Результаты сравнительного анализа вероятности захвата асимметричных заготовок и производительности бункерных загрузочных устройств при различных способах захвата и ориентирования

Расширение номенклатуры изготавливаемых изделий и заготовок для их производства, увеличение числа их типоразмеров, изменение формы, появление новых технологий производства изделий, позволяющих существенно сократить затраты на некоторых этапах производственного процесса, обуславливает необходимость обеспечения автоматической загрузки таких изделий в технологическое оборудование посредством автоматизированных систем. Разнообразие систем автоматической загрузки обуславливается размерами, формой и другими свойствами штучных заготовок (изделий), которые, в конечном счете, определяют вид и тип устройств, выполняющих данные функции. Системы автоматической загрузки представляют собой техническое средство для автоматической регламентированной подачи штучных заготовок в технологические машины и оборудование автоматических линий в заданном ориентированном положении и с требуемой производительностью [1].

На различных технологических этапах массового производства асимметричных заготовок для непрерывной поштучной их подачи к рабочим органам технологических машин в ориентированном виде в структуре систем автоматической загрузки используют механические дисковые карманчико-вые бункерные загрузочные устройства (БЗУ), которые показали свою эффективность при автоматизации процессов загрузки широкой номенклатуры асимметричных заготовок типа тел вращения [2, 3]. Такие БЗУ используют для штучных небольших по массе заготовок, таких как, укупорочные элементы, строительные, монтажные и другие виды патронов, их составляющие, а также заготовки различных видов массовых производств. В основе их работы лежит вероятностный принцип захвата одной заготовки из общей массы, ее ориентирование и выдачу в ориентированном положении [4].

Большинство современных высокопроизводительных автоматических машин и линий имеют возможность переналадки для производства новых видов изделий или изделий, отличающихся геометрическими параметрами на до 30%. Однако, для каждого из них требуется или разработка новых захватывающих и ориентирующих органов БЗУ, или полностью нового устройства с определенны ми параметрами органов захвата и ориентиров ания в зависимости от размеров изделий. Поми мо Бахно Александр Львович, кандидат технических наук, первый заместитель генерального директора.

этого распространенные конструкции БЗУ для изделий с неявной асимметрией используют пассивный способ ориентирования, который не позволяет получить потенциально большую производительность. Проектирование такого количества БЗУ требует существенных капиталовложений [5]. Поэтому целесообразными становятся разработка и внедрение в производства универсальных БЗУ с активным способом ориентирования, параметры которых, путем регулировки, могут подстраиваться под необходимые параметры изделий в некоторых пределах [6].

В БЗУ реализованы следующие способы захвата стержневых асимметричных заготовок: тангенциально расположенными карманами в положении лежа; радиально расположенными карманами или в положении лежа, или в положении стоя. Ориентирование в БЗУ осуществляется или пассивным, или активным способом. С целью повышения производительности и стабильности функционирования универсальных механических дисковых БЗУ для асимметричных заготовок необходимо проведение сравнительного анализа вероятности захвата асимметричных заготовок в БЗУ и производительности при различных способах захвата и ориентирования с целью обоснования целесообразности усовершенствования БЗУ.

ВЕРОЯТНОСТЬ ЗАХВАТА ЗАГОТОВОК В БУНКЕРНЫХ ЗАГРУЗОЧНЫХ УСТРОЙСТВАХ ПРИ ОПИСАНИИ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ

Вероятность захвата η заготовок в БЗУ, представляющая собой произведение вероятностей p _i , p _c , p _υ , характеризующих соответственно благоприятное положение заготовки для ее захвата, отсутствие помех от сцепляемости заготовок и окружной скорости карманов, зависит многих факторов [7].

Одним из таких факторов является расположение захватывающих органов (карманов), которое в механических дисковых БЗУ бывает радиальным или тангенциальным. Захват заготовок тангенциальными карманами более производителен, чем радиальными, так как заготовки при вращении диска стремятся расположиться по его периферии на стыке между диском с карманами и обечайкой бункера своей боковой цилиндрической поверхностью [8]. Способ расположения карманов по поверхности вращающегося диска БЗУ в математической модели вероятности захвата учитывается при описании вероятностей p _i и p _υ .

Вторым важнейшим фактором является способ ориентирования заготовок в БЗУ. Очевидно, что при активном ориентировании (переориентировании всех захваченных заготовок в требуемое положение) производительность БЗУ выше. Однако в некоторых БЗУ из-за сложной формы загружаемых заготовок (например, неявная асимметрия с неявно выраженными ключами ориентации) реализовать активное ориентирование невозможно. Так как при пассивном ориентировании производительность БЗУ ниже, то для повышения вероятности захвата и производительности в БЗУ разделяют функции захвата и ориентирования. В таких БЗУ захватывающий орган обеспечивает только захват заготовок, а их ориентирование – другой конструктивный элемент. При этом захватывающий орган перестает быть ориентирующим и поэтому не изготавливается профильным конфигурации внешней формы заготовки [9].

При оценке влияния способов захвата и ориентирования заготовок на производительность БЗУ важную роль играет форма заготовок, их геометрические параметры и соотношения габаритных размеров заготовок, а также коэффициент трения между заготовками и конструктивными элементами БЗУ.

Как показали ранее приведенные исследования, на вероятность p_i влияют геометрические параметры заготовок (наибольший d ₁ и наименьший d 2 диаметры торцов, общая длина l заготовки и длины l ₁ и l ₂ составных частей, координаты центра масс x_c , диаметр и длины внутренних полостей при их наличии); угол наклона α вращающегося диска с органами захвата к горизонту, коэффициенты трения µ между заготовками и конструктивными элементами БЗУ, размеры кармана: b_к (ширина) или l_к (длина) органа захвата, по которому осуществляется захват заготовок, и зазор Δ ; радиус R вращающегося диска БЗУ в зоне расположения органов захвата; зона захвата φ _з , которая определяется из условий статического равновесия в органе захвата заготовки с учетом всех действующих на нее сил и учитывает геометрические параметры заготовок, размеры органов захвата, а также угол α наклона диска к горизонту. Вероятность p i учитывает также количество положений, занимаемых заготовками на вращающемся диске, из которых возможно их приведение в требуемое положение, возможности поворота заготовки к органу захвата той из ее сторон, которой будет обеспечен захват в необходимом положении, и слои заготовок при ее захвате в различных зонах участка φ _з . На вероятность p _с влияют геометрические параметры заготовок, коэффициент трения между заготовками µ ₀ . Вероятность p _υ определяется геометрическими параметрами заготовок, окружной скоростью органов захвата υ , зазором Δ и размерами органов захвата и органов, участвующих в подготовке заготовок к захвату [10].

Влияние всех рассмотренных параметров заготовок и БЗУ, а также вероятностей P i , р с и p _о на производительность БЗУ требует теоретического исследования, поскольку в зависимости от способа захвата и ориентирования, а также значений всех описанных параметров вероятность захвата может изменяться как существенно, так и незначительно.

СРАВНЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ БУНКЕРНЫХ ЗАГРУЗОЧНЫХ УСТРОЙСТВАХ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБАХ ЗАХВАТА И ОРИЕНТИРОВАНИЯ

На основе ранее разработанной методологии [7] был проведен сравнительный анализ производительности БЗУ при различных способах захвата и ориентирования некоторых типов асимметричных заготовок.

Рассмотри на примере цилиндрической заготовки, один из торцов которой выполнен в форме усеченного конуса, как влияют параметры заготовок и БЗУ на производительность БЗУ с различными способами захвата и ориентирования. Для этого построим на основе разработанных математических моделей вероятности захвата и производительности в виде графических зависимостей производительности БЗУ от окружной скорости органов захвата при различных параметрах на основе результатов математического моделирования вероятности захвата заготовок и производительности БЗУ при тангенциальном [11] и радиальном [12, 13] расположении органов захвата.

На рис. 1 представлены сравнительные графики производительности БЗУ с захватом тангенциальными карманами при пассивном и активном ориентировании заготовок с различными соотношениями наибольшего и наименьшего диаметров торцов к общей длине заготовки. Углы наклона диска а = 30 ° (рис. 1, а, б) и а = 45 ° (рис. 1, в, г). Для удобства сравнения производительности БЗУ на рисунках был принят одинаковый масштаб по каждой из осей. Графики построены при зазоре Д = 1,1 d 1 .

Графики демонстрируют существенное увеличение максимальной производительности БЗУ (в 1,4 и более раз) для каждого из трех видов заготовок при их активном ориентировании по сравнению с пассивным. Чем длиннее заготовка, тем производительность БЗУ также больше.

Производительность также увеличивается при тангенциальном захвате и при увеличении угла наклона бункера. При а = 30 ° и пассивном ориентировании заготовок максимальная производительность БЗУ находятся в диапазоне от 235 до 325 шт./мин (см. рис. 1, а), а при активном – от 360 до 475 шт./мин (см. рис. 1, б). При а = 45 ° и пассивном ориентировании максимальная производительность БЗУ составляет от 315 до 415 шт./мин (см. рис. 1, в), а при активном – от 465 до 590 шт./ мин (см. рис. 1, г).

б

в

Рис. 1. Сравнительные графики производительности (шт./мин) от окружной скорости (м/с)

г

БЗУ с захватом тангенциальными карманами при пассивном (а, в) и активном (б, г) ориентировании заготовок при а = 30 ° (а, б) и а = 45 ° (в, г):

d ₁1 d ₂1 d 1 1 d 2 1 d ₁1 d ₂1

1 -  =—, — = — ; 2 -  =—, — = — ; 3 - — =—о — = — l3l4l2,5 l3,5 l2l3

На рис. 2 показаны графики зависимости производительности БЗУ с захватом тангенциальными карманами при активном ориентировании заготовок с различными соотношениями зазора по шагу А = 1,05 d i ; 1,1 d i ; 1,15 d i при а = 45 ° .

Рис. 2. Сравнительные графики производительности (шт./мин) от окружной скорости (м/с)

БЗУ с захватом тангенциальными карманами при активном ориентировании заготовок при А = 1,05d (а), А = 1,1 d (б) и А = 1,15d1 (в):

d 1 d 1 d ₁1 d ₂1 d ₁1 d ₂1

• 1    - — = —, — = — ; 2--=   , — =    ; 3--= , — =  .

• l 3 l 4 l 2,5 l 3,5 l 2 l 3

Графики наглядно демонстрирует об отсутствии надобности увеличивать зазор по шагу в БЗУ с тангенциальным захватом заготовок, так как при увеличении зазора по шагу производительность БЗУ снижается (см. рис. 2). Это объясняется сокращением числа карманов в БЗУ при увеличении их размеров и западанием заготовок в карманы при нахождении в благоприятном для захвата положении (при тангенциальном расположении органов захвата на стыке с обечайкой бункера).

На рис. 3 представлены сравнительные графики производительности БЗУ с захватом радиальными карманами при пассивном и активном ориентировании заготовок с различными соотношениями наибольшего и наименьшего диаметров торцов к общей длине заготовки. Угол наклона вращающегося диска а = 45 ° . Для удобства сравнения производительности БЗУ на рисунках был принят одинаковый масштаб по каждой из осей. Графики построены при зазорах А = 1,1 d (рис. 3, а, в) и А = 1,2 d 1 (рис. 3, б, г).

в                                                   г

Рис. 3. Сравнительные графики производительности (шт./мин) от окружной скорости (м/с)

БЗУ с захватом радиальными карманами при пассивном (а, в) и активном (б, г) ориентировании заготовок при Д = 1,1 d i (а, в) и Д = 1,2 d i (б, г):

d ₁1 d ₂1 d ₁1 d ₂1 d ₁1 d ₂1

• 1    —  = , — = — ; 2--=—, — = — ; 3 -  =—, — =  .

• l 3 l 4 l 2,5 l 3,5 l 2 l 3

Графики демонстрируют существенное увеличение максимальной производительности БЗУ (в 1,5 и более раз) для каждого из трех видов заготовок при их активном ориентировании по сравнению с пассивным. Длина заготовка не оказывает существенного влияния на производительность БЗУ при радиальном захвате.

Производительность увеличивается при радиальном захвате и при увеличении зазора по шагу. При Д = 1,1 d i и пассивном ориентировании заготовок максимальная производительность БЗУ находятся в диапазоне от 250 до 280 шт./мин (см. рис. 3, а), а при активном – от 400 до 440 шт./мин (см. рис. 3, б). При Д = 1,2 d 1 и пассивном ориентировании максимальная производительность БЗУ составляет от 320 до 340 шт./мин (см. рис. 1, в), а при активном – от 460 до 475 шт./мин (см. рис. 3, г).

При радиальном захвате заготовок целесообразно увеличение зазора по шагу, так как производительность БЗУ при увеличении зазора возрастает в 1,1…1,3 раза.

Сравнение графиков, приведенных на рис. 1,2 с графиками рис. 3 показывает, что при радиальном захвате заготовок с торцом в форме усеченного конуса максимальная производительность БЗУ, например при а = 45 ° и Д = 1,1 d 1, в 1,2...1,5 раз больше при пассивном и в 1,1...1,3 раз больше при активном ориентировании заготовок по сравнению с БЗУ с радиальным захватом заготовок. Это объясняется преимущественным положением заготовок при их тангенциальном захвате.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты сравнения производительности БЗУ при тангенциальном и радиальном захвате асимметричных заготовок с торцом в форме усеченного конуса показали на целесообразность реализации в конструкциях БЗУ активных принципов ориентирования заготовок. Так как в бункере стержневые заготовки стремятся расположиться своей боковой поверхностью по периферии вращающегося диска в области обечайки при его вращении, то в БЗУ наиболее целесообразно реализовывать тангенциальный захват стержневых асимметричных заготовок, если есть возможность выбора. Выводы и рекомендации, полученные в результате проведенных теоретических исследований производительности необходимо использовать при разработке конструкций БЗУ с тангенциальным и радиальным захватом асимметричных заготовок формы тел вращения.