Введение к работе
Актуальность темы. Автоматическая загрузка штучных предметов обработки (исходных заготовок, деталей, компонентов и т.п.) в технологические машины-автоматы и линии является одной из решающих операций при автоматизации технологических процессов. Загрузку штучных предметов обработки осуществляют системы автоматической загрузки (САЗ), основным элементом которых является бункерное загрузочное устройство (БЗУ), обеспечивающее автоматическое извлечение из «навала» (захват), приведение в упорядоченное положение (ориентирование) и выдачу в приемник штучных предметов обработки. Правильный выбор рациональной конструкции БЗУ во многом определяет надежность и производительность технологических машин и линий, особенно при автоматизации сборки многоэлементных изделий, требующей одновременной загрузки компонентов несколькими параллельно работающими БЗУ.
Для загрузки предметов обработки формы тел вращения с явно выраженной асимметрией внешней формы по торцам применяют механическое дисковое БЗУ с радиальными гнездами, профиль которых повторяет внешнюю форму предмета обработки. В данном БЗУ функции захвата и ориентирования совмещены, поэтому при загрузке предметов обработки с неявно выраженной асимметрией по торцам в приемник выдаются неориентированные предметы обработки и наблюдается их заклинивание в движущихся рабочих органах БЗУ, что приводит к снижению фактической производительности БЗУ.
В связи с вышеизложенным обеспечение автоматической загрузки с требуемой производительностью предметов обработки формы тел вращения с неявно выраженной асимметрией по торцам механическим дисковым БЗУ с радиальными гнездами является актуальной задачей.
Цель работы. Расширение технических возможностей механического дискового БЗУ с радиальными гнездами, заключающееся в обеспечении автоматической загрузки предметов обработки формы тел вращения с неявно выраженной асимметрией по торцам с требуемой производительностью.
Объект исследования. Механическое дисковое БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором в процессе его функционирования, который рассматривается как совокупность процессов захвата и ориентирования загружаемых предметов обработки.
Предмет исследования. Основные конструктивные и кинематические параметры механического дискового БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором и параметры загружаемых предметов обработки в их взаимосвязи.
Метод исследования, принятый в работе, заключается в сочетании аналитических и экспериментальных исследований процессов захвата, ориентирования и выдачи предметов обработки с использованием математических и натурных моделей, при построении которых использовались методы аналитической пространственной геометрии, теоретической механики, теории вероятности. При постановке экспериментов и обработке экспериментальных данных использовались методы теории погрешностей и математической статистики.
Общетеоретическую базу исследований составили научные труды И.И. Артоболевского, С.И. Артоболевского и Г.А. Шаумяна по теории производительности технологических машин-автоматов и механизмов, Л.Ф. Ан-чишкиной, А.Н. Беляковой, И.С. Бляхерова, В.П. Боброва, К.И. Беспалова, М.К. Галонска, Н.И. Камышного, А.Н. Малова, М.В. Медвидя, В.А. Повидайло, В.В. Прейса, В.Ф. Прейса, А.Н. Рабиновича, Н.А. Усенко, Б.И. Черпакова, Н.И. Шерешевского по теории и проектированию БЗУ для штучных предметов обработки.
Достоверность научных положений и выводов диссертационной работы обеспечивается представительным объемом анализируемой информации по исследованию и проектированию механических дисковых БЗУ, полнотой учета влияющих факторов, корректностью использования общепринятых математических методов и компьютерного моделирования, качественным и количественным соответствием результатов теоретических расчетов полученным экспериментальным данным.
Автор защищает:
1. Совокупность конструктивных ограничений на геометрические параметры ориентирующего и захватных органов механического дискового БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором, в котором разделены функции захвата и ориентирования предметов обработки формы тел вращения с неявно выраженной асимметрией по торцам.
2. Аналитическую модель процесса захвата, определяющую наиболее благоприятные условия для захвата предметов обработки в зависимости от угла наклона бункера, геометрических параметров ориентирующего и захватных органов БЗУ, загружаемых предметов обработки и коэффициента трения.
3. Аналитическую модель процесса пассивного ориентирования, определяющую условия надежного пассивного ориентирования предметов обработки в зависимости от угла наклона бункера, угловой скорости диска, геометрических параметров ориентирующего и захватных органов БЗУ, загружаемых предметов обработки и коэффициента трения.
4. Аналитическую модель производительности механического дискового БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором, учитывающую вероятностный характер процесса захвата, взаимосвязанное влияние на производительность БЗУ его основных кинематических и конструктивных параметров и параметров, характеризующих предмет обработки.
5. Усовершенствованное механическое дисковое БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором и инженерную методику его проектирования, базирующуюся на результатах теоретических и экспериментальных исследований.
Научная новизна. Впервые установлена взаимосвязь между параметрами предметов обработки формы тел вращения с неявно выраженной асимметрией по торцам и конструктивными параметрами механического дискового БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором, выявлено взаимное влияние вышеуказанных параметров и кинематических параметров БЗУ на его производительность.
Практическая ценность. На основе принципа разделения функций захвата и ориентирования разработана усовершенствованная конструкция механического дискового БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором, обеспечившая автоматическую загрузку предметов обработки формы тел вращения с неявно выраженной асимметрией по торцам с отношением диаметров торцов , длиной и углом при вершине одного из торцов . Разработанное БЗУ является универсальным по сравнению с ранее известным БЗУ, поскольку обеспечивает ориентирование предметов обработки, как с неявно, так и с явно выраженной асимметрией по торцам. Разработана инженерная методика проектирования усовершенствованного БЗУ, позволяющая рассчитать и выбрать конструктивные и кинематические параметры БЗУ, обеспечивающие требуемую производительность.
Реализация результатов работы. Конструкторская документация и инженерная методика проектирования механического дискового БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором переданы на ОАО «КБАЛ им. Л.Н. Кошкина» (Московская обл., г. Климовск), ЗАО «РОТОР» (г. Тула) и ОАО «ТПЗ» (г. Тула) для практического использования.
Результаты исследования легли в основу учебного пособия «Автоматические загрузочно-ориентирующие устройства», рекомендованного УМО вузов по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 150400 Технологические машины и оборудование. Учебное пособие используется в учебном процессе на кафедрах «Технологические системы пищевых и перерабатывающих производств» и «Технологическая механика» ТулГУ при выполнении курсовых проектов и лабораторных работ по дисциплинам «Автоматизация производства» и «Теория автоматической загрузки».
Апробация работы. Основные научные положения диссертации, результаты исследований и разработок докладывались на международных конференциях «Автоматизация: проблемы, идеи, решения» (г. Тула, ТулГУ, 2003-2007 гг.), на Международном студенческом форуме «Образование, наука, производство» (г. Белгород, БГТУ, 2004 г.), на Первой Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Идеи молодых новой России» (г. Тула, ТулГУ, 2004 г.), на Международной студенческой научно-технической конференции «Автоматизация, технология и качество в машиностроении» (г. Донецк, ДонНТУ, 2006 г.), на Второй Международной научно-технической конференции «Автоматизация машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (г. Вологда, ВоГТУ, 2006 г.), на Международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера ХХI века» (г. Севастополь, ДонНТУ, 2007 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе 1 патент на полезную модель, 1 учебное пособие с грифом УМО, 10 статей, в том числе 3 из них в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 4 доклада на международных, а также всероссийских научно-технических конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 106 наименований и приложений. Общий объем работы составляет 143 страницы, в том числе 48 рисунков и 6 таблиц. Объем приложений 34 страницы.
