Содержание к диссертации
Введение
1. Эволюция высокопроизводительных загрузочных устройств ...8
1.1. Основные виды высокопроизводительных загрузочных устройств.8
1.2.1. Вибрационные автоматические загрузочные устройства 8
1.2.2. Роторные автоматические загрузочные устройства 11
1.2.3. Роторные загрузочные устройства (Н.И. Шерешевского) 15
1.2.4. Вибророторные автоматические загрузочные устройства 16
1.3. Пути повышения производительности высокопроизводительных загрузочных устройств 19
1.4. Анализ литературы, посвященной исследованиям основных видов движения в вибророторном автоматическом загрузочном устройстве 25
1.4 1. Вибрационное перемещение (виброперемещение) 25
1.4.2. Центробежное движение 29
1.4.3. Виброцетробежное движение 31
1.5. Начальные условия и параметры движения предмета обработки в вибророторном автоматическом загрузочном устройстве 32
1.6.Использование персональных компьютеров при моделировании движения предмета обработки в вибророторном автоматическом загрузочном устройстве 34
1.7. Задачи исследования 36
2. Обобщенная математическая модель виброцентробежного дви жения предметов обработки по внутренней поверхности дна бункера вибророторного автоматического загрузочного устройства 37
2.1. Схема виброротоного автоматического загрузочного устройства..37
2.2. Математическая модель движения предметов обработки по поверхности дна бункера вибророторного автоматического загрузочного устройства 42
2.3. Выбор шага интегрирования при решении системы дифференциальных уравнений описывающей движение предметов обработки в виброро-торном автоматическом устройстве 52
2.4.Программно-вычислительный комплекс расчета параметров движения предметов обработки в бункере виброрторного автоматического загрузочного устройства 55
2.5. Основной алгоритм моделирования движения предметов обработки 57
2.6. Выводы 60
3. Экспериментальные исследования функционирования виброро торного автоматического загрузочного устройства 62
3.1. Описание экспериментального комплекса 62
3.2. Экспериментальное определение констант входящих в структуру функции коэффициента трения скольжения 81
3.3. Выводы 89
4. Теоретические исследования параметров движения предмета обработки в вибророторном автоматическом загрузочном устройстве 90
4.1. Методика проектирования вибророторных автоматических загрузочных устройств 90
4.2. Моделирование на персональном компьютере движения ПО по внутренней поверхности дна бункера вибророторного автоматического загрузочного устройства 92
4.3. Исследование параметров виброцентробежного движения ПО в бункере вибророторного автоматического загрузочного устройства 93
4.4. Рекомендации по выбору рациональных конструктивных параметров вибророторного автоматического загрузочного устройства и режимов его функционирования 106
Выводы 107
Заключение 108
Литература 111
- Пути повышения производительности высокопроизводительных загрузочных устройств
- Математическая модель движения предметов обработки по поверхности дна бункера вибророторного автоматического загрузочного устройства
- Экспериментальное определение констант входящих в структуру функции коэффициента трения скольжения
- Моделирование на персональном компьютере движения ПО по внутренней поверхности дна бункера вибророторного автоматического загрузочного устройства
Введение к работе
Актуальность
Автоматизация технологических процессов является одним из важнейших направлений в получении качественной и конкурентоспособной продукции. Одним из достоинств автоматизации является освобождение человека от однообразного, утомительного труда, создание возможностей для развития его умственных способностей.
В автоматизированных технологических системах контроля, сборки и обработки металлов давлением одним из наиболее важных узлов являются автоматические загрузочные устройства (АЗУ). При относительной техниче-ской простоте, в основе их действия лежат достаточно сложные законы и процессы, разобраться в которых не всегда легко. Трудности возникают и при проектировании новых загрузочных устройств.
До настоящего времени в машиностроении, приборостроении и других отраслях промышленности применяется большое конструктивное разнообразие АЗУ для загрузки технологических систем штучными предметами обработки (ПО).
Выбор того или иного АЗУ обусловлен сложностью ПО, уровнем требуемой производительности, надежностью в работе, универсальностью и т.п.
Наиболее применимы АЗУ вибрационного типа с производительностью до 300 шт/мин для ПО с различной степенью сложности. Для автоматической загрузки автоматических роторных и роторно-конвейерных линий применяются роторные АЗУ механического типа с производительностью более 1000 шт/мин, но для ПО несложной формы.
В настоящее время в Тульском государственном университете разработано вибророторное АЗУ, позволяющее загружать широкую номенклатуру предметов обработки и обеспечивать производительность более 1200 штук в минуту.
Вибророторное АЗУ позволяет гибко формировать интервалы цикла: подготовки к захвату, захвата, ориентирования и выдачи предметов обработки с целью обеспечения высокой производительности. Разделение транспортных и технологических функций вибророторного АЗУ позволяет за один кинематический цикл выдавать несколько предметов обработки.
Формирование технологического пути ПО и определение относительной скорости движения ПО в любой точки технологического пути на внутренней поверхности дна бункера вибророторного АЗУ под действием вибрационных и центробежных сил инерции, позволит обеспечит требуемый уровень производительности, что на сегодняшний день является актуальной задачей при проектировании новых вибророторных АЗУ и оценки качества уже существующих.
Цель работы
Обеспечение заданной производительности вибророторного АЗУ на основе теоретически обоснованной методики его проектирования.
Объект исследования
Вибророторное АЗУ.
Предмет исследования
Параметры движения ПО по поверхности дна бункера в широком спектре режимов функционирования вибророторного АЗУ.
Метод исследования
Принятый в работе метод исследования заключается в сочетании компьютерного моделирования процесса движения ПО и экспериментальных исследований. При создании программно-вычислительного комплекса использовалась математическая модель, описывающая движение ПО по поверхности дна бункера вибророторного АЗУ, дополненная коэффициентом трения как функцией скорости, и программное обеспечение. При постановке эксперимента и обработке экспериментальных данных использовался созданный экспериментальный комплекс. Он позволяет определять амплитуду крутильных и осевых колебаний, частотные характеристики и сдвиг фаз между кру- тильными и осевыми колебаниями в вибророторном АЗУ, а также траекторию и скорость движения ПО.
Научная новизна заключается в установлении взаимосвязей между параметрами собственного вращении бункера, параметрами горизонтальных и вертикальных его колебаний и параметрами относительного движения ПО в бункере, с учетом зависимости коэффициента трения от скорости, позволяющих решать задачи синтеза и анализа, высокопроизводительных вибророторных АЗУ на стадии их проектирования или приобретения.
Основные положения выносимые автором на защиту
Математическая модель перемещения ПО, дополненная переменным значением коэффициента трения, зависящего от скорости движения ПО, с учетом параметров функционирования вибророторного АЗУ.
Экспериментальный комплекс, созданный для определения констант, входящих в структуру коэффициента трения как функции скорости, а также предназначен для выявления особенностей движения ПО под действием вращательного и колебательных движений и сдвига фаз между крутильными и осевыми колебаниями вибророторного АЗУ.
Методика управления параметрами процесса виброцентробежного перемещения ПО в неоднородном поле вибрационных и центробежных сил инерции с определением относительной скорости в любой точки технологического пути.
Достоверность Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием при математическом моделировании фундаментальных зависимостей механики, корректностью применяемых численных методов, подтверждается хорошим согласованием результатов вычислительного и натурного экспериментов.
7 Практическая значимость
Предложены программный модуль, позволяющий определять относительную скорость и траекторию движения ПО, а также методика управления параметрами процесса виброцентробежного перемещения ПО, которые внедрены в практике автоматизации технологических процессов на ФГУП РФЯЦ-ВНИИЭФ (Нижегородская область, город Саров).
Программный модуль и собранная экспериментальная установка используются в учебном процессе на кафедре «Технологическая механика» ТулГУ при выполнении лабораторных работ.
Апробация работы
Основные научные положения диссертации, результаты исследований и разработок докладывались автором на международном семинаре: «Автоматизация: проблемы, идеи, решения» (г. Тула, ТулГУ, 2003 г.); на 1-ой всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов: «Идеи молодых новой РОССИИ» (г. Тула, ТулГУ, 2004 г.); на конференции: «Техника 21 века глазами молодых ученых и специалистов» (г. Тула, ТулГУ, 2005 г.) и на конференциях кафедры «Технологическая механика» (г. Тула, Тул ГУ, с 2001 по 2005 г).
Публикации
По теме диссертации автором опубликовано 11 научных работ. Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения с основными выводами по работе, списка литературы из 103 наименований. Общий объем работы составляет 121 страниц, в том числе 57 рисунков и 6 таблиц.
Пути повышения производительности высокопроизводительных загрузочных устройств
Основной характеристикой работы ЗУ является обеспечение заданной производительности. Для ВЗУ формула действительной производительности запишется в следующем виде: ах - коэффициент, учитывающий число ПО, которые одновременно может захватить захватный орган; а2 - коэффициент, учитывающий, сколько раз могут возобновиться захват и выдача ПО каждым захватным органом на протяжении одного кинематического цикла; аъ - коэффициент, учитывающий влияние на производительность относительных размеров ПО; а4 - коэффициент, учитывающий влияние на производительность степени заполнения бункера; а5,а6 - коэффициенты, учитывающие влияние на производительность других факторов, специфических для различных типов ЗУ, различных ПО и условий эксплуатации; / - число параллельных рядов захватных органов. Коэффициенты а, и а2 для ВЗУ не характерны. В большинстве теоретических работ в области производительности ЗУ ставилась цель У повышения коэффициента выдача ЗУ JJ для конкретных ЗУ и типов ПО. Производительность ВЗУ значительно зависит от скорости виброперемещения ПО, их теоретическая производительность определяется по формуле: Средняя скорость определяется значением микро перемещения AS ПО за кинематический цикл Тк, который равен в вибробункере одному периоду к колебаний: / - частота колебаний, Гц. Тогда соотношение рабочего и кинематического циклов и вибробункере:
Технологический цикл в вибробункере зависит от длины пути L, на котором совершается подготовка, захват, ориентация и выдача ПО в приемник, и от скорости виброперемещения V , при которой производятся эти процессы:
Длина ПО и период колебаний обычно является заданным параметром для данной конструкции вибробункера. Рассматривая теоретическую производительность, имеют в виду теоретическую предельную физическую производительность и теоретическую предельную конструкторскую производительность.
Из формулы теоретической производительности ВЗУ видно, что производительность напрямую зависит от средней скорости движения ПО.
Способы повышение скорости ПО представлены на рисунке 1.6. При некоторых равных условиях (амплитуда, угол наклона дорожки, угол направленных колебаний, частота колебаний), применяя вибродорожку с фрикционно-анизотропной несущей поверхностью, коэффициент скорости удается повысить примерно на 30%; применяя вибропривод, обеспечивающий асимметричный закон колебаний, коэффициент скорости повышаем в два раза; применяя вибропривод с раздельным возбуждением колебаний в поперечном и продольном направлениях, коэффициент скорости повышаем в три раза; применяя комплекс приемов - фрикционную анизотропию дорожки, ассиметричныи закон вынужденных продольных и гармонических поперечных колебаний можно довести коэффициент скорости до 0,9. Виброперемещение ПО в поле вибрационных сил инерции и дополнительных силовых воздействий позволяет получить скорость виброперемщения с коэффициентом скорости превышающим единицу.
В ВЗУ скорость виброперемещения также влияет на условия захвата, ориентирования и выдачи. Так как ВЗУ могут охватить очень широкую номенклатуру ПО по степени их сложности, то в каждом отдельном случае необходимо иметь определенный уровень скорости прежде всего для обеспечения нормального процесса их пассивного или активного ориентирования.
Как правило, чем сложнее процесс ориентироварния, тем меньшую скорость виброперемещения нужно обеспечивать. Особенно, что характерно при ориентироварнии ПО с помощью трафаретов и т.п. при этих условиях часто уровень производительности не удовлетворяет производство. Поэтому следующим направлением значительного повышения производительности АЗУ является изыскание способов многоканального і протекания процессов захвата, ориентирования и выдачи ПО. Число каналов (потоков) ВЗУ / практически можно увеличить до девяти путем доведения числа заходов и числа ручьев в каждом заходе до трех. Тогда теоретическая производительность определится по формуле:
При данном решении не происходит увеличения производительности прямо пропорционально увеличению числа потоков /, так как плотность потока в каналах будет неодинакова ввиду следующих причин: во-первых, условия захвата на вибродорожку разные; во-вторых, ручьи находятся на разных радиусах и, следовательно, скорости ПО будут неодинаковы и т.д. кроме того, при увеличении числа заходов увеличивается угол наклона вибродорожки и уменьшается угол подготовки захвата ПО на вибродорожку.
Математическая модель движения предметов обработки по поверхности дна бункера вибророторного автоматического загрузочного устройства
Математическая модель описывает процесс движения ПО по внутренней поверхности дна бункера ВРАЗУ, применительно к общему случаю работы ВРАЗУ, включающего вращательное движение бункера с постоянной угловой скоростью, а также крутильные и осевые колебания с возможностью сдвига фаз между ними и изменения угла наклона дна бункера. ПО представляют собой тела, весьма сложной неправильной и разнообразной формы; поэтому решение задачи о нахождении закона движения ПО по внутренней поверхности бункера ВРАЗУ в общем случае, без конкре тизации формы ПО, является невозможным. Однако легко выделить довольно широкий класс ПО, движение которых может изучаться как движение материальной точки, и ПО коснувшись однажды поверхности в дальнейшем будет только скользить при отсутствии подбрасывания. Для написания математической модели запишем допущения: 1. При исследовании виброцентробежного перемещения реальный предмет обработки будем заменять материальной точкой. 2. Рассматривается безотрывный режим движения предмета обработки, когда нормальная реакция больше нуля. Положение материальной точки относительно подвижной системы отсчета XYZ (рисунок 1), связанной с дном бункера определим полярными координатами р YL У. Конический бункер ВРАЗУ совершает следующие (рисунок 2.3, а, б) движения: а) вращение вокруг той же вертикальной оси (ось TJ) с постоянной угло вой скоростью: со = й)Єі; в пределах 0 -10(1 /с) ; б) крутильные колебания вокруг вертикальной оси (ось TJ) ПО закону: /? = BsinQf, где Q - частота колебаний Q, = 50Гц; В - амплитуда колебаний В = 0 - 0,01(1 / с); в) гармонические колебания вдоль оси т по закону: 7] = A sin(vtf + є), где А - амплитуда колебаний А = 0 - 0,09лш; v - частота колебаний у = 50Гц; є - фазовый угол между колебаниями, є = 0-360. Угол наклона образующей дна бункера: а = 0 -10. При исследовании виброцентробежного перемещения на начальной стадии реальный ПО будем заменять материальной точкой, масса которой равна і массе ПО и расположена в центре тяжести ПО.
Положение ПО относительно подвижной системы отсчета XYZ, связанной с дном бункера определим полярными координатами р и /. Дифференциальное уравнение относительного движения частицы в векторной форме имеет вид: Одним из важных эффектов движения ПО по дну бункера при функционировании ВРАЗУ является — «застой». «Застой» ПО может возникнуть при различных начальных условиях, например, при наличии одного враща-тельно движения бункера с небольшого начального радиуса при низкой частоте вращения бункера, а также при движении ПО от периферии к центру и др., поэтому, условие «застоя» при проведении вычислительного эксперимента необходимо учитывать. Если при движении ПО одновременно выполняются три условия: когда силы трения превышают движущие силы и ско рость движения ПО по радиусу поменяла знак и скорость движения ПО по углу поменяла знак, то ПО находится в состоянии «застоя». Учитывая приведенные записи для описания всех сил инерции и сил трения дифференциальные уравнения относительного движения ПО преобразуются следующим образом
Экспериментальное определение констант входящих в структуру функции коэффициента трения скольжения
Первая серия экспериментов связанных с определением траектории движения ПО в ВРАЗУ, а также времени выхода, скорости и определения констант, входящих в структуру зависимости функции трения от относительной скорости контактирующих поверхностей проводилась только при вращательном движении ВРАЗУ. Для определения основных параметров движения была проведена съемка цифровой видеокамерой перемещения ПО по внутренней поверхности бункера ВРАЗУ. Затем с помощью комплекса программ проводилась обработка отснятого материала и получалась экспериментально определенная скорость и траектория движения ПО. Появилась возможность, задать такие же начальные условия в программно вычислительном комплексе и проверить его на адекватность, не только по конечным параметрам, но и в процессе движения ПО.
С целью подтверждения гипотезы о влиянии на коэффициент трения скольжения скорости относительного перемещения контактирующих поверхностей, был спланирован и реализован цикл экспериментов. Суть, которых заключалась в визуальном наблюдении и фиксировании результатов наблюдений движения ПО по поверхности вращающегося бункера с постоянной скоростью. В эксперименте в качестве материала дна бункера использовалась сталь с чистотой поверхности Ra=2,5; в качестве ПО применялась стальная шайба массой 3,9 г, внешним радиусом 0,015 м, внутренним 0,005 м, толщиной 0,002 м, и шероховатостью Ra=0,75, также в эксперименте использовалась медная шайба массой 2,2 г, с чистотой поверхности Ra=0,75; в качестве ПО внешним радиусом 0,01 м, внутренним радиусом 0,007 м, толщиной 0,005 м.
Экспериментальные исследования проводились при различных скоростях вращения со0= 8 (1/с), е „= 12 (1/с). Характер перемещения ПО по дну бункера фиксировался с помощью цифровой камеры, с частотой 24 кадра в секунду, жестко связанной с вращающимся диском, что обеспечивало благоприятные условия для фиксирования движения ПО.
Результаты киносъемки обрабатывались следующим образом: весь фильм с помощью установочной программы Adobe Premiere разбивался на кадры, в различные моменты времени, фиксировалось положение шайбы относительно дна и определялась средняя скорость на рассматриваемом интервале времени, как отношение пройденного пути к интервалу времени, принятое допущение относительно прямолинейности траектории перемещения можно считать вполне допустимым учитывая незначительность фиксированного перемещения и малый временной интервал 1/24 с.
На рисунке 3.16 представлена траектория движения ПО при проведении натурного эксперимента и проведено сравнение с теоретической траекторией движения ПО. Также были рассчитаны: скоростные и временные параметры движения ПО по дну бункера. Кривая 1 соответствует угловой скорости вращения 10,5 (1/с); кривая 2 соответствует угловой скорости вращения 9,7 (1/с); кривая 3 соответствует угловой скорости вращения 9,4 (1/с); кривая 4 соответствует угловой скорости вращения 9 (1/с); кривая 5 соответствует угловой скорости вращения 8 (1/с); положению вещей. В начале движения ПО находится в неустойчивом положении, здесь имеет место переходный период происходят скачки скорости, но в дальнейшем при наборе скорости ПО входит в установившийся режим и кривые скорости имеют гладкий вид.
Для обеспечения достоверности получаемого материала, каждый эксперимент повторялся 12 раз, при этом min и max совокупности отбрасывались, а оставшиеся усреднялись. Далее с помощью программно вычислительного комплекса подбиралось значение коэффициента трения удовлетворяющего экспериментально установленному закону движения ПО в рассматриваемом промежутке времени.
В таблице 6 показан расчет коэффициента трения зависящего от скорости движения ПО. Представим в виде таблицы значения, рассчитанные для угловой скорости вращения: о) = Щ1с), экспериментально полученные скорости и коэффициент трения, при движении ПО по внутренней поверхности дна бункера ВРАЗУ. Расчет может производиться для любого шага, а также до любого конечного радиуса и скорости. Начальный радиус 0,044м.
Моделирование на персональном компьютере движения ПО по внутренней поверхности дна бункера вибророторного автоматического загрузочного устройства
Представим методику управления параметрами процесса виброцентробежного перемещения ПО в неоднородном поле вибрационных и центробежных сил инерции с определением относительной скорости и траектории движения ПО в любой точки технологического пути, что позволит обеспечить заданную производительность вибророторного АЗУ. 1. Исходя, из конкретной схемы виброцентробежного движения подбирается необходимый перечень факторов, позволяющий наиболее полно описать характер поведения ПО в выбранной схеме. 2. Для выбранных факторов задаются конкретные числовые значения, а неиспользуемым факторам придаются нулевые значения. 3. Численно решаются дифференциальные уравнения второго порядка, описывающие движение ПО по дну бункера ВРАЗУ. 4. Принимается решение о виде движения ПО за единичный интервал времени, и определяются величины перемещения и скорости ПО на конец интервала. 5. На каждом шаге интегрирования идет отслеживание момента «застоя». 6. На основании полученных числовых значений на экране монитора изображаются новые положения ПО, после чего повторяется моделирование на следующем интервале. 7. Если выполнено моделирование на всех интервалах до заданных конечных значений, процесс останавливается, с получением полной визуализации и файла со всеми рассчитанными данными. При проведении теоретических исследований, воспользуемся программно вычислительным комплексом, созданным на базе математической модели описывающей процесс движения ПО в поле вибрационных и центробежных сил. Параллельно с теоретическими выкладками в четвертой главе экспериментально подтверждена гипотеза о влиянии скорости движения
ПО на коэффициент трения. С помощью экспериментальной установки описанной в третьей главе, программно вычислительный комплекс проверен на адекватность, путем сопоставления скорости движения ПО полученных при экспериментальных и теоретических исследованиях. На рисунке 4.1 представлены теоретические графики и экспериментальные точки изменения скорости ПО от радиуса бункера при вращении 6,5(1/с) и 9 (1/с). Из графиков можно увидеть, что теоретическая кривая идет выше экспериментальной это объясняется тем, что в математической модели учтены еще не все факторы, влияющие на движение ПО (шероховатость и др.), однако расхождение между теоретическими и экспериментальными графиками составляет не более 4%. Из графиков, представленных на рисунке 4.2, видно увеличение модуляции скорости при увеличении амплитуды крутильных колебаний и радиуса бункера, также виден эффект переходного процесса. Анализ графика зависимости представленного на рисунке 4.3 показывает, что скорость ПО на выходе из рабочей зоны бункера одинакова, что говорит о доминирующем воздействии центробежных сил, при увеличении амплитуды осевых колебаний время зоны простоя ПО уменьшается. Следующая серия экспериментов была проведена для исследования влияния вращения, крутильных и осевых колебаний и сдвига фаз между ними бункера ВРАЗУ, на характер движения ПО в зависимости от требуемой производительности ВРАЗУ. Проведем ряд теоретических исследований, показывающих как изменяются параметры движения ПО от параметров функционирования ВРАЗУ. Основными параметрами работы ВРАЗУ являются: угловая скорость вращения бункера -со = 3-10(11с); амплитуда крутильных колебаний В = 0 - 0,01(1 / с); амплитуда осевых колебаний - А = 0 - 0,09(лш); фазовый угол между колебаниями -5 = 0-360; угол наклона дна бункера вибророторного АЗУ -а = 0-10; коэффициент трения покоя -ju0 = 0,1-0,5; начальный радиус - р0 = 40 - 200лш.
