КІРОВОГРАДСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

МАЖАРА ВІТАЛІЙ АНАТОЛІЙОВИЧ

УДК 621.7.077:621.865.8

ПІДВИЩЕННЯ ПРОДУКТИВНОСТІ ТОКАРНИХ КОМПЛЕКСІВ З ДВОЗАХВАТНИМИ РОБОТАМИ ВДОСКОНАЛЕННЯМ СТРУКТУРИ ТА ДИНАМІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Спеціальність 05.03.01 – Процеси механічної обробки, верстати та

інструменти

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Кіровоград – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі “Технологія машинобудування” Кіровоградського національного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Павленко Іван Іванович, Кіровоградський національний технічний університет, завідувач кафедри “Технологія машинобудування”.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Струтинський Василь Борисович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, завідувач кафедри “Конструювання верстатів та машин”;

кандидат технічних наук, доцент Кириченко Андрій Миколайович, Кіровоградський національний технічний університет, завідувач кафедри “Металорізальні верстати та системи”.

Провідна установа:

Донбаська державна машинобудівна академія Міністерства освіти і науки України, кафедра “Металорізальні верстати та інструменти”, м. Краматорськ.

Захист відбудеться 03 липня 2007 р. о 13 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К23.073.01 у Кіровоградському національному технічному університеті за адресою: 25006, м. Кіровоград, пр. Університетський, 8.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Кіровоградського національного технічного університету за адресою: 25006, м. Кіровоград, пр. Університетський, 8.

Автореферат розісланий 25 травня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.М. Каліч

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасний етап розвитку виробництва вимагає активного впровадження гнучких систем, які включають в себе верстати з програмним керуванням, комп’ютерну техніку та промислові роботи. Останні як гнучкі засоби автоматизації дозволяють комплексно вирішувати соціальні та економічні проблеми. Одним із перспективних напрямків розвитку гнучких виробничих систем є створення верстатних комплексів з двозахватними роботами, які дозволяють значно підвищити продуктивність обробки деталей та оперативно виконувати переналагодження технологічної системи на випуск іншої номенклатури виробів.

Токарні комплекси мають багатоваріантні виконання за конструктивними та технологічними ознаками. Значною мірою це стосується особливостей використовуваних роботів (портальні, встановлені на верстаті, встановлені на підлозі, одно- чи двозахватні і ін.), допоміжних пристроїв (подавальні, прий-мальні, подавально-приймальні), а також їх конструктивного і компонувального виконання. Створення в цих умовах ефективних токарних робототехнологічних комплексів (РТК) із двозахватними роботами є актуальною проблемою.

Це потребує ґрунтовного дослідження продуктивності різних виконань токарних комплексів та двозахватних пристроїв, їх аналізу на структурному, кінематичному і конструктивному рівнях, теоретичних й експериментальних досліджень динамічної якості конструкцій пристроїв, створення загальної методики проектування зазначених пристроїв і рекомендацій по ефективному використанню токарних комплексів з двозахватними роботами при конкретних умовах виробництва. Вирішенню цих актуальних задач і присвячена дана дисертаційна робота.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота пов’язана з напрямком досліджень кафедри технології машинобудування Кіровоградського національного технічного університету та з виконанням держбюджетних тем №45Б102 “Дослідження точності та динаміки промислових роботів” (№ державної реєстрації 010211000706), №45Б105 “Силові навантаження захватних пристроїв промислових роботів” (№ державної реєстрації 0105V001507).

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення продуктивності токарних РТК з двозахватними промисловими роботами за рахунок проведення структурних вдосконалень та покращення динамічних показників двозахватних пристроїв, з розробкою рекомендацій щодо їх проектування і ефективного використання.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв’язати наступні задачі:

1. Сформулювати структуру будови і функціонування токарних комплексів та виконати системний аналіз їх варіантів.

2. Розглянути конструктивні й кінематичні особливості будови двозахватних пристроїв та розробити структурно-математичну методику визначення доцільних виконань для різних умов експлуатації.

3. Розробити структуру продуктивності токарних РТК та дослідити вплив її складових на продуктивність комплексу в цілому.

4. Теоретично та експериментально дослідити динамічну якість типових конструкцій двозахватних пристроїв та динаміку процесу зміни захватів місцями і розробити рекомендації щодо її покращення.

5. Розробити практичні рекомендації по проектуванню конструкцій двозахватних промислових роботів, в т.ч. модульних виконань, та визначити ефективні умови їх використання.

Об’єкт дослідження – токарні РТК з двозахватними промисловими роботами.

Предмет дослідження – продуктивність токарних РТК з двозахватними роботами, структура їх будови, динаміка конструкцій пристроїв та процесу зміни захватів місцями.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження базувалися на основних положеннях теоретичної механіки, теорії механізмів і машин, опору матеріалів, теорії коливань, динаміки промислових роботів. При аналізі компонувальних схем РТК застосовувався метод структурно-морфологічного аналізу. Експериментальні дослідження проводилися з використанням теорії планування багатофакторних та однофакторних експериментів. Моделювання виконувалося за допомогою комп’ютера із використанням систем аналітичних обчислень.

Наукова новизна одержаних результатів. Отримані нові результати для теорії і практики створення токарних РТК з двозахватними промисловими роботами, які полягають у наступному:

- вперше створено структурно-математичний метод аналізу та синтезу двозахватних промислових роботів, який відрізняється тим, що враховує кінематичні і конструктивні особливості, зокрема умови приєднання ланок, захватів та кінематичних пар як між собою, так і відносно вихідної ланки, що дозволяє обґрунтовано аналізувати всі можливі варіанти та вирішувати питання визначення їх доцільних виконань;

- розроблено узагальнену структуру будови токарних РТК, в якій відображено відмінні ознаки виконань технологічного обладнання, промислових роботів, допоміжних пристроїв, їх компонувального розміщення, та за допомогою системно-морфологічного методу встановлено області їх пріоритного використання;

- вперше розроблено структуру продуктивності токарних комплексів, на основі якої досліджено вплив схем двозахватних пристроїв, типу й розмірів оброблюваних деталей та варіантів виконання і функціонування РТК на час циклу роботи, що дозволило визначити зони продуктивності роботи РТК з однозахватними та двозахватними роботами;

- отримані аналітичні залежності для оцінки динаміки конструкцій двозахватних пристроїв, які забезпечили розробку рекомендацій по її підвищенню, зокрема, за рахунок вибору кращих виконань, введення гальмівних механізмів, зменшення інерційності та експериментально підтверджено їх адекватність.

Практичне значення отриманих результатів. На підставі виконаних досліджень особливостей будови токарних РТК та використовуваних в них двозахватних пристроїв промислових роботів розроблено структурно-математичний метод, використання якого дозволяє визначати доцільні варіанти виконань зазначених пристроїв. Розроблено структуру продуктивності РТК, на основі якої досліджено вплив схем двозахватних пристроїв та оброблюваних деталей, що дозволила сформулювати конкретні рекомендації по доцільності використання тих чи інших конструкцій при певних умовах експлуатації комплексів.

Виконано теоретичні та експериментальні дослідження динамічної якості конструкцій двозахватних пристроїв, які дозволили розробити рекомендації по напрямках її підвищення.

Розроблені рекомендації по створенню модульних конструкцій двозахватних пристроїв та визначені основні напрямки їх ефективного використання у виробництві.

Результати досліджень передані для впровадження на ВАТ “Гідросила”, ВАТ “Кіровоградський завод дозуючих автоматів” та використовуються у навчальному процесі кафедри “Технологія машинобудування” Кіровоградського національного технічного університету.

Особистий внесок здобувача. Автору належать:

1. Структурний аналіз компоновок РТК на основі системно-морфологічного методу; 2. Конструктивний і кінематичний аналізи двозахватних пристроїв промислових роботів та розробка структурно-математичного методу пошуку доцільних варіантів [3], [4], [5], [7]; 3. Дослідження продуктивності токарних РТК та роботи двозахватних пристроїв на різних позиціях. Аналіз умов зміни захватів місцями в робочій зоні верстату [1], [2], [6]; 4. Теоретичні та експериментальні дослідження динамічної якості різних виконань двозахватних пристроїв та динаміки процесу зміни захватів місцями; 5. Практичні рекомендації по проектуванню (в т.ч. модульному) та використанню двозахватних пристроїв в токарних комплексах; 6. Нові конструктивні рішення по двозахватних пристроях на рівні винаходів, які оформлені заявками і захищені патентами України [8], [9], [10], [11].

Апробація роботи. Основні положення і результати роботи були заслухані і обговорені на Першій міжнародній науково - технічній конференції “Машинобудування та металообробка – 2003” (2003р., м. Кіровоград); ХІІ міжнародній науково - технічній конференції “Машинобудування і техносфера ХХІ сторіччя” (2005р., м. Севастополь); Регіональній науково-технічній конференції молодих учених і спеціалістів (2006р., м. Кременчук); Міжнародній науково-технічній конференції “Важке машинобудування проблеми та перспективи розвитку” (2006р., м. Краматорськ); щорічних наукових конференціях професорсько-викладацького складу Кіровоградського національного технічного університету (2002 – 2006 рр.);.

Публікації за матеріалами дисертації. За темою дисертації опубліковано 13 друкованих робіт, з них 7 статей у фахових виданнях України, 4 патенти України на винаходи та корисні моделі.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, загальних висновків та списку використаних джерел із 188 найменувань та додатків. Повний обсяг дисертації становить 219 сторінок, включаючи 75 рисунків, 16 таблиць. Список використаних джерел та додатки займають 70 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ. Обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і задачі досліджень.

У першому розділі “СТАН ТА ПЕРСПЕКТИВИ РОЗВИТКУ ТОКАРНИХ КОМПЛЕКСІВ З ДВОЗАХВАТНИМИ ПРОМИСЛОВИМИ РОБОТАМИ” розглянуто питання застосування промислових роботів (ПР) у виробничому процесі, замінюючи людину при обслуговуванні металообробних комплексів.

Однією з головних переваг промислових роботів є наявність можливості швидкого (оперативного) їх переналагодження для виконання задач, що відрізняються послідовністю та характером маніпуляційних дій. Враховуючи те, що сучасне виробництво характеризується зміною номенклатури (а отже і технологічних процесів) виробів, застосування промислових роботів в цих умовах є найбільш доцільним та ефективним.

Дослідженнями в даній області займалися вчені в галузі машинобудування та робототехніки, серед яких П.М. Бєлянін, С.Ф. Бурдаков, Е.І. Воробйов, А.П. Гавриш, Ю.Г. Козирєв, В.І. Костюк, І.І. Павленко, Є.П. Попов, Г.А. Спину, К.В. Фролов, І.Б. Челпанов, Є.І. Юревич, Л.С. Ямпольский та багато інших. Але, як показує аналіз результатів їх досліджень, двозахватні пристрої детально не розглядалися.

Наведений аналіз відомих компоновок токарних РТК та конструкцій двозахватних промислових роботів (ДПР), а також проаналізовані раніше виконані дослідження які свідчать про те, що:

- питання структури токарних РТК та використовуваних у їх складі ДПР висвітлені недостатньо. Структурні дослідження дозволять визначити можливі варіанти вирішення проблеми, та по відповідних критеріях встановити найбільш доцільні виконання. Тому вважається актуальним розробка структурних формул будови РТК та двозахватних промислових роботів.

- відсутні системні дослідження продуктивності токарних комплексів з ДПР. Здебільшого вони носять оглядовий характер деяких типів РТК та особливості їх експлуатації. Отже, важливою задачею досліджень є розробка узагальненої структури продуктивності та визначення впливу всіх її складових на продуктивність комплексу в цілому.

- дослідження динамічних характеристик двозахватних промислових роботів в розглянутих джерелах відсутні, хоча ці питання актуальні та важливі. Слід відмітити, що зі збільшенням кількості захватів збільшується маса робочого органу, що безумовно впливає на динамічні якості робота.

Зроблено висновок про необхідність проведення досліджень по підвищенню продуктивності токарних комплексів з ДПР за рахунок структурних та динамічних вдосконалень.

Визначені мета роботи та завдання досліджень.

У другому розділі “МЕТОДИКИ ДОСЛІДЖЕНЬ ТА СТРУКТУРНО-МОРФОЛОГІЧНИЙ АНАЛІЗ ТОКАРНИХ РТК” у відповідності з поставленими задачами досліджень були розроблені методики аналізу будови і функціонування токарних РТК, структурного аналізу та синтезу виконань двозахватних промислових роботів, методика аналізу продуктивності токарних комплексів з ДПР та методика проведення теоретичних і експериментальних досліджень динаміки конструкцій двозахватних пристроїв в т.ч. процесу зміни захватів місцями (ЗЗМ).

Рис. 1. Структура будови та функціонування РТК. | Розглянуто принципові ознаки кон-структтивного виконання РТК із яких головними можна виділити наступні: а) особливості виконання технологічного обладнання, ПР і допоміжних пристроїв; б) особливості оброблюваних на РТК деталей; в) особливості виробничого оточення РТК; г) особливості компонувального розміщення елементів (обладнання, робота і допоміжних пристроїв), що складають РТК. З урахуванням цих умов створено структуру

будови і функціонування комплексу (рис. 1) та записано їх структурні формули.

На основі методу морфологічного аналізу виконано структурний синтез схем токарних РТК з побудовою морфологічних таблиць. Морфологічну таблицю представлено у вигляді морфологічної матриці:

МРТК = МТО МПР МДП МХД МУПД МКР ; (1)

де: МРТК – загальна кількість варіантів компоновок РТК; МТО – кількість варіантів при аналізі технологічного обладнання (ТО); МПР – кількість варіантів при аналізі ПР; МДП – кількість варіантів при аналізі допоміжних пристроїв (ДП); МХД – кількість варіантів при аналізі характеристик деталі і умов її затиску; МУПД – кількість варіантів при аналізі умов переміщення деталі в робочій зоні; МКР – кількість варіантів при аналізі особливостей компонувального розміщення.

Таблиця 1. Загальна морфологічна таблиця аналізу РТК.

Особливості будови та функціонування елементної бази РТК | Оброблювані деталі | Особливості компо-

нувального розміщення

Технологічне обладнання | Промисловий робот | Допоміжні пристрої | Хар-ки деталі та умови її затиску | Умови переміщен-ня в робо-чій зоні

Призначення та особливості виконання верстату | Відкритість робочої зони | Затискний пристрій верстату | Механічна частина | Привод | Система керування | Призначення | Особливості позиціонування | Координатність розміщення деталі | Тип конструктивного виконання | Тип деталі | Варіант затиску її захватом | Переміщення деталі в робочу зону | Переміщення деталі на робочу позицію | Розміщення робота | Розміщення допоміжних пристроїв

Кількість рук | Кількість захватів

У розгорнутому стані матриця має вигляд:

(2)

Проведений багатокритеріальний аналіз синтезованих компоновок на основі методу перетину нечітких множин показав перевагу РТК, що оснащені двозахватними промисловими роботами по критеріях продуктивності та займаній виробничій площі.

Третій розділ “СТРУКТУРНИЙ АНАЛІЗ ТА СИНТЕЗ ВИКОНАННЯ ДВОЗАХВАТНИХ КОНСТРУКЦІЙ ПРОМИСЛОВИХ РОБОТІВ” присвячений аналізу двозахватних конструкцій промислових роботів на структурному рівні.

Розроблено узагальнену структуру, що дозволяє комплексно представляти усі принципово різні схеми будови досліджуваних пристроїв, а відповідно цілеспрямовано вести пошук раціональних варіантів. При розробці структури (рис. 2) прийняті позначення: МЗЗМ – механізм ЗЗМ; Л-ОМ – локально-операційний механізм; ЛДП – ланки двозахватного пристрою; ВЛ – вихідна ланка робота, до якої приєднується двозахватний пристрій.

Рис. 2. Структура двозахватних пристроїв роботів. | У роботі було запропоновано записувати конструкції двозахватних пристроїв у вигляді формул, в яких виді-лено конструктивну складову, що залежить від кількості ланок, умов та напрямків їх

з’єднання, особливостей приєднання до них захватів та кінематичну складову, до якої було віднесено механізм ЗЗМ, локально-операційні ступені рухомості й кисті.

Головним елементом конструктивної будови пристроїв є наявність ланок, які формують каркас конструкції, до якого приєднуються захвати та необхідні кінематичні пари. З’єднання ланок, теоретично чи практично, може бути співвісним (/), паралельним (//), перпендикулярним (), перехресним (перпендикулярним, що не перетинається – Х), та під довільним кутом (V), що і враховано в структурних формулах.

Другою складовою конструктивної структури двозахватних пристроїв, є відображення особливостей приєднання захватів до ланок пристрою. Оскільки вони розміщені на кінцях відповідних ланок, то важливо вказувати напрямок вісі захвату по відношенню до вісі ланки, що його тримає. Ці напрямки такі ж, як і напрямки взаємного розміщення ланок.

Для вирішення завдання по завантаженню і розвантаженню роботами ТО необхідно в конструктивну структуру двозахватного пристрою ввести додатково кінематичні пари, які будіть забезпечувати необхідні рухи пристрою.

Процес ЗЗМ може реалізуватися обертовим або поступальним рухами. Тож структурна формула для схеми наведеній на рис. 3, а, буде: | .

У наведеній формулі вказана кінематична пара, яка здійснює обертовий рух відносно власної осі (О). Вісь вихідної ланки (ВЛ) і напрямок руху (вісь, відносно якої здійснюється рух в кінематичній парі) між собою перпендикулярні (). Після кінематичної пари вказується напрямок приєднання ланки пристрою (Л) до кінематичної пари. В даній схемі ці напрямки перпендикулярні (). Якщо потрібно, то додатково після вказаного напрямку, можна вказувати ще й напрямок приєднання, відносно ланки, до якої приєднується кінематична пара. В схемі, що розглядається, таке уточнення не потрібне, оскільки інше приєднання ланки (Л) до пари (О), при умові їх перпендикулярності, неможливе.

Приклад дволанкового захватного пристрою показано на рис. 3, б, відповідно до структурної формули: | .

Триланкові двозахватні пристрої з додаванням ступенів рухомості зміни захватів місцями, також можуть бути реалізовані великою кількістю різних варіантів, в залежності від необхідних умов роботи ПР у комплексі.

Один з таких прикладів наведено на рис. 3, в, згідно структури: | .

Рис. 3. Конструктивно-кінематичні схеми двозахватних роботів. | У структурі двозахватних пристроїв можуть бути не тільки ступені рухомості, які забезпеч-чують ЗЗМ, а й інші кінематичні групи. Це в першу чергу стосується наявності в пристрої орієнтуючих ступенів рухомості, які відносяться до кисті того чи іншого захвату. Приклад такого виконання показано на рис. 3, г, що відповідає структурній формулі:

.

Окрім ступенів рухомості кисті, в пристрої, а відповідно і його структурі, можуть бути й локально-операційні ступені рухомості.

Один із таких варіантів показано на рис. 3, д, відповідно до структури: | .

У даній формулі вказується на використання поступального локально-операційного руху (Пло), що може вирішувати питання здійснення руху для виведення деталі із патрону токарного верстату, тощо.

У цілому, запропонована структура дозволяє враховувати усі основні відмінні ознаки, які забезпечують формування різних конструкцій двозахватних пристроїв, представляти їх будову формулами та зручно здійснювати пошук найбільш доцільних варіантів в залежності від особливостей використання тих чи інших токарних РТК.

Для ґрунтовного аналізу можливих виконань двозахватних пристроїв було розроблено методику, яка дозволила визначити кількість теоретично можливих варіантів схем пристроїв (ця кількість складає тисячі, а то й мільйони варіантів), та вказати напрямок пошуку обмеженої кількості найбільш доцільних виконань.

Четвертий розділ “ПРОДУКТИВНІСТЬ ТОКАРНИХ РОБОТИЗОВАНИХ КОМПЛЕКСІВ, ОБСЛУГОВУВАНИХ ДВОЗАХВАТНИМИ ПРО-МИСЛОВИМИ РОБОТАМИ” присвячено розробці структури та аналізу продуктивності роботи РТК.

Час обробки деталей на РТК, що визначає його продуктивність, залежить від часу роботи кожної складової комплексу, в тій чи іншій мірі, що можна представити структурою циклу роботи РТК:

, (3)

де ТРТК, ТТО, ТПР, ТДП – відповідно час циклу роботи комплексу, технологічного обладнання, та не перекритий час роботи промислового робота і допоміжних пристроїв.

Рис. 4. Структура продуктивності РТК. | Першим кроком є структурне представлення будови комплексу та структура його продуктивності. Так для комплексів з одним верстатом і ДПР структура продуктивності наведена на рис. 4. Верхній рядок відповідає варіанту з одним допоміжним приймально-

подавальним пристроєм, а нижній – варіанту з окремими приймальним і подавальним ДП. Пунктиром виділені складові часу роботи комплексу, які можуть повністю або частково перекриватися роботою ТО, або один одним.

Надалі було розглянуто час роботи ПР на робочій позиції верстату (рис. 5, а):

(4)

де: tр(в) – час роботи ПР на робочій позиції верстату; tпрз – час підведення захватів на робочу позицію; tврз – час відведення захватів з робочої позиції; tз – час на затиск (розтиск) деталі; tлп – час на локальні переміщення (введення, виведення деталі з патрону); tззм – час на зміну захватів місцями.

Більш повна оцінка була виконана по фактичному значенню часу. Для цього було створено конкретну розрахунково-компонувальну схему РТК, де вказані координати розміщення транспортованих роботом деталей по позиціях РТК. Вирішення цього питання розглянуто на прикладі комплексу, який включає в себе токарний верстат і портально розміщений двозахватний промисловий робот. Заготовки та оброблені деталі розміщені на подавальному і приймальному пристроях, що знаходяться збоку верстату (рис. 5, б). Величина часу залежить від значень лінійних та кутових переміщень рухомих ланок робота (), та відповідно від швидкості цих переміщень ().

Тож неперекритий час роботи ПР на робочій позиції верстату:

; (5)

Рис. 5. Розрахункові схеми:

а – схема обслуговування робочої позиції верстату; б – розрахунково-компонувальна схема РТК. | У роботі було проаналізовано можливість ЗЗМ в робочому просторі токарного верстату з ЧПК, час обслуговування допоміжних пристроїв, та проведено порівняння продуктивності роботи РТК що обслуговуються однозахватними та двозахватними промисловими роботами. Встановлено, що використання двозахватного пристрою на роботі “Бриг-10”, порівняно з базовою конструкцією, дозволяє скоротити час простою верстату під завантаженням і розвантаженням майже в 4 рази. Цей результат досягнуто за рахунок того, що при використанні двозахватних пристроїв, основна частина рухів робота відбувається під час роботи верстату. Отримана величина скорочення простою обладнання може змінюватися в межах 3 – 8 разів залежно від технічних характеристик використовуваних роботів та даних розрахунково-компонувальних схем РТК.

Проведено дослідження залежності продуктивності РТК від часу роботи ПР та ТО. Графік (рис. 6) побудовано при часі роботи верстату tвер = 0,1(Q1); 0,5(Q2); 1,0(Q3); 5,0(Q4) хв. Час роботи ПР змінювався від 0 до 1,0 хв. З графіку видно, що час роботи ПР суттєво впливає на продуктивність комплексу у випадку, коли час роботи ТО незначний, а при його збільшенні час роботи ПР має все менший вплив на продуктивність РТК в цілому.

Рис. 6. Графік залежності продуктивності

РТК від часу роботи ПР. | На графіку можна виділити зони продуктивності, що відповідають використанню в РТК одноруких однозахватних та одноруких двозахватних ПР. Таким чином можна визначити величину збільшення продуктивності РТК від використання ДПР, що визначається за формулою:

(6)

Величина зростання продуктивності складає від 1,1 до 3 раз при tвер=0,1...5,0 хв.

Це вказує на те, що використання ПР з двозахватними пристроями дозволяє значно підвищити продуктивність роботи токарних РТК, в особливості при не великому часі роботи верстату. Так, при tвер=0,1 хв і tР(В)=0,1 хв – КQ = 3,0.

П’ятий розділ “ТЕОРЕТИЧНІ ТА ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІД-ЖЕННЯ ДИНАМІКИ ДВОЗАХВАТНИХ ПРИСТРОЇВ” присвячено аналізу динамічних характеристик двозахватних пристроїв та процесу ЗЗМ.

Враховуючи, що пристрій розміщений на кінцевій ланці руки ПР, то важливо, щоб процес ЗЗМ здійснювався з мінімальними енергетичними та динамічними навантаженнями. Останнє суттєво впливає на час та точність зазначеного процесу, навантаження на механічну систему і надійність її функціонування. Тож загальний момент обертової частини двозахватного пристрою буде:

(7)

де – відповідно моменти інерції від утримуваних деталей, захватів та з’єднувальних ланок, відносно вісі обертання.

Розрахунки інерційності для різних виконань двозахватних пристроїв наведені в таблиці 2. За отриманими даними побудовано діаграми, що показують вплив форми та розмірів деталей і схем пристроїв на інерційні характеристики захватів.

Таблиця 2. Інерційні характеристики двозахватних пристроїв.

№ | Розрахункова схема | Момент інерції обертової частини | № | Розрахункова схема | Момент інерції обертової частини

1 | 4

2 | 5

3 | 6

Із наведених діаграм видно, що основне інерційне навантаження створюють затиснуті захватом деталі. Їх момент інерції в 2 – 4 рази більший від моменту, який створюють захвати та з’єднувальні ланки.

Для більш повного аналізу інерційних характеристик різних виконань двозахватних пристроїв, побудовано графіки (рис. 8, 9) їх залежності від маси утримуваних деталей та

Рис. 7. Діаграми інерційності конструкції двозахватних пристроїв. | співвідношення довжини деталі до її діаметру. З графіків видно, що різні конструкції пристроїв мають різну інерційність і різний вплив маси та габаритних розмірів на неї. Наявність отриманих результатів дозволяє обґрунтовано вибирати ті чи інші конструкції для певних умов роботи.

Рис. 8. Графік залежності інерційності від маси деталі. | Рис. 9. Графік залежності інерційності від відношення l/d.

Оцінку динамічної якості конструкції виконано по власних частотах, для визначення яких використано принцип Даламбера.

Рис. 10. Схеми досліджуваного

захватного пристрою:

а) конструктивна схема;

б) розрахункова схема. | Згідно з конструктивним виконанням пристрою (рис. 10, а), було складено розрахункову динамічну схему (рис. 10, б). У наведеній динамічній схемі прийняті наступні позначення: m1 – маса деталі, що утримується захватом; m2 – маса захвату, включаючи циліндр приводу та затискні важелі; l1 – довжина затискних важелів; l2 – довжина циліндру захвату; , – відповідно, моменти інерції затискних важелів та циліндру приводу.

Для визначення коефіцієнтів впливу було побудовано одиничні епюри. При їх побудові і виконанні інших розрахунків прийнято умову, що кожен із захватів жорстко приєднаний до жорсткого циліндру приводу ЗЗМ, а тому коливання кожного з захватів є незалежними один від одного. Перемножуючи одиничні епюри, визначено коефіцієнти впливу:

Формули для визначення власних частот мають вигляд:

(8)

(9)

Визначено співвідношення амплітудних відхилень у різних напрямках:

; (10)

. (11)

Рис. 11. Форми власних коливань системи по першій (а) і другій (б) частотах. | По цих відхиленнях побудовано форми власних коливань (рис. 11).

Визначено рівняння коливальних рухів у момент позиціонування:

; (12)

. (13)

По визначених залежностях побудовані графіки коливань (рис. 12) по координатах .

Рис. 12. Коливальні рухи захватів при зміні їх місцями.

З наведених формул та графіків слідує, що значні коливання має маса m1, якій відповідає маса утримуваної деталі. Коливання кінця циліндру приводу практично несуттєві. На коливання маси m1 основний вплив має перша частота. Максимальна амплітуда коливання складає 3,08 мм, що при встановленні деталі в цанговий патрон токарного верстату може бути не допустимою величиною, а тому виникає потреба в часі для згасання цих коливань. Для підвищення продуктивності ЗЗМ необхідно підвищувати динамічну якість конструкції, як за рахунок зменшення її інертності (патент № 15774) [8], так і підвищення жорсткості системи затискних важелів, за умови що жорсткість привода захватів досить висока. Другою складовою підвищення продуктивності є збільшення швидкості обертання захватів, що можливо при використанні безударних зако-нів руху та включення в конструкцію гальмівних систем (патент № 18720) [11].

Експериментальні дослідження виконувалися на промисловому роботі “Бриг – 10”, модернізованому двозахватними пристроями з використанням датчиків, які отримували живлення постійним струмом від блока живлення. Дані з датчиків надходили на тензостанцію, яку було з’єднано з платою L264. Зазначену плату було приєднано до персонального комп’ютера. Дані з датчиків підсилені тензостанцією генерувалися платою L264 в файли формату “**.dat” та виводилися на моніторі комп’ютера у вигляді графіків.

Рис. 13. Експериментальна установка для дослідження динаміки якості двозахватних пристроїв промислових роботів:

1 – промисловий робот “Бриг–10”; 2 – двозахвантий пристрій; 3 – тахо-метр; 4 – тензометрична пластина; 5 – датчик тиску; 6 – тензостанція “ТОПАЗ”; 7 – блок живлення “АГАТ”; 8 – комп’ютер; 9 – монітор.

Рис. 14. Двозахватні пристрої, що досліджувалися:

1 – промисловий робот “Бриг – 10”; 2 – захвати; 3 – тахометр; 4 – тензодатчик; 5 – датчик тиску; 6 – механізм зміни захватів місцями.

Експерименти проводилися по кожній із досліджуваних конструкцій (рис. 14). По результатах вимірювань при різних умовах побудовані математичні моделі та поверхні відгуку. Так для першої схеми (рис. 14) вони наступні:

; (14)

. (15)

Рис. 15. Поверхня відгуку впливу тиску (Р) та маси деталі (G) на середню швидкість обертання. | Рис. 16. Поверхня відгуку впливу тиску (Р) та маси деталі (G) на амплітуду коливання конструкції.

Рис. 17. Поверхня відгуку впливу вильоту руки (L) та тиску (Р) на амплітуду коливання конструкції. | Рис. 18. Поверхня відгуку впливу вильоту руки (L) та маси деталі (G) на амплітуду коливання конструкції.

Встановлено, що при затиску різних деталей динамічні характеристики захватних пристроїв змінюються, що підтверджує результати теоретичних досліджень.

У шостому розділі “РЕКОМЕНДАЦІЇ ПО ПРОЕКТУВАННЮ ДВОЗАХВАТНИХ ПРОМИСЛОВИХ РОБОТІВ ТА ЕКОНОМІЧНА ЕФЕКТИВНІСТЬ ЇХ ВИКОРИСТАННЯ В ТОКАРНИХ РТК”. Розроблені практичні рекомендації по проектуванню двозахватних пристроїв (на основі яких розроблено та запатентовано ряд конструкцій) та визначені основні напрямки ефективного їх використання в складі РТК. Запропоновані основи модульного принципу будови двозахватних пристроїв з розробкою модулів та градації з’єднувальних ланок. Все це можна рекомендувати для створення відповідного стандарту.

Проведено техніко-економічну оцінку ефективності використання ДПР, які показують, що їх застосування дозволяє знизити термін окупності РТК в 1,4 – 1,8 рази у порівнянні з використанням одноруких однозахватних роботів.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

У дисертації наведено теоретичне узагальнення та нове вирішення наукового завдання, що виявляється в підвищенні продуктивності токарних РТК з двозахватними роботами на основі вдосконалення структури та динамічних характеристик.

1. Сформовано структурно-математичну теорію конструктивно-кінематичного аналізу та синтезу ДПР для токарних РТК з різною кількістю ступенів рухомості та формуючих ланок. Запропоновано записувати конструкції двозахватних пристроїв у вигляді формул (наприклад ), з відзначенням конструктивних і кінематичних складових, що дає змогу детально враховувати основні ознаки будови та функціонування пристроїв. Розроблено теоретичні основи визначення загальної кількості можливих варіантів виконань зазначених пристроїв та сформовано метод (алгоритм) визначення доцільних варіантів.

2. Розроблено загальну структуру продуктивності РТК, та досліджено вплив її складових на продуктивність комплексу в цілому при використанні різних виконань двозахватних пристроїв. Визначено зони продуктивності, які відповідають використанню однозахватних та двозахватних ПР. Встановлено, що використання двозахватного пристрою дозволяє підвищити продуктивність токарних РТК в 1,1 – 3 рази та скоротити простоювання верстату під розвантаженням та завантаженням в 3 – 8 разів.

3. Проаналізовано умови ЗЗМ в робочій зоні верстату та визначені формули для розрахунку необхідного простору для типових схем двозахватних пристроїв і розмірів транспортованих деталей та встановлені залежності для різних їх виконань. Досліджено вплив розмірів оброблюваних деталей та схем двозахватних пристроїв на додатковий час простоювання верстату, що пов’язаний з підведенням та відведенням ріжучого інструмента. Так, в інтервалі відношення довжини деталі до діаметра (l / d = 0,2...4,0), для різних схем пристроїв час простоювання верстату змінюється в межах 1,1 – 1,7 рази.

4. Проведені дослідження інерційності двозахватних пристроїв показали, що основне інерційне навантаження створюють затиснуті захватом деталі. Їх момент інерції в 2 – 4 рази більший по відношенню до моменту, що створюється захватами та з’єднувальними ланками.

5. Проведено теоретичні дослідження власних частот двозахватного пристрою, які склали Р1 = 103 с-1; Р2 = 1479 с-1. Встановлено, що затискні важелі мають основний вплив на динамічну якість, оскільки їх жорсткість в 3.5 – 5 разів менша жорсткості циліндрів приводу затиску.

6. Виконані дослідження динаміки процесу ЗЗМ показали, що коливальні рухи захватів у момент позиціонування в основному визначаються першою частотою і суттєво залежать від наявності гальмування в приводі.

7. Експериментальним шляхом отримані математичні моделі і побудовані поверхні відгуку залежності амплітуди коливань та швидкості обертання пристроїв від маси деталей, вильоту руки ПР та тиску повітря в системі. Результати експериментальних даних відрізняються від теоретичних на 25 – 35%, що підтверджує їх достовірність.

8. Сформовані основи модульного принципу будови двозахватних пристроїв з розробкою градації з’єднувальних ланок, що можуть бути покладені в основу відповідного стандарту. Створені нові конструкції двозахватних пристроїв, захищені патентами України. Розроблені практичні рекомендації по проектуванню зазначених пристроїв.

9. Дослідження показують, що застосування ДПР дозволяє суттєво підвищити продуктивність РТК і знизити термін їх окупності в 1,4 – 1,8 рази порівняно з використанням одноруких однозахватних роботів. Результати роботи передані для впровадження на ВАТ “Гідросила” та ВАТ “Кіровоградський завод дозуючих автоматів”.

СПИСОК ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Основні положення дисертації опубліковано в наступних роботах:

1. Павленко І.І., Мажара В.А. Структура продуктивності верстатних роботизованих комплексів // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем. Збірник наукових праць. – Вип. 17 – Краматорськ: ДДМА, 2005. – С. 131 – 137.

2. Павленко І.І., Мажара В.А. Продуктивність функціонування двозахватних промислових роботів на позиціях допоміжних пристроїв // Прогресивні технології і системи машинобудування. Міжнародний збірник наукових праць. – Вип. 30 – Донецьк: ДонНТУ, 2005. – С. 170 – 175.

3. Павленко І.І., Мажара В.А. Кінематична структура двозахватних пристроїв промислових роботів // Збірник наукових праць КНТУ. – Вип. 17 – Кіровоград: КНТУ, 2006. – С. 278 – 282.

4. Павленко І.І., Мажара В.А. Конструктивна структура двозахватних пристроїв промислових роботів // Збірник наукових праць КНТУ. – Вип. 17 – Кіровоград: КНТУ, 2006. – С. 292 – 296.

5. Павленко І.І., Мажара В.А. Конструктивно – кінематична структура двозахватних пристроїв промислових роботів // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем. Збірник наукових праць. – Вип. 19 – Краматорськ – Київ, 2006. – С. 104 – 109.

6. Павленко І.І., Мажара В.А. Дослідження впливу використання двозахватних пристроїв на продуктивність роботи РТК // Машиностроение и техносфера ХХІ века. Сборник трудов ХІІІ международной научно-технической конференции в г. Севастополе. В 5-ти томах. – Донецьк: ДонНТУ, 2006. Т.5 – С. 282 – 287.

7. Павленко І.І., Мажара В.А. Теоретичні основи аналізу кількості виконань двозахватних промислових роботів // Вісник Тернопільського державного технічного університету. – № 3 – Тернопіль: ТДТУ, 2006. – С. 53 – 58.

8. Деклараційний патент України 15774, МПК F16S 5/00. Двозахватний пристрій промислового робота / Павленко І.І., Мажара В.А. – Опубл. 2006. Бюл. № 7.

9. Деклараційний патент України 17139, МПК F16Н 19/00. Спосіб зміни захватів місцями / Павленко І.І., Мажара В.А. – Опубл. 2006. Бюл. № 9.

10. Патент України 18300, МПК В65Н 09/00. Двозахоплювальний пристрій промислового робота / Павленко І.І., Мажара В.А. – Опубл. 2006. Бюл. № 11.

11. Патент України 18720, МПК В25J 18/00. Двозахватний пристрій промислового робота / Павленко І.І., Мажара В.А., Годунко М.О. – Опубл. 2006. Бюл. № 11.

12. Павленко І.І., Мажара В.А. Особливості структурної будови двозахватних конструкцій промислових роботів // Тези доповіді першої міжнародної науково-технічної конференції “Машинобудування та металообробка – 2003”. – Кіровоград: КДТУ, 2003. – С. 166 – 167.

13. Мажара В.А. Кінематична та конструктивна структура двозахватних промис-лових роботів // Тези доповіді регіональної науково-технічної конференції молодих учених та спеціалістів. – Кременчук: КДПУ, 2006. – С. 29.

АНОТАЦІЯ

Мажара В.А. Підвищення продуктивності токарних комплексів з двозахватними роботами вдосконаленням структури та динамічних характеристик. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.01 – Процеси механічної обробки, верстати та інструменти. – Кіровоградський національний технічний університет, Кіровоград, 2007 р.

Дисертація присвячена проблемі підвищення продуктивності токарних комплексів із двозахватними промисловими роботами за рахунок структурних та динамічних вдосконалень. Вперше створено структурно-математичний метод аналізу та синтезу конструктивно-кінематичних особливостей будови і функціонування двозахватних промислових роботів з визначенням доцільних варіантів. Розроблено структуру продуктивності РТК та досліджено вплив на неї схем двозахватних пристроїв, розмірів оброблюваних деталей та варіантів виконання РТК. Отримані аналітичні залежності для оцінки динамічної якості конструкцій двозахватних пристроїв та експериментально підтверджено їх адекватність. За результатами досліджень розроблені практичні рекомендації щодо проектування двозахватних пристроїв (на основі яких розроблено та запатентовано декілька конструкцій) та визначені основні напрямки ефективного їх використання в складі токарних РТК.

Ключові слова: токарний роботизований комплекс, промисловий робот, структура, продуктивність, динамічна якість, двозахватний пристрій, компоновка, модульний принцип.

АННОТАЦИЯ

Мажара В.А. Повышение производительности токарных комплексов с двузахватными роботами усовершенствованием структуры и динамических характеристик. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.01 – Процессы механической обработки, станки и инструменты. – Кировоградский национальный технический университет, Кировоград, 2007 г.

Диссертация посвящена проблеме повышения производительности токарных комплексов с двузахватными промышленными роботами на основе структурных и динамических усовершенствований.

Впервые создан структурно-математический метод анализа и синтеза конструктивно-кинематических особенностей построения и функционирования двузахватных промышленных роботов с определением рациональных вариантов.

Предложено записывать конструкции двузахватных устройств в виде формул с выделением конструктивной и кинематической части. Это дает возможность детально учитывать основные признаки строения и функционирования данных конструкций.

Разработано структуру производительности РТК и исследовано влияние на неё схем двузахватных устройств, размеров обрабатываемых деталей и вариантов исполнения РТК. Проанализированы условия смены захватов местами в рабочей зоне станка и выведены формулы для расчета необходимого пространства для типовых схем. Установлены зоны производительности, которые отвечают использованию в РТК однозахватных и двузахватных промышленных роботов.

Получены аналитические зависимости для оценки динамических характеристик конструкций двузахватных устройств и экспериментально подтверждено их адекватность.

Сформированы основы модульного принципа построения двузахватных устройств с разработкой градации стыковочных элементов, что может быть положено в основу соответствующего стандарта. По результатам исследований разработаны практические рекомендации по проектированию двузахватных устройств (на основе которых разработано и запатентовано несколько конструкций), и указаны основные направления эффективного их использования в токарных РТК.

Ключевые слова: токарный роботизированный комплекс, промышленный робот, структура, производительность, динамические характеристики, двузахватное устройство, компоновка, модульный принцип.

SUMMARY

Mazhara V.A. The Raising of Productivity of Turning Complexes with Double-Gripped Robots with the Improvement of Structure and Dynamic Characteristics. – Manuscript.

Dissertation on getting of a scientific degree of the candidate of engineering science for a speciality 05.03.01 – Processes of machining, machine tools and tools. – The Kirovograd National Technical University, Kirovograd, 2007.

The dissertation is dedicated to the problem of raising the productivity of the turning complexes with double-gripped industrial robots owing to the structural and dynamic improvements. For the first time the structural-mathematical methods of analysis and synthesis of the constructive-kinematical peculiarities of the structure and functioning of the industrial double-grippers with the determination of the expedient variants have been founded. The structure of productivity of the robot-technological complexes (RTC) has been worked out and the influence of the schemes of double-gripped devices, the sizes of the machining details and the variants of the accomplishment of the RTC upon it has been investigated.