Обоснование проведения исследований при проектировании дисковых бункерных загрузочных устройств для асимметричных заготовок

Необходимость разработки надежных и производительных систем автоматической загрузки различных асимметричных заготовок и изделий в оборудование машиностроительных и других видов производств обуславливает разработку научно обоснованных подходов к проектированию механических дисковых бункерных загрузочных устройств (БЗУ).

В последние десятилетия устойчиво стали использоваться два термина при описании функциональных возможностей механических дисковых БЗУ: традиционные и усовершенствованные.

Традиционные БЗУ начали применяться в первой половине прошлого века для конкретных изделий, имеющих явную асимметрию формы или смещение центра масс [1].

Для изделий с неявной асимметрией в начале этого столетия стали разрабатываться усовершенствованные БЗУ, которые обеспечивали автоматическую загрузку асимметричных изделий и с явной, и с неявной асимметрией [2]. Большинство из них не имело достаточно высокую производительность, так как приходилось переходить с активных способов ориентирования на пассивные. В последнее время стали широко разрабатываться усовершенствованные универсальные БЗУ для асимметричных изделий с явной [3, 4] и неявной асимметрией [5], которые за счет регулировки размеров органов захвата и ориентирования могут загружать различные по форме и размерам изделия в некоторых диапазонах их параметров.

вок одновременно, в том числе некоторых из них для заготовок формы тел вращения, имеющих неявную асимметрию, что позволяет получить высокий экономический эффект от внедрения [6].

Проектирование традиционных и усовершенствованных универсальных БЗУ в связи с их огромным разнообразием и функциональными возможностями, а также широкой номенклатурой разнообразных по форме и типоразмерам заготовок, должно учитывать все эти особенности, чтобы обеспечить стабильность, надежность и высокую производительность систем автоматической загрузки на базе механических дисковых БЗУ.

ОСНОВНЫЕ АСПЕКТЫ, УЧИТЫВАЕМЫЕ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ДИСКОВЫХ БУНКЕРНЫХ ЗАГРУЗОЧНЫХ УСТРОЙСТВ

Последние научные работы, посвященные исследованию и проектированию механических дисковых БЗУ для асимметричных заготовок, направлены на то, чтобы обеспечить стабильное (надежное) функционирование БЗУ (в приемник не выдаются не ориентированные заготовки) и высокую производительность. Это достигается путем выбора и обоснования рациональных параметров БЗУ в зависимости от параметров загружаемых заготовок и функциональных особенностей проектируемого БЗУ на основе разработки математических моделей, описывающих диапазоны допустимых значений параметров захватывающих и ориентирующих органов БЗУ и вероятность захвата единичной заготовки из общей массы [7 – 11].

Разработанные математические модели должны в первую очередь учитывать геометрические размеры и форму загружаемых заготовок. Соотношение длины заготовки и ее диаметра во многом определяет тип используемого БЗУ. Принципиально отличаются конструктивно БЗУ для стержневых и плоских заготовок: расположение вращающегося диска, форма захватывающих органов, способ захвата и ориентирования. Очень сложно в БЗУ ориентировать равноразмерные и близкие к ним заготовки в связи с равенством габаритных размеров и возникающей из-за этого сложностью их распознавания при ориентировании. Наличие внутренних полостей у заготовки с одной или двух сторон может приводить к существенной их сцепляемости друг с другом, когда заготовка одним из своих торцов входит в другой.

Коэффициент трения между заготовками и конструктивными элементами БЗУ, а также между заготовками в процессе их ворошения в бункере, уже несколько десятилетий учитывается при описании вероятности захвата состоящих из одного материала заготовок в различных типах БЗУ [12, 13]. В последнее время в работах [14] стала учитываться при построении математических моделей вероятности захвата и производительности многоматериальность или, другими словами, много-компонентность изделий, когда изделие состоит из несколько частей, характеризуемых различными коэффициентами трения (например, каждая составные части изделий изготовлены из разных материалов, заготовка имеет покрытие на одной из своих частей, поверхности заготовки могут быть по разному обработаны или иметь различную шероховатость и т.п.).

К конструктивным особенностям БЗУ, которые должны быть учтены при разработке математических моделей, описывающих диапазоны допустимых значений параметров захватывающих и ориентирующих органов БЗУ и вероятность захвата заготовки в БЗУ, относятся в первую очередь размеры органов захвата, которые зависят от формы загружаемых заготовок и, в некоторых случаях, координаты смещения центра масс. Решающую роль здесь играет расположение карманов по периферии вращающегося диска БЗУ, способ ориентирования заготовок, угол наклона вращающегося диска к горизонту. Данные параметры в совокупности с параметрами заготовок и радиусом диска определяют зону захвата заготовок при описании математической модели вероятности захвата.

Все это должно быть отражено при разработке и построении математических моделей описывающих диапазоны допустимых значений параметров захватывающих и ориентирующих органов БЗУ и вероятность захвата единичной заготовки из общей массы.

МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ, БАЗИРУЮЩАЯСЯ НА РЕЗУЛЬТАТАХ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

Основной целью проектирования БЗУ является обеспечение автоматической загрузки асимметричных заготовок в технологические линии с высокой производительностью при условиях стабильного функционирования. Чтобы создать не просто работоспособное загрузочное устройство, а устройство, отвечающее всем современным требованиям и тенденциям автоматизированных производств, необходимо при разработке методики проектирования обеспечить нахождение целого ряда его параметров в определенных диапазонах, опираясь на результаты теоретических и экспериментальных исследований.

Основными этапами проектирования БЗУ не зависимо от способа захвата и ориентирования в них заготовок являются 2 основных этапа, которые должны быть построены на основе теоретических исследований: этап 1 - проектирование захватывающих и ориентирующих органов; этап 2 -разработка математических моделей вероятности захвата и производительности (рис. 1).

Рис. 1 . Этапы проектирования БЗУ с элементами исследования

На этапе 1 для обеспечения стабильной работы БЗУ необходимо разработать конструктивные ограничения на его органы, участвующие в процессах захвата и ориентирования, при условиях: карман должен захватить изделие в правильном положении полностью и с наиболее высокой вероятностью; в карман не должна запасть вторая заготовка; в зависимости от способа ориентирования должен стабильно реализовываться данный процесс (при пассивном ориентировании неправильно запавшие в карманы заготовки должны выпадать из карманов, а правильно запавшие - надежно в них удерживаться; при активном ориентировании все запавшие в карманы заготовки должны переориентироваться в требуемое положение и быть в этом положении выданы из БЗУ).

На рис. 2, а показаны исходные данные и выходные параметры этапа 1 в блоке исследования при проектировании БЗУ.

б'

Рис. 2. Всходные данные и выходные параметры этапов 1 (а) и 2 (б) в блоке исследования

Этап 1 включает следующие подэтапы в зависимости от влияющих факторов: способ расположения кармана; способ захвата заготовок; способ ориентирования заготовок; параметры заготовок и БЗУ; требуемая (максимальная) производительность для подачи в оборудование.

Сначала разрабатываются диапазоны допустимых значений и подбираются размеры захватывающего органа - длина, ширина и высота кармана, что позволит карману захватить изделие в правильном положении полностью и с наиболее высокой вероятностью. Ширина кармана должна быть максимально возможной, что повысит вероятность захвата изделий, но в то же время она ограничивается западанием в карман другого изделия. Высота кармана принимается достаточной для захвата изделия и не превышающей его наибольший диаметр. Длина кармана ограничена тем, в карман не должно попасть другое изделие в положении стоя, что определяется формой и размерами асимметричного торца изделия, так как его размеры меньше, чем у цилиндрического.

Затем разрабатываются диапазоны допустимых значений и подбираются параметры ориентирующих органов в зависимости от типа. В некоторых БЗУ захватывающие органы частично выполняют функцию и ориентирования заготовок, в некоторых БЗУ прорабатываются диапазоны дополнительных конструктивных элементов БЗУ - переориентирующих органов; существуют БЗУ в которых захватывающий орган в совокупности с ориентирующим выполняют функцию ориентирования заготовок. Так как окончательное ориентирование заготовок осуществляется в верхней части БЗУ, то необходимо определить требуемые для стабильной работы БЗУ диапазоны участка, где будет обеспечиваться ориентирование с целью рациональной установки ориентирующих устройств.

Реализация разработанных в виде математических выражений условий на этапе 1 позволит обеспечить стабильное функционирование БЗУ при загрузке асимметричных заготовок.

Этап 2 включает разработку математических моделей вероятности захвата и производительности (рис. 2, б). При построении моделей учитываются параметры заготовок и БЗУ; из скольких компонентов и частей состоит изделие, его форма и размеры, способ захвата и способ ориентирования, значения коэффициентов трения, сцепляемость изделий при захвате, размеры органов захвата и ориентирования БЗУ. Разработка математических моделей на данном этапе сводится к определению вероятностей P i , p c , p _и , которые характеризуют благоприятные положения заготовки для захвата карманом, отсутствие помех от сцепляемости при захвате и окружной скорости карманов.

Сначала определяются сначала вероятности ^p I , ^p п, ^p ш, ^p iv , которые характеризуют первичные положения изделия, занимаемые им на диске устройства и из которых в дальнейшем возможен их захват. При определении этих параметров учитываются только наружная форма каждой составной части изделия и их размеры. Затем определяются вероятность P i max , позволяющая оценить возможность поворота изделия к карману требуемым торцом, где изделия располагаются в один слой (этот процесс кроме геометрических параметров изделий учитывает коэффициент трения между изделиями и поверхностью вращающегося диска БЗУ и угол его наклона) и вероятность ^pi min, учитывающая в математической модели область, где над изделиями в процессе их захвата располагаются слои других изделий (влияние на этот параметр оказывают геометрические размеры кармана, - ширина и зазор в кармане, и изделий). Одновременно определяется зона захвата заготовок в математической модели, показывающая зону, на которой возможен захват изделий, в виде суммарного угла от вертикали в нижней части бункера. Все это в совокупности позволит определить вероятность P i .

Потом определяется вероятность p_c для оценки влияния взаимосцепляемости изделий между собой при захвате, геометрические параметры каждой составной части изделия, а также многоком-понентность изделий в виде значений коэффициентов трения между соприкасающимися поверхностями. На данном подэтапе определяется площадь каждой поверхности всех составных части изделия, которые могут соприкасаться друг с другом и значения углов их возможного поворота без отрыва друг от друга.

Затем определяется вероятность p _и , представляющая собой состояние работы БЗУ, при котором из-за окружной скорости его карманов не успеет в карман запасть какое-либо изделие. Эта вероятность учитывает размеры карманов, высоту радиального паза, размеры изделий.

Полученные математические выражения для описания вероятностей P i , p c , p _и позволят получить математическую модель вероятности захвата П и производительности БЗУ и провести теоретические исследования, которые позволят определить те параметры БЗУ, при которых его производительность будет максимальной: выбрать окружную скорость и другие параметры БЗУ, при которых будет обеспечена или требуемая, или максимальная производительность (зазор по шагу, угол наклона бункера).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Получение математических выражений для описания предельных диапазонов параметров захватывающих и ориентирующих органов для определения стабильного функционирования и разработка математических моделей вероятности захвата для выявления оптимальных для обеспечения максимальных значений фактической производительности параметров механических дисковых БЗУ обосновывает необходимость проведения теоретических исследований при проектировании БЗУ. Это позволит без необходимости разработки натурного экспериментального макета определить, при каких параметрах БЗУ и заготовок будет обеспечена или требуемая, или максимальная производительность БЗУ, обеспечить на основе анализа полученных математических моделей необходимые значения производительности путем корректировки наиболее влияющих параметров.

На рис. 3 представлены некоторые зависимости производительности дискового БЗУ с тангенциальными карманами и активным ориентированием асимметричных заготовок от окружной скорости захватывающих органов при различных значениях зазора Л ^ (рис. 3. а) в кармане и угла наклона а ^ (рис. 3. б) вращающегося диска, визуализирующие разработанные математические модели вероятности захвата для цилиндрических ступенчатых заготовок [15].

Теоретические исследования, проведенные на этапе 2, позволили обосновать целесообразность увеличения зазора в кармане с Л & = 0,1 / до Л^ = 0,15 / с целью увеличения максимальной производительности БЗУ с 170 шт./мин до 250 шт./мин, то есть в 1,5 раза и отсутствие необходимости в увеличении/ уменьшении угла наклона вращающегося диска БЗУ, так как существенного влияния на производительность БЗУ он не оказывает.

Рис. 3. Влияние на производительность (шт./мин) БЗУ зазоров в кармане (а)

Д _к = 0,1 / (1), А _к = 0,125 1 (2), А _к = 0,15 1 (3) и угла наклона вращающегося диска (б) а _д = 40 ° (1), а _д = 45 ° (2), а _д = 50 ^о (3) в зависимости от окружной скорости и (м/с)

Таким образом, при проектировании механических дисковых БЗУ для асимметричных заготовок необходимо проводить теоретические исследования, что позволит обеспечить эффективность функционирования БЗУ, сократить время и снизить затраты при проектировании.