ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

 

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі дослідження, висвітлено наукову новизну та практичне значення роботи. Наведено відомості про апробацію отриманих результатів дослідження та публікації, що висвітлюють основні положення дисертаційної роботи.

У першому розділі проведено аналіз публікацій щодо стану теоретичних та експериментальних досліджень методів захоплення та утримування виробів, проаналізовано переваги та недоліки кожного з них. Слід зазначити дослідження, викладені в роботах Герца Є.В., Залманзона Л.А., Ідельчика І.Є., Проця Я.І., Савківа В.Б., Danyluk S, Vincent Vandaele, Xin Li та ін.

З проведеного аналізу публікацій можна зробити висновок, що впродовж останніх років ефективними та практичними стали струминні захоплювальні пристрої, які здійснюють безконтактне захоплювання та утримування об’єктів маніпулювання з різного матеріалу, з різними фізичними та механічними характеристиками, структурою поверхневого шару. Серед них виділяють чотири основні типи: соплові, ежекційні, вихрові та опірні. Перевагою перших трьох типів струминних захоплювачів є те, що вони здійснюють безконтактне захоплювання та утримання плоских об'єктів. Опірні струминні захоплювачі можуть здійснювати накопичення об'єктів, але у зв'язку з низькими силовими характеристиками застосовуються рідко.

Доцільність використання струминних захоплювальних пристроїв зумовлена тим, що вони володіють принципово новими властивостями: відсутністю механічних контактів з функціональною поверхнею об’єкта маніпулювання, високою точністю центрування об’єктів, високими динамічними характеристиками, керованою навантажувальною здатністю, можливістю демпфування ударів об’єкта в процесі його захоплення. Тому дані захоплювачі забезпечують високу якість виконуваних операцій за рахунок відсутності на поверхні виробів слідів контакту, забруднень і пошкоджень, чого неможливо уникнути при використанні традиційних захоплювачів.

Проте, огляд наукових публікацій та патентів показує, що питання обґрунтування параметрів та конструкцій струминних захоплювальних пристроїв, з метою забезпечення їх високих експлуатаційних характеристик, залишається недослідженими. Відсутня узагальнена методика інженерного розрахунку даних захоплювачів, оскільки приведені в цих працях теоретичні залежності дійсні у вузькому діапазоні зміни конструктивних параметрів і тиску живлення.

На основі проведеного аналізу визначено задачі дослідження, основною метою яких є виявлення впливу форми активної поверхні струминних захоплювальних пристроїв на їх силові характеристики, і відповідно їх подальше конструктивне удосконалення.

У другому розділі обґрунтовано способи збільшення ширини та глибини зони розрідження, створюваного струминним захоплювачем на поверхні об’єкта маніпулювання. Проведено газодинамічний аналіз процесів протікання потоків повітря в соплових елементах та в проміжку між взаємодіючими поверхнями захоплювача та об’єкта. Виведено аналітичні залежності для розрахунку силових характеристик струминних захоплювачів та визначено їх раціональні конструктивні параметри.

В основу розроблених принципових схем і конструкцій струминних  захоплювачів покладено аеродинамічний ефект притягання при взаємодії витікаючого з сопла потоку повітря з плоскою або циліндричною поверхнею об’єкта. Суттєвий вплив на силові характеристики даних захоплювачів має форма їх активної поверхні. Вона повинна бути гладкою і забезпечувати плавне розширення потоку з метою його безвідривного режиму руху. Активна поверхня захоплювача може бути плоскою, конічною, сферичною або складатися з комбінації цих елементарних поверхонь (рис. 1).

 

В результаті проведених досліджень встановлено, що раціональними є конструкції струминних захоплювачів з комбінацією плоско-конічної та плоско-сферичної поверхонь, які забезпечують максимальну присмоктуючу силу без можливості відриву об’єкта від торця захоплювача. Характерними геометричними параметрами даних захоплювачів є радіус сопла r0, радіус захоплювача r2, відстань між краєм сопла і об’єктом h0.

Встановлено, що характер течії, глибина та ширина зони розрідження, і відповідно величина силової дії потоку повітря на поверхню об’єкта маніпулювання в найбільшій мірі залежить від відстані h0 від краю циліндричного сопла до об’єкта. На рис. 2 показано характер розподілу тиску на поверхні об’єкта маніпулювання для різних відстаней h0, причому для двох випадків активної поверхні захоплювача – плоскої (зліва) та плоско-конічної (справа).

 

Спочатку, при великих значеннях відстані h0>15 мм, вільний струмінь повітря не прилипає до активної поверхні захоплювача, тобто витікання відбувається у відкритому режимі. При цьому струмінь повітря діє на об’єкт реактивною відштовхуючою силою. При зменшенні відстані між поверхнями захоплювача та об’єкта (рис. 2, а), зростає присмоктуюча дія струменя, яка досягає максимуму при відстані h0=0,2…0,5 мм (рис. 2, б). Притягнутий до захоплювача об'єкт не знаходиться з ним у механічному контакті, а вільно переміщається на повітряній подушці. Фіксацію об'єкту від бічних зміщень здійснюють за рахунок сил тертя до базуючих фрикційних накладок або за рахунок бічних упорів. Подальше зменшення проміжку h0 призводить до утворення пружної пневматичної подушки (рис. 2, в).

Для аналізу параметрів повітряного потоку в проміжку між поверхнею захоплювача та об’єкта маніпулювання, в дисертації використано систему рівнянь Ейлера. У нашому випадку потік повітря усталений і осесиметричний, тобто його основні параметри, такі як швидкість V та тиск p в заданій точці потоку, визначаються однією координатою – текучим радіусом r. Знехтувавши для повітря впливом масових сил і врахувавши вплив сил в’язкого тертя, в результаті отримано диференціальне рівняння

,

де h – поточне значення висоти радіального проміжку; λ – коефіцієнт в’язкого тертя.

Для проведення теоретичного дослідження газодинамічних характеристик струминних захоплювачів, зроблено наступні припущення: потік повітря входить в проміжок між взаємодіючими поверхнями захоплювача та об’єкта із звуковою швидкістю; термодинамічний процес протікання потоку – ізотермічний; втрати енергії при повороті потоку в радіальний проміжок малі у порівнянні із втратами на тертя, тому ними можна знехтувати; закон розподілу швидкостей у радіальному проміжку приймається рівномірним.

Врахувавши рівняння нерозривності газового потоку, стану ідеального газу та відповідних термодинамічних процесів, після підстановок і перетворень, отримано остаточне диференціальне рівняння:

,

де S – площа перерізу потоку на радіусі r; G – масова витрата повітря;  R=287,14 Дж/(кг×°К) – газова стала для повітря; Т – абсолютна температура повітря; mд – коефіцієнт динамічної в’язкості повітря; D – еквівалентна абсолютна шорсткість поверхонь формуючих потік повітря.

Дане диференціальне рівняння розв’язувалось чисельними методами в програмному середовищі Mathcad. Розподіл тиску рrн в надзвуковій зоні був знайдений із урахуванням початкової умови р=ркр=0,53р0 при r=r0, відповідно розподіл тиску рrд в дозвуковій зоні відповідав початковій умові р=ра при r=r2.

Величину сили притягання струминним захоплювачем об’єкта маніпулювання визначено за формулою:

.

Остання складова в цій формулі враховує силу, викликану статичним тиском у зоні навпроти сопла.

З метою якісного та кількісного порівняння результатів досліджень силових характеристик, для всіх струминних захоплювачів з різними формами активної поверхні діаметр сопла був прийнятий рівним 6 мм, а відстань від торця сопла до об’єкта 0,2 мм. При однаковому діаметрі сопла витратні характеристики захоплювачів приблизно однакові, проте захоплювачі з різними формами активної поверхні забезпечують різну глибину та ширину зони розрідження. Результати розрахунків силових характеристики представлені на рис. 3. При цьому конструктивні параметри для різних варіантів активної поверхні захоплювачів наступні: плоска – r2=18 мм; конічна – r2=33 мм, δ=0,2 мм; сферична – r2=33 мм, δ=0,2 мм; плоско-конічна – r1=14 мм, r2=33 мм, δ=0,2 мм; плоско-сферична – r1=14 мм, r2=28 мм, δ=0,2 мм.

Аналіз представлених результатів досліджень показує, що найбільш ефективним є струминний захоплювач з комбінованою плоско-сферичною активною поверхнею. Його силові характеристики вищі від захоплювачів з плоским торцем на 40…60 %.

З метою визначення ефективних значень конструктивних параметрів струминного захоплювача з плоско-сферичною активною поверхнею, шляхом послідовної зміни розмірів r0, r1 і r2, було розраховано піднімальну силу і визначено при яких значеннях цих розмірів вона буде максимальною, причому у якомога ширшому діапазоні зміни тисків живлення р0. При цьому відстань від торця сопла до об’єкта була прийнятою h0=0,2 мм.

Як приклад, на рис. 4 представлені результати розрахунків залежності піднімальної сили від відношень радіусів r2/r0 при надлишковому тиску живлення захоплювача р0н=400 кПа і δ=0,2 мм.

В результаті теоретичних досліджень струминного захоплювача з циліндричним соплом і плоско-сферичною активною поверхнею, визначено ряд раціональних значень параметрів та співвідношень між ними: р0н<400 кПа; h0=0,16…0,25 мм; δ=0,21…0,24 мм; r0<4 мм; r1/r0=(4,5…5,5) і r2/r0=(8,5…10,5).

Струминні захоплювальні пристрої ежекційного типу характеризуються наявністю в площині торця кільцевої щілини, завдяки якій їх силові характеристики вищі від захоплювачів з циліндричним отвором-соплом. Це обумовлено явищем ежекції, коли на поверхні об’єкта маніпулювання створюється зона постійного розрідження.

Раціональні конструктивні схеми струминних ежекційних захоплювачів наведені на рис. 5. Вони забезпечують максимальну присмоктуючу силу, виключають можливість відриву об’єкта від торця захоплювача та забезпечують стабільне положення об’єкта при його безконтактному утримуванні.

До конструкції соплової частини ежекційних струминних захоплювачів поставлено такі основні вимоги: вхід сопла повинен бути заокругленим з радіусом R>5h0; довжина кільцевого сопла повинна бути ; шорсткість поверхні сопла повинна бути якомога меншою; кут нахилу сопла a<20°.

Результуюча сила F з якою захоплювач діє на об’єкт

.

При цьому функцію розподілу тиску на поверхні об’єкта у зоні торця корпуса визначено у вигляді

,

а розрідження у зоні навпроти конічної вставки визначалось з рівняння

,

де k=1,4 – показник адіабати для повітря; рат, rат – відповідно тиск і густина атмосферного повітря; j – коефіцієнт швидкості.

Також у дисертації запропоновано ряд струминних пристроїв для захоплення циліндричних об’єктів маніпулювання, зокрема для деталей типу «диски» та «зрізаний конус» з кутом конусності меншим 15°, для об’єктів з глухими та наскрізними циліндричними отворами (стакани, фланці, кільця та ін.). Вони відрізняються підвищеною точністю центрування об’єктів маніпулювання та відсутністю механічних контактів з циліндричною поверхнею об’єктів.

На рис. 6 представлено конструктивну схему струминного захоплювача для об’єктів типу «диски». Форма його активної поверхні являє собою послідовну комбінацію циліндричної та конічної поверхонь з відповідними довжинами l1 і l2. Таке конструктивне виконання підвищує їх вантажопідіймальність, полегшує процес захоплення об’єктів у випадку не точного позиціювання промислового робота.

Сила притягання захоплювачем об’єкта маніпулювання

,

залежить від величини вакууму  на торцевій поверхні об’єкта та сили в’язкого тертя потоку Fт.

Теоретичними та експериментальними дослідженнями ежекційних захоплювачів встановлено, що оптимізація форми їх активної поверхні забезпечить підвищення силових характеристик на 15…20%.

У третьому розділі викладено методику проведення експериментальних досліджень, представлено конструкцію експериментальної установки, комплекс вимірювальної апаратури, наведено методику статистичної обробки результатів експериментальних досліджень та безпосередньо самі результати досліджень.

Для підтвердження результатів теоретичних досліджень та уточнення аналітичних залежностей, розроблено та виготовлено обладнання для проведення експериментального дослідження та декілька типорозмірів струминних захоплювачів різних груп.

У процесі експериментального дослідження регулюються наступні параметри: тиск живлення в захоплювачі; геометричні параметри сопел (діаметр, товщина, довжина та ширина кільцевого сопла, кут нахилу сопла відносно осі захоплювача); геометричні параметри проміжку між взаємодіючими поверхнями струминного захоплювача та об’єкта маніпулювання; умови підводу стиснутого повітря в робочу камеру струминного захоплювача; конструктивні параметри об’єкта маніпулювання (довжина, внутрішній та зовнішній діаметри).

Загальний вигляд установки для вимірювання характеру розподілу тиску в проміжку між взаємодіючими поверхнями струминних захоплювачів і об’єкта маніпулювання, представлено на рис. 7.

 

Зміна абсолютного тиску рr в радіальному проміжку для захоплювачів з циліндричним соплом та різними формами активної поверхні представлена на рис. 8. Графіки відповідають захоплювачам з такими конструктивними параметрами: r0=3 мм, r1=11 мм, r2=24 мм, δ=0,2 мм, h0=0,2 мм. Вимірювання проводились при надлишковому тиску живлення захоплювачів р0н=250 кПа.

Експериментальні дослідження силових характеристик різних груп струминних захоплювальних пристроїв підтвердили достовірність отриманих теоретичних залежностей, що свідчить про їх придатність для практичних розрахунків. Також експериментальними дослідженнями встановлено ряд раціональних значень конструктивних параметрів.

Для струминних захоплювачів з циліндричним соплом (рис. 1) ефективний діапазон розмірів радіуса r0 становить r0=(2h0…4) мм, а при значеннях радіального проміжку h0=(0,16…0,25) мм забезпечуються їх максимальні силові характеристики.

Зведені результати експериментальних та теоретичних досліджень силової дії витікаючого з кільцевого сопла струменя повітря на плоску поверхню об’єкта подано на рис. 9. Графіки відповідають захоплювачам з такими параметрами: r0=20 мм, r1=25 мм, r2=35 мм, δ=0,3 мм, h0=0,1 мм, h1=0,3 мм для плоского торця і h1=0,2 мм для інших комбінацій поверхонь. Відхилення розрахункових даних від експериментальних не перевищує 14%.

Для струминних захоплювачів з кільцевим соплом та плоско-сферичною активною поверхнею (рис. 5) ефективне значення радіального проміжку h1=(1,9…2,2)h0, висота кільцевого сопла h0=(0,08…0,12) мм, а кут його нахилу a<20°. При різниці радіусів r2–r0=20мм та a=45° зона дії аеродинамічного ефекту буде найбільшою і при зміні надлишкового тиску живлення захоплювача в межах 0,1…0,3 МПа становитиме 12…26 мм.

В результаті експериментальних досліджень струминних захоплювальних пристроїв для циліндричних деталей запропоновано межі співвідношень їх розмірів. Ефективність їх забезпечується тоді, коли відношення h1/h0=2,4…2,8, кут g =8…10°, величина δ=(3,5…4)h1, .

Встановлено, що застосування безконтактних струминних захоплювачів є доцільним для об’єктів з високою чутливістю до механічного впливу, зокрема: виготовлених із легкопошкоджуваних матеріалів, з низькими характеристиками міцності та жорсткості; для конструкцій з малою товщиною стінок; для поверхонь, оброблених по високому квалітету точності; для об’єктів, покритих тонким шаром лакофарбового матеріалу.

При вантажопідіймальності до 150…200 Н і тиску живлення менше 500кПа струминні захоплювальні пристрої працюють стабільно і надійно. Величина вантажопідіймальності регулюється зміною вхідного тиску або конструктивних параметрів, а продуктивність – періодичною подачею стиснутого повітря, циклічно до роботи устаткування.

У четвертому розділі проведено дослідження технічних характеристик струминних захоплювачів з метою розробки максимально ефективних та економічних в експлуатації пристроїв.

Для дoслiджeння тoчнoстi пoзицiювання та надiйнoстi рoбoти струминних захoплювачiв використовувалась устанoвка на базi прoмислoвoгo рoбoта РКТБ-7.

В результаті дослідження було встановлено, що середнє значення похибки центрування об’єктів маніпулювання струминними захоплювачами приблизно становить 22 мкм, при середньому квадратичному відхилені 6 мкм, ймовірність безвідмовної роботи вища 99,85%.

Питома підіймальна сила  струминних захоплювальних пристроїв визначалась як відношення сили притягання об’єкта маніпулювання до площі активної торцевої поверхні захоплювача. Для захоплювачів з циліндричним соплом питома піднімальна сила менша 1,3 Н/см2, для захоплювачів з кільцевим соплом – до 3,5 Н/см2.

Для аналізу енергетичної ефективності струминних захоплювачів у статичному режимі запропоновано використовувати коефіцієнт ефективності, що характеризує відношення величини присмоктуючої сили F до затрачуваної потужності Рз

В результаті досліджень встановлено, що енергетична ефективність струминних захоплювальних пристроїв з кільцевим соплом є вищою від захоплювачів з циліндричним соплом приблизно в три рази, а енергетична ефективність захоплювачів з плоско-конічною або плоско-сферичною активними поверхнями приблизно на 30% вища ніж захоплювачів з плоским торцем.

На основі аналізу особливостей експлуатації струминних захоплювальних пристроїв  розроблено ряд загальних та спеціальних вимог до їх конструкції. Зокрема, вимоги до надійності захоплення та утримування об'єктів маніпулювання, стабільності базування, недопустимості пошкодження або руйнування об'єктів, мінімальної маси та габаритів, здатності до переналагодження та автоматичної заміни захоплювачів, багатофункціональності та ін.

У розділі 5 наведено методику інженерного розрахунку конструктивних параметрів та динамічних характеристик струминних захоплювачів та проектування на їх основі механізмів завантаження..

Мінімальну необхідну величину сили притягання струминним захоплювачем об’єктів маніпулювання визначено із врахуванням максимальної ваги одного з об’єктів, інерційних сил, що діють на об’єкт в процесі маніпулювання, розташування осі захоплювача в просторі (вертикальне, горизонтальне) та інших факторів.

Запропонована методика інженерного розрахунку полягає у виборі  раціональних конструктивних параметрів струминних захоплювачів на основі отриманих теоретичних залежностей та даних експериментальних досліджень. При цьому враховується мінімально необхідна величина сили притягання струминним захоплювачем об’єктів маніпулювання та розраховуються параметри споживання стиснутого повітря.

Для того, щоб уникнути пошкодження об’єкта маніпулювання, необхідно врахувати вплив струминного захоплювача на об’єкт як в статичному, так і в динамічному режимі, тобто в процесі його захоплення з відстані.

Захоплення об’єктів даними струминним захоплювачами відбувається з певної відстані hmax, максимально допустиме значення якої визначається умовою Fсз(hmax)³mg (точка 1 на рис. 10).

Для аналізу динаміки руху об’єкта маніпулювання в зоні пружної дії пневматичної подушки, використано еквівалентну розрахункову схему струминного захоплювального пристрою, представлену на рис. 11. Вісь x позначає відхилення об’єкта в даний момент часу t від положення його рівноважного стану при , а hст – статичне відхилення об’єкта маніпулювання, викликане його вагою mg, від стану рівноваги при .

До моменту усталеного положення об’єкта відносно торця безконтактного захоплювального пристрою, відбуваються його гармонічні затухаючі коливання. Рівняння коливань має наступний вигляд:

Параметри А і j визначено як

,    ,

де b – коефіцієнт опору, значення якого доцільно визначати експериментальним шляхом.

В результаті досліджень встановлено, що процес захоплення об’єкта маніпулювання здійснюється без його удару до поверхні захоплювального пристрою, за рахунок амортизації удару пружністю повітряної подушки.

Також у даному розділі запропоновано ряд конструктивних схем струминних пристроїв завантаження, які під дією стисненого повітря дозволяють здійснювати захоплення та транспортування листового матеріалу, що є перспективним та актуальним при автоматизації транспортно-завантажувальних операцій. Наведено формули для розрахунку основних параметрів пристроїв завантаження на основі струминних захоплювальних пристроїв.