Гравитационный ориентатор с маятниковым L-образным захватом для сплошных предметов обработки асимметричных по торцам

Актуальность работы. Основой развития современного отечественного машинои приборостроения является инновационный подход, базирующийся на наукоемких, ресурсосберегающих технологиях и высокопроизводительных автоматизированных технологических системах (машинах-автоматах и автоматических линиях). В ряде массовых производств, таких как, производство патронов стрелкового оружия и строительно-монтажных патронов, элементов приводных роликовых цепей преимущественное применение нашли автоматизированные технологические системы на основе роторных машин (РМ).

Для загрузки осесимметричных штучных предметов обработки формы тел вращения в РМ с производительностью более 200 шт./мин применяют многопозиционные роторные системы автоматической загрузки (САЗ), которые построены по принципу роторных технологических машин (по классификации акад. Л.Н. Кошкина), что обеспечивает надежную синхронную передачу предметов обработки в непрерывно движущиеся транспортные органы РМ.

Ориентирование штучных предметов обработки массой до 0,05 кг и длиной до 0,05 м, относящихся к осесимметричным объемным деталям-телам вращения (классы 71−72 по классификатору ЕСКД), осуществляют в ориентирующих устройствах с гравитационными ориентаторами. Такие ориента-торы имеют достаточно высокую производительность, просты по конструкции и кинематике, поскольку не имеют приводных механизмов, что делает их эффективным техническим средством для создания роторных САЗ.

В частности, для ориентирования предметов обработки типа колпачков с отношением габаритных размеров 1,5 < 1Ш < 2 (/ - длина, с1 — диаметр предмета обработки) А. Г. Астраханцевым и В. В. Прейсом были разработаны гравитационные ориентаторы с маятниковым ¿—образным захватом, отличительной особенностью которых является то, что вход и выход ориентатора выполнены соосными и имеют общую вертикальную стенку. Это обеспечивает удобную компоновку подобных ориентаторов в роторной САЗ с осе-симметричными захватывающими органами.

Однако разработанные ориентаторы не позволяют ориентировать сплошные осесимметричные предметы обработки формы тел вращения асимметричные по торцам, например, имеющие один из торцов меньшего диаметра (ступенчатые) или конический торец.

Поэтому, разработка и обоснование параметров усовершенствованной конструкции гравитационного ориентатора с маятниковым ¿—образным захватом для ориентирования осесимметричных сплошных предметов обработки формы тел вращения с отношением габаритных размеров 1,5 < 1Ш < 2 асимметричных по торцам и создание на их основе роторных САЗ заданной производительности, является актуальной задачей.

Работа выполнялась в рамках единых госбюджетных НИР № 26−06 «Оценка надежности технологического оборудования и средств автоматизации» и № 34−10 «Совершенствование технологического оборудования с целью повышения его производительности и надежности».

Цель работы. Расширение технических возможностей гравитационных ориентаторов с маятниковым ¿—образным захватом, обеспечивающих ориентирование осесимметричных сплошных предметов обработки асимметричных по торцам с отношением габаритных размеров 1,5 < 1/с1 < 2 и создание роторных САЗ заданной производительности.

Объект исследования. Роторная САЗ, имеющая в своей структуре гравитационный ориентатор с маятниковым ¿—образным захватом для ориентирования осесимметричных сплошных предметов обработки формы тел вращения с отношением габаритных размеров 1,5 < 1Ш< 2 асимметричных по торцам.

Предмет исследования. Взаимосвязанное влияние на величину времени ориентирования геометрических параметров предмета обработки и параметров ориентатора, силы трения скольжения предмета обработки о направляющие поверхности ориентатора и центробежной силы инерции возникающей вследствие транспортного вращения роторной САЗ.

Метод исследования, принятый в работе, заключается в сочетании аналитических и экспериментальных исследований процессов ориентирования предметов обработки с использованием математических и натурных моделей. Для построения математической модели процесса ориентирования предмета обработки в гравитационном ориентаторе роторной САЗ использовались методы теоретической механики. При проведении экспериментов применялась цифровая видеосъемка, а для обработки экспериментальных данных использовались методы теории погрешностей и математической статистики.

Теоретические и экспериментальные исследования базировались на научных работах в области теории и методологии проектирования ориентирующих устройств для предметов формы тел вращения Л. Ф. Анчишкиной, А. Г. Астраханцева, А. Н. Беляковой, Н. И. Камышного, Г. В. Комарова,.

A.Н. Малова, М. В. Медвидя, В. В. Прейса, В. Ф. Прейса, А. Н. Рабиновича,.

B.Д. Рожковского, JI.A. Свинаренко, H.A. Усенко.

Достоверность научных положений и выводов диссертационной работы обеспечивается полнотой учета факторов, влияющих на время ориентирования предмета обработки, корректностью использования общепринятых математических методов и компьютерного моделирования, качественным и количественным соответствием результатов теоретических расчетов с экспериментальными данными, полученными непосредственно соискателем, а также с результатами расчетов и экспериментов, полученными другими авторами.

Автор защищает:

1. Совокупность конструктивных ограничений на геометрические параметры усовершенствованного гравитационного ориентатора с маятниковым L-образным захватом для ориентирования осесимметричных сплошных предметов обработки формы тел вращения асимметричных по торцам.

2. Математическую модель процесса ориентирования предмета обработки в гравитационном ориентаторе с маятниковым ¿—образным захватом, представляющую собой совокупность дифференциальных уравнений, описывающих движение предмета обработки, учитывающую взаимное влияние на время ориентирования центробежной силы инерции, возникающей вследствие транспортного вращения роторной САЗ, геометрических параметров ориентатора и предмета обработки, а также силы трения предмета обработки о направляющие поверхности ориентатора.

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований зависимости времени ориентирования сплошных осесимметричных предметов обработки формы тела вращения асимметричных по торцам в гравитационном ориентаторе с маятниковым ¿—образным захватом, подтвердившие адекватность и корректность разработанной математической модели.

4. Усовершенствованную конструкцию гравитационного ориентатора с маятниковым ¿—образным захватом и инженерную методику его проектирования для роторной САЗ, базирующуюся на результатах теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна. Установлено взаимное влияние на время ориентирования осесимметричного сплошного предмета обработки формы тела вращения асимметричного по торцам его геометрических параметров, параметров усовершенствованного гравитационного ориентатора с маятниковым ¿—образным захватом, коэффициента трения предмета обработки о направляющие поверхности ориентатора и центробежной силы инерции, возникающей вследствие транспортного вращения роторной САЗ.

Практическая значимость работы. Разработаны инженерная методика проектирования и усовершенствованная конструкция гравитационного ориентатора с маятниковым ¿—образным захватом, обеспечивающие создание роторных САЗ заданной производительности для ориентирования осесимметричных сплошных предметов обработки асимметричных по торцам, длиной / < 0,05 м, с отношением размеров 1,5 < Ис1< 2 и массой до 0,05 кг.

Реализация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, инженерная методика проектирования и техническая документация на усовершенствованную конструкцию гравитационного ориента-тора с маятниковым ¿—образным захватом переданы для практического использования в филиал ОАО «Конструкторское бюро приборостроения» -«Центральное конструкторское бюро спортивно-охотничьего оружия» (г. Тула) и ОАО «Тульский патронный завод им. С.М. Кирова», а также используются в учебном процессе Тульского государственного университета.

Апробация работы. Основные научные положения диссертации, результаты исследований и разработок докладывались соискателем на V молодежной научно-практической конференции «Молодежные инновации» (г. Тула, ТулГУ, 2011 г.), международном научно-техническом семинаре «Современные технологии сборки» (г. Москва, МАМИ, 2011 г.), XVII международной научно-технической конференции «Автоматизация: проблемы и решения (АПИР-17)» (г. Тула, ТулГУ, 2012 г.), II Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Современная российская наука глазами молодых исследователей» (г. Красноярск, 2012 г.) и XIX Международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века» (г. Севастополь, 2012 г.), на которой доклад был отмечен дипломом II степени.

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 9 научных работ (3 — единолично, остальные — в соавторстве), в том числе 2 статьи в периодических изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и получен патент РФ на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и общих выводов, списка литературы из 106 наименований и приложений. Объем диссертационной работы составляет.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

Представленная диссертационная работа является научной квалификационной работой, в которой на базе теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная научно-техническая задача, заключающаяся в разработке и обосновании параметров усовершенствованной конструкции гравитационного ориентатора с маятниковым ¿—образным захватом для ориентирования осесимметричных сплошных предметов обработки формы тел вращения с отношением габаритных размеров 1,5 < 1Ш < 2 асимметричных по торцам и создании на их основе роторных САЗ заданной производительности.

Основные научные и практические результаты проведенного исследования заключаются в следующем.

1. Обосновано, что предложенная усовершенствованная конструкция гравитационного ориентатора с маятниковым ¿—образным захватом при разработанных конструктивных ограничениях на его геометрические параметры, обеспечивает ориентирование сплошных осесимметричных предметов обработки формы тела вращения с отношением габаритных размеров 1,5 < Ш < 2 асимметричных по торцам (например, когда один из торцов — цилиндрический, а другой — конический или цилиндрический, но меньшего диаметра), что расширяет технические возможности подобных ориентаторов.

2. Показано, что разработанная математическая модель процесса ориентирования предмета обработки в гравитационном ориентаторе с маятниковым ¿—образным захватом, позволяет оценить время ориентирования предмета обработки с учетом взаимного влияния на время ориентирования предмета центробежной силы инерции, возникающей вследствие транспортного вращения роторной САЗ и действующей на предмет обработки в процессе его ориентирования, геометрических параметров предмета обработки и коэффициента трения предмета о направляющие поверхности ориентатора, а также оценить граничные значения динамического параметра для соответствующих значений коэффициента трения, при которых происходит торможение предмета обработки на третьем этапе движения, в результате чего процесс ориентирования нарушается.

3. Сравнение результатов компьютерного моделирования свидетельствует о том, что значения времени ориентирования, рассчитанные с использованием разработанной математической модели, превышают в 2,5. .3 раза значения времени, рассчитанные по известной упрощенной модели, для соответствующего коэффициента трения предмета обработки в диапазоне динамического параметра 0 < Кш < при этом упрощенная модель не дает оценку граничных значений динамического параметра.

4. Подтверждена адекватность и корректность разработанной аналитической модели процесса ориентирования предмета обработки в гравитационном ориентаторе с маятниковым ¿—образным захватом. Сопоставление результатов экспериментальных исследований с результатами аналитического моделирования показало, что экспериментальные значения времени ориентирования хорошо согласуются с теоретическими значениями, поскольку относительное отклонение экспериментальных значений времени ориентирования от теоретических значений не превышает ±5%, что существенно ниже коэффициента вариации средних значений времени ориентирования.

5. Разработана инженерная методика проектирования и конструкторская документация усовершенствованного гравитационного ориентатора с маятниковым ¿—образным захватом и грузом-противовесом, обеспечивающих рациональную компоновку ориентатора в роторной САЗ и стабильное ориентирование осесимметричных сплошных предметов обработки формы тела вращения асимметричных по торцам («ступенчатых» и «конических») с отношением габаритных размеров 1,5 < 1Ш < 2.

6. Инженерная методика проектирования и техническая документация на разработанную конструкцию гравитационного ориентатора с маятниковым ¿—образным захватом переданы для практического использованию в филиал ОАО (Конструкторское бюро приборостроения" - «Центральное конст-рукторско-исследовательское бюро спортивного охотничьего оружия» (г. Тула) и ОАО «Тульский патронный завод им. С.М. Кирова».

Результаты теоретических и экспериментальных исследований используются в учебном процессе на кафедрах Политехнического института Тульского государственного университета при подготовке студентов, обучающихся в бакалавриате и магистратуре по направлениям 150 400 Машиностроение и 150 100 Технологические машины и оборудование.