23 февраля 2016г.
Рассмотрена проблема автоматической загрузки технологических систем дискретными предметами обработки с применением вибрационных загрузочных устройств.
Задачей современного производства является максимально быстрая выдача готового продукта при минимальной себестоимости его производства. Такой подход позволяет обеспечить экономическую эффективность, и, как следствие, окупаемость изделия. При современных условиях жесткой конкуренции необходимо предоставить готовый продукт, который бы отличался высоким качеством, быстрее конкурентов. Это означает, что все производители должны стремиться в первую очередь к сокращению времени выпуска изделий без ущерба для самого процесса изготовления, при этом, не пренебрегая качеством изделий.
В производственном процессе немаловажную роль играют загрузочные устройства, которые оказывают существенное влияние на структуру и конструкцию технологического оборудования, уровень его автоматизации, автоматизируя загрузочные операции. Они улучшают условия труда, повышают производительность оборудования, создают предпосылки к многостаночному обслуживанию
В автоматических бункерных загрузочных (БЗУ) устройствах предметы обработки (ПО) засыпаются в бункер, из которого они захватываются специальными механизмами захвата и ориентации и, будучи ориентированы в пространстве в требуемом для обработки положении, поступают в лоток-магазин, а оттуда выдаются механизмом поштучной выдачи в питатель, который и перемещает ПО в рабочую зону технологической системы (ТС).
Различные разновидности БЗУ предназначены для загрузки ПО определенной формы.
Большое значение для развития методов автоматизации питания ТС имеет классификация ПО. Как правило, классификацию ПО производят по одному признаку – по форме ПО, но форма не всегда способна полностью охарактеризовать особенности ПО, которые могут повлиять на метод автоматизации питания. Кроме формы ПО на автоматизацию питания влияют: габаритные размеры; масса; припуски и допуски; шероховатость поверхности; прочность; продолжительность обработки; физическое состояние: твердые или мягкие.
По степени автоматизации питания ТС все ПО подразделяют на три группы.
К первой группе относятся ПО массового производства небольших габаритных размеров (малая продолжительность их обработки, форма и прочность).
Ко второй группе относятся ПО серийного производства больших габаритных размеров. Данные ПО могут потребовать долгих технологических операций, иметь сложную форму; не возможно произвести автоматическое ориентирование таких ПО, а большие габаритные размеры не позволяют создать требуемый запас ПО в бункере, хотя он необходим для обеспечения требуемой продолжительности непрерывной работы ТС.
К третьей группе относятся ПО, которые имеют большие габаритные размеры и массу.
Припуск на диаметр и длину ПО влияет на проходимость в бункере. При наличии больших припусков затрудняется процесс ориентирования и фиксации ПО в зажимах, а при жестких требованиях к чистоте поверхности ПО БЗУ иногда нельзя применять, так как при выдачи ПО из бункера захватные органы производят интенсивное ворошение ПО, вследствие чего могут появиться царапины, трещины и потертости.
Объем запаса ПО в бункерах зависит не только от размеров ПО, но и от продолжительности их обработки. Например, если обработка длится 0,5 с, то минутная производительность Q = 60:0,5= 120 шт./мин.
Такой темп подачи ПО возможно обеспечивать только при помощи БЗУ, так как человек в среднем может подавать около 20 ПО в минуту.
При учете все главных тенденций развития БЗУ, наиболее важными считают признак, характеризующий БЗУ как гибкую технологическую систему: характер совмещенности функций захвата и ориентирования в БЗУ. Если эти функции совмещены, т.е. захват и ориентирование происходят одновременно, то устройство является узкоспециализированным, предназначенным для одного конкретного ПО. Производительности по захвату и ориентированию ПО в БЗУ равны.
Как правило, при переходе к новому ПО необходима существенная переделка или конструирование нового БЗУ.
Более современными БЗУ являются такие, в которых функции захвата и ориентирования разделены, но зависят друг от друга. Это значит, что в каждом захватном органе последовательно происходит захват, а затем ориентирование. Благодаря этому обеспечивается лучший захват ПО, но производительности по захвату и ориентированию ПО в БЗУ не равны, а это означает, что итоговая производительность БЗУ будет определяться меньшей производительностью этих двух процессов.
Передовыми являются БЗУ, в которых функции захвата и ориентирования не только разделены, но и не зависят друг от друга. В таких устройствах захват происходит с помощью одних механизмов, а ориентирование происходит с помощью других. Так как захват и ориентирование разделены и независимы, то можно менять одни устройства для захвата или ориентирования, на другие при переходе на новые ПО, что и требуется для гибких ТС.
При создании БЗУ немаловажное значение имеет также кинематическая сложность, которая обусловлена характером движения исполнительных органов. Ранее в создаваемых БЗУ движения создавались классическими преобразовательными механизмами: кривошипно-ползунным, храповым и др. Для совершенствования БЗУ стали использовать кинематически более сложные механизмы, когда складываются два возвратно-поступательных движения, или два вращательных движения и т.п.
В трубчатых БЗУ захват и ориентирование ПО (ролики, валики, шарики и др.) происходит путем движения трубки относительно бункера. Трубка может совершать либо возвратно-поступательные движения, либо вращаться, а бункер стоит неподвижно.
В пневмовихревых БЗУ захват и ориентирование ПО (ролики, валики, шарики и др.) осуществляется благодаря вихревому движению воздуха, создающего в центре бункера и в трубке полость низкого давления, куда втягиваются ПО.
В стержневых БЗУ ПО (стаканчики и др.) захватываются и ориентируются за внутреннюю поверхность возвратно-поступательно движущимся стержнем, выносящим ПО из общей массы в приемник, соединенный с лотком.
В однокрючковых БЗУ стержень для захвата ПО (колец и др.) совершает возвратно-качательные движения.
Рассмотрим примеры многозахватных БЗУ. В элеваторных БЗУ с крючками захват и ориентирование ПО (полые стаканчики, трубчатые ПО и др.) происходит одновременно при помощи крючков соответственно.
В шнековых БЗУ захват и ориентирование ПО (подшипниковые ролики, иголки и др.) осуществляется карманами, образующимися между двумя вращающимися валками, на которых нарезаны невысокие винтовые выступы.
В некоторых многозахватных БЗУ необходимо чередовать движение исполнительных органов с остановками, так как при вращении органов происходит захват и ориентирование ПО в захватных органах, а для выдачи в лоток-магазин захватный орган необходимо совместить с одним или несколькими приемниками. Примером такого устройства является лопастное БЗУ для загрузки П-образных пластин.
В шиберных БЗУ с периодически поднимающимся и опускающимся шибером одновременно захватывается несколько ПО (болты, винты, кольца и др.). В зависимости от сложности ПО профиль шибера может меняться и тогда удается во время захвата обеспечить ориентирование ПО.
В роторных БЗУ захватные и одновременно ориентирующие органы, кроме непрерывного транспортного вращательного движения, получают дополнительные движения: возвратно-поступательные – для захвата стаканчиков; возвратно-качательно движение дна – для колпачков.
Рассмотрим БЗУ, в которых функции захвата и ориентирования разделены, но зависят друг от друга.
К группе многозахватных БЗУ с непрерывным вращательным движением относят большую группу дисковых БЗУ, в которых сначала осуществляется захват ПО, который может быть выполнен в различных положениях, а затем ориентирование, которое может происходить либо в приемнике, либо в самих захватных органах., либо в специальном ориентаторе.
Бункерные загрузочные устройства, в которых функции захвата и ориентирования разделены и не зависят друг от друга, характеризуются тем, что в них сначала осуществляется захват, в основном за наружную поверхность, тем самым создавая поток упорядоченных, но неориентированных ПО. Затем после завершения захвата производится ориентирование ПО.
Применение всех вышеперечисленных БЗУ было успешным на операциях штамповки, сборки, контроля и т.д., где производительность соответствующих ТС составляла от 60 до 120 шт./мин.
Дальнейшее развитие БЗУ определило появление в промышленности автоматических роторных линий и роторных конвейерных линий с производительностью от 200 до 1200 шт./мин. В связи с этим потребовалось оптимизировать параметры функционирования БЗУ на стадиях подготовки к захвату и захвата ПО захватными органами, их ориентирования и выдачи на рабочую позицию ТС.
Существенный вклад в решение этих проблем внес В.Ф. Прейс, который произвел множество теоретических и экспериментальных исследований БЗУ, которые, в свою очередь, создали предпосылки для появления в начале 1960-х годов более перспективных загрузочных устройств – вибрационных (ВЗУ).
В ВЗУ, как правило, для обеспечения колебательного процесса имеют электромагнитный привод с питанием однополупериодным током. Таким образом, приходится иметь дело со сложным электромеханическим процессом, протекающим в приводе с ограниченными перемещениями – при частоте колебаний 50 Гц, с максимальной амплитудой до 2,5 мм.
Первые попытки внедрения ВЗУ столкнулись с трудностями – ресурс обмотки электромагнита оказывался незначительным. Оказалось, что параметры тока значительно возрастают при одном и том же питающем напряжении, если последовательно с обмоткой включѐн диод, так как снижается индуктивное сопротивление при наличии постоянной составляющей в однополупериодном импульсе тока. Теоретические и экспериментальные исследования позволили создать методику расчѐта электромагнитного привода ВЗУ с питанием однополупериодным током.
Для обеспечения процесса виброперемещения ПО в ВЗУ с питанием однополупериодным током приходится иметь дело с частотой вынужденных колебаний 50 Гц, которая не является оптимальной по критерию максимальной скорости виброперемещения.
Впоследствии родилась идея питать катушку электромагнитного привода не переменным или пульсирующим током, а постоянным, при одновременном принудительном вращении якоря или статора электромагнита с той частотой, которая необходима.
Причѐм при одном обороте якоря происходит удвоение частоты вынужденных колебаний, что явилось предметом исследований с выходом на инженерную методику расчѐта такого типа электромагнитного привода.
Для ВЗУ, как правило, приемлем безотрывный процесс виброперемещения ПО по вибродорожке, так как отрыв вызывает соударение, нарушение ориентирования, шум и т. д. Для обеспечения этого режима при промышленной частоте тока необходимо обеспечить амплитуду колебаний в горизонтальном направлении до 2 мм.
Появилась новая задача – возбудить колебания в двух направлениях независимо. При наличии смещения этих колебаний по фазовому углу и при значительном повышении горизонтальных колебаний по отношению к вертикальным, материальная точка вибродорожки будет совершать колебания по эллиптической траектории. Исследования показали, что скорость виброперемещения в этом случае повышается до 10 раз при оптимальном фазовом угле 90° в безотрывном режиме.
Впоследствии именно ВЗУ получили наибольшее распространение в машиностроительной, приборостроительной и других отраслях промышленности, так как они универсальны по охвату ПО различных по степени сложности их ориентирования в пространстве; процесс подготовки к захвату и захват ПО происходит при движении относительно захватного органа, которым является вибрирующая дорожка; процесс вибротранспортирования не оказывает воздействия на ПО, вызывающего дефектов; возможна реализация многоканальности; формирование длительности технологического пути без снижения уровня производительности.
В крупносерийном производствах создают специальные ВЗУ в соответствии с видом и размерами ПО, но для перехода на ПО иных размеров и форм, в среднем тратится от 2 до 3 месяцев, что не допустимо при нынешнем развитии технологий. Это создает предпосылки для разработки систем автоматизированного проектирования (САПР) ВЗУ, которые бы значительно упростили и ускорили данный процесс.
САПР ВЗУ представляет собой организационно-техническую систему, предназначенную для автоматизации процесса проектирования всех этапов жизнедеятельности ВЗУ, состоящую из комплекса технических, программных, документальных и других средств автоматизации его деятельности. Разработка и внедрение такой системы является максимально актуальной темой, так как все это позволило бы ускорить процесс перехода от одного ПО к другому, и значительно упростить процесс наладки ТС.
Список литературы
1. Автоматизация в промышленности: учебное пособие / М.С. Лебедовский, А.И. Федотов; под науч. ред. И.А. Клусова. Л.: Лениздат, 1975. 254 с.
2. Автоматическая загрузка технологических машин: справочник / И.С. Бляхеров, Г.М. Варьяш, А.А. Иванов [и др.]; под общ. ред. И.А. Клусова. М.: Машиностроение , 1990. 352 с.
3. Усенко Н.А. Научное наследие В.Ф. Прейса // Известия Тульского государственного университета. Серия «Машиноведение, системы приводов и детали машин». 2006. С. 15-22.
