, по сравнению с прямоточными струями, происходит затухание осевой составляющей скорости потока по мере увеличения расстояния от нижнего торца ВК. Увеличивается эжекция и интенсифицируются процессы тепломассообмена [9, 15]. Закрутка потока характеризуется параметром т' закрутки, который, пренебрегая турбулентными пульсациями потока, и, считая его на выходе из сопла закрученным, как целое, а профили скоростей равномерными, можно определить выражением [26]:

_т,₌ 0,5(V ,V_:0) l-0,25(V,₀/V_:0f

где V_z0, V.q -максимальные значения, соответственно, тангенциальной и осевой скоростей потока в выходном сечении вихревой камеры.

Ряд исследователей, в качестве основного параметра закрутки, принимают отношение среднеинтегральных значений тангенциальной V_x и

осевой V_: составляющих скорости потока [3, 29, 76], что определяет направление струи в рассматриваемом сечении. Угол между направлением струи и осью осесимметричного потока в этом случае называется углом р закрутки потока [77]

'*Р = р-- (1-2)

Изменение параметра закрутки потока существенным образом влияет на картину струйного течения после выхода потока из вихревой камеры.

41 При т' <0,4 , струя становится шире, чем при отсутствии закрутки, и начинает проявляться поперечный градиент давления. При т'>0,6, возникают уже значительные поперечные и продольные градиенты давления, струя расширяется и в приосевой зоне возникают тороидальные зоны обратных токов (рис. 1.14) [26]. Поперечный градиент давления при параметре закрутки в пределах 0,2<т'< 0,4 достаточно строго определяется зависимостью [3]:

-*, (1-3)

or г где р - давление в точке на любой радиальной координате г в выходном

сечении вихревой камеры, V_x — значение тангенциальной составляющей

скорости потока в этой точке, р - плотность рабочей среды.

Интегрирование [85] этого выражения в радиальном направлении позволяет определить давление в любой точке поперечного сечения струи.

Для установления зависимости между различными составляющими

скоростей потоков в различных сечениях, с известными ограничениями

для определения структуры и параметров осесимметричного потока можно

воспользоваться интегральными уравнениями неразрывности в виде [3, 6,

57, 64, 73, 75]:

R ₂
J - /р V₀ rdr = const, (1-4)

^M = ІР^о ^vx ^l'²dr = const, (1.5)

где J,M - соответственно, количество движения и момент количества

движения рабочей среды в рассматриваемых сечениях радиусом R, V₀,V_T

- осевая и тангенциальная составляющие скорости потока среды в рассматриваемых сечениях, г — радиальная координата.

В работах [1, 2, 8, 9, 15, 20, 24, 27, 114] для расчета вихревых течений используют уравнения движения вязкой жидкости Навье-Стокса в дифференциальной форме:

dV„

г _

ЭК.

W₂

ЭК.

YpV_r—- + pV-
ox ду dz

¹ 5 /J- ТЛЧ

+ -Ц—(^vK), 3 Эх

Гэ²к, э²к Э²К

^ Эх dy dz

dV_x „ dV_x „ dV_x __ dv_x

—- + pV₇ —- + pV_r —^L + pV_x —^I

dt " Эх Эу 3z

^2

\

д% д% д%

Y—- + ii

(1.6)

3 qy

By"- dz

¹ 5 /J- T^

+ -Ц—(

3 dz

dV₇ „ dV_{z rr} dV, _rr 'dV.
p-—- + pV„ —^z- + pV_r —^ + pV_T —'-
^F dt ^F * dx ^r dy ^T

= Z——+ u

^rd²V_r d²V_r Э²К^Л
—-H -ч -

У dx dy dz~ j

где Д Г и Z - компоненты нормального напряжения, приложенные к граням элементарного параллелепипеда и параллельные соответствующим прямоугольным координатным осям OX,OY,OZ; V(V_r,V_x,V_z) - вектор скорости, р - плотность рабочей среды, ц - вязкость воздуха, / - время. Учет вязкости при рассмотрении течений рабочей среды повышает строгость но одновременно и усложняет решение.

Совместно с уравнениями Навье-Стокса многие авторы предлагают использовать уравнение неразрывности в частных производных и дифференциальных уравнения сохранения энергии [2, 9, 66, 114]:

^ + ^.+^+^ = 0

(1.7)

dt dx ду dz dQ = c_vdT + pdV

где dQ = dQft + dQ_T? суммарное количество тепла, подведенное к единице

массы вещества за счет теплообмена частицы с окружающей средой (dQ_n)

и работа сил трения (dQ_TP); pdV - работа сжатия (деформации) элемен-

43 тарного объема среды; dU = c_vdT - внутренняя энергия среды (газа), Т -

абсолютная температура.

Решение уравнений Навье-Стокса (1.6) даже для несжимаемой жидкости, когда отбрасываются последние члены уравнений, представляет собой сложную задачу. До сих пор удается решать эти уравнения лишь в некоторых простейших случаях, например, для задачи Пуазейля [2], задачи Куэтта [20], задачи Кименна-Хоуарта [64, 75].

В связи со сложностью расчета уравнений Навье-Стокса известны методы расчета параметров вихревых потоков, основанью на интегральных уравнениях (1.4) и (1.5). Так, в 1942 г. опубликована работа Г.Н. Абрамовича [3] по теории центробежной форсунки, опирающейся на следующие допущения: 1) гидравлические потери внутри форсунки отсутствуют; 2) момент количества движения на входе в.ВК, остается неизменным вплоть до выхода из форсунки. В этой работе предложена зависимость расхода Q

жидкости от величины давления Р_вх питания (рис. 1.14) и геометрических

параметров ВК:

Є = цтиг_с² .Ш5Г, (1.8)

где р - плотность воздуха; г_с - радиус вихревой камеры; \х - коэффициент расхода, зависящий от геометрических параметров вихревой камеры.

В работах [5, 8, 18, 26] установлено что основным параметром, определяющим подъемную силу ПВЗУ, является разрежение на оси вихревой камеры. При выводе зависимости величины разрежения от геометрических параметров ВК и давления питания, ставится задача определения параметров ПВЗУ - коэффициента расхода, а также формы струи воздуха, истекающей в направлении удерживаемого предмета производства. Именно эти параметры, в конечном счете, определяют свойства подобных устройств.

44 На основе уравнений (1.4), (1.5) и (1.8) в работах Сентякова Б.А. [76, 77] предлагается определять разрежение Р_в на оси ВК по выражению

P_B=—^lp²Q + j-pi?.M²Q + Jr*)), (1.9)

где г_ст — радиус линии встречи вихревого потока с поверхностью предмета; Q,J,M - соответственно расход, количество движения и момент количества движения воздуха в выходном сечении ВК.

В выражении (1.9), при определении расхода Q, коэффициент ц.(г_г) расхода зависит от радиуса г_т внутренней границы истекающего вихревого потока на выходе из ВК (линия нулевых значений статического давления в потоке). В работе [3] предложено определять г_г из условия обеспечения максимального расхода Q. Исследования [85] показывают, что использование принципа наибольшего расхода при определении г_г, не дает

сходимости экспериментальных и расчетных значений расхода при различных конструкциях ВК. Главным недостатком теории Абрамовича авторы в [29, 85] считают необоснованность принципа наибольшего расхода, не учитывающего гидравлические потери внутри ВК, которые весьма значительны (КПД < 50% [85]). Метод расчета [9, 29, 52, 53, 58, 65] вихревых течений в ВК с тангенциальным вводом рабочей среды совершенствовался путем учета вязкости рабочей среды и трения ее о стенки в вихревых камерах и каналах питания.

Для выражения (1.9) в работах [76, 77] значение г_г определено эмпирически визуализацией вихревого воздушного потока:

r_r=(0,608-0,012z_K)r_c, (1.10)

где z_K = /_вх /2 71 г_с - критическое расстояние до захватываемого объекта, соответствующее равенству площади кольцевого сечения 2 п r_c z_K суммарной площади /_вх питающих сопел, после которого коэффициент |я = const.

Проведенные нами предварительные эксперименты показали, что расчетные значения (1.9) разрежения Р_в на оси ВК полученные с исполь-

45 зованием выражения (1.10) не соответствуют экспериментальным значениям. Расхождение объясняется тем, что визуализация потока возможна лишь при малых значениях давления Р_вх питания вихревых камер. Определение радиуса г_г внутренней границы истекающего вихревого потока на выходе из ВК, для случая больших значений Р_вх, требует дополнительных

исследований.

Приведенные в литературных источниках результаты исследований вихревых течений имеют расхождение с экспериментами, а также не учитывают применения методов пневмомеханического вихреобразования, характеризуемого введением дополнительного вращения стенок и питающих сопел вихревых камер в направлении вращения вихря. Таким образом, существующих экспериментальных и теоретических исследований по определению величины разрежения в захватной области ПВЗУ недостаточно. Не обнаружены также литературные источники по определению времени процесса центрирования и захватывания предметов с МПЗ, при их взаимодействии с вихревым потоком, поэтому требуется проведение исследований динамики центрирования и захватывания предметов производства.

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

Анализируя приведенные в настоящей главе литературные данные, можно сделать вывод о том, что предметы производства, имеющие малую площадь захватывания, представляют собой многочисленный класс типовых деталей среди прочих изделий машиностроения и приборостроения. Предложенная на основе обзора существующих захватных устройств классификация, составленная по физическому принципу создания сил взаимодействия предмета с рабочими элементами и способу приложения сил к удерживаемому ПП, а также с учетом конструктивных признаков захватных устройств, позволила установить, что для автоматического захватывания предметов с МПЗ целесообразно применять пневмовихревые захватные

46 устройства, имеющие ряд преимуществ: обладают способностью предварительного центрирования ПП, не требовательностью к физическим свойствам захватываемых предметов, возможностью работы с загрязненными поверхностями захватывания предметов производства, незначительным влиянием шероховатости поверхности захватывания 1111. Кроме того, ПВЗУ обладают рядом других преимуществ: малыми габаритами и массой ЗУ, простотой конструктивного исполнения, долговечностью и надежностью в работе, высоким быстродействием, возможностью обеспечения бесконтактного захватывания ПП, исключающим возможность повреждения предмета.

Тем не менее использование известных пневмовихревых захватных устройств сдерживается при захватывании предметов с МПЗ из-за ограниченного уровня усилий, создаваемых в зоне действия захватного устройства, что объясняется дросселированием потока воздуха в вакуумных каналах малого сечения (размер сечения определяется МПЗ предмета), и необходимостью точного центрирования их относительно оси ПВЗУ.

Изучение способов и методов повышения эффективности работы ПВЗУ показало, что они также разработаны, в основном, для 1111 с «неограниченными» поверхностями захватывания. Кроме того, существующие ПВЗУ не используют возможность компенсации потерь составляющей скорости вихревого потока на трение о стенки вихревых камер и на сопротивление в питающих каналах. Отсутствуют методики проектирования ПВЗУ, где эта компенсация может быть достигнута принудительным вращением стенок и питающих сопел вихревой камеры в направлении вращения вихря.

Обзор существующих исследований посвященных изучению струйных вихревых течений жидкостей и газов в различном технологическом оборудовании показывает на недостаток теоретических разработок, касающихся расчета тяговой способности исследуемых устройств, и на отсутствие теоретических разработок, посвященным динамике процесса захватывания предмета, при его взаимодействии с вихревым потоком.

Все это в целом вызывает существенные затруднения при использовании пневмовихревых захватных устройств и препятствует дальнейшему расширению их функциональных возможностей.

Уточненной целью настоящей работы является:

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

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Разработка метода повышения степени разрежения в захватной области ПВЗУ за счет вращения сопел вихревой камеры и создание на его основе математической модели процесса захватывания 1111.

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

3. Теоретические модели динамики процесса захватывания 1111.

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

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

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

В середине 70-х начале 80-х годов в работах [5, 18, 39, 84], была доказана возможность и целесообразность для автоматического захватывания ПП использование аэродинамического эффекта взаимодействия вихревой струи воздуха, истекающей из цилиндрической вихревой камеры, с плоской, цилиндрической, конической или сферической поверхностью.

В Харьковском авиационном институте разработано вакуумное грузозахватное устройство [100] с несколькими вихревыми камерами. Устройство состоит из металлической плиты 1 с проушиной 2 для кранового крюка (рис. 1.7). На нижней поверхности плиты закреплены вакуумные цилиндрические камеры 3, имеющие тангенциальные отверстия 4 в стенках. Кожух 5 создает замкнутую полость вокруг камер разрежения. Штуцер 6 служит для подвода сжатого воздуха в замкнутую полость. К плите прикреплены раздвижные упоры 7, необходимые для прижатия плоских изделий от бокового смещения их относительно камер разрежения.

Сжатый воздух, через отверстия 4, тангенциальными струями подается в цилиндрические камеры 3, в которых вращается в противоположных направлениях, для уравновешивания реактивных моментов.

Под действием центробежных сил во вращающемся воздушном потоке между грузозахватным устройством и поверхностью груза возникает разрежение. С уменьшением зазора между грузом и цилиндрическими камерами расход воздуха уменьшается, и давление в камерах повышается, что приводит к бесконтактному удержанию грузов.

Недостатками устройства является наличие вихревых камер в виде полых неподвижных цилиндров, в которых происходит дросселирование вихревого потока, что снижает его функциональные возможности. К недостаткам относится и использование двух камер, возможность соскальзывания груза при боковых нагрузках и при наклоне.

В Московском государственном технологическом университете «Станкин», разработано захватное устройство [93] с механическим вихре-образованием (рис. 1.8). Один торец цилиндрического корпуса 1, в котором установлен двигатель 3 с крыльчаткой 2, выполнен закрытым, а в плоскости открытого торца установлено кольцо 5. К нижнему основанию крепится сетка 6.

При вращении крыльчатки 2 от двигателя 3 в корпусе 1 создается изолированный вихревой поток, который в верхней части опирается на лопасти крыльчатки 2, а в нижней - на сетку 6, а при подъеме более крупных предметов, когда сетка убирается, - на поверхность ПП. Во втором случае подъемная сила выше. Войдя через центральное отверстие кольца 5, закрученный воздушный поток поднимается до лопастей крыльчатки 2, затем движется в обратном направлении с большим радиусом закрутки и выходит через отверстия в боковой стенке корпуса 1 между лопатками 4. Величина разрежения зависит от оборотов двигателя. При постоянном числе оборотов двигателя максимальное разрежение можно получить при значениях угла поворота лопаток относительно радиуса 10 ... 60.

Однако, наличие неподвижного цилиндрического корпуса приводит к торможению потока воздуха на его стенках, что снижает грузоподъемность, а использование электродвигателя усложняет и утяжеляет конструкцию.

Для уменьшения потерь скорости потока воздуха в вихревой камере, разработано захватное устройство со шнековым завихрителем [78] (рис. 1.9). Уменьшение потерь достигается уменьшением длины вихревой камеры. Устройство состоит из корпуса 1, в центральной расточке которого запрессован шнек 2, и три регулируемые опоры 3.

Устройство работает следующим образом. При подаче в центральный канал корпуса 1 сжатого воздуха, он через винтовые каналы шнека 2 истекает к атмосферу. Под действием центробежных сил поток воздуха движется в радиальном направлении по торцу корпуса 1. Согласно уравнения Бернулли и закону сохранения количества движения, статическое давление в потоке, движущемся между двумя параллельными поверхностями, одной из которых является торец устройства, а другой - поверхность ПП, меньше атмосферного, что обеспечивает удержание предмета на опорах 3.

В длинных узких винтовых каналах происходит дросселирование потока воздуха, что приводит к резкому падению скорости струй, истекающих из устройства, что ограничивает его тяговую способность.

В научно-производственном объединении по технологии машиностроения "РостНИИТМ" Ю.В.Гявгяженом и Б.Ю.Овсянниковым созданы ряд конструкций вихревых захватных устройств [95, 96, 98]. В устройстве [95] (рис. 1.10), увеличение грузоподъемности осуществляется за счет увеличения скорости потока воздуха на входе в вихревую камеру путем направления потока по касательной к поверхности кольцевой камеры.

Устройство содержит корпус 1 с полостью 2 и фланцем 3. На корпусе 1 посредством болтов 4 и прокладок 5 закреплен диск 6. Система 7, концентрично расположенных кольцевых камер, содержит тангенциальный питающий канал 8, одну или несколько кольцевых камер 9, связанных между собой тангенциальными каналами 10, направляющих поток воздуха среды по касательной к поверхности 11 кольцевой камеры 9. Полость 2 имеет также поверхности 12, 13. Прокладки 5 регулируют величину зазора 14 между рабочим торцом 15 корпуса 1 и поверхностью 16 диска 6. В диске 6 выполнено сквозное отверстие 17. Вакуумная камера 18 герметизируется уплотнением 19. Внутренняя поверхность 13 полости 2 сопряжена с рабочим торцом 15 корпуса 1 криволинейной поверхностью 20. Внутренняя поверхность 13 полости 2 может иметь криволинейный участок 21.

Устройство работает следующим образом. Сжатый воздух поступает по тангенциальному питающему каналу 10 в систему кольцевых камер 7. Из одной кольцевой камеры 9 в другую воздух поступает по тангенциальным каналам 10, а затем в полость 2 корпуса 1, откуда она через зазор 14 истекает в атмосферу. За счет закручивания потока рабочей среды в центральной части полости 2 создастся разрежение. Из вакуумной камеры 18 рабочая среда через отверстие 17 поступает в полость 2. В вакуумной камере 18 создается разрежение для захватывания 1111.

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

Для увеличения степени разрежения в захватной области ПВЗУ необходимо к скорости истечения струй сжатого воздуха из питающих тангенциальных сопел вихревой камеры добавить некоторую дополнительную составляющую скорости, посредством вращения сопел ВК. Это должно обеспечить более высокую степень разрежения и в приосевой области вихревой камеры и увеличить усилие захватывания предметов производства.

Вихревые камеры (рис. 2.1-а), образующие вихревой поток посредством тангенциальной подачи рабочей среды, характеризуются малыми значениями радиуса г0 питающих сопел в сравнении с радиусом гс стенки ВК [18]. Если питающему соплу вихревой камеры, при заданном уровне давления Рвх питания, придать, в направлении истекающего из него со скоростью VBX струи сжатого воздуха, окружную скорость Vc, то резуль тирующая скорость FBX, относительно неподвижной системы координат, можно определить по выражению: где со — угловая скорость вращения вихревой камеры, R — радиус подачи воздуха на входе в ВК. Рассмотрим сечение вихревой камеры по ее нижней торцевой поверхности (рис. 2.1), которое здесь и далее условимся называть срезом ВК. На срезе неподвижной ВК (рис. 2.1-6) тангенциальная составляющая скорости Vx потока при приближении к стенке падает до нулевого значения. При вращении ВК (рис. 2.1-в), с некоторой со 0 и давлении питания Рвх = 0, на стенке ВК, за счет сил трения частиц воздуха о стенку, появляется дополнительная составляющая тангенциальной скорости AVZ вихревого потока. При подаче через сопла сжатого воздуха с величиной давле ния Рвх Ф О (рис. 2.1-г) эквивалентная величина тангенциальной состав ляющей скорости Vx потока, будет больше величины VT на дополнительную составляющую скорости AFT, полученную за счет вращения ВК. Такое увеличение Vx должно, в конечном счете, привести к увеличению разрежения на оси ПВЗУ. Для реализации такого подхода предложена схема ПВЗУ с вращающимися соплами ВК, показанная на рис. 2.2. Здесь ВК с питающими тангенциальными соплами (ТС) установлена в корпусе ПВЗУ на опорах вращения (ОВ). При подаче давления питания Рвх в камеру нагнетания (КН), воздух через тангенциальные сопла подается в полость вихревой камеры, где ударяется о ее стенки и раскручивается, образуя вихревой воздушный поток. При этом обеспечивается вращение ВК с угловой скоростью со, в направлении, совпадающим с направлением вращения вихревого потока. Это позволяет прибавить к тангенциальной скорости потока на входе в вихревую камеру дополнительную величину, равную окружной скорости вращения питающих сопел Vc = R со, R - средний радиус подачи воздуха на входе в ВК, а также уменьшить торможение воздуха о стенки ВК. В центральной части усиленного вихря создается область повышенного разрежения, обеспечивающего захватывание плоского предмета производства (ПП).

Рассмотрим процесс захватывания предмета производства ПВЗУ с вращающимися соплами ВК (рис. 2.2). Предметом производства является плоская деталь условно «неограниченных» размеров, поверхность захватывания которой перпендикулярна оси вихревой камеры. При этом ПП не имеет сквозных отверстий и значительных отклонений формы, которые могли бы существенно повлиять на характеристики потока.

Как показано в главе 1, для определения грузоподъемности F ПВЗУ необходимо и достаточно знать зависимость давления (разрежения) воздуха на оси вихревой камеры от расстояния z до предмета производства и от угловой скорости ш вращения ВК, форму истекающего вихревого потока и закон изменения разрежения на поверхности 1111. При этом, если вихревая камера имеет цилиндрическую форму, то грузоподъемность определяется интегрированием распределения давления (разрежения) по кругу, ограничивающего поверхность захватывания предмета производства.

Используем универсальный закон распределения разрежения на поверхности предмета, который получен в результате исследований распределения давления на плоской пластине от действия вихревого потока, истекающего из вихревых камер различной конструкции с различными сочетаниями геометрических размеров проточной части. Установлено [77], что распределения разрежения Рг на поверхности ПП в радиальном направлнии г имеет следующую зависимость

Математическая модель статической грузоподъемности ПВЗУ с кольцевыми вихревыми камерами

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

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

Допущения, принятые при выводе предложенных моделей, требуют экспериментальной проверки результатов теоретических исследований.

Из обзора литературных источников, известно, что захватывание предметов с МПЗ, ненадежно из-за низкой степени разрежения в зоне действия ПВЗУ, в силу потерь энергии вихревого воздушного потока на трение о стенки ВК, на сопротивление в питающих соплах и в вакуумных каналах малого сечения (размер сечения определяется МПЗ предмета), и из-за смещения 1111 и оси захватного устройства. Поэтому для обеспечения гарантированного автоматического захватывания предметов с МПЗ необходимо одновременно решить две задачи - центрировать ПП и увеличить уровень разрежения в зоне действия ПВЗУ.

Для улучшения условий предварительного центрирования и последующего захватывания предметов с МПЗ, нами предложено одновременно воздействовать на Ш1 разнонаправленными вихревыми потоками, создаваемыми в кольцевых камерах с вращающимися стенками (рис. 3.1-а). При подаче давления Рвк питания в кольцевую камеру нагнетания (КН), воздух, через тангенциальные сопла (ТС), подается в кольцевую вихревую камеру (КВК), где раскручивается и образует вихревой воздушный поток. За счёт трения потока о наружную цилиндрическую поверхность втулки (В), установленной в опорах вращения (ОВ), обеспечивается её вращение относительно центральной оси. При встрече истекающего из КВК вихревого потока с поверхностью установки предмета производства (1111), в приосевой области ПВЗУ создается разрежение, а по периферии - область избыточных давлений. При радиальном смещения гсм осей захватного устройства и 1111, перепад величин давлений действует по поверхности предмета высотой h и обеспечивает результирующую силу Fr, направленную в сторону совмещения осей, что обеспечивает предварительное центрирование захватываемых предметов относительно захватного устройтсва. Этот эффект позволяет использовать такую конструкцию ПВЗУ в качестве устройства для захватывания предметов с их предварительным центрированием.

Одновременно, источник разрежения Рвак коммутируется с камерой разрежения (КР), и далее, посредством радиальных отверстий (РО), с вакуумным кольцевым каналом (КК) с вращающейся стенкой, что создает восходящий вихревой поток, захватывающий предварительно сцентрированный 1111.

Кроме того, вращение стенок втулки В с окружной скоростью VCT = гст со, приводит к повороту на угол оц вектора силы трения F воздуха о стенки камеры относительно вектора осевой скорости Vz всасываемого или исходящего потока воздуха. Таким образом, на направлении век-тора скорости К., действует проекция силы трения F (рис. 3.1-6), что уменьшает степень дросселирования вихревого потока в кольцевых каналах малого сечения и, в конечном счете, способствует увеличению степени разрежения в зоне действия ПВЗУ.

ПВЗУ с кольцевыми вихревыми камерами и эжектором Для исключения необходимости использования внешних источников разрежения Рвак, нами также предлагается схема ПВЗУ с автономным источником разрежения (эжектором) (рис. 3.2). В отличие от схемы ПВЗУ (рис. 3.1), предлагаемое захватное устройство имеет дополнительную камеру нагнетания (КН2), соединенную с кольцевым каналом (КК) посредством эжекционных сопел (ЭС), расположенных под углом к центральной оси ПВЗУ и обеспечивающих вакуумное разрежение в нижней части кольцевого канала и отвода отработанного сжатого воздуха в верхнюю часть кольцевого канала и далее, через выходные отверстия (ВО), в атмосферу.

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

Таким образом, имея решение уравнения (3.16) в виде rCM\t) и решение уравнения (3.24) в виде z(t), можно получить время tn центрирования 1111 на первом этапе и время t2 непосредственно захватывания предмета на втором этапе. Тогда результирующее время захватывания ГШ составит Выполним расчеты по зависимостям (3.12), (3.15), (3.16), (3.21) и (3.24). В качестве предметов с МПЗ используем резиновое уплотнительное кольцо для гидравлических и пневматических устройств: Кольцо 086-092-36-2-4 ГОСТ 9833-73 (масса предмета т = 3,9 гр., наружный диаметр гдн = 45,85 мм., внутренний диаметр гдв = 42,25 мм., высота h = 3,6 мм).

Расчеты выполним для ПВЗУ со следующими параметрами: радиусы, соответственно, наружной стенки кольцевой вихревой камеры rc = 56 мм; внутренней стенки кольцевой вихревой камеры гв = 48 мм; наружной стенки кольцевой камеры гс1 =41,5 мм; внутренней стенки кольцевой камеры гв1 = 43 мм; тангенциальных сопел rQ = 1,3 мм; количество тангенциальных сопел л = 3; давление питания Рвх =50 Кпа; давление разрежения Рвж = 5 Кпа; плотность рабочей среды (воздух) р = 1,2829 кг/м (см. приложение 1).

На рис. 3.7 показано распределение давления Р(г) на поверхности установки 1111 в радиальном направлении в захватной области ПВЗУ, позахватываемого ПП и ПВЗУ лученное из выражения (3.12). Видно, что максимальная величина избыточного давления (Р=4,6 кПа) соответствует радиусу (гст =63 мм) линии встречи струи, истекающей из кольцевого вихревого канала, с поверхностью установки предмета производства, при координате z = 4 мм. Максимальная величина разрежения (Рв =1,9 кПа) соответствует нулевой радиальной координате. При этом, при увеличении расстояния z до 6 мм, уменьшаются как величина избыточного давления ( Р = 4,3 кПа) так и разрежения (Рв = 0,7 кПа), что объясняется уменьшением скорости потока набегающего на поверхность установки ПП, а также притоком воздуха к оси ПВЗУ через увеличивающийся зазор z между рабочей поверхностью ПВЗУ и поверхностью установки предмета производства.

Зависимость результирующей силы Fr(r), приведенной к центру масс ПП, от радиуса см смещения осей, представленная" выражением (3.15) показана на рис. 3.8. Из рисунка видно, что при увеличении гсм до некоторого значения растет и величина силы Fr(r), направленной в сторону совмещения осей предмета производства и ПВЗУ. Однако дальнейшее смещение ПП приводит к резкому уменьшению Fr(r) и изменению ее знака, что означает изменение направления действия силы то есть к выталкиванию предмета из под ПВЗУ под действием скоростного потока воздуха истекающего из кольцевой вихревой камеры. Так, например при z = 4 мм, Рвх=50 кПа, Рвак=5кПа, максимальная сила центрирования составляет Fr = 1,12 Н при rCM = 17,5 мм, а при гш =23 мм сила Fr изменяет своё направление, и выталкивает 1111 из зоны действия ПВЗУ.

Необходимо отметить, что увеличение расстояния z приводит к увеличению зоны rCM тах, при котором сила Fr(r) направлена в сторону совмещения осей предмета производства и ПВЗУ, однако при этом также уменьшается и величина этой силы. Данная зависимость позволяет определить возможность совмещения осей предмета производства и ПВЗУ. Так, например, если гсм лежит в зоне 2 (сила Fr(r) больше силы трения FT), то ПП будет двигаться к центру ПВЗУ, если гсм лежит в зоне 1 (Fr(r) FT), ПП останется неподвижной, а если гсм лежит в зоне 3, имеющей очень малое значение, то предмет производства может быть неподвижным, или вследствие наличия в воздушном потоке турбулентных пульсаций двигаться либо к центру ПВЗУ, либо быть выброшенной из зоны действия захватного устройства. Зона 4 соответствует координатам гсм, при которых центрирование ПП не происходит.

На рис. 3.9 показано решение дифференциального уравнения (3.16), представляющее собой закон движения ПП в процессе его центрирования на предварительном этапе захватывания. Расстояние между осями предмета производства и ПВЗУ в начальный момент времени t - 0 принято rCM = 20 мм. Видно, что процесс центрирования 1111 имеет вид затухающих колебаний. Время, в течение которого затухают колебания 1111, и будет являться временем /ц протекания процесса центрирования. По завершении колебаний ПП занимает устойчивое положение в границах зоны 1 (рис. 3.8), когда Fr(r) FT. При сравнении представленных зависимостей, можно увидеть, что с увеличением расстояния z от 4 мм (рис. 3.9-а) до 6 мм (рис. 3.9-6) наблюдается уменьшение частоты колебания 1111 и времени /ц от 0,57 с до 0,36 с, что объясняется уменьшением влияния силы Fr(r).

Однако необходимо помнить, что увеличение z также приводит к расширению границ зоны 1 (рис. 3.8), что в свою очередь может привести к недостаточному центрированию предмета производства.

На рис. 3.10 показана зависимость безразмерного коэффициента давления рв от коэффициента положения zx захватываемого ПП. Значение рв = 1 при Zj = 0 означает, что давление (разрежение) на рабочей поверхности ПП соответствует разрежению Рвак подводимого к вакуумному кольцевому каналу.

Похожие диссертации на Повышение эффективности пневмовихревых захватных устройств промышленных роботов

Разработка метода повышения эффективности струйных управляющих устройств систем автоматического управления технологическим оборудованиемГорюнов Владимир Александрович

Повышение эффективности автоматизированных систем управления движением судов на основе модификации функциональных устройств береговых радиотехнических постовМинаев Михаил Иванович

Нейросетевые алгоритмы и системы управления исполнительными устройствами роботов Оськин Дмитрий Александрович

авторефНейросетевые алгоритмы и системы управления исполнительными устройствами роботовОськин Дмитрий Александрович

Повышение достоверности информации в телевизионном канале передачи изображений дистанционно управляемых роботовПетухов Андрей Сергеевич

Повышение эффективности фрезерования крупногабаритных фасонных деталей на основе автоматизированного управления режимами резанияРохин Олег Викторович

Повышение эффективности АСУ ТП непрерывной разливки сталиЛогунова Оксана Сергеевна

Повышение эффективности автоматизированной системы обнаружения утечек из нефтепродуктопроводов на основе интеллектуальных технологийБулатов Артур Фларитович

Модели и методы повышения эффективности коммуникаций в базах данных АСУП деревообрабатывающей промышленности Слободин Антон Владимирович

Повышение эффективности автоматизированного контроля процесса осаждения тонких пленок на основе емкостного методаИстомин Алексей Сергеевич