Расчет основных циклов машин-автоматов I класса

В машинах I класса все основные циклы равны между собой Т_т = Т_р = Т_к. Технологический цикл - Т_т равен рабочему циклу -Т_р, поскольку каждый готовый объект выходит из машины через промежу­ток времени равный времени нахождения объекта внутри машины, и равен кинематическому иклу -Т_к, так как за это время рабочие органы машины совершают необходимые перемещения и возвращаются в исходное положение.

Определим рабочий цикл -Т_р для каждого из вариантов возможного способа выполнения операций.

 

Машина I- A класса с последовательным выполнением операций

Возьмем, напри­мер, машину с тремя рабочими операциями (см. рис.1) кроме операций установки и съема изделий.

Возьмем горизонтальную ось времени - t (рис.2-а) и отложим на ней отрезки времени, затрачиваемые на технологический процесс, а именно:

t_у – время, затрачиваемое на установку обрабатываемогообъектана рабочую позицию в машине;

t_p1; t_p2; t_p3; … t_pi – продолжительность рабочих операций;

t_с – время, затрачиваемое на съем объекта с рабочей позиции.

Продолжительность рабочего цикла - Т_р, с, очевидно, равна сумме этих промежутков времени, т.е.

Т_р = t_y + St_pi + t_с                            (2.11)

где i – порядковый номер операции (i = от 1 до n, где n – количество операций).

 

 

Рис. 2-а. Схема работы машины I- A класса с последовательным выполнением операций

Машина I- Б класса с частичным совмещением операций

Рис. 2-б. Схема работы машины I Б класса с частично совмещенным выполнением операций.

Предположим, что вторая операция началась не после окончания первой, а на Dt, с раньше окончания первой операции (рис.2-б). В этом случае рабочий цикл сокращается на время совмещения - Dt. Если же будет проведено частичное совмещение нескольких операций, то рабочий цикл ста­нет равным:

               Т_р¢ = t_y + S t_pi - S Dt_j + t_c                       (2.12)

где j – порядковый номер совмещения соседних операций.

Таким образом, рабочий цикл Т_р¢ при частичном совмещении операций будет меньше рабочего цикла Т_р при последовательном выполне­нии операций на время S Dt_j: (Т_р ¢ < Т_р), а значит производительность машины с частично совмещенными операциями будет выше производительности машины, у которой это совмещение отсутствует.

Машины I- В класса с полным совмещением выполнения рабочих операций.

Рис. 2-в.  Схема работы машины I- В класса с полностью совмещенным (параллельным) выполнением операций.

В этих машинах  все рабочие операции начинаются одновременно после окончания установки объекта (рис 2-в). Очевидно, что съем объекта можно начать только после того, как закончится наиболее длительная рабочая операция продолжительностью t_{p max}, в нашем случае t_{p max} = t_p2.

В этом случае рабочий цикл –Т_р^”, c еще сократится и станет равным

               Т_р² = t_y + t_{p max} + t_c                      (2.13)

При этом Т_р² < Т_р¢.

При анализе формул (2.2) и (2.4) отмечалось, что производительность машины может быть увеличена за счет увеличения числа потоков-w и за счет сокращения рабочего цикла -Т_р.

Создание машин с большим числом потоков не всегда целесооб­разно, поскольку могут увеличиться простои машин. Сокращение рабочего цик­ла Т_р может осуществляться в нескольких направлениях:

· сокра­щение времени установки и съема за счет механизации и автомати­зации этих операций;

·  сокращение продолжительности рабочих опе­раций за счет интенсификации процесса; 

·  частичное или полное совмещение операций.

Совмещение операций всегда дает возможность повысить производительность. Однако полное совмещение операций в однопозицион­ной машине не всегда возможно, так как при этом или рабочие органы могут столкнуться, или по технологическому процессу выполнение последующей операции требует окончания предыдущей. Например, приклейка бандеролинаторце упаковки изделия может быть осуществлена только после сверты­вания концов обертки.

К машинам I класса можно отнести простые однооперационные машины периодичес­кого действия, которые выпускают порционную продукцию (тестоме­сильные машина периодического действия, прессы для отжатия жидких продуктов и ряд других). Производительность этих машин -П, кг/чопределяется:

           П = 60G /(t_p + t_в)                      (2.14)

где G – количество продукта, загружаемого в рабочую камеру или   

                 емкость, кг;

          t_p– продолжительность рабочей операции, мин;

          t_в – вспомогательное время, затрачиваемое на загрузку и                       

                опорож­нение рабочей камеры, мин.

Из формулы (2.14) следует, что производительность машины периодического действия может быть повышена за счет интенсифи­кации технологического процесса (уменьшения t_p), умень­шения вспомогательного времени t_в путем механизации и автомати­зации загрузки сырья и выгрузки готового полуфабриката, а также за счет совмещения t_p и t_в. Но такое совмещение в машинах I класса невозможно. Это оказалось возможным в машинах-автоматах II и III классов, которые относятся к многопозиционным машинам.

В этих машинах объект передвигается, занимая последователь­но несколько положений (позиций), в которых производятся соответствующие технологические операции.

 

Машины-автоматы II класса

Машины II класса – это многопозиционные машины, имеющие транспортирующий орган, который перемещает объекты с позиции на позицию, причем он движется периодически с остановка­ми. Обработка изделий ведется одновременно на всех позициях после их остановки. После окончания обработки изделий на рабочей позиции, где выполняется самая длительная по времени операция, происходит движение транспортера и смена позиций.

По форме выполнения транспортера эти машины бывают ротационные (например, карамелезаверточный автомат) и линейные (например, хлебопекарная печь с цепным люлечным конвейером, бисквитный штамп ударного действия или бутылкомоечная машины с периодическим дви­жением транспортера).

Машины этого класса бывают однопоточными (карамелезаверточ­ный автомат) и многопоточными (например, бутылкомоечная машина М6, в одну кассету-носитель которой одновременно помещается 20 бутылок).

На рис.3 показана принципиальная схема ротационной машины II класса для выполнения 4-х операций. Машина состоит из ротора 1 с гнездами или захватами 2 для обрабатываемых объектов и четырех исполнительных механизмов 3 с рабочими органами 4 установленных вокруг ротора на позициях 2, 3, 4 и 5. Привод ротора осущес­твляется, например, зубчатым колесом 5 с неполным числом зубьев, закрепленным на распределительном валу "РВ". За один оборот ко­леса ротор поворачивается на угол a, равный центральному углу между соседними гнездами 2, а затем находится в покое (выстое). Поворот ротора на угол a совершается за время движения t_д, а выстой – за время t_в. Таким образом кинематический цикл привода ротора равен Т_к = t_д + t_в.

Во время выстоя ротора все исполнительные механизмы (рис.3) приближают свои рабочие органы - инструменты 4 к объекту, обрабатывают его, а затем отводятся в исходное положение и делают выстой до следующего цикла. Поэтому кинематические циклы исполнительных механизмов равны кинематическому циклу привода машины - Т_к.

Поскольку каждый готовый объект выгружается из машины после поворота ротора на угол a и выстоя, то рабочий циклмашины - Т_р,с равен кинематическому циклу привода - Т_к,с

Т_р = Т_к = t_д + t_в                                        (2.15)

 

                             

Рис.3. Схема ротационного автомата II класса

Как показано на схеме рис.3 длительность операций различна:

у самой длительной операции рабочее время t_р4 = 8 с. Очевидно, что время выстоя ротора t_в должно быть больше или равно времени самой длительной операции t_{p max} (t_в ³ t_{p max}), иначе машина не успе­ет ее выполнить. Тогда рабочий цикл должен быть равен

          Т_р ³ t_д + t_{p max}                     (2.16)

В нашем случае t_{p max} = 8 с.;

Производительность машины рассчитывается также по формулам (2.2) и (2.4).

 В целях увеличения производительности машины II класса необходимо сокращать рабочий цикл Т_р, что может быть достигнуто тремя путями: уменьшением времени движения ротора t_д за счет увеличения скорости, что ограничивается возрастающими при этом ускорениями и силами инерции; уменьшением продолжительности рабочих операций t_p за счет интенсификации процесса и, наконец, разделением са­мой длительной операции с выполнением ее на нескольких позициях.

Например, в нашем случае четвертую операцию можно разделить на две части. Первую часть операции с рабочим временем t_p4¢ = 4 с выполняем на той же 5-й позиции, а для выполнения второй части со временем t_p4² = 4 с установим на 6-й позиции, где установим еще один испол­нительный механизм, а разгрузку перенесем на позицию 7. При та­ком разделении четвертой операции, самой длительной операцией теперь станет третья с рабочим временем t_рз = 5 с. Значит вместо рабочего цикла Т_р = t_д + 8 с, мы получим: Т_р¢ = t_д + 5 с.

Технологический цикл -Т_т,с равен времени прохождения объекта внутри машины от позиции загрузки  (рис.4) до позиции разгруз­ки. В нашем случае за это время ротор повернется и остановит­ся 5 раз, затрачивая каждый раз время Т_р, т.е. технологический цикл равен Т_т  = 5 Т_р; в общем случаеТ_т, с равен

                Т_т = Т_р (Z_p – 1),                               (2.17)

где  Z_p – число рабочих позиций (т.е. позиций занятых объектами,

                в нашем случае Z_p = 6).

Следует обратить внимание на то, что в многопозиционных машинах достигается полное совмещение операций в том числе, загрузка и съем, чем они выгодно отличаются от машин I-го класса своей производительностью.

Машины-автоматы III класса

В машинах III класса транспортирующие органы (роторы или транспортеры) движутся непрерывно без остановок и объекты обрабатываются на ходу. По характеру распределения рабочих и транспортирующих органов они разделяются на группы А и Б.

В машинах класса III-А выполняется несколько рабочих опера­ций на одном транспортирующем органе. При этом рабочие органы обрабатывают объект на ходу, сопровождая его некоторое время и затем, возвращаясь в исходное положение, либо перемещаются в поперечном направлении или оста­ются неподвижными.

В машинах III-Б класса выполняется всего одна рабочая операция на одном, закрепленном за данной операцией транспортирующем органе. Рабочие органы непрерывно сопровожда­ют объект в течение данной технологической операции на этом роторе от начала до конца.

Машины-автоматы III-А класса

 

В ротационных машинах III-А класса исполнительные механизмы, как и в машинах II класса, располагаются вокруг ротора (рис.4). Но в данном случае ротор вращается с постоянной угловой скоростью.

Каждое готовое изделие выходят из машины после поворота ротора на угол a между соседними гнездами. Следовательно, рабочий цикл -Т_р , с равен времени поворота ротора на угол a, т.е. Т_р = a / w (вспомним, что вообще w = j / t, c^-1, поэтому t = j / w, c). 

Рис.4. Схема ротационного автомата III-А класса.

Рабочий цикл – Т_р,с машины III-А класса можно найти так. Если число гнезд на роторе равно z, тоуголa = 2p / z. Учитывая также, что w = pn / 30 (здесь n – частота вращения ротора, об/мин), получим

                  Т_р = a/w = 2p × 30 / z × pn = 60 / z × n                    (2.18)

Если машина однопоточная, то по формуле (2.2)ее производительность- П, шт/мин составит:

                       П = 60 / Т_р = z × n                               (2.19)    

 

или часовая производительность - П, шт/ч равна:

                                  П = 60 × z × n                              (2.20)

Из последней формулы следует, что производительность машины III-А класса можно повысить за счет увеличения частоты вращения ротора – n, об/мин или числа гнезд – z на роторе.

При увеличении частоты вращения увеличатся скорости и ускорения звеньев исполнительных механизмов, что может привести к нежелательному возрастанию динамических нагрузок.

Увеличение числа гнезд, на роторе приводит к увеличению диаметра ротора. Действительно, при шаге расположения гнезд – S, мм, длина окружности ротора – L, мм будет равна: L = z ×S, но L = p × D. Отсюда следует, что диаметр ротора – D, мм равен: D @ z × S / p.

Кинематический цикл - Т_к , с, ротационной машины III-А класса равен времени одного оборота ротора, т.е. 

Т_к = 60/n                                         (2.21)

Технологический цикл -Т_т, с, этой машины равен времени, необходимому для поворота ротора на угол j между позициями загрузки и раз­грузки (cм.рис.4). Технологический цикл может быть найден из пропорциональ­ного соотношения: один оборот ротора (360°) совершается за время кинематического цикла – Т_к ,с.(Т_к = 60/n), а поворот на угол j° - за время технологического цикла - Т_т, с

360⁰ – 60 / n;

                                              j⁰ - Т_т.    

          Следовательно, Т_т = 60 × j^о / n × 360; или Т_т = j^о / 6n  (2.22).

Машины-автоматы III-Б класса

Машины этого класса обычно однооперационные, у них имеется столько одинаковых рабочих органов, сколько гнезд имеет ротор. Каждый из рабочих органов непрерывно сопровождает свой объект в течение всего технологического цикла. Примером может служить автомат для розлива пищевых жидкостей в бутылки, принципиальная схема которого показана на рис.6.

Автомат состоит из ротора 4 и резервуара 7, закрепленных на общем валу 1. Ротор имеет подъемноопускные столики с гнезда­ми 5 для установки бутылок и штоки 3, опирающиеся на неподвиж­ную направляющую 2. Резервуар 7 снабжен дозирующими устройства­ми 8 с насадками 6 (их количество равно числу гнезд на роторе). При вращении ротора за промежуток времени t_n столик поднимает бутылку так, что насадок: 6 входит в ее внутреннюю полость. За­тем открывается кран дозатора и в течение времени t_р происходит наполнение бутылки жидкостью. Затем за время t₀ столик опускает бутылку на ротор. Таким образом, технологический цикл Т_т склады­вается из суммы промежутков времени

Т_т = t_n + t_р + t₀.

Если известна частота вращения ротора n, число гнезд Z, то расчет циклов и производительности ведется, как к в преды­дущем случае по формулам (2.13 - 2.15).

Технологический цикл Т_т, рассчитанный по формуле (2.15), должен быть больше длительности технологической операции, иначе не хватит времени для ее выполнения.

Рис.5. Принципиальная схема разливочного автомата III-Б класса

К машинам III-Б класса можно отнести и многооперационные автоматы, каждая операция которых выполняется на отдельном роторе. Поэтому эти машины имеют столько роторов, сколько операций выполняет вся машина, причем каждый ротор имеет столько одинаковых рабочих органов, сколько могут обеспечить требуемую производительность. Примером может служить этикетировочная машина для нанесения этикеток на стеклотару.

Основные циклы машин III-Б класса определяются также, как и для машин III-A класса.

 

 

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ ПО ТЕМЕ

 

1. Что положено в основу классификации циклических машин?

2. Какие основные циклы нужны при проектировании машин?

3. В чем основное отличие машин каждого класса?

4. Назовите отличительные признаки машин-автоматов I-го класса?

5. Как определить основные циклы машины 1-го А, Б и В класса?

6. Назовите отличительные признаки машин-автоматов II-го класса?

7. Как определить основные циклы машин П класса?

8. Назовите отличительные признаки машин-автоматов III-го класса?

9. Какие имеются  разновидности и схемы машин Ш-го класса?

10.  Как определить основные циклы машин Ш-го класса?

 

ТЕСТЫ ПО ТЕМЕ

  5. Основной признак классификации циклических машин

5.1. Порядок работы машины

5.2. Ритм выдачи готовых изделий

5.3. Относительность движения изделия и рабочих органов

5.4. Назначение машины

6. Чем машины 1-го класса отличаются от машин П-го класса?

6.1. Количеством рабочих позиций

6.2. Порядком работы исполнительных механизмов

6.3. Ритмом работы

6.4. Производительностью      

7. Чем машины Ш-Б класса отличаются от машин Ш-А класса?

7.1. Скоростью движения транспортера изделий

7.2. Количеством рабочих позиций

7.3. Количеством выполняемых операций

7.4. Последовательностью выполнения операций

 

 

3. СИНХРОНИЗАЦИЯ ДВИЖЕНИЯ РАБОЧИХ

ОРГАНОВ МАШИН

При проектировании машины необходимо обеспечить строгую синхронность движения рабочих органов. В целях увеличения производительности машины необходимо стремиться к полному или частичному совмещению операций.

Основным техническим документом, связывающим технологический процесс с кинематикой машины, явля­ется цикловая диаграмма (циклограмма). Имеется два вида циклограмм:

· циклограммы интервалов времени или углов поворота ведущих звеньев исполнительных механизмов рабочих органов (обычно их называют просто – «циклограммы»);

· циклограммы абсолютных перемещений рабочих органов (их обычно называют – «синхрограммы»).   

Циклограммы интервалов

По форме выполнения циклограммы интервалов бывают линейны­ми и круговыми. Линейные циклограммы строятся на оси времени в пределах одного кинематического цикла Т_к (рис.6-а) или на оси уг­лов поворота распределительного вала в пределах одного его обо­рота 2p или 360° (рис.6-б)

Круговые циклограммы строятся в масштабе углов поворота распределительного вала (рис.7-б и 7-в).

На циклограмме интервалов времени механизма (рис.6-а) указывается последовательность и продолжительность рабочего и холостого ходов, а также выстоев рабочего органа в пределах одного кинематического цикла механизма. На циклограмме интервалов углов поворота механизма (рис.6- б) указываются углы поворота ведущего звена, соответствующие интервалам движения (рабочего и холостого хода) и выстоя рабочего органа.     

Рис.6. Циклограммы механизма: а- в интервалах времени;

б – в интервалах углов поворота распредвала.

Циклограмма интервалов автомата это совокупность циклограмм механизмов, составляющих автомат. На ней видна последовательность работы каждого механизма, время начала и конца каждого интервала (рис7-а).

Рис.7-а. Циклограмма тестоделительной машины

 

Рис.7-б. Круговая циклограмма механизма

                             

Рис.7-в. Круговая циклограмма тестоделительной машины