Введение к работе
Актуальность темы. Комплексная автоматизация производства штучной продукции в машино- и приборостроительной отраслях промышленности требует разработки общих принципов, единой методологии и типовых технических средств автоматизации производства.
В производствах крупносерийных и массовых изделий, например, подшипников качения, широко применяют автоматические линии (АЛ) из агрегатных и специальных металлорежущих станков, в производстве метизов - АЛ на основе многопозиционных прессов-автоматов, в производствах патронов стрелкового оружия, центральных электродов свечей зажигания, инъекционных игл - автоматические роторные и роторно-конвейерные линии (АРЛ и АРКЛ).
Для загрузки штучных предметов обработки (заготовок) в АЛ, АРЛ и АРКЛ используют системы автоматической загрузки (САЗ). По соотношению технологической и транспортной функций выделяют два класса САЗ: стационарные и роторные. Производительность многопозиционных стационарных САЗ может достигать 1000 шт./мин, однако при загрузке предметов обработки в АЛ с непрерывно движущимся транспортным устройством, например, в АРЛ и АРКЛ, она ограничена динамическими условиями передачи предметов из стационарного питателя в движущееся транспортное устройство линии и не превышает 300-400 шт./мин. Поэтому для загрузки предметов обработки в АРЛ и АРКЛ с производительностью до 1200 шт./мин используют многопозиционные роторные САЗ, которые построены по принципу роторных технологических машин, что обеспечивает надежную синхронную передачу предметов обработки в транспортные органы АРЛ и АРКЛ.
Основным функциональным устройством САЗ, обеспечивающим извлечение (захват) из навала, приведение в упорядоченное положение и выдачу предметов обработки в последующие устройства, является бункерное загрузочное устройство (БЗУ).
В указанных выше производствах достаточно велика доля предметов обработки массой до 0,1 кг и максимальным габаритным размером до 0,05 м, относящихся к осесимметричным объемным деталям-телам вращения (классы 71-72 по классификатору ЕСКД). Такие предметы хорошо захватываются в БЗУ с вращающимися воронками. Подобные устройства имеют высокую производительность, просты по конструкции, обладают широкой универсальностью и возможностью переналадки, что делает их эффективным средством для создания типовых конструкций, как одно- и многопозиционных стационарных, так и многопозиционных роторных САЗ.
Однако достаточно часто исходные предметы обработки являются равно-размерными, с отношением габаритных размеров 1,1 < lid й 1,2 (/ - длина, d -диаметр предмета обработки), или близкими к равноразмерным (1,2 < lld<, 1,5). Для таких предметов высока вероятность расположения поперек входного отверстия воронки, что приводит к снижению в 2 - 3 раза вероятности их захвата воронкой. Это в свою о<яйе.[^Ащ{уй^щйд^Ліжению эффективности БЗУ, т.е. не только уменьшает редн!вте4иотм«кую|пронзводительность, но и увели-
СПет«рвургг/Д I 09 Л»У«гР'«
чивает размах случайных колебаний фактической производительности БЗУ относительно её среднего значения. Последнее обстоятельство требует увеличения емкости накопителя САЗ, т.е. габаритных размеров системы.
Поэтому поиск путей повышения эффективности БЗУ с вращающимися воронками при загрузке равноразмерных и близких к ним осесимметричных объемных штучных предметов обработки формы тел вращения является актуальной задачей.
Работа проводилась по разделу «Производственные технологии» в рамках «Приоритетных направлений науки, техники и технологий РФ».
Цель работы. Повышение эффективности БЗУ с вращающимися воронками при загрузке равноразмерных и близких к ним осесимметричных объемных штучных предметов обработки формы тел вращения.
Объект исследования. Стационарное однопозиционное БЗУ с вращающейся воронкой криволинейного профиля в процессе его функционирования, рассматриваемого как совокупность взаимосвязанных процессов захвата и выдачи предметов обработки.
Предмет исследования. Различные варианты исполнения и геометрические параметры приемной части захватывающей воронки, частота ее вращения и параметры, характеризующие загружаемые предметы обработки (геометрические размеры и коэффициент трения), в их взаимосвязи.
Метод исследования, принятый в работе, заключается в сочетании аналитических и экспериментальных исследований процессов захвата и выдачи предметов обработки с использованием математических и натурных моделей. При построении аналитической модели использовались методы аналитической пространственной геометрии, теоретической механики, теории вероятностей. При постановке экспериментов и обработки экспериментальных данных использовались методы теории погрешностей и математической статистики.
Общетеоретическую базу исследований составили научные труды И.И. Артоболевского, СИ. Артоболевского и Г.А Шаумяна по теории производительности технологических машин-автоматов и механизмов, Л.Н. Кошкина и ИА. Клусова по теории и практике комплексной автоматизации производств на основе АРЛ и АРКЛ, Л.И. Волчкевича по концепции автоматизации дискретных производств, К.И. Беспалова, В.П. Боброва, Н.И. Камышного, А.Н. Малова, М.В. Медвидя, В.А. Повидайло, В.Ф. Прейса, В.В. Прейса, НА. Усенко, Б.И. Черпакова, Н.И. Шерешевского и ряда зарубежных ученых по теории и проектированию механических БЗУ для штучных предметов обработки формы тел вращения.
Достоверность научных положений и выводов диссертационной работы обеспечивается представительным объемом анализируемой информации по исследованию и проектированию как стационарных, так и роторных БЗУ с вращающимися воронками, полнотой учета влияющих факторов, корректностью использования общепринятых математических методов и компьютерного моделирования, качественным и количественным соответствием результатов теоретических расчетов с полученными экспериментальными данными, а также с результатами расчетов и экспериментов, полученными другими авторами.
Автор защищает:
1. Совокупность конструктивных ограничений на геометрические пара
метры вращающейся воронки, аналитические критерии выбора и алгоритм по
иска криволинейных конфигураций, которые позволяют синтезировать опти
мальную конфигурацию приемной части воронки, обеспечивающую повыше
ние вероятности захвата равноразмерных и близких к ним осесимметричных
объемных штучных предметов обработки формы тел вращения.
-
Аналитическую модель производительности стационарного БЗУ с вращающейся воронкой криволинейного профиля, учитывающую вероятностный характер процесса захвата, взаимосвязанное влияние на производительность устройства частоты вращения воронки и параметров, характеризующих предмет обработки, и применимую для исследования и проектирования БЗУ.
-
Инженерную методику расчета оптимальных конфигураций воронок криволинейного профиля и производительности БЗУ, базирующуюся на разработанных критериях выбора, алгоритмах и аналитической модели, и реализованную на ЭВМ, которая может быть использована при проектировании БЗУ с достаточной для практики точностью.
-
Конструкции захватывающих воронок с приемными частями криволинейного профиля, позволяющие повысить эффективность БЗУ при загрузке равноразмерных и близких к ним осесимметричных объемных штучных предметов обработки и создавать как стационарные САЗ с производительностью до 300 шт/мин, так и многопозиционные роторные САЗ.
Научная новизна. Установлена взаимосвязь между параметрами, характеризующими предмет обработки (геометрические размеры и коэффициент трения), и геометрическими параметрами воронки криволинейного профиля и выявлено взаимное влияние этих параметров и частоты вращения воронки на производительность стационарного БЗУ.
Научная новизна работы представлена следующими результатами:
-
Дополнены и уточнены конструктивные ограничения на геометрические параметры воронки, разработаны аналитические критерии выбора и алгоритм оптимизированного дискретного перебора параметров функций для синтеза оптимальной криволинейной конфигурации приемной части вращающейся воронки БЗУ при загрузке равноразмерных и близких к ним осесимметричных объемных штучных предметов обработки формы тел вращения.
-
Выявлена закономерность влияния параметров, характеризующих загружаемые предметы обработки, на геометрические параметры захватывающей воронки с приемной частью криволинейного профиля.
-
Уточнена закономерность влияния частоты вращения воронки с приемной частью криволинейного профиля на производительность стационарного БЗУ во взаимосвязи с параметрами, характеризующими предмет обработки, и геометрическими параметрами захватывающей воронки.
Практическая ценность. Предложены новые конструкции воронок с приемными частями криволинейного профиля для захвата осесимметричных объемных предметов обработки формы тел вращения с отношением габаритных размеров \,2
структуре как стационарных, так и многопозиционных роторных САЗ для загрузки предметов обработки в технологические машины-автоматы и автоматические линии с требуемой производительностью. Применение воронок криволинейного профиля позволяет не только повысить на 30 % производительность стационарной САЗ, но также и уменьшить емкость её накопителя, а в роторной САЗ - уменьшить на 30 % число ее рабочих позиций. Разработана инженерная методика расчета оптимальных конфигураций воронок криволинейного профиля и производительности БЗУ, реализованная в виде программного модуля и пакета прикладных программ, которые могут быть использованы в системах автоматизированного проектирования и изготовления типовых элементов БЗУ.
Реализация результатов работы. Конструкции, инженерная методика расчета и программный модуль синтеза вращающихся воронок криволинейной конфигурации используются в практике проектирования БЗУ на ОАО «КБАЛ им. Л.Н. Кошкина» (Московская обл., г. Климовск), ЗАО «РОТОР» (г. Тула) и филиале ГУЛ КБП - «ЦКИБ СОО» (г. Тула). Программный модуль синтеза используется в учебном процессе на кафедрах «Пищевые производства» и «Технологическая механика» ТулГУ при выполнении лабораторных работ по дисциплине «Автоматизированное проектирование».
Апробация работы. Основные научные положения диссертации, ре
зультаты исследований и разработок докладывались автором на международ
ной научно-технической конференции «Ресурсосберегающие технологии, обо
рудование и автоматизация штамповочного производства» (г. Тула, ТулГУ,
1999 г.), на международных семинарах «Автоматизация: проблемы, идеи, ре
шения» (г. Тула, ТулГУ, 1999-2003 гг.), на второй и третьей международных
электронных конференциях «Технологическая системотехника» (г. Тула, Тул
ГУ, 2003-04 гг.), на первой общероссийской научно-технической конференции
«Вузовская наука - региону» и региональной конференции «Молодые исследо
ватели - региону» (г. Вологда, ВоГТУ, 2003 г.), на Всероссийской ежегодной
научно-технической конференции «Наука-Производство-Технологии-
Экология» (г. Киров, ВятГУ, 2003 г.), на международной конференции «Актуальные проблемы конструкторско-технологического обеспечения машиностроительного производства» (г. Волгоград, ВолгГТУ, 2003 г.), на международной научно-технической конференции «Инструментальные системы - прошлое, настоящее, будущее», посвященной 100-летию со дня рожд. С.С. Петрухина (г. Тула, ТулГУ, 2003).
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 24 научные работы, в том числе 1 монография, 14 статей, доклады на международных, всероссийских и региональных конференциях и семинарах и 1 учебно-методическая работа.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, общих выводов, списка литературы из 129 наименований и приложений. Объем работы составляет 149 страниц, в том числе 40 рисунков и 7 таблиц. Объем приложений - 39 страниц.
