CC BY
74
УДК 658.562:621.9
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РОТОРНЫХ ОРИЕНТИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ С ГРАВИТАЦИОННЫМИ ОРИЕНТАТОРАМИ
А.Г. Астраханцев, И.Н. Пахомов, В.В. Прейс
Рассматриваются теоретические основы проектирования роторных ориентирующих устройств с гравитационными ориентаторами, которые используются в структуре роторных систем автоматической загрузки роторных и роторноконвейерных линий для изготовления элементов и сборки многоэлементных изделий массовых производств.
Ключевые слова: проектирование, ориентирующее устройство, система автоматической загрузки, роторная линия, роторно-конвейерная линия.
Технологические системы на основе автоматических роторных и роторно-конвейерных линий (АРЛ/АРКЛ) являются эффективным средством автоматизации массовых производств, таких как, изготовление элементов и сборка строительно-монтажных патронов, элементов втулочнороликовых цепей, изделий сельскохозяйственной техники, инъекционных игл однократного применения и др. подобных изделий [1-3].
Надежность функционирования систем автоматической загрузки (САЗ) штучных элементов (деталей), которые должны обеспечивать подачу элементов на рабочие позиции технологических роторов в строго заданном ориентированном положении и с заданной производительностью, во многом определяет надежность самих технологических систем. При автоматизации процессов сборки многоэлементных изделий это требование многократно возрастает, поскольку в структуре технологической системы имеется несколько параллельно работающих САЗ (по числу собираемых элементов) [4].
Для автоматической загрузки штучных деталей и собираемых изделий в технологические системы на основе АРЛ/АРКЛ с производительностью до 300-400 шт./мин возможно применение стационарных САЗ. При более высокой производительности технологических систем необходимо применять многопозиционные роторные САЗ, которые построены по принципу технологических роторных машин [5 - 8].
На стадии проектирования надежность роторной САЗ обеспечивается рациональным выбором её расчетных технических параметров с учетом функциональных и параметрических отказов, а также выбором эффективной стратегии обслуживания, обеспечивающей требуемую надежность системы при эксплуатации. Эффективным направлением повышения надежности роторных САЗ является создание резервированных систем методами замещения с ненагруженным или нагруженным резервом [9 - 11].
На рис. l представлена типовая схема роторной САЗ однороторной компоновки с гравитационными ориентаторами для загрузки осесимметричных деталей формы тел вращения с продольной асимметрией по торцам.
ІГчУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУ^УУУ^
SSSSSSSSH
а
б
Рис. 1. Типовая схема роторной САЗ однороторной компоновки: а - продольный разрез; б - вид сверху
Роторная САЗ состоит из бункерного загрузочного устройства (БЗУ) с вращающимися воронками 1 (рис. 1, а), расположенными равно-
мерно по окружности БЗУ c шагом h на диаметре D0 = 2R0 (рис. 1, б). Воронки осуществляют поштучный захват деталей 2, находящихся в бункере БЗУ и передачу их в трубчатые накопители 3 с механизмами поштучной выдачи 4. Ниже установлены ориентирующие устройства (ОУ) 5 и шиберные питатели 6. Все элементы функциональных устройств роторной САЗ смонтированы на транспортно-несущем устройстве 8.
При вращении роторной САЗ детали, загруженные в бункер БЗУ, попадают с конического дна в приемные части вращающихся воронок. Детали, захваченные вращающимися воронками, поступают в накопители, откуда механизмами поштучной выдачи передаются в ориентирующие устройства. После ориентирования детали поступают к шиберным питателям, осуществляющим их выдачу из роторной САЗ во вращающийся транспортный ротор 6 линии (см. рис. 1, а).
Авторами обосновано, что в структуре роторных САЗ эффективно применение ОУ с гравитационными ориентаторами. Гравитационные ори-ентаторы могут обеспечить высокую производительность роторной САЗ, они просты по конструкции и кинематике, обладают широкой универсальностью и возможностью переналадки [12].
Широко известны гравитационные ориентаторы с центральной неподвижной опорой, которые надежно ориентируют детали с ярко выраженной асимметрией внешней формы или продольной асимметрией центра масс с отношением габаритных размеров 2 £ l/d £ 6 [13].
В результате анализа известных конструкций гравитационных ори-ентаторов авторами разработаны оригинальные ориентаторы с маятниковыми L-образными захватами, в которых траектории движения ориентируемых деталей на входе и выходе ориентаторов совпадают, являются прямолинейными и вертикальными, что обеспечивает рациональную компоновку подобных ориентаторов в роторной САЗ.
Разработанные ориентатры позволяют ориентировать равноразмерные и близкие к ним осесимметричные детали формы тел вращения с отношением габаритных размеров 1,2 £ l/d < 2, не имеющих ярко выраженной асимметрии внешней формы или продольной асимметрии центра масс.
Для ориентирования деталей типа стаканов (колпачков) разработаны гравитационные ориентаторы с маятниковым L-образным захватом, расположенным в плоскости его качания [13, 14]. Ориентируемая деталь 2 (рис. 2) поступает в вертикальный входной канал 3, имеющий общую вертикальную стенку 1 с выходным каналом 8, в который деталь выдается после ориентации, т.е. входной и выходной каналы выполнены соосными. Между ними на оси 6 установлен маятниковый L-образный захват 7, выполненный в виде рычага с захватным крючком, взаимодействующим с торцами ориентируемых деталей типа колпачков и осуществляющим поворот колпачков, поступающих открытым торцом вперёд. В исходном по-
ложении маятниковый захват поджат к упору 4 возвратной пружиной 5 (рис. 2, а) или под действием груза, размещаемого на плече рычага, противоположном захватному крючку (рис. 2, б).
б
Рис. 2. Схема гравитационного ориентатора с маятниковым Ь-образным захватом для ориентирования
деталей типа колпачков
Если деталь поступает во входной канал дном вниз (рис. 2, а), то она своим глухим торцом ударяется о захватный крючок рычага 6 (положение I). Рычаг под действием силы тяжести и кинетической энергии детали начинает отклоняться на угол атах, освобождая детали проход по вертикальному каналу (положение II). Деталь поступает в выходной канал 8 (положение III), а маятниковый Ь-образный захват под действием пружины (см. рис. 2, а) или груза (рис. 2, б) возвращается в исходное положение.
Если деталь поступает во входной канал дном вверх (см. рис. 2, б), она захватывается крючком рычага (положение IV). Под действием силы тяжести и кинетической энергии детали рычаг начинает отклоняться, а захватный крючок рычага, зацепившись за внутреннюю стенку детали, начинает его поворот (положения V - VI). Затем деталь соскальзывает с крючка маятникового Ь - образного захвата (положение VII) и поступает в выходной канал (положение VIII) дном вниз, а Ь-образный захват под действием пружины или груза возвращается в исходное положение.
Для ориентирования сплошных деталей асимметричных по торцам разработан гравитационный ориентатор с маятниковым Ь-образным захватом, расположенным в перпендикулярно плоскости его качания [15]. В данном ориентаторе (рис. 3), также как и в предыдущем, траектории движения ориентируемых деталей 4 во входном канале 5 и выходном канале 1 ориентатора совпадают, являются прямолинейными и вертикальными. Вертикальный входной канал 5 имеет единую вертикальную стенку 2 с выходным каналом 1, в который выдается деталь после ориентации, при этом входной и выходной каналы ориентатора имеют общую геометрическую ось 6, т.е. выполнены соосными.
п
Д (і\ А-А
** ш і/кр !
а
Рис. 3. Схема гравитационного ориентатора с маятниковым Ь-образным захватом для ориентирования сплошных деталей асимметричных по торцам
Отличием от предыдущей конструкции является то, что захватный крючок 3 маятникового Ь-образного захвата 8, осуществляющий поворот детали 4, поступающей ассиметричным торцом вниз, расположен в одной плоскости с осью 11, на которой свободно установлен захват 8 и параллельно данной оси. Продольная ось маятникового Ь-образного захвата 8 в начальном положении расположена горизонтально. В исходном положении маятниковый захват 8 поджат к упору 7 под действием груза-
противовеса 9, размещенного на плече 10 рычага, противоположном захватному крючку 3, или под действием возвратной пружины, аналогично предыдущей конструкции ориентатора (см. рис. 2, а).
При поступлении детали 4 во входной канал асимметричным торцом вниз, т.е. в неориентированном положении, она захватывается крючком 3 L-образного захвата 8. Под действием силы тяжести и кинетической энергии детали захват начинает отклоняться, а деталь, зацепившись асимметричным торцом за крючок, начинает поворачиваться вместе с маятниковым захватом, скользя своим цилиндрическим торцом по вертикальной стенке ориентатора. Достигнув горизонтального положения, деталь, продолжая поворачиваться, соскальзывает с крючка L-образного захвата и поступает в приёмную воронку 12, а затем - в выходной канал 1 цилиндрическим торцом большего диаметра вниз, а L-образный захват под действием груза (или пружины) возвращается в исходное положение до упора 7.
Если деталь поступает во входной канал цилиндрическим торцом вниз, т.е. уже в ориентированном положении, то, также как и в предыдущей конструкции, она своим торцом ударяется о захватный крючок рычага, который под действием силы тяжести и кинетической энергии детали отклоняется, освобождая детали проход непосредственно в выходной канал ориентатора.
Особенность построения математических моделей процесса ориентирования деталей в гравитационных ориентаторах роторных САЗ заключается в том, что наличие переносного вращательного движения ориента-тора с постоянной угловой скоростью ю [рад/с] вокруг вертикальной
неподвижной оси OOi роторной САЗ (см. рис. 2, б) приводит к появлению
2
центробежной силы инерции в переносном движении ^ц.б. = т2Ю Ro, вы-
2
зывающей, в свою очередь, появление силы трения ^тр = ^Ш2Ю Ro, где m2 -масса детали, R0 - начальный радиус расположения ориентатора на рабочей позиции роторной САЗ (ОУ), ^ - коэффициент трения скольжения детали о направляющие поверхности ориентатора. Совокупность этих сил, действующих на деталь, оказывают существенное влияние на характер процесса и время ориентирования.
Для оценки влияния центробежной силы инерции, возникающей вследствие транспортного вращения роторной САЗ, использовали безразмерный динамический параметр Кга = w2Rq /g.
Процесс ориентирования детали в гравитационных ориентаторах рассматривали в виде нескольких последовательных этапов. Были получены кинематические зависимости [17, 18], определяющие положение детали и её центра масс в функции обобщенной координаты, которые являются основой для составления уравнений Лагранжа II-го рода и дифференциальных уравнений движения детали на этапах ориентирования, отличающихся числом степеней свободы в относительном движении системы «ры-
чаг-деталь», видом движения детали и уравнениями связей [19, 20].
В результате теоретических и экспериментальных исследований было выявлено и обосновано негативное влияние центробежной силы инерции, возникающей вследствие транспортного вращения роторной САЗ, на время ориентирования детали в гравитационных ориентаторах. Также было показано, что существенное влияние на время ориентирования оказывает коэффициент трения скольжения детали о направляющие поверхности ориентатора. В результате были определены граничные значения динамического параметра [ Kw ] для соответствующих значений коэффициента трения, при которых происходит торможение детали на третьем этапе движения (деталь не переходит в горизонтальное положение на захвате), в результате чего процесс ориентирования нарушается. Например, для коэффициента трения ^ = 0,4 торможение детали происходит при граничном значении динамического параметра [ K w ] = 1,2.
Для подтверждения адекватности и корректности разработанных математических моделей процесса ориентирования деталей в гравитационных ориентаторах с маятниковым L-образным захватом был проведен комплекс экспериментальных исследований на специально разработанных макетах ориентаторов и испытательном стенде, позволявшем моделировать работу ориентаторов в ОУ роторной САЗ.
Сопоставление результатов экспериментальных исследований с результатами компьютерного моделирования показало, что экспериментальные значения времени ориентирования хорошо согласуются с теоретическими значениями, полученными из разработанных математических моделей, поскольку относительное отклонение экспериментальных значений времени ориентирования от теоретических значений не превышало ±5.. .10 %, что существенно ниже коэффициента вариации экспериментального значения среднего времени ориентирования.
Цикловая производительность роторной САЗ (ОУ) [шт./мин], как технологической машины роторного типа, определяется выражениями
wRo = 30 wDo h h
Пц = 60^° = З0^-° = пр u, (l)
//1 1/1 L
где и - число рабочих позиций (см. рис. l, б); Пр - число оборотов в минуту роторной САЗ (ОУ).
Условие компоновки ОУ в роторной САЗ
ПОУи > Пц, (2)
где Поу = 60/Тц - производительность одной позиции роторного ОУ (одного гравитационного ориентатора), шт./мин; Тц - длительность цикла
ориентатора, включающего, помимо времени ориентирования детали, время срабатывания механизма поштучной выдачи и питателя (см. рис.1, а), с.
Тогда число ориентаторов роторного ОУ, обеспечивающих требуемую производительность и определяющих габариты роторной САЗ в поперечном сечении, в соответствии с выражениями (1) - (2) должно удовлетворять неравенству
u >WDoТц. (3)
2h ц
Таким образом, чем меньше длительность цикла ОУ, определяемая временем ориентирования детали, для расчетного значения угловой скорости роторной САЗ, тем меньше число рабочих позиций, а, следовательно, и габариты роторной САЗ.
Математические модели, разработанные авторами, позволяют на стадии проектирования рассчитать время ориентирования детали в гравитационных ориентаторах и выбрать число рабочих позиций роторного ОУ (3), обеспечивающее требуемую цикловую производительность роторной САЗ (1) и условие компоновки (2).
Математические модели, результаты компьютерного моделирования и экспериментальных исследований производительности роторных ОУ с гравитационными ориентаторами были положены в основу инженерных методик параметрического синтеза ориентаторов и роторных ОУ для роторных САЗ, реализованных в виде компьютерных программ [21, 22].
В результате комплекса проведенных исследований были созданы теоретические основы проектирования роторных ОУ с гравитационными ориентаторами для разнообразных осесимметричных деталей формы тел вращения с отношением габаритных размеров от 1,2 до 2, обеспечившие практическую разработку роторных САЗ заданной производительности.
Список литературы
1. Крюков В. А., Прейс В.В. Комплексная автоматизация производства на базе роторных и роторно-конвейерных линий // Вестник машиностроения. 2002. № 11. С. 35-39.
2. Цфасман В.Ю., Савельев Н.И., Прейс В.В. Роторные и роторноконвейерные линии в производствах массовых деталей сельскохозяйственного и автотракторного машиностроения // Вестник машиностроения. 2003. № 9. С. 40-43.
3. Быстров В. А., Прейс В.В., Фролович Е.Н. Роторные технологии, машины и линии на современном этапе промышленного развития // Вестник машиностроения. 2003. № 10. С. 43-47.
4. Прейс В.В. Надежность автоматических роторно-конвейерных линий для сборки многоэлементных изделий // Сборка в машиностроении, приборостроении. № 10. 2003. С. 17-22.
5. Прейс В.В. Автоматизация загрузки дискретных деталей в ротор-
ные и роторно-конвейерные линии // ^знечно-штамп. пр-во.1987. № 1. C. 12-15.
6. Прейс В.В. Системы автоматической загрузки штучных предметов обработки в роторные и роторно-конвейерные линии // Вестник машиностроения. 2002. № 12. С. 1б-19.
7. Прейс В.В. Роторные системы автоматической загрузки штучных предметов обработки // Автоматизация и современные технологии. 2002. № 9. С. 3-S.
S. Галонска М.К, Прейс В.В. Модели, варианты и принципы синтеза структур роторных систем автоматической загрузки // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 12. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С. 30-40.
9. Прейс В.В. Резервирование систем автоматической загрузки роторных и роторно-конвейерных линий // ^знечно-штамп. пр-во. 1990. № б. C. 1S-21.
10. Прейс В.В. Модели и оценка надежности роторных систем автоматической загрузки с функциональными отказами // Автоматизация и современные технологии. 2002. № 10. С. 3-S.
11. Прейс В.В. Модели и оценка надежности роторных систем автоматической загрузки с параметрическими отказами // Автоматизация и современные технологии. 2003. № 1. С. 9-15.
12. Астраханцев А.Г., Прейс В.В. Применение гравитационных ориентирующих механизмов в роторных системах автоматической загрузки // Автоматизация и современные технологии, 200S. Вып. 4. С. 17-22.
13. Прейс В.В., Филиппова КС. Моделирование процесса ориентирования предметов обработки в радиальном гравитационном ориентаторе с центральной опорой / Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. Вып. 2. Ч.1. С. 49-59.
14. Патент 572б2 РФ. МПХ7 В б5 G 47/24. Устройство для ориентации изделий типа стаканов / А.Г. Астраханцев, В.В. Прейс. Опубл. 10.10.200б г. Бюл. № 2S.
15. Патент б2095 РФ. МПХ7 В б5 G 47/24. Устройство для ориентации равноразмерных изделий типа стаканов / А.Г. Астраханцев, В.В. Прейс. Опубл. 27.03.2007 г. Бюл. № 9.
16. Патент 107139 РФ. МПKS B б5 G 47/24. Устройство для ориентации сплошных изделий с асимметричными торцами / И.Н. Пахомов,
В.В. Прейс. Опубл. 10.0S.2011. Бюл. № 22.
17. Астраханцев А.Г., Прейс В.В. ^нематика процесса ориентирования предмета обработки в гравитационном ориентаторе с L-образным захватом // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. Вып. 3. 2007. С. б1-бб.
1S. Пахомов И.Н., Прейс В.В. ^нематика движения
асимметричного по торцам предмета обработки в гравитационном ориентаторе с маятниковым L-образным захватом // Известия ТулГУ.
Технические науки. Вып. 10. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С. 31-40.
19. Астраханцев А.Г., Давыдова Е.В., Прейс В.В. Динамика процесса ориентирования предмета обработки в гравитационном ориентаторе с L-образным захватом // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. Вып. 1. 2009. С. 3-13.
20. Пахомов И.Н., Прейс В.В. Математическая модель процесса ориентирования асимметричного по торцам предмета обработки в гравитационном ориентаторе с маятниковым /-образным захватом // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 12. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012.
С. 4б-59.
21. Астраханцев А.Г., Прейс В.В. Методика параметрического синтеза гравитационных ориентаторов с L-образным захватом для равноразмерных колпачков // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып.
12. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С. 41-45.
22. Пахомов И.Н., Прейс В.В. Методика параметрического синтеза роторной системы автоматической загрузки с гравитационными ориента-торами // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. б: в 2-х ч. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. Ч.1 С. 1S2-191.
Астраханцев Александр Геннадьевич, канд. техн. наук, управляющий, Россия, Тула, ООО «Мед»
Пахомов Иван Николаевич, канд. техн. наук, инженер Центра компьютерных технологий, mazi/o2008@ramh/er.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Прейс Владимир Викторович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, pre vs ak/ax.^u/a.ru. Россия, Тула, Тульский государственный университет
FUNDAMENTAL THEORY OF PROJECTION OF ROTOR ORIENTING DEVICES WITH GRAVITATIONAL ORIENTATION DEVICES
A.G. Astrahantsev, I.N. Pahomov, V.V. Preis
Fundamenta/ theory ofprojection of rotor orienting devices with gravitationa/ orientation devices which one use in frame of rotor automatic feeding systems of rotor and rotary-conveyor /ines for manufacture of units and assemh/age of mu/tip/e-unit products of quantity productions are considered.
Key words: the projection orienting the device, an automatic feeding system, a rotor /ine, a rotary-conveyor /ine.
Astrahantsev A/eksandr Gennadievich, Cand. Tech. Sci., manager, Russia, Tu/a, Limited Company «Honey»
Pahomov Ivan Niko/aevich, Cand. Tech. Sci., the engineer of the Center of computer techno/ogies, mazilo2()()8 a.ramhler.ru. Russia, Tu/a, the Tu/a State University
Preis V/adimir Viktorovich, Dr. Sci. Tech., the prof., the chief of the cathedra,, preys^^^^^.™, Russia, Tu/a, the Tu/a State University
Получено 15.07.2013 г.
