|
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Севастопольський НАЦІОНАЛЬНИЙ технічний університет
Данилюк Ольга Андріївна
УДК 621.865
БЕЗКОНТАКТНІ ЗАХОПЛЮЮЧІ ПРИСТРОЇ ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦІЇ ЗАВАНТАЖЕННЯ ТЕХНОЛОГІЧНОГО ОБЛАДНАННЯ
Спеціальність: 05.13.07.,
“Автоматизація технологічних процесів”
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Севастополь – 2003
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Проць Ярослав Іванович, завідувач кафедри автоматизації технологічних процесів і виробництв Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя.
Провідна установа: Національний університет “Львівська політехніка”, кафедра автоматизації теплових і хімічних процесів.
Захист відбудеться “23” жовтня 2003 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д50.052.02 при Севастопольському національному технічному університеті за адресою: 335053, м. Севастополь, Стрілецька балка, Студмістечко, корпус СевНТУ.
З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці СевНТУ за адресою: м. Севастополь, Стрілецька балка, Студмістечко, бібліотека СевНТУ.
Автореферат розісланий “19” серпня 2003 р.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради к.т.н., доцент В.О. Крамар
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Основними засобами автоматизації допоміжних технологічних процесів являються пристрої завантаження і транспортування штучних виробів. При цьому до них ставляться такі ж жорсткі вимоги як і до основного автоматизованого обладнання. Цими вимогами являються як традиційні (надійність, висока продуктивність, гнучкість), так і ряд специфічних, характерних для деяких галузей промисловості. Найбільш характерною із таких вимог є недопустимість жорсткого контакту об’єктів виробництва з несучими елементами технологічних пристроїв. Ця вимога стосується виробів крихких, не жорстких, з спеціальними покриттями, а також здатних до накопичення статичного заряду і намагнічування. Тому тема даної роботи, яка присвячена розробці безконтактних захоплювачів автоматичних пристроїв завантаження на основі використання елементів силової, струминної і магнітної техніки, є актуальною у даному напрямку.
Зв’язок роботи з науковими роботами, програмами, планами, темами
Дисертаційна робота виконувалась згідно плану науково-дослідної роботи кафедри автоматизації технологічних процесів і виробництв Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя при виконанні держбюджетної теми РК-0102 U 003431 .
Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає у вдосконаленні методів безконтактного захоплювання і утримування об’єктів маніпулювання за рахунок комбінацій фізичних ефектів від дії струменевих, вакуумних і магнітних сил, створення на цій основі безконтактних захоплюючих пристроїв для автоматизації завантаження технологічного обладнання.
Дана мета реалізується вирішенням наступних задач:
- розробка безконтактних захоплюючих пристроїв для автоматизації завантаження штучними об’єктами технологічного обладнання, захоплювання і утримування об’єктів в яких базується на основі комбінацій фізичних ефектів від дії струменевих, вакуумних і магнітних сил;
- розробка математичних моделей струменевих безконтактних захоплюючих пристроїв для маніпулювання циліндричними об’єктами із наскрізними і глухими отворами і типу диски;
- побудова математичної моделі вакуумно-струменевих безконтактних захоплюючих пристроїв для маніпулювання плоскими і пористими об’єктами;
- розробка математичної моделі магнітно-струменевих безконтактних захоплюючих пристроїв для маніпулювання феромагнітними і легко пошкоджуваними об’єктами;
- проведення експериментальних досліджень статичних і динамічних характеристик захоплюючих пристроїв розроблених на основі комбінацій фізичних ефектів від дії струменевих, вакуумних і магнітних сил.
- оптимізація конструктивних параметрів запропонованих комбінованих
безконтактних захоплювачів;
- розробка інженерної методики проектування і розрахунку комбінованих безконтактних захоплювачів.
Об’єкт дослідження: комбіновані безконтактні захоплюючі пристрої для захоплювання і утримування об’єктів маніпулювання, силовий ефект захоплення яких базується на основі комбінацій фізичних ефектів від дії струменевих, вакуумних і магнітних сил.
Предмет дослідження: конструктивні параметри та експлуатаційні характеристики безконтактних захоплювачів для автоматизації завантаження циліндричних об’єктів з наскрізними і глухими отворами, об’єктів плоских, пористих, феромагнітних, легко пошкоджуваних і типу диски.
Методи дослідження: при виконанні дисертаційної роботи в основу математичних моделей покладено основні закони і рівняння газової динаміки: рівняння збереження питомої енергії потоку та кількості руху, рівняння нерозривності потоку, рівняння стану ідеального газу, рівняння ізопроцесів та ін. Експериментальні дослідження силових характеристик безконтактних захоплювачів проводились прямим методом із використанням спеціальної дослідної установки.
Наукова новизна одержаних результатів:
- вперше розроблені комбіновані безконтактні захоплюючі пристрої для автоматизації завантаження технологічного обладнання, захоплювання і утримування об’єктів в яких базується на основі комбінацій фізичних ефектів від дії струменевих, вакуумних і магнітних сил;
- формалізація постановки задачі математичного моделювання процесів функціонування безконтактних захоплюючих пристроїв для автоматизації завантаження технологічного обладнання;
- розроблено математичні моделі струменевих безконтактних захоплювачів циліндричних об’єктів із наскрізними і глухими отворами і типу диски;
- побудовано математичну модель вакуумно-струменевих безконтактних захоплюючих пристроїв для маніпулювання плоскими і пористими об’єктами;
- розроблено математичну модель магнітно-струменевих безконтактних захоплюючих пристроїв для маніпулювання феромагнітними і легко пошкоджуваними об’єктами;
- розроблено алгоритм розрахунку безконтактних захоплюючих пристроїв на базі силових елементів струменевої і магнітної техніки.
Практичне значення отриманих результатів. Розроблені конструкції безконтактних захоплюючих пристроїв, методика їх проектування і розрахунку мають практичне застосування при автоматизації процесів завантаження в умовах приладобудівної і машинобудівної промисловості.
Результати роботи впроваджені у відкритому акціонерному товаристві “Тернопільський комбайновий завод” для завантаження листових заготовок в прес автоматизованої лінії ЛАС ЧПУ № 052-166 та розвантаження штампувальних комплектуючих деталей до комбайна “Дон”. Річний економічний ефект складає 31 тис. 836 грн. в цінах 2002 року. Копії документів про впровадження наведені в додатках.
Розроблені схеми безконтактних захоплюючих пристроїв та їх теоретичне обґрунтування застосовуються при вивченні дисципліни “Гнучке автоматизоване виробництво” в ТДТУ ім. І.Пулюя.
Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно, на основі власних ідей і розробок, а окремі досягнуті у співавторстві з працівниками за місцем роботи. Особистий внесок здобувача у роботах, виконаних у співавторстві полягає в тому, що він приймав активну участь у постановці проблеми та методів її розв’язання [6, 9], досягненні результатів теоретичних і експериментальних досліджень [1…5, 7], розробці конструктивних схем СЗП [1…3, 10], визначенні оптимальних конструктивних параметрів СЗП [2, 3, 8].
Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались і обговорювались: двічі на міжнародній науково-технічній конференції “Автоматика-99” (м. Севастополь, 1999 р.); на ІІІ, IV, V, VI і VII науково-технічних конференціях “Прогресивні матеріали, технології та обладнання в машино- і приладобудуванні” (м. Тернопіль, 1998, 2000, 2001, 2002, 2003 р.р.).
Дисертаційна робота обговорювалась на розширеному науково-технічному семінарі №4 Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя.
Публікації. За темою дисертації опубліковано 10 праць і один патент на винахід.
Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота викладена на 150 машинописних сторінках, складається із вступу, п’яти розділів, списку літературних джерел із 146 назв, містить 83 рисунки, одну таблицю, а також додатки на 54 сторінках. Загальний обсяг роботи – 245 сторінок.
ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтована актуальність теми роботи, визначена наукова новизна та практична цінність отриманих результатів досліджень.
У першому розділі “Аналіз методів автоматичного завантаження легко пошкоджуваних об’єктів” викладено літературний огляд, де обґрунтовується актуальність автоматизації допоміжних технологічних операцій на етапі сучасного виробництва обумовлюється високим рівнем якості випускаючої продукції, підвищенням її конкурентноздатності на світовому ринку, потужними темпами зростання продуктивності праці і рядом інших факторів.
В роботі проаналізовано розробки та дослідження в області автоматизації технологічних процесів автоматичними пристроями завантаження і вивантаження, застосуванням промислових роботів, автооператорів та ін. механізмів, проаналізовані вимоги до автоматичних засобів завантаження та до їх захоплюючих пристроїв, вказано на їх переваги та недоліки.
Великий вклад у формування наукових основ автоматизації технологічних процесів завантаження і розвантаження, контролю і транспортування штучних об’єктів в зону обробки з допомогою автоматичних пристроїв внесли дослідження провідних вчених сучасності, таких як: Волчкевича Л.І., Малова А.Н., Камишного Н.І., Медведя М.Ф., Рабиновича А.Н., Іванова Ю.В., Шаумяна Г.А. та ін., які проводились в МВТУ ім.. Н.Е. Баумана, Київському державному технічному університеті, Санк-Петербургському технічному університеті, Севастопольському національному технічному університеті, Національному університеті “Львівська політехніка”, Тернопільському технічному університеті і рядом інших науково-дослідних лабораторій.
Дослідження кінематики та динаміки автоматичних пристроїв завантаження – розвантаження, як основних елементів промислових роботів, розробці алгоритмів їх керування та інші питання автоматизації здійснені Артоболевським І.І., Беляніним П.Н., Бобринським А.Е., Поповим Е.П., Юревичем Е.І., та ін. Питанням автоматизації технологічних і складальних процесів із застосуванням різноманітних автоматичних пристроїв маніпулювання штучними об’єктами присвячені роботи вчених Новикова М.Б., Корсакова В.С., Капустіна І.І., Пашкова Е.В., Кузнєцова М.М., Усова Б.А., Яхимовича В.А., Коппа В.Я., Карлова А.Г., Гавриша А.П., Дащенко А.І., Клусова І.А., Іванова А.А., Ямпольського Л.С. та ін.
Аналіз робіт в області створення автоматичних пристроїв завантаження показав, що їхня експлуатаційна надійність залежить від конструкції захоплюючих пристроїв. Останні повинні забезпечувати надійне захоплювання й утримання деталей, стабільність базування, неприпустимість ушкодження або руйнування деталей, можливість захоплювання деталей у широкому діапазоні розмірів, форми і маси.
У зв’язку із швидким поширенням автоматичних пристроїв захоплювання і транспортування в різних галузях народного господарства в даний час ведуться розробки нових, більш досконалих конструкцій, область їх застосування постійно розширюється, виконання ними функцій значно ускладнюються.
До них ставляться жорсткі вимоги в області надійності, високої продуктивності, гнучкості, так і ряд специфічних вимог, характерних для окремих галузей промисловості. Найбільш характерною із таких вимог є недопустимість жорсткого контакту об’єктів виробництва з несучими елементами технологічних пристроїв. Ця вимога стосується виробів із неметалічних матеріалів, крихких, нежорстких, пористих, з спеціальними покриттями, а також здатних до накопичення статичного заряду і намагнічування.
Переважно для захоплення крихких і нежорстких деталей використовують камерні захоплюючі пристрої. Їх недоліками являються низька довговічність, неможливість утримування забруднених і нагрітих деталей, а також низькі силової характеристики.
Також використовуються вакуумні захоплюючі пристрої, область застосування яких обмежена з наступних причин. Вони вимагають повної герметизації порожнини вакуумування і наявності апаратури для створення розрідження. Крім цього, вони не задовольняють вимогам надійності фіксації заготовок, а виконання присосів з еластичного матеріалу не дозволяє здійснити точне позиціювання деталей.
При автоматизації процесів завантаження тонколистових деталей, у якості робочих органів промислових роботів і маніпуляторів найбільш ефективне застосування безконтактних захоплюючих пристроїв. У відомих безконтактних захоплювачах використовуються елементи магнітних і аеростатичних опор, а також аеродинамічний ефект силової взаємодії струменя повітря з поверхнею деталей.
Завдяки багатогранному характеру силової дії повітряного потоку на тверде тіло: реактивною силою, присмоктуючою дією, силами в’язкого тертя, а також у зв’язку із централізованим постачанням підприємств стиснутим повітрям, струменеві захоплюючі органи мають суттєві переваги по відношенню до інших захоплювачів при вирішенні задач автоматизації процесів завантаження, транспортування і орієнтації штучних заготовок.
Конструктивним розробкам і дослідженню пристроїв автоматизації технологічних процесів в яких для захоплювання об’єктів, їх транспортування, контролю, керування та інших операцій використовувався аеродинамічний ефект повітряного потоку, присвячені роботи: Залманзона Л.А., Пашкова Є.В., Козловського М.А., Пікнера М.Я., та ін.
Аналіз робіт вказує на те, що результати проведених досліджень і рекомендацій сьогодні не повністю задовольняють потреби виробництва. Недостатньо досліджень методів і способів захоплювання циліндричних тонкостінних із наскрізними чи глухими отворами об’єктів, об’єктів крихких, нежорстких, пористих. Недостатньо також досліджень в області автоматизації завантаження об’єктів, які схильні до накопичення статистичних зарядів і намагнічування.
Із приведеного вище аналізу сучасного стану і практики створення засобів автоматичного завантаження крихких і не жорстких об’єктів можна зробити наступні висновки:
- безконтактні захоплюючі пристрої володіють принципово новими властивостями – відсутністю зношування деталей, високою точністю центрування деталей, високими динамічними характеристиками, керованою навантажувальною здатністю, можливістю демпфування ударів деталей;
- безконтактні захоплювачі забезпечують високу якість продукції за рахунок відсутності на поверхні деталей слідів контакту, забруднень і пошкоджень, чого неможливо уникнути при використанні традиційних пристроїв захоплення деталей;
- при безконтактному базуванні деталей захоплювач знаходиться на деякій відстані від базової поверхні, а силове поле в зазорі діє рівномірно на всю поверхню, не викликаючи концентрації напружень і не порушуючи мікрорельєфу базових поверхонь. При цьому похибки базових поверхонь не впливають на точність базування.
Тому, дослідження з метою розробки нових конструкцій безконтактних захоплюючих пристроїв з високими статичними та динамічними характеристиками, довговічністю, надійністю, низькою собівартістю і економічністю представляють практичний інтерес.
У другому розділі “Безконтактні захоплювачі автоматичних пристроїв завантаження” проведено аналіз методів безконтактного утримування, схем захоплюючих пристроїв.
В основу розроблених конструкцій безконтактних захоплювачів покладений відомий ефект виникнення аеродинамічної сили, який полягає у взаємодії витікаючого із щілини струменя стиснутого повітря із плоскою, циліндричною або сферичною поверхнею об’єкту, а також ефект за рахунок комбінацій від дії струменевих, вакуумних і магнітних сил.
В результаті подачі стисненого повітря постійного тиску Pп сформований конічною щілиною радіусом r, та направлений під кутом α до поверхні заготовки – струмінь повітря витікає в зазор hpb між поверхнями захоплювача і об’єкту із швидкістю Vo, яка приблизно рівна місцевій швидкості звуку Vзв. Швидкість руху потоку V1 на радіусі r трошки менша швидкості витікання V1<V0, а наближаючись до периферії захоплювача поступово зменшується до швидкості V2<< V1, а в подальшому на радіусі r2 проходить повне розчинення в атмосфері. Енергія суцільного кільцевого газового потоку, яка визначається повним напором, який складається із суми п’єзометричного і динамічного напорів, визначає на торці захоплювача пониження тиску до величини нижчої атмосферного, тобто Pa≥ ΔP+ρv12/2, що сприяє при певних конструктивних параметрах захоплювача появі аеродинамічного ефекту притягання.
Під його дією заготовка підлягає присмоктуючій дії з певної відстані, буде піднята вверх і притиснута до торця захоплювача. При зменшенні відстані між торцем сопла і обтікаючою поверхнею заготовки до величини, яка рівна товщині повітряної подушки hпп, яка утворена в зазорі взаємодіючих торців, майже зовсім зникає реактивна сила струменя Rстр і переважаючою являється зростаюча присмоктуючи дія F, яка в подальшому врівноважується жорсткістю повітряної подушки.
На цій основі запропоновано ряд схем струменевих захоплювачів, при розробці яких враховано функціональні ознаки струменя, елементів захоплювача та об’єктів, форма та вага об’єктів, кривизна поверхонь, спосіб захоплення об’єктів та їх орієнтація, степінь автоматизації та ряд інших факторів.
Представляється перспективним для захоплення циліндричних об’єктів типу фланців з наскрізними циліндричними отворами використання струменевих захоплювачів із комбінованим розміщенням струменевих елементів.
В якості прикладу, на рис. 1 подано безконтактний струменевий захоплювач для об’єктів з глухим циліндричним отвором, для якого, на відміну від відомих, властива повна відсутність контактів з поверхнями об’єкта.
Використання у даному захоплювачі комбінації з двох або більше кільцевих конічних щілин, які направлені під різними кутами до торця захоплювача дозволяє підвищити їх силові і динамічні характеристики. Він забезпечують високу точність центрування (10...20 мкм) і базування (30...60 мкм) об’єктів маніпулювання, а також інтенсивний обдув їх поверхонь, що може бути корисним для очищення й охолодження останніх.
Для безконтактного захоплення циліндричних деталей типу диски, кілець підшипників, шайб та ін. представляється перспективним застосування струменевого захоплювача з двома або більше струменевими елементами на власному торці. Розміщення на торці захоплювача конічних щілин на різних радіусах і під різними кутами нахилу, забезпечує захоплення деталей в широкому діапазоні форм, розмірів і маси.
З метою розширення технологічних можливостей запропоновано також вакуумно-струменевий пристрій, який в порівнянні із струменевими аналогічних витратних характеристик, має в 2.5 – 4 рази більшу вантажопідйомність, і конструкцію струменево-магнітного безконтактного пристрою захоплювання і утримування об’єктів маніпулювання (рис. 2).
Безконтактний магнітно-струменевий захоплюючий пристрій для плоских феромагнітних заготовок володіє перевагами струменевих захоплювачів і має в 4...6 раз вищі силові характеристики у порівнянні з останніми аналогічних розмірів.
На відміну від магнітних, перевагами струменево-магнітних захоплюючих пристроїв являється відсутність механічного контакту з поверхнею захопленої заготовки та її інтенсивний обдув, що дозволяє маніпулювати неміцними, не жорсткими, з покриттями, забрудненими та іншими заготовками масою до 15 кг.
Проведено дослідження по визначенню раціональної області застосування безконтактних комбінованих захоплювачів. Сформульовані основні вимоги до технологічності деталей, наведені їх основні характеристики і розбивка на групи по степені захоплення їх безконтактними засобами. В якості прикладів конструктивної реалізації подані моделі автоматичних маніпуляторів, роботів, робочими органами яких можуть використовуватись безконтактні захоплюючі пристрої. Наведена схема РТК, автоматизованих ліній механоскладального виробництва.
У третьому розділі “Теоретичні дослідження безконтактних захоплювачів автоматичних пристроїв завантаження” обґрунтовано співвідношення сил, що утримують і відштовхують об’єкт маніпулювання, розроблено математичні моделі безконтактних захоплювачів, визначено оптимальні співвідношення між конструктивними параметрами безконтактних захоплювачів, проведено дослідження динамічних характеристик захоплювачів.
Із врахуванням газодинамічного аналізу потоків, аналітичного розв’язання систем вихідних рівнянь руху газових потоків створені розрахункові рівняння для визначення силових та інших характеристик безконтактних захоплювачів: багатоструменевих, комбінованих струменевих, струменево-вакуумних, струменево-магнітних та ін.
Приведений розрахунок силових характеристик безконтактного комбінованого струменевого захоплювача (рис.1), який базується на наступних припущеннях: 1) термодинамічні процеси витікання стиснутого повітря з щілин 1 і 4 – адіабатичні, а процеси протікання повітря в плоскому радіальному і кільцевому циліндричному зазорах утворених поверхнями захоплювача й заготовки – ізохоричні; 2) характер розподілу швидкостей у плоскому радіальному і кільцевому циліндричному зазорах а також на виході з щілин 1 і 4 – рівномірний, а режими руху потоків повітря – турбулентні; 3) втрати питомої енергії потоку в кільцевому циліндричному і плоскому радіальному зазорах характеризуються постійними середніми значеннями коефіцієнтів в’язкого тертя; 4) радіус стрибка тиску характеризуючого перехід витікаючого з щілини 4 надзвукового потоку в дозвуковий приймається рівним радіусу конічної вставки rв; 5) сила в’язкого тертя витікаючого із щілини струменя повітря – незначна у порівнянні із силами викликаними розрідженням на торці заготовки.
Для розрахунку силових характеристик даного захоплювача користуються формулою
F=F1+F2+F3,
де  – сила викликана розрідженням Ра–Рт1 у порожнині 7 заготовки; F2 – сила викликана розрідженням на торці заготовки в зоні rом<r<rв; F3 – сила викликана розрідженням на поверхні заготовки в зоні торця корпуса захоплювача.
Складові F2 і F3 підраховують за формулами:
 
де Gщ1, Gщ2 – масова витрата стиснутого повітря витікаючого з щілин 1 і 4 відповідно; λср2 – коефіцієнт в’язкого тертя потоку до торців вставки 5 і заготовки.
Абсолютні тиски Рт2 і Рт1 визначають з рівнянь
 ,
 .
Сила притягування об’єктів вакуумно-струменевим захоплювачем
 ,
де Ра – атмосферний тиск; Ре – абсолютний тиск повітря в порожнині 2 створюваний ежектором; Fcт – сила виникаюча від дії витікаючого з одного сопла струменя повітря.
При проектуванні безконтактних магнітно-струменевих пристроїв, для забезпечення в процесі експлуатації без ударного захоплення заготовок з відстані, необхідно, щоб виконувалась умова
Qпмах>Qемmах+тз(аmах–g),
де  – максимальна несуча здатність повітряної подушки, характерна при зазорах h1<0,05 мм; Qемmах – максимальна електромагнітна сила; тз – маса заготовки; аmах=8...15 м/с2 – максимальне прискорення демпфування удару захоплюваної заготовки.
Крім цього необхідно, щоб момент вмикання котушки електромагніта здійснювався із затримкою 0,2...0,4 с відносно моменту вмикання живлення захоплювача стиснутим повітрям.
Дослідження динамічних характеристик полягає в аналізі перехідних процесів у підвідних трубопроводах та камерах безконтактних захоплювачів. У результаті розв’язку диференціальних рівнянь перехідних процесів та руху об’єкта визначено максимальний час tmax захоплення об’єкта маніпулювання попередньо підведеним до нього струменевим захоплювачем з максимальної відстані hmax визначається за формулою
tmax=t1+t2+t3+t4,
де t1 – час спрацювання розподільчого пристрою;  – час поширення хвилі тиску від розподільного пристрою до камери захоплювача; t3 – час перехідного процесу, тобто час наповнення робочої камери струменевого захоплювача до тиску рівного тиску Рк в цій камері в усталеному режимі; t4 – час руху заготовки до торця струменевого захоплювача. Згадані вище складові визначаються за такими формулами
 ,
 ,
де    ; Fтах – максимальна сила притягування деталі при оптимальному значенні радіального зазору; Нр – умовне розрахункове значення відстані між торцями захоплювача та деталі при якій F=0 (Нp<6мм).
Швидкість і прискорення об’єкта у процесі його переміщення до торця захоплювача змінюються за такими законами:
У четвертому розділі “Експериментальні дослідження безконтактних захоплювачів автоматичних пристроїв завантаження” викладена методика проведення експериментальних досліджень, описані конструкції експериментальних установок, апаратура для вимірювання і реєстрації результатів досліджень, викладена методика статистичної обробки експериментальних даних, а також результати досліджень.
Для проведення експериментальних досліджень силових характеристик були виготовлені декілька типорозмірів безконтактних захоплювачів різних груп та розроблена дослідна установка.
При дослідженні силових характеристик безконтактних захоплювачів встановлено оптимальні значення радіального зазору між взаємодіючими поверхнями захоплювача й об'єкта. Для безконтактних захоплювачів товщина щілини, вимірювана в нормальному до її стінок напрямку, повинна складати 0,08…0,12 мм; оптимальне значення радіального зазору в 2,5…3,2 рази більше товщини щілини (рис. 3); радіус торця корпуса повинний бути на 10…15 мм більше радіуса конічної вставки; довжина щілини в 5...7 разів більшою висоти щілини, а кут її нахилу до осі захоплювача менший 20 градусів.
Експериментальні дослідження показали, що величина максимальної зони дії аеродинамічного ефекту для безконтактних захоплювачів складає  мм. Дослідженнями також встановлено, що
максимальний час захоплення деталей з відстані 4…8 мм, починаючи з моменту спрацьовування пневморозпо-дільника складає 0,1…0,3 с.
В результаті проведених досліджень встановлено, що область застосування безконтактних захоплювачів визначається вантажопідйомністю, яка залежить від максимальної сили притягання. Силові характеристики безконтактних захоплюючих пристроїв регулюються зміною параметрів джерел живлення або конструктивних параметрів, а продуктивність – періодичною подачею стиснутого повітря, циклічно до роботи обладнання.
У п’ятому розділі “Основи проектування та методика розрахунку безконтактних захоплювачів автоматичних пристроїв завантаження” розроблені технічні вимоги до БЗП, визначені їх технічні характеристики, викладена методика вибору конструктивних параметрів БЗП та розрахунку їх характеристик.
На основі техніко-економічного аналізу виробництва розроблені технічні вимоги до безконтактних захоплювачів. Зокрема вимоги до маси і габаритів, здатності до переналагодження й автоматичної заміни, жорсткості прикріплення, надійності фіксації й утримання об'єктів, зручності технічного обслуговування, багатофункціональності та ін.
Проведені дослідження дозволили визначити технічні характеристики розроблених безконтактних захоплювачів: точність центрування об'єктів; надійність роботи; питомі силові характеристики; коефіцієнти корисної дії та ефективності; рівень створюваного шуму.
З урахуванням виконаних теоретичних і експериментальних досліджень, аналізу технологічного процесу, властивостей об'єкта маніпулювання, характеристик пристроїв завантаження, а також технічних вимог викладена методика проектування і розрахунку безконтактних захоплювачів. На її основі здійснюється вибір типу безконтактного захоплювача, розрахунок його геометричних параметрів, максимальної вантажопідйомності, часу спрацьовування, та енергетичні затрати при експлуатації.
ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ
- Проведено аналіз існуючих засобів автоматичного завантаження технологічного обладнання та вперше запропоновані методи безконтактного захоплювання і утримування об’єктів маніпулювання на основі використання фізичних ефектів від дії струменевих, вакуумних і магнітних сил.
- Вперше розроблені комбіновані безконтактні захоплюючі пристрої для автоматизації завантаження технологічного обладнання, захоплювання і утримування об’єктів в яких базується на основі комбінацій фізичних ефектів від дії струменевих, вакуумних і магнітних сил;
- Вперше розроблено математичні моделі комбінованих безконтактних захоплювачів для об’єктів із наскрізними і глухими циліндричними отворами, об’єктів типу диски, пористих, плоских, феромагнітних і легко пошкоджуваних об’єктів.
- На основі динаміки руху різних за формою і напрямком газових потоків в зазорі взаємодіючих циліндричних поверхонь захоплювача і об’єкта проведено дослідження статичних і динамічних характеристик безконтактних струменевих захоплювачів. Встановлено, що при тисках живлення до 400 кПа, максимальна вантажопідйомність забезпечується при радіальному зазорі 0,3мм і становить:
- для деталей з наскрізними отворами в інтервалі 150-200Н;
- для деталей з глухими отворами в інтервалі 240-260Н;
- для деталей типу диски в інтервалі 160-200Н;
Оптимальне співвідношення між величиною кільцевого зазору hз захоплювача та товщиною щілини hщ1 знаходиться в границях:
- для деталей з наскрізними отворами – 3 .....3,4
- для деталей з глухими отворами – 3,5 .....4
- На основі динаміки руху різних за формою і напрямком газових потоків в зазорі взаємодіючих поверхонь захоплювача і об’єкта проведено дослідження статичних і динамічних характеристик безконтактних вакуумно-струменевих захоплювачів. Встановлено, що сила притягування досягає максимуму при радіальних зазорах h=0,05 ....0,07мм і характер її зміни сили близький до параболічного, при тисках живлення до 400 кПа – вантажопідйомність знаходиться в інтервалі 270 - 350Н, максимальний час захоплення об’єктів з відстані x=4…8 мм складає 0,1 - 0,3 с.
- На основі динаміки руху різних за формою і напрямком газових і магнітних потоків в зазорі взаємодіючих поверхонь захоплювача і об’єкта встановлено, що при тисках живлення від мережі до 400 кПа, напрузі в електромагнітній котушці в 16В – сила притягування досягає максимуму при радіальних зазорах h=0,15 …0,20mm і характер її зміни близький до параболічного. Максимальна вантажопідйомність досягає 450 –520Н при зазорах h1=0,1 …0,16 , а максимальний час захоплення об’єктів з відстані х=6…8 мм складає 0,1- 0,3 с.
- Проведено оптимізацію конструктивних параметрів комбінованих безконтактних захоплювачів деталей з наскрізьними і глухими циліндричними отворами, типу диски, пористих, плоских, феромагнітних, легко пошкоджуваних об’єктів і встановлено, що максимальні силові характеристики безконтактних захоплювачів досягаються, коли висота hщ кільцевої конічної щілини для витікання струменя в атмосферу дорівнює hщ=0,08…0,12 мм, а висота кільцевого зазору між торцевими поверхнями захоплювача і об’єкта знаходиться в межах hз=(2,8…3,2)hщ.
- Експериментальні дослідження комбінованих безконтактних захоплювачів підтвердили достовірність математичних моделей запропонованих конструкцій захоплювачів (похибка експериментальних і теоретичних досліджень не перевищує 12%), показали їх надійність при автоматичному завантаженні-розвантаженні гнучких, крихких, неміцних, нежорстких, нагрітих, забруднених, з покриттями та інших об’єктів.
- Встановлено технічні вимоги до комбінованих безконтактних захоплювачів та визначено їх технічні характеристики: точність центрування об’єктів δ2=10…20 мкм; ймовірність безвідмовної роботи більша від 99,8 %; питомі силові характеристики – до
 ; загальний ККД знаходиться в межах ηзаг=0,08…0,18.
10. На основі теоретичних і експериментальних досліджень, аналізу технологічного процесу, властивостей об’єкта маніпулювання, характеристик робота та технічних вимог викладена методика проектування і розрахунку комбінованих безконтактних захоплювачів. На її основі здійснюється вибір типу безконтактного захоплювача, розрахунок його геометричних параметрів, максимальної сили притягування і зони її дії, часу спрацювання, необхідні витрати стисненого повітря і електроенергії.
| 
