Введение к работе
Актуальность темы. Для достижения заданных показателей точности серийно выпускаемых изделий используют метод групповой взаимозаменяемости. Он предусматривает автоматическую сортировку деталей по группам с последующим комплектованием и сборкой изделий. К таким изделиям относятся элементы топливной аппаратуры, подшипники качения и другие. Так, выпуск только подшипников в России в 2009 г. составил около 150 млн., что определяет потребность в высокой производительности устройств автоматической сортировки и комплектования изделий. В основном их быстродействие ограничено скоростью перемещения изделий: при сортировке от измерительной позиции к сортировочному отсеку, а при комплектовании - из накопителей к позиции сборки.
Для автоматической сортировки и комплектования изделий с массой до нескольких грамм применяют струйные, а с массой до 0,25 кг - вибрационные устройства. Для изделий с большей массой, например, деталей подшипников массой до 100 кг, применяют автоматические поворотные столы (ПС). Поскольку технологические или вспомогательные устройства располагают равномерно по периферии ПС, то невозможность поворота планшайбы ПС через несколько позиций без промежуточных остановок и её реверс, свойственные большинству известных конструкций, ограничивает их быстродействие.
Основными функциональными элементами ПС являются: привод, устройство поворота и устройство фиксации в заданном угловом положении. Их работа характеризуется наличием холостых ходов, что также ограничивает быстродействие ПС. В известных конструкциях, разработанных В.М. Бедри-ным, Ю.Б. Табачниковым, Д.Л. Кеслингом (J.L. Kiesling), для повышения грузоподъемности ПС и снижения необходимой мощности привода применяют воздушную прослойку (ВП). Переключение ВП на разрежение в зазоре между подвижными и неподвижными элементами ПС приводит к изменению характера трения с жидкостного на сухое, что позволяет обеспечить вакуумную фиксацию планшайбы стола в требуемом угловом положении. Однако такой подход в литературе не встречается.
В устройствах поворота планшайбы М.П. Шмыревым, А.А Сурковым, B.C. Ильиным использованы пневматические, гидравлические приводы. Но их ограниченный ход позволяет выполнять поворот только на один угловой шаг, что в сочетании с наличием холостых ходов ограничивает быстродействие. Для устройств поворота с ВП перспективно использование турбинного пневмопривода. Он позволяет выполнить поворот на произвольно задаваемый угол и обеспечить реверс планшайбы.
Таким образом, разработка автоматических ПС на основе устройств поворота с переменным характером трения, создаваемым ВП и вакуумной фиксацией, и турбинного пневмопривода позволит отказаться от специальных фиксирующих устройств, обеспечить повышенные грузоподъемность и быстродействие. Однако автоматическое управление такими устройствами требует исследования динамики перемещения подвижной части (ПЧ) таких ПС. Использованию эффекта ВП посвящены труды И.А. Авцинова, В.К. Битюкова, В.П. Бобро-
ва, А.А. Иванова, В.А. Коднянко, С.А. Шейнберга, но исследования динамики всплытия ПЧ ПС на ВП и её фиксации в литературе отсутствуют. Теоретические вопросы вращения турбинного привода в установившемся режиме рассмотрены в трудах Л.В. Арсеньева, Н.Н. Быкова, М.Ю. Рачкова, СБ. Зеленского. Однако режимы работы с чередующимися разгонами и торможениями в них не освещены. Отсутствие таких работ ограничивает применение ВП и турбинного привода в конструкциях автоматических ПС и делает актуальным проведение таких исследований.
Объектом исследований является процесс автоматического перемещения массивных изделий при комплектовании и сортировке.
Предметом исследований являются ПС на основе устройств с переменным характером трения и турбинного привода, автоматическое управление их работой на базе рассмотрения динамики перемещения их подвижных частей.
Целью работы является повышение быстродействия и нагрузочной способности поворотных столов для автоматических устройств комплектования и сортировки габаритных деталей на основе устройств поворота с переменным характером трения и турбинного привода, а также разработка новых конструкций поворотных столов и методики проектирования.
Для достижения данной цели необходимо решение следующих задач:
разработка конструктивных схем ПС на основе устройств с переменным характером трения (сухое/жидкостное) и турбинного пневмопривода;
разработка математических моделей динамики всплытия ПЧ ПС на воздушной прослойке и её вакуумной фиксации;
разработка модели динамики разгона и торможения ПЧ на воздушной прослойке для предложенных конструктивных схем ПС;
математическое моделирование законов перемещения подвижных частей ПС (объектов автоматического управления) и их теоретических исследование;
проведение экспериментальной оценки адекватности предложенных математических моделей реальным законам перемещения подвижных частей ПС;
разработка алгоритма и машинной реализации системы автоматического управления ПС;
разработка новых конструкций ПС повышенного быстродействия и нагрузочной способности, обеспечивающих заданные показатели быстродействия и точности позиционирования, а также методики их проектирования.
Методы исследования. Теоретические исследования проведены с использованием законов газовой динамики, методов теоретической механики и математического моделирования. Экспериментальные исследования выполнены с применением физического моделирования, статистической обработки результатов с использованием современных регистрирующих и вычислительных средств.
Научная новизна:
- установлена зависимость между высотой, временем всплытия, временем
фиксации ПЧ ПС и конструктивными, рабочими параметрами устройства пово
рота с переменным характером трения на основе модели динамики всплытия на
ВП, полученной из баланса расходов сжатого воздуха в камере переменного
объёма с постоянным входным и переменным выходным сопротивлениями,
2
позволяющая определять временные параметры системы автоматического управления процессов всплытия-фиксации ПЧ ПС;
установлена зависимость времени поворота на заданный угол ПС с турбинным пневмоприводом при его различных конструктивных и рабочих параметрах на основе предложенной модели, позволяющая определять временные параметры системы автоматического управления поворотом ПЧ ПС и быстродействие проектируемых устройств;
предложен алгоритм и машинная реализация системы автоматического управления ПС, обеспечивающая заданные показатели точности позиционирования в условиях нестабильного функционирования пневмораспределителей и переменных инерционных характеристик ПЧ ПС.
Практическая ценность. Разработаны новые конструкции ПС, защищенные патентами РФ: поворотный стол (№ 2376123) и (№74847). Предложена методика их инженерного проектирования, позволяющая разрабатывать конструкции ПС заданного быстродействия и нагрузочной способности. Результаты работы внедрены в учебный процесс. Документация по ПС с поворотом на произвольно задаваемое количество угловых шагов передана для внедрения на ОАО «Волжский подшипниковый завод».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на: всероссийской конференции «Будущее машиностроения России» (25-27 ноября 2008 г., МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва), международных научно-технических конференциях: «Прогрессивные направления развития машино-, приборостроительных отраслей и транспорта» (14-17 мая 2007 г., г. Севастополь), «Автоматизация: проблемы, идеи, решения» (АПИР-15, 10-12 ноября 2010 года), «Механика 2010» (Жешув, Польша), «Машиностроение и техносфера XXI века» (13-18 сентября 2010 г., Севастополь, Украина) и научных конференциях Волгоградского государственного технического университета (Волгоград, 2007 - 2010 гг.).
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 9 печатных работах и 2 патентах РФ, в том числе в 4 статьях журналов перечня ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 123 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырёх глав, общих выводов, списка литературы из 118 наименований и 2-х приложений на 41 страницах и содержит 77 рисунков на 48 страницах. Общий объем 212 страниц.
