Механика машин-автоматов для нанесения стеклоэмалевых покрытий

Актуальность работы. Одной из главных задач технического прогресса является автоматизация трудоемких технологических процессов с целью повышения производительности труда, повышения качества продукции и снижения ее себестоимости. Это требует разработки и создания высокоэффективного автоматического оборудования, совместимого с современными средствами управления.

Процессы нанесения стеклоэмалевых покрытий на изделия сложной формы характеризуются высокой трудоемкостью, широким распространением ручных операций и трудно поддаются автоматизации. Несмотря на массовый характер продукции, автоматические линии в эмалировочном производстве полностью отсутствовали вплоть до последнего времени.

Диссертационная работа является результатом участия автора в реализации научно-технических программ ГКНТ СССР, отраслевых программ МИНЧЕРМЕТа СССР, комплексной программы «Теория и принципы создания машин-автоматов, роботов и ГАУ» МИНВУЗа РФ, а также ряда НИР, выполнявшихся на договорной основе и по бюджетным программам ВУЗа.

Цель работы. Разработка научных основ для создания средств комплексной автоматизации процессов нанесения стеклоэмалевых покрытий на изделия сложной формы.

Научная новизна работы.

1. На основе анализа технологического процесса сформулированы требования к исполнительным механизмам эмалировочных машин-автоматов и манипуляторов и определены диапазоны параметров необходимых рабочих движений.

2. Определены характеристики эмалевого шликера как объекта автоматического регулирования и разработаны основы автоматической коррекции его рабочих свойств.

3. Разработана теория рабочих органов и исполнительных механизмов эмалировочных автоматов с регулируемой кинематикой рабочих движений, построенных на основе управляемых механических систем, совместимых с системами технологической адаптации.

4. Обоснована возможность реализации следящих приводов технологических машин-автоматов с высокими динамическими характеристиками на основе пневмосистем низкого давления с пропорциональным управлением.

5. Обоснованы принципы построения механизмов позиционирования машин-автоматов со специальными требованиями к кинематике рабочих движений.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

1. Разработаны и внедрены в производство унифицированные конструкции рабочих органов машин-автоматов с управляемой кинематикой и элементами технологической адаптации, допускающие сопряжение с электронными системами управления.

2. Разработаны и освоены новые магнитоактивные материалы для регулируемых приводов машин-автоматов.

3. Разработаны и внедрены в производство пневматические следящие приводы машин-автоматов с улучшенными динамическими характеристиками.

4. Разработаны и испытаны два типа новых манипуляторов с контурным управлением для нанесения стеклоэмалевых покрытий на крупногабаритные изделия методом напыления и опудривания.

5. Разработаны, построены и впервые внедрены в производство три роботизированные линии, ряд машин-автоматов и робототехнических комплексов для нанесения стеклоэмалевых покрытий на изделия сложной формы.

6. Годовой экономический эффект от одной роботизированной линии составляет 200 тыс. рублей (в ценах 1988 г.).

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на:

— Всесоюзных совещаниях по методам расчета механизмов машин-автоматов, г. Львов, 1968, 1971, 1976, 1979 гг.

— Республиканской научной конференции «Стеклоэмаль и эмалирование металлов», г. Новочеркасск, 1973 г.

— I и II Всесоюзных съездах по ТММ, г. Алма-Ата, 1977 г. и г. Одесса, 1982 г.

— Х1У Всесоюзном совещании «ПНЕВМОАВТОМАТИКА», г. Новочеркасск, 1982 г.

— Всесоюзной конференции по робототехнике, г. Ленинград, 1983 г.

— Международной научно-технической конференции «Стеклоэмали и жаростойкие покрытия», г. Новочеркасск, 1993 г.

— Научно-технических совещаниях МИНЧЕРМЕТа СССР, в 1970. 1987 гг.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 61 работе, в том числе 30 авторских свидетельствах на изобретение.

В диссертации защищается:

1. Обоснование технологических условий реализации машинного процесса нанесения покрытий.

2. Теория и конструкции исполнительных органов машин-автоматов и технологических роботов для воспроизведения регулируемого силового поля на основе управляемых механических устройств.

3. Результаты исследований магнитоактивных элементов регулируемых приводов и конструкции на их основе.

4. Результаты исследований и конструкции приводов механизмов позиционирования эмалировочных машин-автоматов и манипуляторов с учетом ограничений, обусловленных особенностями технологии.

5. Результаты исследований и конструкции силовых пневматических устройств с пропорциональным управлением для регулируемого привода технологических машин-автоматов.

6. Методы улучшения динамических свойств приводов эмалировочных машин-автоматов и манипуляторов.

Автоматизация производственных процессов является одним из основных средств технического прогресса, без которого невозможны высокие темпы роста производительности труда. Развитие исследований в области автоматизации производства, в том числе разработка теории и принципов создания новых машин, относится к наиболее важным задачам прикладной науки.

Автоматизация производства включает комплекс мероприятий по разработке новых технологических процессов и созданию производительных автоматически действующих машин. Разработка технологических машин-автоматов является определяющим этапом автоматизации. Однако успешное решение задач автоматизации невозможно без критического пересмотра всего производственного процесса, без подчинения технологии задачам автоматизации.

Мощным средством повышения эффективности автоматических машин является использование при их создании достижений робототехники, электроники, теории и практики автоматического управления, микропроцессорной техники, управляемых приводов. Построенные на этих принципах управляемые механические системы могут существенно превосходить традиционные машины-автоматы, построенные на чисто механических принципах, по универсальности, надежности, по возможностям технологической адаптации и унификации. Тем не менее, базовой основой автоматических машин была и остается механика, рационально спроектированные управляемые механические устройства.

В создании машин-автоматов, автоматических линий и робототехни-ческих систем отечественная наука имеет значительные достижения. Первые автоматические линии и роторные автоматы разработаны в нашей стране еще в 30-е годы, и тогда же начала создаваться теоретическая база для проектирования машин-автоматов.

Теории и расчету средств автоматизации посвящены известные труды И. И. Артоболевского / 1 /, Б. Н. Бежанова и В. Т. Бушунова / 2 /, П.Н. Беля-нина / 3 /, А. П. Владзиевского / 4 /, Л. И. Волчкевича / 5 /, И. И. Капустина / 6 /, Э.Э. Кольмана-Иванова / 7 /, Л. Н. Кошкина / 8 /, Л. В. Петрокаса / 9 /, Г. А. Шаумяна /10 / и др.

Изучение опыта и достижений автоматизации металлообработки, легкой, пищевой, текстильной, полиграфической отраслей промышленности представляет большой интерес и облегчает решение задач автоматизации процессов эмалирования. Особое значение имеет опыт создания высокопроизводительных многопозиционных роторных автоматов.

Эмалированные изделия находят широкое применение в различных отраслях промышленности и в быту. Это элементы химической аппаратуры, детали холодильников, стиральных машин, газовые и электрические плиты, посуда, сантехнические изделия: ванны, раковины, строительные отделочные элементы и т. д. Годовое производство таких изделий в стране исчисляется десятками миллионов штук. Производство эмалированных изделий и по сей день характеризуется высокой трудои энергоемкостью и широким применением ручного труда.

В 1970;80 годы в СССР были реконструированы большинство эмаль-цехов, введены в действие несколько крупных производств по 20 тыс. тонн изделий в год. Однако для операций нанесения покрытий из-за отсутствия надежных автоматических машин закладывалась ручная технология, и поэтому задачи автоматизации стали особенно актуальными.

В производстве эмалированных изделий широкой механизации подверглись многие важные технологические операции: подготовка материалов, эмалеприготовление, штамповка, травление, сушка. В то же время нанесение эмалевого покрытия поддается механизации труднее всего. Причиной этому служит большое многообразие форм изделий, сложность их поверхностей, непостоянство реологических свойств шликера и то обстоятельство, что процесс нанесения покрытий не поддается расчленению на элементарные операции, которые можно было бы выполнять последовательно (как, например, в металлообработке). Если простые формы — цилиндрические, плоские — в отдельности могут быть легко покрыты механизированным способом, то изделия, состоящие из совокупности этих форм, требуют весьма сложного силового воздействия для равномерного распределения шликерного слоя.

Попытки механизации нанесения стеклоэмалевых покрытий предпринимались сравнительно давно, с середины 60-х годов. Было разработано и построено несколько десятков типов машин-полуавтоматов, часть из которых была внедрена в производство. В их числе машины Алма-Атинского завода, машины серии ЭМ Лысьвенского металлургического завода, полуавтоматы серии ЭИ Новомосковского завода, конвейерные машины Полтавского НИИЭМАЛЬХИММАШа. Комплекс роторных машин типа ЭАГ, ЭПВ, ЭМБ был разработан в Новочеркасском политехническом институте под руководством С. И. Гончарова. За рубежом лидерами по средствам механизации являются итальянская фирма «МОНЕТА» и немецкая фирма «ANLAGENBAU», разработавшие ряд достаточно производительных конвейерных машин. Опыт разработки эмалировочных автоматов и других средств автоматизации эмалирования, построенных на чисто механических принципах, обобщен в сборниках трудов научно технических совещаний и других источниках /11, 12, 13, 14, 15/.

Все эти машины не являются автоматами и на их основе нельзя построить автоматическую линию. Облегчая ручной труд, они, в сущности, не снижали численности персонала эмальцеха, поскольку ряд операций оставался не автоматизированным и требовал обязательного участия человека-оператора: доработка покрытия, удаление излишков шликера, очистка бортов изделий и арматуры от капель, загрузка машин, установка изделий на обжиговый конвейер, съем обожженных изделий, зачистка следов инструмента, наведение или напрессовка борта. Помимо этого, не автоматизированной оставалась вся система шликеропитания, операции заправки и корректировки шликера, к тому же непостоянство его свойств от времени и других факторов требует периодического вмешательства в механизированный процесс нанесения покрытия.

Опыт механизации процессов нанесения покрытий подтверждает, что методы механизированного нанесения покрытий могут быть разделены на две условные группы: интенсивные методы и экстенсивные методы.

Первые методы при всем их конкретном многообразии сводятся к тому, что покрытие формируется за минимальное время при разнообразных интенсивных силовых воздействиях. При этом требуется сложная циклограмма обработки, зависящая в сильной степени от формы изделия и свойств шликера. Интенсивные методы отличаются «острой» настройкой и требуют точной, оптимальной циклограммы.

Преимуществом интенсивных методов является возможность сжать технологический цикл и достичь высокой производительности при малом числе позиций машины, малых габаритах и т. п., что особенно существенно при обработке крупногабаритных изделий. В то же время интенсивные методы могут быть успешно реализованы лишь машинами с гибкой, легко перестраиваемой циклограммой. Наиболее перспективными в этом смысле являются машины с программным управлением, снабженные электромеханическими исполнительными устройствами.

Экстенсивный путь предусматривает формирование покрытия в течение длительного времени при минимальных силовых воздействиях, в основном под действием сил веса. Эмалевый шликер должен при этом иметь вполне определенные реологические характеристики, в первую очередь, низкую тиксотропность. Циклограмма обработки в меньшей степени зависит от формы изделия. При этом для достижения приемлемой производительности машины должны иметь большое число позиций (обычно не менее 10. 12). Это связано с большими габаритами машин и значительными потребными площадями.

Оба эти пути механизации эмалирования не исключают друг друга, и выбор конкретного способа определяется многими дополнительными факторами. При разработке средств автоматизации нами в основном использовался интенсивный путь. Это диктовалось необходимостью вписываться в существующий процесс при малых свободных площадях. Помимо этого, реологические характеристики шликеров на большинстве отечественных заводов не позволяют применять иных методов. Решение задач комплексной автоматизации процессов нанесения стеклоэмали потребовало всесторонних исследований технологического процесса, выявления главных факторов, определяющих качество покрытия, разработки научных основ процессов его формирования, исследования и разработки методов механизированного нанесения покрытий, разработки методов автоматического контроля и коррекции шликера, строгой регламентации технологического процесса. Такие исследования были впервые организованы и проведены в Новочеркасском политехническом институте (ныне техническом университете) .

На основании лабораторных экспериментов и длительного производственного опыта стало очевидным, что для реализации воспроизводимого, полностью автоматизированного техпроцесса требуется обеспечить два условия: 1) автоматическое поддержания рабочих свойств шликера в заданных пределах- 2) возможность автоматической корректировки циклограммы эмалировочной машины.

В результате выполненных исследований процессов формирования покрытий, методов коррекции рабочих свойств шликера, разработок новых исполнительных механизмов с регулируемой кинематикой, опытно-конструкторских работ, в НГТУ создана группа новых машин-автоматов для автоматизации всех операций нанесения стеклоэмалевых покрытий на изделия сложной конфигурации. Эта группа охватывает все основные способы нанесения: погружение или облив, пульверизацию, сухое напыление. Машины имеют электронные системы управления, совместимые с управляющей ЭВМ. Разработанные машины и устройства позволяют строить полностью автоматические линии, выполняющие операции не только нанесения покрытий, но и обслуживание обжиговых агрегатов и дальнейшую доработку изделий. В настоящее время построено три автоматических линии.

Ниже описаны основные этапы разработки теории и принципов конструирования эмалировочных машин-автоматов НГТУ.

Автор выражает глубокую признательность профессору С. И. Дурову, доцентам А. Н. Болтышеву и В. М. Берднику, инженеру В. М. Захарову за помощь в реализации научных разработок. Это нашло отражение в соавторстве по публикациям и изобретениям.

ВЫВОДЫ.

1. Предлагаемые исполнительные механизмы эмалировочных автоматов с регулируемой кинематикой обладают широкой универсальностью, позволяющей использовать их в качестве генераторов управляемых механических колебаний, механизмов точного позиционирования машин-автоматов, приводных устройств технологических манипуляторов.

2. Полученные зависимости позволяют определить управляющие воздействия для реализации желаемых кинематических параметров движения исполнительных механизмов.

3. Разработаны способы реализации движений и позиционирования инерционных узлов машин-автоматов с повышенными требованиями к плавности перемещения и фиксации, исходя из технологических особенностей процессов эмалирования.

4. Разработаны методы улучшения динамических свойств механизмов позиционирования машин-автоматов за счет корректирующих устройств с самоулучшающейся программой.

5. Разработан и исследован новый тип управляющих пневматических устройств — силовые электропневматические преобразователи, позволяющие резко улучшить динамические свойства пневмомеханизмов и заменить следящий гидропривод в эмалировочных манипуляторах с контурным управлением.

6. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования новых исполнительных механизмов являются основой для расчета и конструирования элементов машин-автоматов и систем автоматизации процессов нанесения стеклоэмалевых покрытий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Автоматизация процессов стеклоэмалевых покрытий требует строгой регламентации технологического процесса и рабочих свойств эмалевого шликера.

2. Результаты технологических исследований раскрывают качественную и частично количественную стороны механизированного процесса формирования покрытий по интенсивной технологии на изделиях сложной конфигурации: способы устранения застойных зон, действие различно ориентированных сил, влияние одномерных и двухмерных возмущений на разравнивание шликерного слоя, предельно допустимые силовые воздействия в ходе техпроцесса.

3. Изучен эмалевый шликер как объект автоматического регулирования, определены статические коэффициенты передачи реологических свойств от главных возмущающих факторов. На основе этого при использовании разработанного устройства непрерывного контроля параметров шликера получена возможность осуществить автоматическую коррекцию его рабочих свойств и реализовать системы технологической адаптации эмалировочных машин, повышающие степень автоматизации процессов нанесения покрытий.

4. Сформулированы основные технические требования к машинам-автоматам для нанесения стеклоэмалевых покрытий и отработаны базовые циклограммы технологического процесса нанесения покрытий для основных групп изделий.

5. В результате многосторонних экспериментальных исследований осуществлено существенное улучшение рабочих свойств магнитоактивных элементов регулируемых приводов эмалировочных автоматов и манипуляторов: магнитореологических суспензий, наполнителей электромагнитных порошковых муфт и прессованных материалов их магнитопроводов. В итоге получены элементы, превосходящие существующие примерно на порядок по длительности срока эксплуатации, по стабильности механических характеристик, седиментационной устойчивости и быстродействию. Это позволяет строить модули приводов автоматических машин с высокими эксплуатационными показателями.

6. Для целей создания универсальных эмалировочных автоматов, представляющих собой технологические манипуляторы с развитой системой рабочих движений и допускающих сопряжение с электронными системами управления и системами технологической адаптации, разработано семейство механизмов с регулируемой кинематикой движений. Они представляют собой управляемые механические устройства на основе блоков порошковых муфт в сочетании с упругими и жесткими элементами в кинематической цепи. Благодаря их исключительно широким возможностям в смысле генерации рабочих движений удалось решить большинство задач механизированного нанесения покрытий.

7. На основе новых управляемых механических систем построены устройства и разработаны способы реализации рабочих движений и позиционирования инерционных узлов машин-автоматов с повышенными требованиями к плавности перемещений и фиксации, исходя из технологических особенностей процессов эмалирования.

8. На базе выполненных теоретических и экспериментальных исследований исполнительных механизмов с управляемой кинематикой движений, механизмов и устройств позиционирования, новых следящих пневмоприводов пассивного и активно-пассивного управления разработаны основы расчета и конструирования исполнительных механизмов эмалировочных машин-автоматов и манипуляторов.

9. Выполненные исследования способов нанесения покрытий, магни-тоактивных элементов приводов, кинематики и динамики основных исполнительных механизмов обеспечили разработку конструкций и промышленное освоение комплекса новых эмалировочных машин-автоматов и манипуляторов, перекрывающих большую часть типоразмеров эмалируемых изделий:

— унифицированные рабочие органы и силовые модули как основа для построения машин-автоматов различной структуры;

— роботокомплексы РТК-118Э, обеспечивающие обработку всего ряда средних изделий;

— автоматы ЭП-122СМ для обработки крупногабаритных изделий особо сложной конфигурации;

— автоматическая установка РТК-120ПУ для эмалирования методом сухого напыления чугунных сантехнических изделий;

— эмалировочные манипуляторы серии МКУ на основе следящего пневмопривода для нанесения покрытий методом пульверизации на крупногабаритные стальные сантехнические изделия.

Все предложенные машины-автоматы и управляемые вспомогательные устройства допускают сопряжение с электронными системами управления. Это позволяет совершенствовать техпроцесс и повышать степень его автоматизации программными средствами.

10. На основе разработанного комплекса машин построены первые отечественные автоматические линии типа ЛС и ЛК, пригодные для обработки практически всей номенклатуры малои среднегабаритных эмалированных изделий. За счет автоматизации вспомогательных операций и использования систем технологической адаптации появилась возможность полностью исключить ручные операции при нанесении стеклоэмалевых покрытий, сократить расход дефицитных материалов, улучшить качество продукции и существенно повысить производительность труда.

11. Результаты выполненных исследований могут служить основой для разработки теории и принципов конструирования эмалировочных машин-автоматов и систем автоматизации процессов нанесения стеклоэмалевых покрытий, а также систем автоматизации процессов специальных химических производств.