CC BY
5
УДК 621.9.06-52
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-7-145-146
ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДИСКОВЫХ БУНКЕРНЫХ ЗАГРУЗОЧНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ АСИММЕТРИЧНЫХ ПРЕДМЕТОВ ОБРАБОТКИ ФОРМЫ ТЕЛ ВРАЩЕНИЯ
С.А. Васин, Е.В. Пантюхина
В статье рассмотрены этапы проектирования механических дисковых бункерных загрузочных устройств для асимметричных предметов обработки формы тел вращения, основанные на результатах экспериментальных и теоретических исследований. Описаны основные задачи на каждом этапе проектирования и пути их решения, обеспечивающие разработку надежной и производительной конструкции бункерного загрузочного устройства для широкой номенклатуры асимметричных предметов обработки.
Ключевые слова: проектирование бункерных загрузочных устройств, предметы обработки формы тел вращения с асимметрией, ориентирование предметов обработки, автоматическая загрузка, математическое моделирование производительности.
В различных отраслях промышленности механические дисковые бункерные загрузочные устройства (БЗУ) нашли широкое применение для автоматической загрузки небольших по размерам штучных предметов обработки (деталей, заготовок, элементов и т.п.) в автоматическое оборудование, в том числе для сборки изделий. БЗУ выполняет три основных функции: захват единичной детали из общей массы, ее ориентирование и выдачу в ориентируемом положении по направлению к рабочим органам сборочного или других видов оборудования. При автоматизированной сборке многоэлементных изделий, когда требуется одновременная загрузка нескольких деталей двумя и более параллельно работающими БЗУ, проектирование оптимальных по всем параметрам БЗУ во многом определяет надежность и стабильность работы всей сборочной линии, и обеспечение ее требуемой производительности [1, 2].
Проектирование БЗУ представляет собой многоуровневую задачу, сложность которой обусловлена следующими причинами.
Во-первых, каждое БЗУ может функционировать только для деталей одного типа с конкретными геометрическими параметрами. Поэтому изменение одного из размеров детали даже более чем на 5-10 % не позволит использовать уже имеющееся БЗУ для их автоматической загрузки [3]. Это потребует конструктивных изменений в рабочие органы БЗУ и принятия новых технических решений с разработкой конструктивных ограничений на параметры захватывающих и ориентирующих органов БЗУ [4, 5].
Во-вторых, при захвате единичной детали из общей массы в БЗУ реализован вероятностный принцип работы. Это делает невозможным расчет производительности БЗУ по классическим формулам и не позволяет без создания опытного образца достоверно оценить возможности БЗУ на ранних этапах его проектирования. Поэтому для определения фактической производительности БЗУ необходим подход, который позволит корректно учитывать вероятностный принцип работы БЗУ и с высокой точностью спрогнозировать фактическую производительность БЗУ на ранних этапах проектирования, сократив тем самым расходы на разработку опытных образцов.
В-третьих, при проектировании БЗУ для асимметричных деталей необходимо, чтобы процесс пассивного ориентирования, заключающийся в полном удалении из захватывающих органов БЗУ деталей, частично запавших в них в неправильном положении, был полностью реализован в течение определенного времени. Поэтому возникает необходимость определения зоны пассивного ориентирования деталей, времени выпадения такой детали из захватывающего органа БЗУ и сопоставления полученных значений со временем, в течение которого вращающийся диск проходит эту зону [6 - 9].
На рис. 1 представлены основные этапы проектирования механических дисковых БЗУ, основанные на результатах теоретических и экспериментальных исследований.
На первом этапе проектирования БЗУ прорабатывается конструкция захватывающих и ориентирующих органов БЗУ и определяются их геометрические размеры, при которых должна быть обеспечена высокая вероятность захвата и надежное ориентирование предметов обработки [10].
В таблице приведены конструктивные ограничения на параметры захватывающих и ориентирующего органов усовершенствованных БЗУ [11]: БЗУ с радиальными прямоугольными карманами, кольцевым ориентатором и гребенкой и следующих его параметров: ширина Ьк кармана, длина /к кармана, угол ак при вершине кольцевого
ориентатора, размер паза п кольцевого ориентатора, шаг Ъ\ гребенки; БЗУ с зубьями и кольцевым ориентатором:
высота йк кармана, высота Ид диска, высота йп кольцевого паза; БЗУ с тангенциальными карманами и гребенкой:
длина 1к кармана, высота а^ гребенки, шаг р гребенки; БЗУ с вертикальным диском и профильными роликами:
высота И^ = И конической и высота Ир цилиндрической части ролика [5].
В таблице Д = Д^ . а ■ /, а = й\//, С = й2// , V = йп/(/ - /^) и / = Ц/ - заменяющие коэффициенты, в которых /, /1, й2, Р, И - полная длина, длина асимметричного торца, диаметры наибольшего и наименьшего торцов предмета обработки, угол при вершине асимметричного торца (с наименьшим диаметром), высота асимметричного торца предмета обработки соответственно; ад - угол наклона вращающегося диска.
После определения размеров захватывающих органов из указанных диапазонов их значений необходимо определить их шаг ^ и количество к соответственно по формулам:
■ для БЗУ с радиально расположенными захватывающими органами, включая вертикальные БЗУ:
2я- Я .
I = 5 + + А; к = .
5 + ^ + А
для БЗУ с радиально расположенными захватывающими органами, включая вертикальные БЗУ:
I = 5 +! + А1; к = -
где Я - радиус расположения захватывающих органов БЗУ.
2%- Я
5 +! + А1
Рис. 1. Этапы проектирования дисковых бункерных загрузочных устройств для асимметричных деталей формы тел вращения
Конструктивные ограничения на параметры захватывающих _и ориентирующих органов усовершенствованных БЗУ_
Обозначение параметров и предельные выражения для их вычисления
БЗУ с радиальными прямоугольными карманами, _кольцевым ориентатором и гребенкой_
а ■ !
а ■ ! + А
/ ■ I
! - а ■ ! sin р
ак
(
2arccos
^(1 + 0,25 А!2
(
2arcsin
а - с
4{а - с)2 + 4(1 - /)2
(
а ■!■cos
а-с
arcsin
4{а - с)2 + 4(1 - /)2
а ■ !
Ь
а!
7
(
а д + штат
а - с
л/(а - с)2 + 4(1 - /)2
+
+ / ■! - Ь ■!
/ ■!
БЗУ с зубьями и кольцевым ориентатором
К
! - хс - 0,5й1С£аг
хс - 0,5й?1^ад + Ип
Ип
0,25 ■! ■ (1 - /)
! ■ (1 - /)
! ■ [1 - Ь - 0,5 ■ а ■ ^ад - V ■ (1 - /)]
! ■ [Ь - 0,5 ■ а ■ ^ад]
Ь
к
!
к
1
п
И
д
Окончание таблицы
БЗУ с тангенциальными карманами и гребенкой
1к / • 1 / • / + Д
а 0,5/(а - с) 0,5 • а • /
р хс 0,5 • /
С вертикальным диском и профильными роликами
/ • / / - 0,5Д • гап р
На следующем этапе разрабатывается математическая модель производительности БЗУ, в процессе построения которой решаются следующие задачи: определяются вероятности нахождения предмета обработки на пути в карман в благоприятном положении и вероятности того, что захвату не помешает взаимосцепляемость предметов обработки, а также предельная окружная скорость захватывающих органов по захвату. Методология комплексного подхода для построения математических моделей производительности механических дисковых БЗУ изложена в работах [12, 13].
На рис. 2 в качестве примера представлены трехмерные графики зависимостей вероятности захвата и производительности БЗУ с радиальными прямоугольными карманами, кольцевым ориентатором и гребенкой от окружной скорости захватывающих органов и коэффициентов трения при различных значениях коэффициента Дц
для полых предметов обработки с торцом в виде усеченного конуса. Это позволяет оценить, от каких параметров зависит производительность БЗУ и насколько существенно это влияние. Например, сравнение производительности БЗУ при значениях коэффициента трения 0,2 и 0,5 показало, при Дц = 1,1 производительность БЗУ снизилась на
74,6 %, при Д1 = 1,15 - на 64 % и при Д1 = 1,2 - на 56,3 %.
Разработанные математические модели производительности позволят оценить максимальные возможности БЗУ и выбрать его оптимальные конструктивные и кинематические параметры.
Рис. 2. Визуализация зависимостей вероятности захвата (а) и производительности (б) БЗУ от окружной с корости захватывающих органов и коэффициентов трения при различных значениях Дц
В некоторых конструкциях БЗУ, в которых время переориентирования предметов обработки или их пассивного ориентирования ограничено конструктивными особенностями БЗУ. В связи с этим необходимо, чтобы выбранное значение окружной скорости захватывающих органов не превышало значение скорости, определяемое условиями ориентирования предметов обработки. В частности, в БЗУ с радиальными прямоугольными карманами, кольцевым ориентатором и гребенкой возникает необходимость на третьем этапе проектирования разрабатывать математические модели процесса пассивного ориентирования, что позволит обеспечить надежность их функционирования [6 - 9].
Построение таких моделей состоит из нескольких этапов. Задача по определению начальных условий данного процесса решается с помощью уравнений статического равновесия детали в захватывающем органе БЗУ. Это позволяет определить сначала угол, при котором начинается движение детали, а затем - всю зону, на протяжении которой возможно ее полное удаление из кармана. Полученные значения указанных параметров являются начальными условиями для решения следующих задач: определение общего времени полного удаления детали из кармана и радиального паза вращающегося диска с помощью уравнений Лагранжа П-го рода и времени, в течение которого диск проходит зону пассивного ориентирования. Сравнение значений длительности движения детали и диска позволит получить граничные значения его кинематических параметров, при которых возможно надежное ориентирование деталей.
С целью автоматизации процессов расчета основных параметров БЗУ и сокращения затрачиваемого времени необходима разработка компьютерных программ, позволяющих в автоматическом режиме рассчитать опти-
мальные конструктивные и кинематические параметры БЗУ для широкой номенклатуры предметов обработки [14, 15, 16].
При проектировании БЗУ выполняю также расчет накопительно-передающего устройства, с целью обеспечения непрерывной подачи предметов обработки в специальные устройства автоматизированного оборудования, расчет мощности привода и выбор предоxрaнительныx устройств [17].
Таким образом, представленная методика, базирующаяся на результaтax теоретическиx и экспериментальный исследований, позволяет спроектировать БЗУ, которое позволит обеспечить требуемую производительность и высокую надежность при автоматической загрузке предметов обработки формы тел вращения в автоматизированное оборудование, в том числе для сборки многоэлементн^гк изделий.
Список литературы
1. Давыдова Е.В., Прейс В.В. Развитие теории производительности меxaническиx дисковы« бункерньк загрузочный устройств // Производительность и надежность теxнологическиx систем в машиностроении: материалы конференции, посвященной 85-летию со дня рождения заслуженного работника высшей школы Российской Федерации, д-ра теxн. наук, проф. Волчкевича Л.И.; под науч. ред. д-ра теxн. наук, профессора В.В. Прейса и д-ра теxн. наук И.Л. Волчкевича. 2015. С. 88-92.
2. Пантк«ина Е.В., Дьякова Э.В. Этапы проектирования надежной конструкции бункерного загрузочного устройства для близка к равноразмерным деталей с асимметрией торцов // Автоматизация: проблемы, идеи, решения: сборник науч. тр. Национальной нaучно-теxнической конференции с международным участием "АПИР-27". Тула, 2022. С. 139-144.
3. Пантк«ина Е.В. Проблемы автоматической загрузки деталей формы тел вращения с неявной асимметрией традиционными загрузочными устройствами // Современные теxнологии в науке и образовании - СТН0-2021. Сборник трудов IV Международного нaучно-теxнического форума: в 10 т. Рязань. 2021. С. 95-101.
4. Васин С.А., Пaнтюxинa Е.В. Основные направления проектирования меxaническиx дисковый бункер-нык загрузочный устройств для асимметричны« деталей формы тел вращения // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. 2023. № 1. С. 8-15.
5. Васин С.А., Пантк«ина Е.В. Разработка конструктивны« ограничений на параметры усовершенствованны« дисковы« бункерный загрузочный устройств для деталей с неявной асимметрией// Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. 2023. № 2. С. 146-154.
6. Васин С.А., Пантк«ина Е.В. Обеспечение надежности при автоматизации процессов загрузки штучный деталей формы тел вращения с неявной асимметрией в автоматическое оборудование // Вестник Тульского государственного университета. Проблемы и перспективы развития автоматизации теxнологическиx процессов: сб. научны« трудов Всероссийской нaучно-теxнической конференции с международным участием, посвященной 90-летию со дня рождения лауреата Государственной премии СССР, д.т.н., проф. Дмитриева Л.Б., 23 июня 2023 года. Тула, 2023. С. 203-207.
7. Pantyukhina E.V., Preis V.V., Pantyukhin O.V. Passive orientation of the parts in the mechanical disk hopper feeding device with an annular orientator and radial grooves // Journal of Physics: Conference Series. 14. Сер. "XIV International Scientific and Technical Conference "Applied Mechanics and Systems Dynamics", AMSD 2020" 2021. С. 012105.
8. Пантк«ина Е.В., Прейс В.В., Пантк«ин О.В. Пассивное ориентирование деталей в меxaническом дисковом бункерном загрузочном устройстве с кольцевым ориентатором и радиальными пазами // Динамика систем, меxaнизмов и машин. 2020. Т. 8. № 2. С. 73-83.
9. Пантк«ина Е.В., Прейс В.В., Хачатурян А.В. Динамика процесса пассивного ориентирования деталей в меxaническом зубчатом бункерном загрузочном устройстве // Известия Тульского государственного университета. Теxнические науки. 2019. № 3. С. 394-401.
10. Дьякова Э.В., Пaнтюxинa Е.В. Проектирование систем автоматической загрузки деталей формы тел вращения с асимметрией по торцам // Автоматизация и энергосбережение в машиностроении, энергетике и на транспорте: материалы XVI Международной нaучно-теxнической конференции. Вологда, 2022. С. 31-38.
11. Пантк«ина Е.В., Прейс В.В. Меxaнические бункерные загрузочные устройства для элементов патронов стрелкового оружия с неявной асимметрией // Инновационные теxнологии и теxнические средства специального назначения: труды двенадцатой общероссийской научно-практической конференции: в 3 т. Т. 2. Санкт-Петербург, 2020. С.79-85.
12. Pantyukhina E.V. Integrated approach methodology for evaluating the feed rate of mechanical disk hopperfeeding devices // IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 1546 (2020) 012024. DOI: 10.1088/17426596/1546/1/012024.
13. Пантк«ина Е.В. Методология комплексного подаода для оценки производительности меxaническиx дисковык бункерный загрузочный устройств // Материалы IV Международной нaучно-теxнической конференции в г. Омск; науч. ред. П.Д. Балакин. 2020. С. 380-388.
14. Пантк«ина Е.В. Разработка программного обеспечения для расчета фактической производительности бункерный загрузочным устройств для деталей с неявно выраженной асимметрией торцов // Известия Тульского государственного университета. Теxmические науки. 2020. № 9. С. 433-441.
15. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RU 2021662863. Программа расчёта производительности тангенциального бункерного загрузочного устройства с гребенкой для полы« и сплошны« деталей формы тел вращения с коническим торцом / Е.В. Пантк«ина, И.В. Пузиков. № 2021661982; заяв. 29.07.2021; опубл. 06.08.2021.
16. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RU 2022664919. Программа параметрического синтеза и расчета производительности бункерного загрузочного устройства с роликами для полимерны« треxсостaв-нык колпачков / Е.В. Пaнтюxинa, И.В. Пузиков. № 2022664513;заяв. от 02.08.2022; опубл. 08.08.2022.
17. Давыдова Е.В., Прейс В.В. Теоретические основы проектирования механических дисковых бункерных загрузочных устройств // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2013. № 7-1. С. 10-20.
Васин Сергей Александрович, д-р техн. наук, профессор, vasin_sa53@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Пантюхина Елена Викторовна, канд. техн. наук, доцент, e.v.pant@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет.
DESIGN STEPS FOR DISK HOPPER FEEDERS FOR ASYMMETRIC OBJECTS OF ROTATION BODY SHAPE PROCESSING
S.A. Vasin, E.V. Pantyukhina
The article considers the stages of designing mechanical disk hopper feeding devices for asymmetric objects of processing the shape of rotation bodies, based on the results of experimental and theoretical studies. The main tasks at each design stage and ways to solve them are described, which ensure the development of a reliable and productive design of a bunker feeding device for a wide range of asymmetric processing items.
Key words: design of hopper feeding devices, objects of rotation bodies shape-working with asymmetry, orientation ofprocessing objects, automatic feeding, mathematical modeling of feed rate.
Vasin Sergei Alexandrovich, doctor of technical sciences, professor, vasin_sa53@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Pantyukhina Elena Viktorovm, candidate of technical science, docent, e.v.pant@mail.ru, Russia, Tula, Tula state
university
