Программный модуль
синтеза
оптимальной конфигурации захватывающих воронок
бункерных загрузочных устройств
В.В. Прейс
заведующий кафедрой
д-р техн. наук, профессор,
М.К. Галонска
начальник бюро,
канд. техн. наук
г. Тула
Бункерные
загрузочные устройства (БЗУ) с захватывающими органами в виде вращающихся
воронок широко применяют в машиностроении для загрузки штучных предметов обработки
формы тел вращения в технологические машины-автоматы и автоматические линии.
При загрузке равно-размерных предметов обработки с отношением длины к диаметру l/d
= 1,2 – 1,5 обеспечение высокой производительности и надежности работы БЗУ
возможно путем интенсификации процесса захвата предметов обработки
захватывающей воронкой, поверхность приемной части которой выполнена по
криволинейной образующей [1], описанной,
например, стандартными математическими функциями.
При
проектировании БЗУ с вращающейся воронкой, исходя из параметров, характеризующих
загружаемые предметы обработки (габаритные размеры и коэффициент трения), и требуемой
фактической производительности БЗУ, решаются две основные задачи [2]:
1.
Выбор оптимальной конфигурации приемной части вращающейся воронки и расчет её
геометрических параметров, удовлетворяющих заданным конструктивным ограничениям
и отвечающих максимальному значению интегрального критерия 
– стохастического
коэффициента преобразования шага, равного произведению вероятностей перевода
предмета обработки из устойчивого положения поперек выходного отверстия воронки
в положение вдоль образующей приемной части воронки, благоприятное для захвата;
западания в выходное отверстие воронки предмета обработки, находящейся в
благоприятном положении; того, что захвату предметов обработки не помешает их
взаимная сцепляемость.
2.
Расчет требуемой частоты вращения воронки, обеспечивающей требуемые значения
фактической производительности БЗУ 
, определяемой по формуле:
(1)
где
‑ максимальное число
предметов обработки, которое может быть захвачено одной воронкой за один
кинематический цикл; 
– частота вращения
воронки; 
‑ коэффициент
выдачи БЗУ.
С целью расчета параметров БЗУ и его проектирования был разработан
пакет прикладных программ для расчета и анализа производительности БЗУ с
требуемой частотой вращения воронки. Для синтеза оптимальных криволинейных
конфигураций для приемной части вращающейся воронки на основе результатов
теоретических и экспериментальных исследований, был разработан программный
модуль с использованием программного пакета Visual Basic.
Разработанный
программный модуль и пакет прикладных программ, при введении соответствующих
редакторов связей, может быть включен в интегрированную САПР БЗУ (рис. 1), обеспечивая
возможность дальнейшего автоматического формирования
программно-технологического алгоритма для изготовления вращающейся воронки на
станке с ЧПУ.
рис.
1 Последовательность расчетов параметров
и проектирования БЗУ в структуре САПР
БЗУ
Программный
модуль разработан по аналогии с известными программными продуктами, содержит
большой набор сервисных функций, необходимых для повышения производительности и
упрощения организации работы пользователя (конструктора), предусматривает вывод
информации на экран монитора, принтер и в текстовый файл.
Исходными
данными для поиска оптимальных криволинейных конфигураций приемной части
воронки являются: параметры характеризующие предметы обработки и конструктивные
ограничения, накладываемые на конфигурацию воронок.
В результате вычислений массив параметров стандартных
математических функций, при которых образованные с их помощью конфигурации
приемной части воронки удовлетворяют конструктивным ограничениям. Одновременно
с этим для каждой конфигурации определяются значения частных критериев выбора:
критерия, определяющего возможность перевода предмета обработки из устойчивого
положения поперек входного отверстия воронки в положение вдоль образующей
приемной части воронки, благоприятное для захвата 
, и критерия, основанного на среднем моменте действующих сил 
. Далее, для отобранного массива конфигураций и
соответствующих им значений частных критериев выбора рассчитывается интегральный
критерий и определяется
оптимальная криволинейная конфигурация приемной части воронки.
Затем
для оптимальной криволинейной конфигурации приемной части воронки и соответствующего
ей максимального значения интегрального критерия проводится анализ
ожидаемой фактической производительности БЗУ в расчетном диапазоне значений
частоты вращения воронки с учетом органичений, накладываемых на кинематические
параметры БЗУ.
На основе расчетных значений
геометрических параметров воронки и элементов бункера БЗУ, частоты вращения
воронки ведут конструирование БЗУ, а затем его изготовление.
Программный модуль синтеза оптимальных
криволинейных конфигураций для приемных частей вращающихся воронок БЗУ
предусматривает работу в режиме расчета методом оптимизированного дискретного
перебора и в режиме верификации.
Расчет
методом оптимизированного дискретного перебора позволяет определить параметры
стандартных математических функций, формирующие оптимальные конфигурации, соответствующие
им геометрические параметры приемной части воронки и значения критериев выбора.
В режиме верификации проводится анализ
результатов, полученных методом оптимизированного перебора. Возможна
корректировка параметров математических функций, формирующих оптимальные
конфигурации приемных частей воронки; выявление влияния параметров на
геометрические параметры приемной части воронки; графическое построение
конфигураций воронки, схем для определения критериев выбора и совмещения
конфигураций воронок; распечатка результатов расчета в виде общей таблицы
значений параметров либо в виде масштабного чертежа приемной части одной
воронки с указанием соответствующих ей значений геометрических параметров.
Конструктор имеет возможность сохранить
рассчитанную базу в отдельный текстовый файл для возможности возврата к данному
расчету позднее уже без необходимости повторного ввода исходных данных и
повторного проведения расчета методом оптимизированного перебора.
Основное окно
интерфейса модуля представлено на рис. 2 и включает следующие элементы:
командную строку, поле размерности, поле параметров предмета обработки, поле
ограничений конфигурации воронки, поле параметров конфигураций криволинейных
воронок, поле параметров конфигураций конических воронок, поле графического
вывода результатов и поле состояния процесса расчета.
Поле графического вывода
рис.
2 Основное окно интерфейса модуля
Командная
строка содержит следующие основные команды: «Новый расчет», «Открыть»,
«Сохранить», «Печать», «Вид», «Расчет», «Настройка», «Помощь».
Поле
«Размерность» показывает размерность, которую необходимо использовать при вводе
исходных данных. В модуле принята следующая размерность: длина - мм, масса -
кг, угол - градусы.
Поле «Параметры ПО» необходимо для ввода параметров
предмета обработки.
Поле «Ограничения» необходимо для задания следующих
ограничений на конфигурации приемной части воронки:
минимального
и максимального выходных диаметров 
;
минимального
и максимального входных углов 
;
минимального
выходного угла 
;
минимального и максимального входных диаметров 
;
коэффициента
k1, определяющего
глубину L1 от входа в воронку;
максимального
диаметра воронки 
на глубине L1 от входа;
максимального
диаметра воронки 
на глубине
L2, равной 
.
В
поле параметров конфигураций криволинейных воронок фиксируются параметры рассматриваемых
математических функций, конструктивные размеры полученных конфигураций воронок,
значения критериев выбора, а также располагаются раскрывающиеся списки, переключающие
режим расчета (методом оптимизированного перебора или в режиме верификации).
Для
удобства пользователя рассматривается по три набора значений параметров.
Для
каждой математической функции, описывающей оптимальную конфигурацию воронки, в
поле выводятся следующие значения:
параметры
математической функции;
входной
и выходной диаметры воронки;
диаметры
воронки на глубине 
и от входа;
входной
и выходной углы воронки;
критерии
, 
, , 
, .
критерий,
по которому выбирается оптимальная конфигурация.
В
поле параметров конфигураций конических воронок задаются конструктивные
размеры, в также значения критериев выбора. Данное поле введено для возможности
сравнения с криволинейными конфигурациями воронок.
Поле графического вывода результатов необходимо для
вычерчивания конфигурации рассматриваемых воронок, взаимодействия с ними
предметов обработки, схем, принятых для расчета критериев выбора, а также
графиков значений частных критериев выбора.
Возможно
вычерчивание и совмещение нескольких криволинейных конфигураций для визуальной
оценки их различий. На рис. 3 показано графическое поле интерфейса с двумя вычерченными
конфигурациями приемных частей воронки (гиперболической и радиусной).
Для более детального просмотра, используя кнопку
«Увеличить окно», можно увеличить размер графического поля вплоть до размера,
близкого к размеру экрана монитора. Для просмотра новой графической информации,
используя кнопку «Очистить окно», производят очистку поля.
рис.
3 Графическое поле с совмещением конфигураций воронок
Поле состояния процесса расчета необходимо для
высвечивания подсказок пользователю во время ввода исходных данных и
корректировки ограничений, накладываемых на конфигурации воронок.
Предусмотрен ввод следующих необходимых
настроек для проведения расчета:
1. Настройки для проведения расчета методом
оптимизированного дискретного перебора. Задаются: вид функций, для которых
будет проводиться расчет, шаг параметров для проведения перебора, связанный,
например, с технологическими возможностями оборудования, на котором будут
изготавливаться воронки.
Возможна установка создания базы, в которую в ходе
выполнения расчета будет вноситься информация, содержащая массив параметров
функций, образующих конфигурацию воронки, удовлетворяющую граничным условиям с
указанием соответствующих рассчитанных значений критериев выбора. Возможна
установка визуального наблюдения за параметрами функций и образованных
конфигураций, удовлетворяющих граничным условиям.
2. Настройки проведения расчета в режиме
верификации. Задается информация, выводимая в графическом окне. Возможно
одновременное совмещение выводимой информации для разных конфигураций.
3. Общих настроек расчета. Задается вид
критерия выбора, по которому будет производиться синтез оптимальных
конфигураций воронок, учитывая особенности предполагаемого предмета обработки,
число расчетных положений для определения критериев, основанных на моментах
действующих сил и работе сил трения, а также угол наклона бункера (неподвижного
конуса) для определения значения критериев выбора.
При
соответствующих настройках в ходе выполнения расчета создается текстовый файл с
массивом параметров функций, формирующих конфигурации, удовлетворяющие граничным
условиям и соответствующие им значения критериев выбора.
Предусмотрена
печать результатов расчетов методом оптимизированного перебора. Для детального
изучения конфигураций воронок возможно в масштабе распечатать совмещенные
конфигурации воронок.
Пример
программной распечатки радиусной конфигурации воронки, предмета обработки и их
параметров представлен на рис. 4.
рис.
4 Пример программной распечатки радиусной конфигурации воронки
Программный
модуль для синтеза вращающихся воронок с криволинейными конфигурациями
захватной части, базирующийся на разработанных математических моделях, эмпирических
зависимостях и алгоритмах позволяет автоматизировать расчеты конфигураций для любых
равноразмерных (или близких к ним) осесимметричных предметов обработки формы
тел вращения.
Сравнительный
анализ показывает, что проектирование воронки с криволинейной конфигураций с
использованием стандартных программных средств, могло занимать 10-15 часов,
причем количество вариантов конфигурации с рассчитанным значением критерия
выбора не превышало десяти. Следовательно, конфигурация не была бы оптимальной,
а лишь удовлетворяющей конструктивным ограничениям. Подготовка программы для
станка с ЧПУ без использования разработанной программы определения декартовых
координат конфигурации занимало 1-2 часа. Цикл изготовления с учетом,
заготовительной операции, точения, термообработки и шлифования занимает около 8
часов. Таким образом, общее время на проектирование и изготовление воронки с
криволинейным профилем без использования программного модуля и программы
определения декартовых координат конфигурации составило 19-25 часов.
Использование
программного модуля позволяет проводить проектирование воронки с оптимальной
криволинейной конфигурацией за 0,2 часа. Использование разработанной
программы для определения декартовых координат конфигурации криволинейной
воронки снижает время разработки программы для станка с ЧПУ до 0,2 часа. Цикл
изготовления занимает также 8 часов. Таким образом, проектирование и
изготовление воронки с криволинейной образующей приемной части с использованием
программного модуля и программы для определения координат конфигурации составляет
8,4 часа.
Применение
программного модуля в системе автоматизированного проектирования сократит
временные и финансовые затраты при проектировании и изготовлении элементов БЗУ
в 2-3 раза, что подтверждено актами о реализации результатов ведущими предприятиями.
На базе программного
модуля разработаны лабораторные работы и внедрены в
учебный процесс на кафедрах «Пищевые производства» и «Технологическая
механика» ТулГУ.
Литература
1.
Пат.
42465 РФ.7 B
23 Q
7/00, 7/02. Бункерное загрузочное устройство / Галонска М.К.,
Прейс В.В. (РФ). - № 2004123144/22; Заявл. 28.07.04; Опубл. 10.12.04; Бюл.
№ 34.; Приоритет 28.07.04. – 2 с.: ил.
2.
Прейс
В.В. Галонска М.К. Бункерные загрузочные устройства с вращающимися воронками криволинейного
профиля.- Тула: Изд-во ТулГУ, 2004. 128 с.