Разработка ограничений на параметры органов захвата и ориентирования усовершенствованного универсального бункерного загрузочно-ориентирующего устройства с наклонным диском и тангенциальными карманами для стержневых ступенчатых заготовок

Во многих технологических процессах массовых производств возникает необходимость ориентирования штучных изделий небольших размеров различных форм (деталей, заготовок, предметов обработки, полуфабрикатов и др.) с целью их автоматической подачи в требуемом упорядоченном положении к рабочим органам оборудования [1, 2]. Между различными технологическими переходами потребность ориентированной подачи полученного после каждой операции полуфабриката к следующему оборудованию может быть многократной. Так, например, в патронном производстве постоянно, на протяжении всего технологического процесса, возникает необходимость ориентирования различных по формам и размерам предметов перед подачей на следующую операцию, в связи с чем возникает необходимость разработки систем автоматической загрузки такими предметами современного оборудования, выполняющего различные операции технологического процесса с высокой производительностью свыше 200 шт./мин [3]. Преимущественно в патронном производстве, широко распространены стержневые ступенчатые заготовки. В рамках одного производства могут встречаться различные типы ступенчатых заготовок, не существенно отличающиеся по своим основным размерам, и для каждого из них требуется разработка бункерного загрузочно-ориентирующего устройства (БЗУ) с определенными параметрами органов захвата и ориентирования в зависимости от размеров заготовки. Проектирование такого количества БЗУ неоправданно из-за существенных затрат [4]. Поэтому становятся целесообразными разработка и внедрение в производства универсальных БЗУ, параметры которых путем регулировки могут подстраиваться под заготовки с различными геометрическими размерами широкой номенклатуры [5]. Такие БЗУ должны, стабильно функционировать и обеспечивать высокую производительность при загрузке современного оборудования автоматизированных производств, что требует разработки конструктивных и геометрических ограничений на параметры органов захвата и ориентирования [6-10].

ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ПРИНЦИП ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОГО УНИВЕРСАЛЬНОГО БУНКЕРНОГО ЗАГРУЗОЧНО-ОРИЕНТИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА

Для стержневых ступенчатых заготовок было предложено универсальное БЗУ с наклонными диском и тангенциально расположенными органами захвата. Усовершенствованное БЗУ с регулировкой и его основные конструктивные элементы, выполняющие все функции по захвату и ориентированию стержневых ступенчатых заготовок, представлены на рис. 1.

Рис. 1. Усовершенствованное БЗУ с тангенциальными карманами и схемы его функционирования, в том числе при регулировке: 1 – бункер; 2 – нижний неподвижный диск; 3 – буртик; 4 – вращающийся диск; 5 – тангенциальные карманы; 6 – внутренние карманы; 7 – ножевые опоры;

8 – опорные ролики; 9 – окно; 10 – лопатки; 11 – ступенька; 12 – заготовка

БЗУ включает наклонный бункер 1, нижний неподвижный диск 2 с буртиком 3. В бункере есть вращающийся диск 4 с тангенциальными карманами 5 по окружности и внутренними радиально расположенными карманами 6 с ножевыми опорами 7. Вращающийся диск 4 лежит на регулируемыми опорных роликах 8, установленных на наружной поверхности нижнего неподвижного диска 2. В верхней части бункера вырезано окно 9. На наружной поверхности вращающегося расположены лопатки 10 для ворошения заготовок. На некотором удалении от верхней части бункера находится ступенька 11, образованная буртиком 3 и нижним неподвижным диском 2. Усовершенствованное регулируемое БЗУ работает следующим образом. Заготовки, засыпанные в бункер 1 на поверхность вращающегося диска 4, ворошатся лопатками 10, западают в нижнем положении вращающегося диска 4 в тангенциальные карманы 5 и при вращении диска перемещаются в верхнюю часть бункера 1, скользя по буртику 3, сваливаются со ступеньки 11 и, благодаря тому, что центр тяжести ее смещен относительно середины, западают опрокидываясь требуемым торцом в один из радиально расположенных внутренних карманов 6 или, если этого не происходит, попадают на ножевые опоры 7 и уже в верхней части бункера 1 заготовка 12 опрокидывается на опоре и западает в один из внутренних карманов 6. Для того чтобы заготовки могли легко поворачиваться, в зоне ориентации в стенке бункера 1 сделано окно 9. При следующем обороте вращающегося диска 4 ориентированная заготовка через вырез (на рис. не показан), который выполнен в нижнем неподвижном диске 2, выкатывается в выдающий лоток (на рис. не показан).

УСЛОВИЯ НАДЕЖНОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОГО БУНКЕРНОГО ЗАГРУЗОЧНО-ОРИЕНТИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА И РАЗРАБОТКА ОГРАНИЧЕНИЙ НА ОРГАНЫ ЗАХВАТА И ОРИЕНТИРОВАНИЯ

При конструировании органов тангенциальных карманов, осуществляющих захват и предварительное упорядочивание ступенчатых заготовок, и ориентирующих органов, начинающихся в зоне расположения ступеньки буртика и включающих ножевую опору во внутренних радиальных карманах, расположенных под вращающимся диском усовершенствованного БЗУ, необходимо для его стабильной работы определить диапазоны параметров органов захвата и ориентирования [11].

Первым необходимым условием правильной работоспособности усовершенствованного универсального БЗУ с наклонным диском и тангенциальными карманами является отсутствие возможного западания в тангенциальный карман нескольких заготовок. При этом западание второй заготовки может быть осуществлено несколькими возможными способами.

Во-первых, в тангенциальном направлении по отношению к карману, когда одна заготовка своей боковой поверхностью лежит на другой заготовке и вместе с ней движется в верхнюю часть бункера, где должно осуществляться переориентирование заготовок (рис. 2). Однако в данном случае процесс переориентирования нарушается, так как в радиальные карманы между ножевой опорой свалятся сразу две заготовки. При этом они могут быть не правильно сориентированы.

Рис. 2. Расчетная схема ограничений по высоте H тангенциального кармана БЗУ

Для того чтобы этого избежать необходимо, чтобы высота кармана для ступенчатых заготовок была выбрана в диапазоне:

0,8 d 1 <  H <  d 1 + d ¹ - d ² .                               (1)

Выбор параметра H в данном диапазоне позволит исключить сопровождение двух единиц в одной ячейке, которое может привести к сваливанию в карман одновременно двух заготовок, в том числе в не сориентированных положениях. В разработанном универсальном БЗУ регулировка высоты H возможна благодаря опорным роликам.

Во-вторых, в тангенциальный карман при некорректно подобранном значении зазоров А _к По длине кармана ( l _к = l + А _к ) и Л по ширине кармана ( B = d i + Л ), представленных на рис. 3, заготовка может запасть одним из своих торцов, как меньшим, так и большим из диаметров (стоя) и, тем самым, нарушить процесс ориентирования на ножевых опорах в верхней части бункера, оказавшись в радиальном кармане не тяжелым, а легким своим торцом.

Рис. 3. Расчетная схема ограничений по длине 1 _к тангенциального кармана БЗУ

Так как минимальным для всех видов ступенчатых заготовок является диаметр d ₂ , то именно по нему будут разрабатываться ограничения.

С одной стороны длина кармана должна быть больше диагонали продольного сечения заготовки. Поэтому в зависимости от типа заготовок, представленных на рис. 4, данную грани- цу можно записать: для заготовок типов I, II, III:

, 2 I ,

l +1 d 2 +

d l - d 2

I ; для заготовки типа IV:

■ 2

k

Рис. 4. Стержневые цилиндрические (а, б) и сложной формы (в, г) ступенчатые заготовки: а – тип I; б – тип II с фланцем; в –тип III; г – тип IV

С другой стороны в карман не должна запасть стоя другая заготовка, то есть l _{к max} = l + d 2 . Поэтому получим следующие границы длины кармана:

- для заготовок типов I, II, III:

l + d o >  l_v 2 К

2 I

l +1 d 2 +

d l — d 2

- для заготовки типа IV:

l + d o >  l.. 2 К

l ²+

^d Ф ^- d l ^

Чем больше величина зазора, тем больше вероятность западания заготовки в карман. Но увеличение Д_к приведет к увеличению шага t тангенциальных карманов, что приведет к сокращению их количества и, тем самым, снижению производительности БЗУ. Поэтому целесообразно принимать минимальные значения зазора Д_к .

Толщина перемычки 5 между тангенциальными карманами (см. рис. 3) выбирается в диапазоне от 0,005 до 0,01 м, что обусловлено тем, что шаг t тангенциальных карманов доложен быть минимальным для более высокой производительности. Так как размер кармана ограничен длиной заготовки и шагом Д_к , то варьировать целесообразно параметром 5 .

Учитывая то, что заготовки типов I, III и IV могут расположиться в кармане по диагонали, в кармане по его ширине может оказаться зона, куда стоя может запасть заготовка своим диаметром d ₂ , как показано на рис. 5.

Поэтому при определении ширины тангенциального кармана нужно учесть то, что ее минимальное значение должно быть не менее большего диаметра заготовки, то есть для заготовок типов I, II, III: B min = d i ; для заготовки типа IV: B _m ^ _n = d ф . Максимальное значение ширины кармана с использованием расчетной схемы на рис. 6 на примере заготовки типа I будет следующим. С одной стороны ширина кармана B = d i + Д . С другой стороны ширину кармана можно выразить как B = d 2 + у .

Рис. 5. Расчетная схема ограничений по ширине B кармана БЗУ для заготовок разных типов

Рис. 6. Расчетная схема для определения зазора Л по ширине тангенциального кармана

Выразив y для каждой заготовки, получим выражение для определения предельного значения зазора Л и ширины кармана:

- для заготовок типов I и III:

d + d

B max = d 2 + -1y^ cos ф- ( l — h) * sin Ф ,

d +Л           l ф = arcsin , 1     - arccos —j=^= ;

] d i + 1 2         4l i + d i

- для заготовок типа II:

B   = d^ + d^ cos ф, max 22

d +Л ф = arcsin .      1         = - arccos .=

70,25( d _i + d 2 ) 2 + 1 ²         7o, ² 5( d _i + d 2 ) 2 + l 2

- для заготовки типа IV:

/?   =^ + dl ^{+ d} 2

^ max   ^d 2 ⁺    2

cos ф- (l - l _i - Л _ф) • sin ф ,

ф = arcsin

dф +д

0,25( d i + d ф )² + ( l i + А ф )²

- arccos

l l ⁺ А ф

0,25( d i + d ф )² + ( l i + А ф )²

.

Совместное решение систем (4) – (5), (6) – (7) и (8) – (9) может быть выполнено в программе Mathcad при помощи операторов Given и Find. Это позволит получить предельное значение зазора Л . Тогда общее выражение для диапазона допустимых значений ширины кармана можно записать: для заготовок типов I, II, III - d i <  B <  d i + Л ; типа IV - d ф <  B <  d i + А .

Вторым необходимым условием стабильной работы усовершенствованного универсального БЗУ с наклонным диском и тангенциальными карманами при ориентировании заготовок является определение максимального значения угла расположения ступеньки буртика от вертикали, при котором начинается процесс переориентирования заготовок.

Для классического БЗУ с наклонным диском и тангенциальными карманами были представлены полученные выражения, позволяющие определить угол ψ , на котором начинается процесс опрокидывания заготовки на ножевой опоре, в зависимости от того, как она лежит в тангенциальном кармане. Преобразовав данные выражения, получим выражения для каждого варианта западания заготовки в карман:

- тяжелой частью справа (рис. 7, а) с учетом, что £ = b — X c — Д _к , b = 0,5 1 _к , a = £ + X c :

V = 900

— arcctan

— A ■ D + B ■ 4 A ² + D ² — B ²

B ² — D ²

у где A = 2 ■( 0,5lK — xc —Дк )■ l ■ g ■ sin ад; D = 2 ■ l ■ g ■ (0,5lк ■ц — 0,5dj) ■ sin ад ;

< \ 2

B = ц g ( b — Д к )² + 0,25 1 к ²

I U i

■ cos а д + 2 1 ( 0,5 l к — X c — Д к ) ( R + 0,5 d j — 0,5 1 к Ц) I — I ;

у R J

- тяжелой частью слева (рис. 7, б) с учетом того, что £ = b — x_c , b = 0,5 1 _к , a = l — b :

V = 900

— arcctan

A ■ D — B ■ ^A ² + D ² — B ² D ² — B ²

где A = 2 ■ ( b — x_c ) ■ l ■ g ■ sin а_д ; D = 2 ■ l ■ g ■ (0,5 l _к 41 + 0,5 d j ) ■ sin а_д ;

Г \ 2

B = ц g ( l — 0,5 l _к)² + 0,25 1 2

I U i

■ cos а д + 2 1 ( 0,5 l к — X c ) ( R + 0,5 d j + 0,5 1 к Ц) I    I ,

У R J где R – радиус вращающегося диска усовершенствованного БЗУ в зоне расположения тангенциальных карманов, м; µ – коэффициент трения между заготовками и поверхностями вращающегося диска; υ – окружная скорость захватывающих органов, м/с.

а

б

Рис. 7. Расчетные схемы для определения угла ψ для сложных стержневых ступенчатых заготовок в зависимости от их расположения в кармане: центр масс справа (а) и слева (б)

Таким образом, полученные из условий обеспечения процесса переориентирования заготовок на ножевой опоре в зависимости от ее расположения в тангенциальном кармане после захвата выражения используем для определения граничного расположения ступеньки буртика относительно вертикальной оси, характеризуемого углом ψ .

В качестве примера на рис. 8 представлены графики, позволяющие оценить граничное значение угла ψ в зависимости от расположения стержневой ступенчатой заготовки в тангенциальном кармане усовершенствованного универсального БЗУ для заготовок с параметрами d i = 0,01м, l = 0,03м, ц = 0,5, L = 0,03 3м, x = 0,0075м.

• 1    к c

Графики (1) и (2) иллюстрируют величину угла ψ в зависимости от окружной скорости карманов и расположения заготовки.

Рис. 8. Графики для определения граничного значения угла у (град.)

при расположении заготовки в тангенциальном кармане тяжелой частью справа (1) и слева (2)

В зависимости от диапазонов рабочих окружных скоростей органов захвата необходимо выбирать такой фактический угол расположения ступеньки буртика, чтобы было соблюдено условие У ф < y _m , _n . Например, если БЗУ работает на рабочих окружных скоростях от 0,1 до 0,3 м/с, то на данном значении окружной скорости по графикам на рис. 8 получаем, что у = 18 ° , а у = 25 . Согласно условию ступенька буртика должна располагаться не более чем на угле У ф = 18 ° - угол, при котором начинается переориентирование заготовок на опоре.

Разработанные ограничения на параметры усовершенствованного универсального БЗУ с наклонным диском и тангенциальными карманами позволяют определить диапазоны его параметров, при которых оно будет надежно и стабильно функционировать.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Усовершенствованное универсальное БЗУ с наклонным диском и тангенциальными карманами для стержневых ступенчатых заготовок различных типов будет стабильно функционировать, обеспечивая максимальную вероятность захвата заготовок и высокую производительность при разработанных конструктивных ограничения на органы захвата и ориентирования. При соблюдении полученных граничных условий будет отсутствовать возможность западания в тангенциальный карман нескольких заготовок как боковой поверхностью по длине кармана, так и в положении стоя, то есть одним из диаметров оснований. Представленные графики зависимостей значений начального угла, при котором начинается переориентирование, в зависимости от окружной скорости карманов для одного из типоразмеров заготовок, соответствующего расположению ступеньки буртика, позволят обеспечить требуемое ориентированное положение заготовок на выходе из устройства.