Технологические процессы машин и аппаратов легкой промышленности и производств бытового обслуживания. Лабораторный практикум

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ Восточно-Сибирский государственный технологический университет

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ №5-8 ПО КУРСУ “ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ МАШИН И АППАРАТОВ ЛЕГКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ И ПРОИЗОДСТВА БЫТОВОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ”

Часть 2

Составители: Хадыков Т. Б. Тилигузова Т.М.

ВСГТУ г.Улан-Удэ 2001г.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5 ТЕМА: Раскрой материалов на машинах с пластинчатыми ножами. 1. Цель работы: 1.1.Изучить устройство станка и принцип работы. 2.1Изучить порядок работы машины и меры безопасности. 3.1Изучить теоретические основы функционирования и проектирования машины. 4.1Изучить технологический процесс резания. 2.Назначение. Машина предназначена для раскроя текстильных материалов. 2. Устройство, принцип работы и теоретические основы проектирования и расчета. Машины с пластинчатыми ножами. В машинах с пластинчатыми ножами перемещение последних осуществляется с помощью кривошипноползунных механизмов, подвижными звеньями которых являются: кривошип 1, шатуны 2 и ползун 3 (рис.1.1). К ползунам прикреплены пластинчатые ножи 4, перемещающиеся в направляющих 5. Разрезаемый материал располагается между платформой 6, соединенной стойкой 7 с электродвигателем 8, и упорной лапкой 9. Машины имеют подпружиненные ролики 10 и рукоятки для перемещения. Скорость ножей в рассматриваемых машинах изменяется по величине и направлению, что существенно влияет на процесс резания. При отсчете угла поворота кривошипа от верхнего вертикального положения аппликата оси пальца ползуна 2

1 J c = l ⋅ cosψ − r ⋅ cosϕ = r ( cosψ − cosϕ )

(1)

λ

Где r, l, λ – радиус кривошипа, длина шатуна и их отношение; φ и ψ – угла поворота кривошипа и шатуна. Угол φ определяется из равенства:

l ⋅ sinψ = r ⋅ sin ϕ Поэтому, после его исключения аппликата: А скорость и ускорение ползуна:

1

λ

(2)

zc = r ( cosϕ − sin2 ϕ ) 2 λ vc = v2 = ac =

λ dzc dzc dϕ = ≅ ωr (sin ϕ − sin 2ϕ ); (3) 2 dt dϕ dt

dvc ≅ ω 2 r (cosϕ − λ cos 2ϕ ) dt

(4)

Где ω – угловая скорость кривошипа. Графически скорости и ускорения точек кривошипноползунного механизма ножа удобно определять с помощью повернутых планов (рис.1.2.) Скорость точки С шатуна vc = vB + vCB Где ν B = ω ( AB) - скорость точки В, перпендикулярная АВ; ν BС - скорость движения точки С относительно точки В, перпендикулярная ВС. 3

Рис. 1.1. Схема машины с пластинчатым ножом

4

Где направленное

по n aCB

- ускорение точки В, ВА; 2 -нормальное = vCB / BC относительно точки В,

ускорение точки С направленное по СВ; a t - тангенциальное ускорение точки С относительно В, перпендикулярное ВС. План ускорений следует строить повернутым на π, считая опору А полюсом, а кривошип АВ – ускорением aB n При этом aCB и aC можно определить, не прибегая к аналитическим расчетам. Если из точки В и середины шатуна провести окружности радиусом Вв и ВС/2 и отметить точку F их пересечения, а затем из точки F опустить перпендикуляр на ВС отметив точки n и b′ , то из подобия треугольников ВFС и ВFn находим: 2 ( Bn ) ( BF ) ( BF ) 2 v BC ; ( Bn ) = = = ( BF ) ( BC ) ( BC ) ( BC )

Рис.1.2. Положения и повернутые планы скоростей и ускорений звеньев кривошипно-ползунного механизма

Если считать опору А механизма полюсом плана скоростей, а кривошип АИ – скоростью v B , повернутой на π/2 против ω, то отрезки (Ав) и (Вв) будут соответствовать отложенным в масштабе скоростям ν С и ν СВ

Rv = v B /( AB ) = ω После этого, легко определяются скорости точек. Ускорение точки С: = + n +

aB = ω 2 ( AB)

aC

aB

aCB

других t aCB

(5)

5

(6) Следовательно, отрезки (Вn), (n b′) и п t ускорениями аСВ , аСВ , ас вычерченными . 2

(АВ) являются в масштабе

Ra = aB /( AB) = ω

В связи с изменением скорости ножа изменяют ся отношение ее к скорости подачи материала, составляющие Q и Qz силы резания и сила F сопротивления движению машины. (рис.1.3). Резание материала происходит как бы ножом с непрерывно изменяющимся углом заострения. Радиус кривизны деталей, выкраиваемых на машинах с пластинчатыми ножами, больше, чем на ленточных машинах, и составляет 6

P ≥

b′ 2 sin θ

max

Где b′ - ширина стойки с ножом. При проектировании кривошипно-ползунного механизма ножа необходимо стремиться к улучшению процесса резания материала и уменьшению амплитуды вибрации машины, что обеспечивается при увеличении средней скорости ножа и уменьшения сил инерции звеньев. Скорость же ножа, как было показано, пропорциональна произведению ωr, а силы инерции звеньев определяются в первую очередь ускорением ползуна, пропорциональным произведению ω 2 r . В связи с этим угловую скорость кривошипа целесообразно принимать по возможности меньше, а радиус кривошипа больше. В большинстве машин ω=295 1/С, радиус же кривошипа в машине ЭЗМ-2 - 15 мм. Амплитуда вибраций машин, кроме того, зависит от отношения λ=r/l, так как модуль – максимум возмущающей силы (8) R ≅ ( m + m ) ⋅ r ⋅ ω 2 (1 + λ − K ), 0

m2 c m2 B

2c

3

( BS 2 ) m2 ; m2 = m2 B + m2 C , = i (CS 2 ) m2 = i Где

m2 B , m2C -

части

массы

Рис.1.3. График изменения сил резания (BS2 ), (CS2 ) - расстояние от осей В и С до центра тяжести шатуна Sz; К – коэффициент уравновешивания поступательно движущихся масс противовесом кривошипа. Масса m2C тоже является функцией отношения λ, поскольку оно определяет длину l и массу m2 шатуна (считая r=const). Можно принять

m2C = mII + F (l − d cp ) Где mn , F , d cp

шатуна

γ

2g

; F = F0 + χl

(9)

- соответственно масса нижней головки,

и

площадь поперечного сечения стержня шатуна и полусумма наружных диаметров верхней и нижней его головок; F0 , X - числовые коэффициенты. Тогда амплитуда вибраций машины будет зависеть от величины функции:

7

8

ползуна;

Ф(λ) = A0 = A2 =

m1n = m1′n + m1′′n ...., m1′n в которой уравновешивает массу кривошипа m1 и массу m2 шатуна, а m1′n - часть масс, движущихся возвратно-поступательно.

R0 A A ≅ (1+ λ − K)(1− A0 + 1 + 22 ) ω ⋅ r(m3 + mII ) λ λ 2

F0γdcp 2g(m3 + mII )

χγ ⋅ r2 2g(m3 + mII )

; A1 = (F0 − χdcp)

γ ⋅r 2g(m3 + mII )

Тогда

;

m1′n =

m1 ( AS1 ) + m2 B r , ( AS0 )

(11)

Где ( AS1 ), ( AS 0 ) - расстояние от оси вращения кривошипа до центров тяжести кривошипа и противовеса (см. рис.1.1 ).

.

Масса силы

m1′′n уменьшает

инерции

на

Tzи ,

вертикальную составляющую но

и

составляющую Tх (см. рис. величины составляющих

создает

горизонтальную

1.1 ). В следствии этого

Рz = Pzи + Pzи ; Rx = Tx ,

(12)

где

P = −(m2C + m3 )r ⋅ ω 2 (cosϕ − λ cos 2ϕ ); и z

Tzи = m1′′n ( AS0 )ω 2 cosϕ ;Tx = −m1′′n ( AS0 )ω 2 sin ϕ

Рис.1.4.График функции Ф(λ)

(13)

(14)

Согласно графикам, построенным по зависимостям для механизма машин ЭЗМ-2 при постоянном поперечном сечении шатуна, величина функции Ф(λ) существенно зависит от коэффициента уравновешивания К, а минимумы ее находятся на отрезке 0,15≤λ≤0,25 (Рис.1.4). В машине ЭЗМ отношение λ=0,08. Коэффициент уравновешивания и зависящие от него параметры противовеса можно определить из условия минимизации модуля-максимума сил инерции. Для этого массу противовеса следует представить суммой 9

Модуль

–

максимум

наименьшему, если квадрат

ϕ = π / 2,ϕ = π

рад. В этом случае

m1′′n = K (m2C + m3 )

силы

инерции

близок

к

R = R + R одинаков при 2

2 z

2 x

r 1 + 2λ ;K = ( AS0 ) 2(1 + λ )

(15)

Звенья механизма рассчитывают на прочность при случайной нагрузке, возникающей при попадании под нож посторонних предметов, а кинематические пары – на 10

долговечность. При этом учитывается, что давление в кинематических парах и скорости скольжения элементов пар непрерывно изменяются и по величине и по направлению; кроме того, элементы пар работают в условиях несовершенной смазки. Поэтому, долговечность пары определяют с помощью произведения (gv) – удельного давления в паре на скорость скольжения ее элементов, а допускаемые значения [gv] назначают в зависимости от g и v. Поскольку g и v непостоянны, принимается средняя величина показателя

( gv) ср = −

1 n ∑ gi vi n i =1

вычисленная

для

n

положений механизма. Давления в кинематических парах кривошипноползунного механизма ножа определяются графоаналитически для 6, а иногда 12 его положений или аналитически. Расчет несколько упрощается, если давление кривошипа на шатун представить в виде суммы

R12 = R12Ф + R12n ,

слагаемые которой направлены соответственно по ВА и ВС (рис. 1.5). В этом случае из уравнения

∑М

С 2

Рис.1.5 Силовой расчет кривошипно-ползунных сил механизма: а- схема механизма, б- совмещенный план сил

= 0 моментов сил, действующих на

где

шатун, относительно точки С следует:

R12Ф = − P2иB , где Р2иВ = −т2 В ⋅ аВ . При расчете сначала рассматривается равновесие группы ползун-шатун, а затем равновесие шатуна. Для равновесия группы необходимо:

Р и 2 В + Р2иС + Рзи + Qz + R03 + R12Ф + R12n = 0 Р2иС + Рзи + Qz + R03 + R12n = 0

и

P2иC = − m2C ac ; Р3 - сила инерции ползуна; Q z - вертикальная составляющая силы резания;

R03 -

давление

направляющей и

(16)

и

R12n , которые

Р3и = −m3 ac 12

(где

m3 -

Ф

можно найти с помощью плана

сил ( рис.1.5.б ). Вычислив и отложив

11

ползун,

перпендикулярное к оси z (поскольку Р2 В + R12 = 0 ). В этом уравнении неизвестны только величины

R03

(17)

на

P2иC , Q

масса звена 3), из начала

и

P2иC

проводят луч, параллельный ВС, а из конца Р3 + Qz - луч, перпендикулярный к оси z; тогда точка О пересечения лучей

Удельное давление в плоской кинематической паре

и

R03

будет являться концом

и началом

R12 = R12п + R12n

определяют

R 23 = R 03 + Р 3и . При Q z =0 и ω=const совмещенный механизма.

план

для

и

R12n .

После этого

R 23 = ( R12п + Р 2иС ) или

целесообразно построить один всех исследуемых положений

где Ri - давление в паре; С,L – ширина и длина трущихся поверхностей.

g i = Ri /(CL ) ,

В цилиндрической паре диаметра d при неизменном Ri и одном неподвижном элементе удельное давление изменяется по дуге контакта элементов (рис.1.6.а). При

наибольшем износе δ i в точке М в первом приближении определяется из выражения:

Из плана сил видно, что угол θ между R23 и линией перемещения игловодителя (угол давления) может быть значительно больше угла ψ, образованного линией ВС шатуна с той же линией.

откуда

Следовательно, при

Q z =0 ,

m tgθ =1+ c tgψ m3

2

d d d 4δ i2 sinψ = δ i cosψ + ( + δ ) = δ i cosψ + 1− 2 d 2 2 2 т.е. δ = δ i cosψ Давление в точке М можно считать пропорциональным

.

Р3и ≥ Qz ;ψ ≤ θ ≤ π / 2 ;

2

Отсюда

и 3

P2иC tgθ =1+ и tgψ P3 − Q z

)2 ≅ ( d + δ ) 2 + δ i2 − 2( d + δ )δ i cosψ

(19) d d d2 2 2 или ( + δ ) − 2δ i cosψ ( + δ ) − ( −δ i ) = 0 2 2 4

Q z и Р направлены в разные стороны, то R R03 tgθ = и 03 ; tgψ = и (18) P3 − Qz P3 + p2иC − Qz

Так, если

d 2

(

при

, а при небольших силах инерции

износу и принять g = g i cosψ , где g i - наибольшее давление. Тогда, уравнение равновесия элементов запишется в виде: π /2

Ri = 2

∫ 0

Q =ψ.

d g cosψdF = 2 Lg i 2

Следовательно,

π /2

∫

cos 2 ψdψ =

0

π 2

dLg i (21)

g = 4 Ri /(πdL) .

В конусной паре произведение (gv) износ элементов вдоль образующей можно считать постоянными, а 13

14

наибольшее давление – в сечении наименьшего диаметра d

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6

min (рис.1.5б) Величина этого давления g i = 4 Ri /(πd min L) . Скорость скольжения элементов вращательных пар

ТЕМА: Раскрой материалов на машинах с дисковыми ножами.

d v i = ω i ( ) , где ω i - относительная угловая скорость 2 элементов. В поступательной паре v i - относительная

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: 1. Изучить устройство машины и принцип работы. 2. Изучить теоретические основы функционирования и проектирования машины. 3. Изучить технологический процесс резания. 4. Усвоить основы безопасности работы на машине.

линейная скорость движения элементов.

НАЗНАЧЕНИЕ. Машина предназначена для раскроя материалов. Устройство, принцип работы и теоретические основы проектирования и расчета. МАШИНЫ С ДИСКОВЫМ НОЖОМ. Ри Рис.1.6. Эпюры удельных давлений в кинематических парах: ацилиндрической, б- в конической.

15

Передвижная машина с дисковым ножом марки ЭЗДМ-1 предназначена для раскроя по прямым линиям низких настилов (высотой до 50 мм.) и для вырезания деталей, имеющих небольшую кривизну. Рабочим органом машины является дисковый нож диаметром 120 мм. (рис.1) и толщиной 1,5 мм..Он установлен в широкой стойке, поэтому разрезание настила по траектории с небольшим радиусом закругления невозможно, так как произойдет смещение соседних участков настила. Область применения машины ЭЗДМ-1 меньше, чем ЭЗМ-2. Частота вращения вала электродвигателя 1400 об/мин.

16

Рис. 1. Раскройная машина ЭЗДМ-1 с дисковым ножом Окружная скорость дискового ножа диаметром D=120 мм составляет

v=

πDn 60

=

3,14 ⋅ 0,12 ⋅ 1400 ≈ 9м / с 60

Дисковый нож в процессе работы машины получает вращение в одном направлении, обеспечивая прижим настила к поверхности стола. Помимо машины ЭЗДМ-1 в промышленности используется машины ОМ-3, предназначенные для осноровки края ткани при уточнении размера деталей изделия. Рабочим органом машины ОМ-3 является равномерно вращающийся дисковый нож специальной формы, образуемой четырьмя сопряженными дугами окружности. Мощность электродвигателя 80 Вт. Передача вращения от вала электродвигателя к дисковому ножу осуществляется червячным механизмом с передаточным отношением 3:1. Машина смонтирована на платформе. Снизу платформы установлены ролики, обеспечивающие легкость передвижения машины. 17

Материал, термообработка, стойкость ножей. Наилучшими материалами для ножей, согласно долголетнему опыту использования и исследованиям, являются углеродистые инструментальные стали У8А и У10А, а также легированные кремнемарганцевые стали. Термообработка ножей заключается в закалке с последующим отпуском до твердости по Роквеллу НRС 3545. Очень важно обеспечить равномерную твердость ножа по всей линии его, так как неоднородность механических свойств по длине часто приводит к вытягиванию ножа и появлению вибраций, к неравномерному стачиванию в процессе работы а также и к обрыву ножа. Стойкость ножа, т.е. сохранение режущей способности в течении заданного срока службы, является основным показателем работоспособности. Режущая способность ножей, согласно исследования, является по затухающему закону:

K S = K 0 / l CS где K S - режущая способность лезвия ножа для S ходов, соответствующая обработке контура изделия длиной l;

K 0 - первоначальная режущая способность ножа; С – коэффициент, зависящий от свойств материала ножа и разрезаемого материала. Режущая способность ножей повышается с уменьшением до определенного предела угла заточки. Стойкость ножей многократно увеличивается с применением принципа самозатачивания, разработанного советским изобретателем А.Игнатьевым. При обрыве ножей для быстрого ремонта применяется пайка. Имеется специальный аппарат для пайки лент, позволяющий быстро соединить концы оборванной ленты. При этом механические свойства материала в месте спая 18

почти не нарушаются. Ручная пайка ленты часто сопровождается отпуском в месте спая, что быстро приводит к ее обрыву. Поэтому следует отдать предпочтение аппаратам пайки ленты ножа. Основные положения теории резания. Резание (раскрой) материалов может производится как подвижным так и неподвижным ножом, причем форма ножа может быть различной. Применяются дисковые (круглые) и плоские (ленточные) ножи. Разрезание неподвижным ножом применяется обычно для однослойного настила жесткого материала. При разрезании тканей, мягкой кожи, когда настил состоит из нескольких слоев, применяются подвижные ножи различной формы. В ряде случаев подвижным ножом можно осуществлять пилящее или вибрационное резание. Пилящее резание допускает повышение рабочих скоростей и является высокопроизводительным методом, нашедшим широкое применение в швейном производстве. Угловые характеристики ножа. В большинстве закройных машин используется ленточный нож. Участок такого ножа показан на рис. Угол заточки ножа β 0 составляет обычно 15-20 0 . Резание ткани происходит под некоторым рабочим углом резания, расположенным в плоскости резания АСЕ, не совпадающей с плоскостью угла заточки СDЕ.

Рис.2. К расчету ленточного ножа: а) –конструктивный и рабочий углы резания; б)- зависимость рабочего угла резания от отношения скорости при β 0 = 200 Угол β Р значительно меньше угла заточки ( в десять раз). Выведем уравнение для определения β Р . В соответствии с рис.2а можно записать СВ = DBtg

β0

2 Откуда

ABtg

βP 2

DB β 0 tg 2 2 AB Рассмотрим треугольник АВD и треугольник 0 VP ,Vn плана скоростей. Они подобны, следовательно: tg

βP

=

DB Vn Vn = = = 2 AB VP Vn + VH2

1 V 1 + ( H )2 Vn

где Vn - скорость подачи ткани на нож; VH - скорость движения ножа; VP - скорость резания (VP = Vn2 + VH2 )

Окончательно имеем

19

20

tg

βP 2

=

1 1 + (VH / Vn ) 2

tg

β0 2

(1)

Как видно из выражения (1), рабочий угол резания β Р зависит не только от угла заточки ножа β 0 , но и в значительной степени от отношения скоростей VH / Vn . Подсчитано, что при Vn =0,15-0,20 м/с, VH =20=25 м/с, VH / Vn =100-165

и

β 0 =15-20 0

рабочий

угол

резания

β Р = 0 5′ − 0 10′ . 0

0

Как видно из графика на рис.2б, наиболее интенсивное V изменение угла β Р имеет место при 0 π H π 12 . Vn В раскройных машинах отношение VH / Vn значительно больше (100 и выше). Одной из основных задач, в значительной степени, определяющих конструкцию привода раскройных машин, является определение мощности на подачу материала под нож и мощности на передвижение ножа в процессе резания.

Усилие и мощность подачи материала. Определим усилие подачи материала на нож Pn и мощность N n , затрачиваемую на подачу материала. За исходную примем симметричную форму ножа с двухсторонним заострением под углом β 0 . Тогда на материал во время подачи будут действовать следующие силы (рис.3а): Pn - усилие подачи материала; N1 - сила нормального давления материала на нож; F1 = f1 N1 - силы трения материала о боковые грани ножа; N 2 - сила нормального давления материала на поверхность стола; F2 = f 2 N 2 - сила трения материала о стол. Силы F1 действуют в плоскости резания САЕ по обеим боковым граням ножа. Сила трения F2 распределена на площади соприкосновения материала со столом (в плоскости, параллельной плоскости х0у) и направлена в сторону, обратную усилию подачи Pn . При симметричном ноже силы F2 и N 2 будут направлены по оси ножа в плоскости х0z. Составим уравнения равновесия сил, действующих на лезвие ножа:

∑F

= − Pn + 2 F1 cos

∑F

= N 2 − 2 F1 cos

ix

βP 2

βP

sin ϕ + 2 N1 sin

βP 2

+ F2 = 0

cos ϕ = 0 2 Из последнего уравнения находим iz

βP

cos ϕ 2 Подставляя N 2 в первое уравнение (так как F2 = f 2 N 2 ), получим N 2 = 2 f1 N1 cos

Рис.3. Схема сил, возникающих при резании ткани 21

22

Pn = 2 f1 N1 cos

βP

sin ϕ + 2 N1 sin

β0

+ 2 f1 f 2 N1 cos

βP

Из второго уравнения имеем

cos ϕ

2 2 2 В виду малости произведения f1 f 2 последний член уравнения в приближенных расчетах можно опустить, тогда упрощенная формула для усилия подачи имеет вид: Pn = 2 N1 ( f1 cos

βP

sin ϕ + sin

β0

)

β β β PnVn N1Vn = ( f1 cos P sin ϕ + sin 0 + f1 f 2 cos P cos ϕ ) 102 51 2 2 2 отбросив последний член, получим β β NV N n = 1 n ( f1 cos P sin ϕ + sin 0 ) 51 2 2

Усилие и мощность передвижения ножа. Определим усилие и мощность, затрачиваемые на передвижение ножа ( Pn и N n ). В соответствии с расчетной схемой (рис.3б) на нож действуют следующие силы: Pn - сила передвижения ножа; N1 - нормальная реакция давления ножа на материал; F1 = f1 N1 - сила трения ножа о материал; N 31 - нормальная реакция направляющих ножа; F3 = f 3 N 3 - сила трения в направляющих. Составим уравнение равновесия сил:

∑F

= − Pn + 2 F1 cos

∑F

= N 3 − 2 F1 cos

ix

iz

βP 2

βP 2

cos ϕ + F3 = 0

sin ϕ − 2 N1 sin

β0 2

=0 23

βP

sin ϕ + sin

β0

) 2 2 Подставляя N 3 в первое уравнение, получим Pn = 2 f1 f 3 N1 cos

(2)

2 2 Зная усилие подачи, легко определить мощность подачи N n (в кВт), если известна скорость подачи материала на нож Vn (в м/с): Nn =

N 3 = 2 N1 ( f1 cos

βP 2

sin ϕ + 2 f 3 N1 sin

Если отбросить произведение принимает вид

β0

β0 2

+ 2 f1 N1 cos

βP 2

cos ϕ

f1 f 3 , то выражение

βP

cos ϕ ) 2 2 Мощность, затрачиваемая на передвижение ножа со скоростью VH , определиться по формуле (в кВт) β β β NV N H = 1 H ( f1 f 3 cos P sin ϕ + f 3 sin 0 + f1 cos P cos ϕ ) 51 2 2 2 β β NV или N H = 1 H ( f 3 sin 0 f1 cos P cos ϕ ) 51 2 2 В случаях, когда возможна механизация процесса подачи материала и перемещения ножа одновременно, общая мощность будет равна N 0 = N n + N H , или Pn = 2 N1 ( f 3 sin

+ f1 cos

N1  βP β0 βP V f ϕ f f ( cos sin + sin + cos cos ϕ ) + 1 1 2 n 51  3 2 2 β β β  + VH ( f1 cos P cos ϕ + f 3 sin 0 + f1 f 2 cos P sin ϕ ) 2 2 2  N0 =

(3) Приведенные выражения справедливы для подвижного ножа с двухсторонней симметричной заточкой при подаче материала вдоль оси х симметрии ножа. Коэффициенты трения, а следовательно и силы трения и нормального давления обычно определяют опытным путем: экспериментально определяют мощность и, зная 24

геометрические и кинематические параметры, высчитывают указанные в формулах коэффициенты трения. Машины с дисковыми ножами. Дисковые ножи имеют машины ДМ-2, ЭЗДМ-1, ЭЗДМ2. Нож (рис.4а) в этих машинах соприкасается с направляющей 2 и соединен конической передачей 3 с электродвигателем 4. Электродвигатель закреплен на стойке 5, соединенной с платформой 6, платформа имеет подпружиненные ролики 7. Работа этих машин характеризуется различными условиями резания полотен, сравнительно большими ошибками в размерах выкраиваемых деталей и малой маневренностью. В зависимости

Рис. 4 Механизм дискового ножа 25

26

H 22 + 2 f 2 H 2 − C3 = 0; H 2 = − f 2 +

от высоты настила изменяются величина и направление скорости резания и, следовательно, усилия резания. При выкраивании круглых деталей точка А ножа (рис.4б) движется по дуге радиуса ρ, а точка С – по дуге радиуса ρ+∆, т.е. детали, выкраиваемые из верхних и нижних полотен настила, неодинаковы по размерам. Кроме того, радиусы ( АВ) 2 закругления выкраиваемых деталей ρ = не могут быть 2С слишком малы, так как размер АВ значительно больше ширины ленточного или вертикального ножей. Неточность кроя и маневренность машины зависят от высоты настила Н 2 , радиуса R3 ножа (рис.4а) и кривизны деталей. С увеличением Н 2 и R3 значительно увеличиваются горизонтальные проекции дуг АС, в следствии чего увеличиваются неточность ∆ от Н 2 , R3 и ρ можно установить следующем способом. При обозначениях, показанных на рис.4в для треугольников А′ОС ′ и А′ОА′ справедливы зависимости:

где C3 = 2 f1∆(2 R3 − f1 )(2 ρ + ∆) ; f 2 = R3 − H 2 − f1 Зависимость ∆ от Н 2 при f1 =6 мм, ρ= 100 мм, R3=50 мм (кривая 1) и R3= 90 мм (кривая 2) показана на рис.4г.

( А′О) 2 = ( А′С ′) 2 + R32 − 2( A′C ′) R3 cosη1 ( A′O′) 2 = H 22 + R32 − 2 H 2 R3 cosη2 ( A′C ′) 2 = H 2 + 2( A′C ′) R3 cosη1 − 2 H 2 R3 cosη2 Но так как cosη1 = − sin η3 ; cosη3 = sin η3 =

1 R3

R3 − f1 ; R3

f1 (2 R3 − f1 ) ; cosη2 = − cosη4 = −

f2 R3

( A′C ′) 2 = ( AC ) 2 = 2∆ρ + ∆2 тогда 27

f 22 + C3

28

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

ТЕМА: Раскрой материалов на машинах с ленточными ножами. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: 1. Изучить устройство машины и принцип работы. 2. Изучить теоретические основы функционирования и проектирования машины. 3. Изучить технологический процесс резания. 4. Усвоить основы безопасности работы на машинах. НАЗНАЧЕНИЕ. Машина предназначена для раскроя материалов. Устройство, принцип работы и теоретические основы проектирования и расчета.

Обеспечение прочности ножевой ленты за счет увеличения сечения ограниченно технологическими условиями резания. В частности, ширина ножа зависит от радиуса кривизны линии раскроя деталей и плотности настила. Установим эти зависимости. При выкраивании материала в форме круга радиусом ρ (рис.1) лезвие А ножа АВ движется по кривой 1-1, а торец его В – по кривой 2-2, отгибая и сминая настил на некоторую величину С. Угол θ, на который отгибается настил, зависит от радиуса кривизны выкраиваемых деталей одежды и механических свойств настила. Из равнобедренных треугольников ВАД и АОД /АВ=АД=в; АО=ДО=ρ/ находим ‹АОД и ширину ножа в: ‹АОД=π- 2(π/2 – θ)=20; в=2ρsinθ (1) Из прямоугольного треугольника АОВ получаем: ( ρ + С ) 2 = в 2 + ρ 2 ; в 2 = 4 ρ 2 sin 2 θ (2) C C2 sin θ = + 2ρ 4ρ 2

РАСЧЕТ СТАЦИОНАРНЫХ ЛЕНТОЧНЫХ МАШИН. РАСЧЕТ НОЖА.

Во время работы ленточных машин наблюдаются поперечные колебания ножа, которые тем больше, чем меньше натяжение ножа. Эти колебания могут существенно повлиять на точность и качество раскроя. Амплитуда поперечных колебаний зависит от жесткости ножа, скорости движения и наличия точечных масс в местах соединения ленты.

2

или sin θ ≈ 0,7 C / ρ (4) Значение угла θ определяют опытным путем. Для вычисления θmax достаточно определить наименьший радиус круга материала и возникающую при этом деформацию С настила. Установлено, что для настилов из драпа и шелка θmax=9-12°.

Для обеспечения удовлетворительной чистоты и точности раскроя принимают Vn / VH =60-80. Дальнейшее повышение скорости ножа может привести к чрезмерному нагреву и пригоранию материала. 29

(3)

30

Рис.1. Схема расположения ножа и материала при выкраивании круглых деталей

от эйлеровых сил трения и центробежных сил инерции, а также натяжения изгиба во время огибания шкивов, зависящие от жесткости самой ленты. Рассмотрим случаи огибания лентой шкива и выясним, как влияют различные факторы на натяжение ленты. Выделим элемент ножевой ленты с элементарным углом dα, при вращении шкива по часовой стрелке на него действуют следующие силы (рис.2а): Т- натяжение ленты в левом сечении; Т+dТ – натяжение ленты в правом сечении; dN – нормальная реакция поверхности шкива; dF=fdN – сила трения между элементом ленты и шкивом (коэффициент трения) dFин – центробежная сила инерции элемента ленты, определяемая по формуле V 2 dm dF ин = = gV 2 dα

ρ

где dm = ρgdα масса элемента ножевой ленты; V – окружная скорость ленты; Р – радиус кривизны в месте сгибания (радиус шкива); g - линейная плотность ленты; m- момент сил, возникающих при изгибе.

После минимально допустимой (исходя из технологических условий) ширины ножа в переходят к прочностному расчету с целью определения толщины h ножевой ленты: T h= 2 (5) b[σ ] где T2 - наибольшее натяжение ведущей ветви ленты; [σ]- допускаемое напряжение. Ножевая лента двух- и трехшкивных раскройных машин, огибая соответственно два или три шкива, помимо своего основного назначения (раскроя материала), играет роль приводного ремня. Поэтому, в процессе работы в поперечных сечениях ленты возникают добавочные напряжения растяжения от предварительного натяжения ее, 31

32

T2 + ∆T

dT = 2 ∫ T + gV T1 + ∆T

Рис. 2. Схемы сил при изгибании ленты dα dα − dF + (T + dT ) cos =0 2 2 dα dα ∑ Fiy = dN + dFин − T sin 2 − (T + dT ) sin 2 = 0 Пренебрегая величинами второго порядка малости и dα dα dα = ; cos = 1, считая в пределе sin 2 2 2 получим dF = dT ; dN = Tdα − dFин

∑F

ix

= −T cos

Так как dF = fdN ; dFин = gV 2 dα То dF = dT = fdN = fTdα − fgV 2 dα Приведя последнее выражение к виду dT = fdα (T − gV 2 ) получим возможность разделить переменные dT = fdα (6) T − gV 2 Интегрируя это выражение по всему участку относительного скольжения, соответствующего всему углу охвата α, с учетом добавки на влияние жесткости ленты ∆Т, найдем:

33

a

∫ fdα ;T

2

= T1e fα + (∆T − gV 2 )(e fα − 1)

(7)

0

Значение ∆Т определим исходя из следующих предпосылок: при установившемся движении ленты ее ось не меняет своего положения; в процессе движения потенциальная энергия dU отрезка, движущегося прямолинейно и переходящего на участок сгибания, будет меняться. Рассматривая эти два участка (рис.2б), видим, что в сечении 1-1 натяжение Т1 распределяется равномерно по сечению, а в сечении 2-2 эпюра распределения напряжений представляет собой трапецию и равнодействующая Т натяжений смещается от оси ленты на расстояние a. В результате этого в сечении 2-2 возникает момент М=Та. При перемещении ленты ножа на величину dS и повороте сечения на угол dγ уравнение работ запишем в виде: − T1dS + TdS + Mdγ = dU (8) где U – потенциальная энергия деформации, зависящая от жесткости ленты. Поделив члены уравнения (8) на dS и учитывая, что dU 1 α dγ = и М=Та, находим T (1 + ) = T1 + dS ρ ρ dS Поскольку а<<ρ, без большой погрешности можно записать: dU ;T = T1 + ∆T T = T1 + dS Если считать ленту нерастяжимой, то потенциальная 1 энергия изгиба dU = Mdγ . Изгибающий момент может 2 быть определен по известной формуле M = eJ . Тогда

ρ

34

T = T1 +

EJ EJdγ = T1 2 = T1 + ∆T 2 ρdS 2ρ

ведущему шкиву 7, вал которого расположен в неподвижных опорах.

откуда EJ ∆T = 2ρ 2 Подставляя это значение в формулу (7), получим EJ T2 = T1e fα + ( 2 − gV 2 )(e fα − 1) (10) 2ρ В этой формуле учитывается влияние на натяжение ленты эйлеровых сил инерции, а также жесткости самой ленты. Как видно их выражения (10), жесткость ленты значительно увеличивает ее натяжение на участке изгиба, и это обстоятельство необходимо учитывать при расчетах. Имея натяжение ленты, подсчитывают затем крутящий момент Мкр на валу шкива машины и мощность приводного двигателя (в кВт) M кр n N дв = 97400η где n – число оборотов шкива машины в минуту; η- КПД передачи от вала двигателя к валу шкива машины.

Бесконечная ножевая лента 3 движется в направляющих 6 и сгибает ведущий шкив 7 и ведомый шкив 1. Вал последнего помещен в подшипниках, которые с помощью натяжного устройства могут перемещаться в вертикальном направлении. Натяжение ленты ножа осуществляется тремя пружинами 16, соединенными с ведомым шкивом при помощи коромысла 17 и салазок 18. Изменение силы натяжения пружины 16, а следовательно, и ножевой ленты осуществляется гайками 15.

РАСЧЕТ НАТЯЖНОГО И ТОРМОЗНОГО УСТРОЙСТВ И ЛЕНТОУЛАВИТЕЛЯ Натяжное устройство поддерживает заданное натяжение ножевой ленты при работе машины. Тормозной механизм быстро останавливает шкивы машины при обрыве ленты, а улавливатель захватывает его в этот момент. Определим усилия в этих устройствах применительно к двушкивной машине ЗЛ-1 (рис.3). Сначала рассмотрим схему этих устройств и принцип их работы. От электродвигателя посредством ременной передачи (на схеме это не показано) вращение передается нижнему 35

Рис.3.Схема машины ЗЛ-1 36

При обрыве ножевой ленты происходит ее улавливание и затормаживание шкивов. При улавливании и останове ножевой ленты она прижимается одной или двумя колодками 4, закрепленными на сердечниках электромагнитов ЭВ, к неподвижным колодкам 5. Электромагниты включаются в работу при соприкосновении ленты с корпусом машины и медной шиной 8, находящейся под низким напряжением (12 Вт.). Система электромагнитов включается от сети 220 В с помощью пускателя 20. Торможение шкивов 1 и 7 производится колодками 2 и 9, прижимаемыми к шкивам пружинами 16 и 11 через звенья 12, 13, 14, 17, 19. Гайка 10 регулирует силу натяжения пружины 11. Расчетные усилия в пружинах и звеньях этих устройств наиболее просто найти, используя теорему Н.Е.Жуковского о жестком рычаге. Для этого строят планы скорости для точек А, В, С,Д,Е1, Е2, F1,F2,K1,K2 (рис.3) и в соответствующих точках плана (а,в,с и т.д.) прикладывают усилия. В связи с малыми перемещениями звеньев этих устройств для решения поставленной задачи можно ограничиться построением плана скоростей только для одного начального положения (рис.4) с центром в точке р.

37

Рис.4. План скоростей тормозного устройства Рассмотрим два случая – нормальную работу и момент обрыва ленты. При нормальной работе машины в точке а приложена реакция пружины Р1, а в точке в – сумма сил M Q = G = c + 2T1 (силы тяжести, силы сопротивления R1 движению системы верхнего шкива радиусом R1 и удвоенного натяжения ножа, силами тяжести других звеньев пренебрегаем). Тогда, согласно указанной теореме − P1 ≈ ( pb / pa )Q где pb и pa – отрезки на плане скоростей. В случае обрыва ножа реакция пружины уменьшается до Р2, в точке в будет приложена сила G, в точках k1,k2 – реакции N1 и N2 тормозных шкивов. Величину этих реакций определяют, задавшись углом поворота шкивов при торможении φТ. Тогда Jω 02 N1M 4 R2ϕT = 2 откуда 38

Jω 02 2µ 4 R2ϕT где µ4 – коэффициент трения колодки о тормозной шкив; R2 –радиус тормозного шкива; J – момент инерции ножевого и тормозного шкивов; ω0 – угловая скорость шкивов в начале торможения. Тогда − P2 pa − N1 pk 1− N 2 pk2 + Gpb = 0 откуда Gpb − N ( pk1 + pk 2 ) P2 = pa

d 2S A + g 2 ( S A − a) = 0 dt 2 1 здесь g 2 = ; a = δ ( P1 − Gnp − F ) mnpδ

N1 = N 2 = N =

откуда

где mnp , Gnp , F - масса звеньев, сила тяжести и сила трения

где pk1 , pk2 - отрезки на плане скоростей. Изменение деформации пружин S приблизительно можно определить с помощью того же плана скоростей (рис.4). Если скорости, изображенные на плане, считать средними за период ∆t2 включая тормоза, то перемещение точек А и К1 будут равны: S A = Mpa ∆t2 ; S K1 = Mpk1∆t2 где М – масштаб плана скоростей. При известном SК1 находим деформацию пружин pa SA , а затем податливость их δ = . Для S A = S K1 pk1 P1 − P2 получения других значений SА, ∆Р=Р1-Р2 и δ следует изменить соотношения размеров звеньев. Сила Р1 определяет натяжение Т1. Конструктивное оформление тормозного устройства должно сопровождаться расчетом продолжительности холостого хода тормозных колодок. Точка А устройства движется с ускорением d 2S A S 1 = ( P1 − Gnp − F − A ); 2 dt mnp δ 39

приведенные к точке А. При этом Pi 2 Pb ; Gmp = G mnp = ∑ m1 2 Pa Pa где m1 и Рī – масса, сосредоточенная в точке i, и отрезок плана скоростей от полюса до этой точки. Решение дифференциального уравнения (11) запишем в виде S A = G1 sin gt + G2 cos gt + G Так как при t=0 имеет SА=0 и dSА/dt=0, то S A = G (1 − cos gt ) . Торможение начинается при t=∆t2. Тогда продолжительность холостого хода 1 S колодок ∆t2 = arccos(1 − 2 ) . g G Уменьшение ∆t2 может быть достигнуто применением оребренных или полых звеньев и снижением веса системы верхнего шкива. ЛЕНОУЛАВЛИВАТЕЛИ являются неотъемлемой частью ленточной раскройной машины. Обрыв ленты является аварийным и опасным для обслуживающего персонала явлением. Для полной надежности улавливания ленты необходимо установить минимум два улавливателя, расстояние между которыми по длине ленты должно быть значительно больше фактического перемещения ленты St от момента ее обрыва до полного останова. Величина пути ленты при обрыве зависит то времени срабатывания 40

улавливателя. Улавливание ленты ножа обеспечивается электромагнитами ЭМ (рис.3). Улавливатель ленты ножа рассчитывают по заданному перемещению ленты после обрыва. Необходимое усилие RM магнита определяется из условия равенства работы торможения АТ одного магнитного улавливателя и кинетической энергии Т ленты ножа: mVЛ2 AT = 2 fRM ST = =Т 2 mVЛ2 откуда RM = 4 fST где f – коэффициент трения между лентой ножа и двумя обкладками улавливателя; ST = VЛ ∆t - действительное допускаемое перемещение ленты на время ∆t срабатывания улавливателя; VЛ - скорость ленты ножа до обрыва; m – масса ленты. Подсчитано, что для улавливания ножевой ленты с размерами 0,6х20х6600 мм при VЛ =20 м/с, f=0,5, ST = 0,8 м , ∆t=0,01 с., требуется усилие RM = 15,7 кгс.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8 ТЕМА: Раскрой материалов лазерным лучом. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: 1. Изучить принципиальные основы и теоретические предпосылки применения лазерного луча. 2. Основные параметры и технические возможности лазерного луча. 3. Особенности раскроя лазером синтетических материалов. 4. Обзор и краткое описание устройств иностранных лазерных устройств для раскроя материалов. 5. Техника безопасности на лазерных раскройных машинах. ЛАЗЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. Состоит из трех основных элементов: Источник энергии- может служить электричество, обычный свет или луч другого лазера; Активная среда- в качестве которой используются твердое тело (например, рубин), жидкость (некоторые красители) газ (например, углекислый). Наименование лазера иногда определяется видом компонентов служащих активной средой. Оптические резонатор или система зеркал позволяющих увеличить мощность луча. ПРИМЕНИЕ ЛАЗЕРОВ.

41

Лазерное излучение в отличии от обычного света характеризуется монохромностью, направленностью, когерентностью и высокой интенсивностью. Несмотря на то, что источники лазерного излучения различаются размерами и мощностью излучения, они 42

построены по одному принципу и состоят из трех основных элементов: Источник энергии, которым может служить электричество, обычный свет или луч другого лазера; Активная среда, в качестве которой используются твердое тело (например, рубин), жидкость (некоторые красители), газ (например, углекислый); Оптический резонатор или система зеркал, позволяющих увеличить мощность луча.

устойчива к истиранию. Архитекторы и строители применяют малые переносные лазеры для точной разметки при строительстве нефтепроводов, мостов, туннелей и т.п. Лазеры применяются в кассовых торговых аппаратах для чтения кодовых отметок.

Лазеры находят широкое применение в промышленности. Сварка, резание, сверление – в этих операциях применение лазера обусловлено точностью и высоким качеством исполнения. В частности, лазер может использоваться при обработке мелких деталей. При сварке он дает герметичные швы, не пропускающие воду, что необходимо в электронных устройствах. В автомобилестроении лазеры применяются для точечной сварки кузовов, при этом особенно ценны такие качества лазеров, как высокая точность выполнения операции и большая мощность.

Опыт применения различных режущих инструментов показал следующее: Для раскроя многосерийных деталей из настилов целесообразно использовать раскрой ножом. Раскройный стол фирмы Gerber позволяет раскраивать детали сорочек из настилов ткани высотой до 200 слоев, при этом толщина и самой ткани может быть значительной. Струя воды высокого давления также может применяться для раскроя многослойных настилов материалов. Однако по мере проникания в глубь настила струя воды при переходах от одного слоя к другому, особенно при раскрое жестких или полужестких материалов, производит смачивание материала, хотя и слабое при применяемых скоростях резания, позволял решить проблему экономии материала, рационального размещения шаблонов на поверхности материала и уменьшения разлохмачивания краев деталей. Кроме того прекратить раскрой лазером, включив источник питания, намного легче, чем прекратить раскрой струей воды под давление 0,4 Гпа. Усовершенствование операции раскроя тесно связано с развитием средств информатики, с появлением графических методов в электронно-вычислительной технике и машин с ЧПУ в машиностроении. Для раскроя материалов обычно применяются газовые лазеры на углекислом газе (СО 2 ). Возможность концентрирования энергии лазерного излучения на очень 44

Резанию и сверлению лазером могут подвергаться разнообразные материалы: металлы, пластмассы, кожа, резина, бумага, керамика и даже алмаз. Первое время при разрезании материалов лазером не удавалось получить чистый срез. Чтобы достичь этого, стали вводить в луч лазера струю активного или инертного газа. При резании металлов и их сплавов вводят струю кислорода, при резании пластмасс или бумаги – струю гелия или аргона. Такой способ позволяет повысить температуру в центре луча, что дает желаемую чистоту среза. Рекомендуется использовать лазер для маркировки. Операция выполняется с высокой скоростью, а маркировка 43

ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРА В КАЧЕСТВЕ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА.

малом участке поверхности (менее десятой доли квадратного миллиметра) позволяет получить тепловую мощность, достаточную для того, чтобы вызвать локальное плавление и даже обезвоживание большинства обрабатываемых материалов. Тип лазера, принцип действия, уровень мощности выбирается в зависимости от материала, который должен быть разрезан, от его толщины и требуемой скорости резания. Резание лучом лазера основано на термическом явлении. Газ, сопровождающий луч лазера, выполняет различные функции: Защита линз от паров или движущихся частиц материала; Удаление расплавленного материала; Защита детали при сварке или резании (струя Ar, N 2 , He); Ускорение процесса резания путем экзотермической реакции (струя О 2 ). В качестве газовой струи можно применять сжатый воздух. Лазер позволяет разрезать материалы с получением очень узкого разреза. Можно предположить, что значительное повышение температуры вызовет повреждение материала по краям точки падения луча. В действительности же температурный градиент достаточно велик, и материал поэтому не повреждается даже непосредственно у линии разрезания. Напротив, полная мощность лазерного излучения достигается только вблизи фокуса. Поэтому необходимо чтобы расстояние между соплом и материалом выдерживалось очень строго. Это расстояние может регулироваться при помощи щупа, встроенного в сопло. В ожидании того времени, когда успеха в области оптики позволят получить луч с постоянной мощностью на более 45

протяженном расстоянии, приходиться ограничиваться небольшой толщиной раскраиваемых материалов, а в случае разрезания настилов материалов, ограниченным числом слоев. Преимущества применения лазеров: Луч может использоваться на некотором расстоянии от генератора и его можно подвести к соплу при помощи системы зеркал; Уменьшается зона захвата и деформации деталей; Последующая механическая обработка вырезанных деталей сводится в минимуму; Устраняется необходимость в контакте с обрабатываемой деталью. Установка, оснащенная лазером, содержит следующие узлы: Сопло и фокусирующее устройство; Механизмы перемещения; Электронную систему управления. Сопло и фокусирующее устройство позволяет сфокусировать спускаемое лазером излучение и ввести в него газовую струю. Механизмы перемещения могут иметь разнообразную конструкцию, что определяется габаритами лазерной установки и площадью разрезаемых деталей. Стол, на который помещают раскраиваемый материал, должен быть передвижным, с мет чтобы загрузка и разгрузка проводились одновременно с раскроем очередной партии материала. Лазер может быть закреплен неподвижно, а стол с материалом может перемещаться под лучом по направлениям осей x и y. Движение по оси z при необходимости может осуществляться подъемом и опусканием стола или фокусирующего сопла или перемещением лазера по осям x, y, z при неподвижном столе. 46

Существует также вариант перемещения точки падения лазерного луча на раскраиваемый материал с помощью системы подвижных зеркал, при этом стол с материалом и лазер остаются неподвижными. В автоматических установках перемещение лазера или стола в соответствии с программой. Операции перемещения чаще всего осуществляются с помощью ЭВМ. Для разрезания неметаллических материалов чаще всего применяются газовые лазеры на углекислом газе мощностью от 50 до 1000 Вт. Во многих случаях, например, при раскрое плексигласа срез получается очень чистым и нет необходимости в дополнительной обработке. В качестве вспомогательной газовой струи чаще всего используется воздух, а если разрезаемый материал легко воспламеняется, то следует применять струю азота. Мощность лазера выбирается в зависимости от свойств разрезаемого материала и его толщины. В связи с тем, что лазерная установка стоит дорого (лазер мощностью 1 кВт стоит от 800 тыс.фр. до 1млн.фр; лазер мощностью 500 Вт стоит от 500 до 700 тыс.фр.), следует повысить ее производительность, используя источник, обеспечивающий высокую скорость резания. Кроме того, установка должна выполнять раскрой разнообразных материалов, вырезать детали различной конфигурации и обеспечивать требуемое качество среза. При применении лазера в швейной промышленности используется ЭВМ, которая позволяет активизировать планы раскроя. Очень высокая скорость вычислений на ЭВМ позволила производить дополнительные расчеты (определять площадь деталей, периметр), автоматическое градирование по размерам, плановые расчеты для отделов управления и т.п.. Все это дает возможность использовать дорогостоящие машины более эффективно. 47

РАСКРОЙ МАТЕРИАЛОВ.

ЛАЗЕРОМ

СИНТЕТИЧЕСКИХ

Для раскроя листовых или рулонных синтетических материалов определенного размера используются раскройные лазерные установки с программным обеспечением, выполняющим позиционирование деталей. Форма выкраиваемых деталей вводится в числом виде, и при помощи дополнительного программного обеспечения детали могут быть градированы по размерам. Позиционирование деталей в зависимости от ширины листа или рулона материала выполняется или автоматически, или в диалоговом режиме. В последнем случае оператор при помощи светового карандаша размещает шаблоны по ширине материала. Детали могут быть уложены плотно друг к другу. Очень часто уплотнение деталей в раскладе выполняет специальное программное обеспечение. Оператор может проверить полученный план размещения и, если он находит нужным улучшить его, внести исправления. При автоматическом позиционировании эти коррективы вносить ЭВМ, добиваясь наиболее рентабельной раскладки деталей. В реальных условиях эксплуатации раскройных установок с увеличением количества шаблонов и их сложности увеличивается время, затрачиваемое на вычисления. Больших затрат времени требует поиск оптимального варианта размещения. Поэтому автоматическое размещение шаблонов для предстоящего раскроя лучше всего переносится на незанятое машинное время ( в частности, на ночную смену) с тем расчетом, чтобы машина не простаивала. Следует отметить, что с целью быстрой окупаемости автоматических раскройных установок необходимо их использовать в две и даже в три смены по 8 часов. Может оказаться полезным сочетать одну раскройную установку с несколькими системами, выполняющими размещение шаблонов. 48

Существует и еще одна проблема, которую, повидимому, несколько недооценивают, - эта проблема непостоянство раскраиваемых материалов. Как считают пользователи установок, ширина и длина рулонных материалов в каждой поставке значительно изменяется. Возможно, по этой причине некоторые пользователи отмечают расхождение показателей полезного использования материала при раскрое деталей из синтетических материалов на прессах и при автоматическом раскрое. Следует уточнить, что экономия материала в основном зависит от повышения точности раскроя деталей, а благодаря применения лазера можно раскраивать детали, соприкасающиеся краями. Кроме того, использование ЭВМ позволяет составлять планы размещения из наиболее разнообразных наборов деталей, оптимально компонуя их на малых или больших кусках материала. Раскрой синтетических и искусственных кож, применяемых для верха обуви, может выполняться из малослойных настилов. При правильном выборе параметров раскроя слипания слоев не наблюдается. В швейной промышленности автоматический раскрой деталей достиг более значительных успехов. Разработаны сложные системы с фотоэлементами, которые позволяют размещать детали с учетом направления линий рисунка тканей, что облегчает сборку деталей в узлы. В 70-х года фирмами Hughes Aircraft, Gerber (США), Camsсo (в составе швейного объединения Sultzer) были предложены системы автоматического раскроя. Один из первых раскройных столов фирмы Gerber был установлен на предприятии фирмы Peugeot a Sochaux (Франция) для раскроя деталей для внутренней обивки автомобилей. Фирма Lectra Systemes (Бордо, Франция) разработала оборудование для градирования и вырезания шаблонов. В настоящее время она предлагает оборудование (установка 49

Е92) для размещения и вырезания шаблонов, оснащенное лазерами мощностью 600, 800, 1000 Вт. Фирма Laser Technigue (Лимож, Франция) разработала оборудование для раскроя материалов. Это оборудование используется для раскроя деталей верха обуви из синтетических материалов на предприятии Eram с 1982г. На машине установлен лазер мощностью 475 Вт, полезная площадь стола машины 1500х2500 мм, максимальная скорость вырезания 40м/мин, средняя скорость вырезания – 15 м/мин. Фирма Anver (Франция) представила на выставке «Неделя кожи» в Париже в 1983г. раскройный стол фирмы Limoges Precision, оснащенный лазером мощностью 1000 Вт, изготовленный фирмой Cilas. Многие фирмы по производству раскройных установок с применением ЭВМ, предназначенных для использования в различных областях техники, интересуются рынком обувной промышленности. Отмечается, что эффективность применения автоматического раскройного оборудования зависит от степени автоматизации таких операций, как градирование и вырезание шаблонов. В свою очередь, автоматизация этих операций связана с автоматизацией процесса конструирования. Таким образом, возникает проблема полной автоматизации производства, т.е. автоматизация процессов конструирования, производства и управления, которые тесно связаны между собой. Фирма Camaco (система Gradmatic), Gerber и Lectra начали разработку автоматизированных система градирования и вырезания шаблонов. Во всех этих системах применяется ввод данных базовых шаблонов в память ЭВМ в цифровом виде от дигитализатора. В начале эти системы были разработаны для швейной промышленности , а затем и для обувной. Последующее вырезание шаблонов из картона выполняется на раскройных столах. Материал удерживается 50

на столе под действием вакуума (присасыванием). В следствии того, что для изготовление шаблонов в швейной промышленности применяется тонкий картон, достаточно использовать газовый (СО 2 ) лазер мощностью 50 Вт. В обувной промышленности для изготовления шаблонов используется более толстый картон, поэтому мощность лазера должна быть выше. Фирма Lectra в начале применяла лазеры мощностью 160 Вт., а теперь в оборудовании, предназначенном специально для обувного производства, используется лазер мощностью 400 Вт.(установка Е24). Системы фирмы Lectra для градирования и вырезания шаблонов используется на многих французских обувных предприятиях. Фирмой была разработана система двухмерного изготовления шаблонов и их градирования. Программное обеспечение этой системы (ДАО – конструирование с помощью ЭВМ) предусматривает возможности изменения контуров деталей, припуски для затяжных кромок, на сострачивание деталей и т.д. Одновременно вычисляется площадь деталей для определения себестоимости моделей. Аналогичные системы создали фирмы Gerber-Camsco и Microdinamics. Эти системы позволяют автоматизировать изготовление шаблонов. Большая часть систем может быть включена в системы трехмерного проектирования колодок и моделей обуви, как в системе L`Apec фирмы Camsco. РАСКРОЙ ЛАЗЕРОМ КОЖИ. После того, как появились системы раскроя лазером однородных материалов с использованием ЭВМ, начались исследования с целью использования аналогичных систем для раскроя кожи. В 1976-1980гг. фирма Hughes Aircragt (США) и фирма Bidegain (Франция) разработали систему автоматического раскроя, который осуществляется следующим образом. 51

Запись в цифровом виде при помощи дигитализатора шаблонов базового размера модели обуви. Специальная программа выполняет градирование шаблонов по размерам. Осмотр каждой из предназначенных для раскроя кож опытным закройщиком, который отмечает дефектные участки и другие особенности кож, влияющих на раскрой. Перевод в цифровую форму в начале контуров каждой кожи, а затем положение дефектных участков этой кожи. Операция может быть автоматизирована, если использовать стол, оснащенный фотоэлементами. Центральный макропроцессор системы получает данные о контуре каждой кожи и положение дефектных участков и т.д., одновременно он получает данные о выкраиваемых деталях, законах градирования и т.д. Размещение деталей по поверхности кожи осуществляется либо путем диалога человека с машиной, либо автоматически. При применении режима диалога в верхней части экрана, связанного с центральным микропроцессором, появляется изображение шаблонов, в нижней части экрана появляются контуры кожи и ее характеристика. Оператор может размещать на поверхности кожи шаблоны, учитывая дефективные участки, а также предпочтительное направление, в котором должны размещаться определенные детали. Число шаблонов, которые следует разместить (число это запрограммировано), появляется в виде индикации на экране и по мере размещения шаблонов оно уменьшается. В любой момент оператор знает, сколько шаблонов ему осталось разместить. Оператор может изменить план размещения шаблонов, если процент использования кож, информацию о котором он получает от ЭВМ, покажется ему недостаточным. Если оператор удовлетворен размещением шаблонов, то микропроцессор преобразует эту информацию в цифровой вид, и она будет использована для управления операцией раскроя кожи на раскройном столе системы. 52

Автоматическое размещение шаблонов осуществляется микропроцессором в соответствии с программой. Микропроцессор выбирает из различных вариантов размещения шаблонов оптимальный. Как уже было замечено, процесс этого выбора требует продолжительного времени. Фирма Hughes предложила записывать в оперативную память микропроцессора информацию о партиях кож. С учетом имеющихся колодок, шаблонов, количества деталей, которые должны быть выкроены, микропроцессор, используя записанную в его память информацию о наличии кож и их характеристиках, выбирает те, которые могут обеспечить выполнение конкретного заказа. Такая работа может быть выполнена в ночную смену. Раскрой деталей осуществляется на столе, лежащем в плоскости х, у, с помощью газового (СО 2 ) лазера мощностью 500 Вт. Управление перемещением сопла осуществляется микропроцессором. Микропроцессор соединен с главным микропроцессором, который обрабатывает информацию, относящуюся к раскраиваемой на столе коже и заложенную в кассету во время операции размещения шаблонов на поверхности этой кожи. Размещение кожи на раскройном столе и удаление вырезанных деталей производится вручную. Несмотря на многократные испытания, эта система не получила широкого распространения. Это можно объяснить слишком сложным программным обеспечением, большим количеством необходимой для обработки информации (время вычислений было довольно длительным) и недостаточно высокой производительностью системы. Кроме того, тот факт, что кожи не бывают достаточно плоскими, также создавал трудности при раскрое. Фокусирующее сопло перемещалось параллельно теоретической плоскости раскроя, и лазерный луч не мог раскраивать кожи на выпуклых участках. Второй вариант системы автоматического раскроя кожи с применением лазера был разработан фирмой Lazer 53

Technigue. В 1982 г. система была установлена Eram (Франция). Система состояла из стола площадью 1500х2500 мм, перемещающегося в плоскости х,у, и управляемого микропроцессором, и электронно-вычислительного узла. Перемещение лазерного луча осуществлялось со скоростью 45 м/мин. На перфорированную плиту стола ложилась раскраиваемая кожа. Она удерживалась на перфорированной плите стола под действием вакуума. Применялся газовый (СО 2 ) лазер мощностью 500 Вт. Электронно-вычислительный узел включал центральный микропроцессор, периферийные устройства, экран, дигитализатор, разметочный стол, печатающее устройства и т.п. Принцип работы системы описывается ниже. ПОДГОТОВКА КАТАЛОГА. Шаблоны базового размера модели записываются в цифровом виде. Эту операцию выполняют или вручную, или автоматически. После этого микропроцессор по специальной программе выполняет градирование каждой детали. Таким образом, создается полный комплект деталей всей серии. Полученная запись может быть проверена выводом на графический стол. Размеры деталей всей серии и линии строчек могут быть записаны в памяти системы. ВЫРЕЗАНИЕ ШАБЛОНОВ. Шаблоны вырезаются лазером на раскройном столе. В качестве материала для шаблонов используется тонкий материал, например, картон. Шаблоны заменяют наборы резаков. Они вырезаются по мере необходимости. На каждом шаблоне делается кодовая отметка. ЗАПОМИНАНИЕ ПЛАНОВ РАСКРОЯ. Кожа помещается на подготовленный стол, позиционируется и фиксируется отметками. Опытный раскройщик, переквалифицировавшийся в раскладчика шаблонов, размещает картонные шаблоны так, чтобы их края соприкасались, учитывая при этом дефективные участки и 54

топографию кожи. После того как оператор разместит шаблоны по всей поверхности кожи, он может внести изменения в раскладку, стремясь полнее использовать пригодную поверхность кожи. Когда найден окончательный вариант размещения шаблонов, приступают к вводу его в память. При этом учитываются отметки, фиксирующие позиционирование кожи, идентификация шаблонов и их расположение. Ввод в память вначале выполняется при помощи светового карандаша. По каждому шаблону запоминалась его идентификация (по кодовому штриху) и его положение (по двум точкам). Этот способ, требовавший много времени, был заменен способом распознавания конфигурации шаблона. Размеченная к раскрою кожа может быть раскроена сразу или отправлена на склад. Микропроцессор непрерывно ведет учет размещенных и оставшихся для размещения шаблонов. При размещении шаблонов, для раскроя синтетических материалов можно ограничиться раскладкой шаблонов на уменьшенном поле, а затем использовать ее по длине материала. РАСКРОЙ. Раскраиваемая кожа размещается на перфорированной плите раскройного стола, причем ее положение должно соответствовать положению при раскладке шаблонов. Плита с размещенной кожей перемещается в рабочую зону стола. Воздушный подсос через отверстия в плите обеспечивает не только фиксацию кожи на плите, но и удаляет отходы, возникающие при раскрое. Перемещением сопла управляет ЭВМ. Одновременно с вырезанием деталей лазерный луч выполняет их маркировку по программе. После окончания раскроя плита выдвигается в зону разгрузки. С 1982 г. такая система используется в производственных условиях для автоматического раскроя синтетических деталей верха обуви, а также материалов для 55

низа обуви. Раскрой кожи в производственных условиях пока еще не освоен. Вероятно, проблема размещения шаблонов на коже будет решена при помощи метода распознавания контуров, что значительно повысит производительность процесса. По мнению пользователей, применение оборудования для автоматического раскроя материалов увеличивает экономию материалов на 7-8% для кожи и на 8-12% для синтетических материалов. На выставке «Неделя кожи» в Париже в 1983г. фирма Anver демонстрировала установку для автоматического раскроя, состоящую из стола площадью 1500х2500мм (производство фирмы Limoges Precision ) и лазера мощностью 1000 Вт. В настоящее время разрабатывается программа оптимизации размещения шаблонов на рулонных синтетических материалах при раскрое. Считают, что применения этой установки позволит внедрить в практику автоматический раскрой натуральной кожи. Французские предприятия расходуют в течении года около двух миллионов франков на изготовление резаков. При использовании автоматического раскроя кожи лазером можно получить экономию порядка 4-5%. Уменьшение стоимости подобных систем позволит их использовать для раскроя кож не только для обуви, но и для кожгалантерейных изделий, обивки мебели, перчаток. При раскрое кожи необходимо учитывать такие параметры, как: Разнотолщинность; Разнооттеночность; Наличие дефектов различного происхождения (проколы, порезы, укусы насекомых, пороки от консервирования). Каждый из этих параметров специфичен, и нельзя их определить с помощью однотипных датчиков. Действие отдельных параметров может быть ослаблено, даже устранено 56

полностью. В настоящее время автоматическое распознавание дефектов кожи остается нерентабельным. Очевидно и то, что автоматический раскрой кожи лазером вначале будет применяться только на крупных, предварительно обработанных кожах высокого качества, а небольшие по размеру кожи с значительной разноотечностью раскраивать этим способом все еще будет нецелесообразно. Амортизация подобного оборудования должна будет определяться с учетом следующих факторов: Экономия, обусловленная ликвидацией применения резаков; Экономия материала в результате оптимального размещения шаблонов; Ускорение процесса производства, что позволит оперативнее отвечать на требования рынка; Универсальность оборудования: раскрой деталей верха, подкладки, низа, вспомогательных материалов; Возможность более точного управления процессом производства. Технический центр кожи, обуви и кожгалантерейных изделий в сотрудничестве с рядом предприятий по производству обуви и кожгалантерейных изделий работает над проектом автоматического раскроя кожи. Параллельно ведется исследовательская работа по определению необходимой мощности лазеров в зависимости от параметров раскраиваемой кожи и требуемой производительности. Разработка новых технологических методов распознавания формы, дефектов материала и обработки информации, полученной при помощи датчиков и телевизионных мониторов, позволяет надеяться на решение проблемы размещения шаблонов и автоматического раскроя даже таких неординарных материалов как кожа.

57

ВОЗДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНОГО ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ.

ИЗЛУЧЕНИЯ

НА

Количество несчастных случаев, вызванных действием излучения лазера и изученных во Франции за истекшие десять лет, незначительное: 13 несчастных случаев, происшедших при лабораторных испытаниях. Большинство лазеров, применяемых в промышленности, имеет хорошо продуманную сточки зрения безопасности конструкцию. Но, с другой стороны, число применяемых в производственных условиях лазеров непрерывно увеличивается, и само применение лазеров теряет постепенно новизну, становится все более привычным. В результате постепенно снижается бдительность обслуживающего персонала, что может привести к росту несчастных случаев. Риск при использовании лазера сводится к трем основным видам: попадание луча лазера на ткани тела человека, в особенности на кожный покров и в глаза; получение травм при обслуживании и регулировании оборудования высокой мощности (этот вид риска не является специфичным только для лазеров); загрязнение атмосферы: действие лазерного луча может вызвать испарение или химические реакции горения, при которых могут выделяться токсические вещества. Приводится подробное описание действия лазерного излучения на газа человека. В резюме указывается, что повреждение глаз происходит либо от непосредственного действия луча лазера, либо от лазерного луча отраженного зеркалом или блестящим предметом. Меры предосторожности можно свести к следующим действиям: Поверхность стен помещения должна быть матовой, окрашенной в темный цвет; Все блестящие предметы, даже за пределами зоны действия лазера должны иметь черное покрытие; 58

Обеспечивать повышенную освещенность помещения; В возможных пределах закрывать экранами луч и объект, на который он направлен (для защиты от возможного отражения луча от объекта); Следить за обязательным применением обслуживающим персоналом защитных очков. Результатом поражения кожного покрова лазерным излучением является ожог, на характер поражения влияет длина волны. Ожоги кожи в отличии от ожогов глаз происходят более длительном воздействии луча: кожа менее чувствительна, чем глаза. Считают, что ожоги кожи появляются только после длительного воздействия луча плотностью 0,1 Вт/см 2 или краткого воздействия при плотности несколько ватт на квадратный сантиметр. Такая плотность легко достижима при работе лазеров мощностью более 10 Вт при резании или сварки материалов. Так как лазерные установки являются потребителями электроэнергии относительно большой мощности, то необходимо применять меры безопасности, обычно применяемые в электротехнике: Содержание рабочего места в чистоте и порядке; Устройства аварийного выключения должны быть заметными и находиться в легко доступных местах; Исправная и надежная изоляция токоведущих частей (невозможность доступа к открытым деталям, находящимся под напряжением); Выключение напряжения при осмотре механизма. Почти вся энергия, потребляемая лазером, преобразуется в тепловую. Если не предусмотреть рассеяние этой теплоты, она может повредить трубку и привести к взрыву. Оптическая система лазера тоже должна охлаждаться, не допускается ее смещение из-за теплового расширения. С этой целью, в частности, применяется метод жалюзийных конструкций и включение охлаждающих устройств. Следует также строго контролировать герметичность конструкции. 59

Отходы при обработке материалов лазером в основном представляют собой аэрозоли-частицы, взвешенные в газовой среде. Частицы различной величины рассеиваются в атмосфере и могут проникать в организм человека при дыхании. При резании синтетических материалов часто выделяются токсичные пары. В частности, при резании ПВХ материалов и тефлона выделяется газообразный хлористый водород, поэтому обработка этих материалов лазером не рекомендуется. Для предотвращения отравлений предусматриваются вытяжные устройства. Меры по технике безопасности варьируются в зависимости от типа лазера. В настоящее время 60% промышленных лазеров составляют лазеры на углекислом газе. Они оснащены вакуумными насосами, баллонами с инертным газом, а в некоторых случаях применяется подача кислорода, улучшающего процесс резания. Лазеры на аллюминиево-натриевых элементах (УАУ) имеют менее широкое распространение, но в дальнейшем их применение будет увеличиваться. При эксплуатации этих лазеров необходимо периодически заменять лампы высокого давления. Эту операцию часто выполняют сами операторы. Мало распространены пока еще лазеры, с излучением в УФ диапазоне длин. Эксплуатация этих лазеров ставит довольно сложные проблемы перед техникой безопасности. Это связано с тем, что помимо ультрафиолетового излучения в лазерах используются газы-галогены, обладающие высокой активностью (фтор), при работе лазеров выделяется озон. Еще большую опасность представляют лабораторные лазеры. В частности, лазеры, использующие активную среду, содержащую красители, выделяют в атмосферу токсичные и даже канцерогенные частицы красителей. СТАНДАРТИЗАЦИЯ. Меры по технике безопасности при эксплуатации лазеров рассматриваются с двух точек зрения: Допустимые дозы облучения глаз; 60

Стандартизация лазеров по характеру защиты от излучения. Допустимые дозы облучения выработаны на Американской конференции врачей промышленной гигиены. Нормы были определены на подопытных животных и экстраполированы на организм человека с коэффициентом безопасности от 10 до 500. Стандарты для лазеров были разработаны Международной электротехнической комиссией в Техническом комитете 76. В соответствии с этими стандартами лазеры классифицируются следующим образом (на промышленных лазерах должна быть индикация класса): Класс 1 – лазеры безопасные или по своим характеристикам, или по условиям их эксплуатации; Класс 2 – лазеры с видимым излучением (400-700 мм), они не являются безопасными, но рефлекторное закрытие глаз веками достаточно для защиты. Тем не менее продолжительное или на близком расстоянии воздействие луча может превысить допустимые пределы; Класс 3 – подразделяются на два подкласса А и В: А – лазеры с излучением в видимой области, максимальная мощность которых в аппаратах непрерывного излучения или пиковая мощность в импульсных аппаратах составляет 5 мВт. В этом случае также достаточно рефлекторной защиты глаз, хотя рекомендуется избегать попадания луча в глаза; В – лазеры видимого и невидимого излучения; прямое или отраженное попадание луча в глаза опасно, следует придерживаться максимально допустимых значений. Согласно стандарту, лазерное оборудование должно иметь этикетку, указывающую:»Опасно- лазерное излучение, избегать попадания прямого или отраженного луча в глаза или на кожу», а также указывающую класс лазера и его характеристики. 61

Подготавливаются проекты государственных стандартов на защитные очки. Универсальных защитных очков от лазерного излучения не существует: очки варьируются в зависимости от длины волны излучения и максимальной плотности энергии. Кроме того, конструкция защитных очков должна отвечать ряду условий: защита от бокового проникания лучей, надежное крепление окуляров и т.п. В заключении отмечается, что современные лазеры конструируются с максимальной безопасностью в эксплуатации. Промышленные лазеры устанавливаются зафиксировано на рабочем месте. Предусматриваются различные меры безопасности, ограждающие от действия луча. В отличии от промышленных лазеров лабораторные лазеры имеют переносную конструкцию, часто не имеют защитных кожухов. Все отмеченные несчастные случаи при работе с лазерами относились к лабораторным исследованиям. Рабочая зона лазера ограничена точкой фокусировки луча. При нормальной эксплуатации лазера это единственная точка, где существует риск контакта с лазерным лучом. Конструкторы приняли меры, чтобы свести к минимуму и этот риск: расстояние от фокусирующего сопла до обрабатываемого материала уменьшено до величины порядка десятых долей миллиметра. Это устраняет возможность увидеть луч или его отражение. В некоторых конструкциях зона фокусировки луча закрыта прозрачным герметичным кожухом. Надежной гарантией от несчастных случаев является хорошее знание и соблюдение правил техники безопасности эксплуатации лазеров.

62