ГИБРИДНОЙ СИСТЕМЫ ПОШТУЧНОЙ ВЫДАЧИ ДЕТАЛЕЙ СО ВСТРОЕННЫМ ВИЗУАЛЬНЫМ КОНТРОЛЕМ

ANALYSIS OF THE STRESS-STRAIN STATE OF THE HUB COMPONENT USING SAE MODELING

Ezinmegnon Midonoukoun Humbert

Student, Department of Mechanical Engineering, Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov,

Russia, Belgorod

Douyun Tatiana Alexandrovna

scientific supervisor, prof., Dr. Sc. (Tech.), head of department, Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov,

Russia, Belgorod

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается концепция модернизации проверенного механического устройства советского авторского свидетельства SU 554994 (1976) путем интеграции современных технологий машинного зрения. Целью работы является создание экономичного и производительного решения для автоматизации подачи деталей, ориентированного на малые и средние предприятия обрабатывающей промышленности. Предлагаемая гибридная система сочетает надежность и низкую стоимость базовой механики с возможностями контроля качества и гибкостью, обеспечиваемыми модулем технического зрения и пневматической системой отбраковки. Проведен анализ состояния техники, описана архитектура системы, представлены ее технические характеристики и экономическая эффективность. Выполнена оценка прочности ключевого элемента методом конечных элементов.

ABSTRACT

The article discusses the concept of modernizing a proven mechanical device of the Soviet copyright certificate SU 554994 (1976) through the integration of modern machine vision technologies. The aim of the work is to create an economical and productive solution for automating parts feeding, oriented towards small and medium-sized enterprises in the manufacturing industry. The proposed hybrid system combines the reliability and low cost of the basic mechanics with the quality control capabilities and flexibility provided by a technical vision module and a pneumatic rejection system. An analysis of the state of the art is carried out, the system architecture is described, its technical characteristics and economic efficiency are presented. The strength of the key element is assessed using the finite element method.

Ключевые слова: автоматизация подачи деталей, машинное зрение, гибридная система, патент SU 554994, малые и средние предприятия, Индустрия 4.0.

Keywords: automation of parts feeding, machine vision, hybrid system, patent SU 554994, small and medium enterprises, Industry 4.0.

Введение

Автоматизация процессов подачи деталей является ключевым фактором повышения производительности в современном машиностроении [1, 2]. Однако существующие на рынке решения создают технологический разрыв: высокозатратные роботизированные комплексы недоступны для большинства малых и средних предприятий (МСП), в то время как специализированные механические питатели, несмотря на низкую стоимость, не обладают гибкостью и функциями контроля качества. Целью данной работы является разработка гибридного устройства, устраняющего этот разрыв. Предлагается модернизировать проверенный механизм советского авторского свидетельства SU 554994 [3], интегрировав в него недорогой модуль машинного зрения и систему пневматического сброса.

Анализ состояния техники

Базовым решением для модернизации выбран патент SU 554994 «Устройство для поштучной выдачи деталей» (МПК B23Q 7/04). Изобретение направлено на повышение производительности за счет исключения холостого хода отсекателя. Это достигается установкой склиза и дополнительного паза на маятниковом отсекателе, что позволяет выдавать по две детали за каждый ход (рисунок. 1) [3].

Рисунок 1. Схема устройства по патенту SU 554994: 1 – магазин, 2 – маятниковый отсекатель с двойным пазом, 3 – поворотный склиз, 4 – отводящий лоток

Анализ современных автоматизированных систем выявил два основных подхода:

Роботизированные комплексы (стоимость 50 000–150 000 €) – высокая гибкость и точность, но запретительная стоимость и сложность обслуживания.

Специализированные питатели (вибрационные, лотковые) – низкая стоимость, но отсутствие гибкости и функций контроля.

Данный анализ обосновывает актуальность создания гибридной системы, сочетающей преимущества обоих подходов при минимизации их недостатков.

Описание предлагаемой инновации

Общая концепция и архитектура

Предлагаемая система представляет собой интеграцию модуля машинного зрения в механизм SU 554994 (рисунок. 2). Функциональная схема включает следующие этапы: накопление деталей в магазине → двойная выдача механизмом SU 554994 → зона визуального контроля → принятие решения → сортировка (годные/брак).

Рисунок 2. Функциональная схема предлагаемой гибридной системы : накопление деталей → выдача механизмом SU 554994 → зона визуального контроля → принятие решения → сортировка (годные/брак)

Основные компоненты

• Механический модуль (наследие SU 554994): наклонный магазин, маятниковый отсекатель с двойным пазом, поворотный склиз.
• Электронный модуль: промышленная CMOS-камера (≈150 €), кольцевая LED-подсветка, микроконтроллер (Arduino/Raspberry Pi), инфракрасные датчики положения.
• Модуль сброса: компактный пневматический привод с электропневматическим клапаном

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА:

[Магазин деталей]

↓

[Механизм с двойным кулачком - SU 554994]

↓

[Зона визуального контроля]

↓

[Модуль принятия решений]

├→ Деталь ГОДНАЯ → [Передача на станок]

└→ Деталь БРАК → [Пневматический сброс]

Технические характеристики и преимущества

Таблица 1

Сравнение с оригинальным патентом SU 554994

Таблица 2

Сравнение с современными роботизированными системами

Характеристики производительности

• Скорость работы: 30-40 деталей/мин
• Точность обнаружения: ±0.2 мм
• Ложные срабатывания: < 1%
• Потребляемая мощность: 150 Вт
• Давление воздуха: 4-6 бар

Анализ прочности методом конечных элементов

Для проверки работоспособности механической части была проведена оценка напряженно-деформированного состояния основного вала (поз. 13 на SU 554994) с использованием программного комплекса КОМПАС-3D (модуль APM FEM). Моделировался вал диаметром 16 мм и длиной 120 мм из стали 45 (E=2,1·10⁵ МПа, σт=370 МПа). Нагрузка 500 Н прикладывалась в центре вала при шарнирном опирании по концам (рисунок 3).

Рисунок 3. Конечно-элементная сетка и граничные условия

Результаты анализа (рисунок 4, 5) показали, что максимальные эквивалентные напряжения составляют 0,1126 МПа, а максимальное перемещение – 1,79 × 10⁻⁶ мм. Коэффициент запаса прочности равен 3286. Полученные значения значительно ниже предельно допустимых, что подтверждает высокую надежность и жесткость конструкции.

Рисунок 4. Поле суммарных перемещений (Umax = 1,79 × 10⁻⁶ мм)

Рисунок 5. Распределение эквивалентных напряжений по Мизесу (σmax = 0,1126 МПа)

Выполнена оценка прочности ключевого элемента методом конечных элементов. Результаты подтвердили, что напряжения (0,1126 МПа) и деформации (1,79 × 10⁻⁶ мм) находятся в допустимых пределах, а коэффициент запаса прочности (3286) гарантирует высокую надежность конструкции.

Экономическая эффективность

Ориентировочная себестоимость изготовления гибридной системы составляет 3300-5000 €, а расчетная цена продажи – 8000-12 000 €. Валовая маржа может достигать 50-60%. Для конечного потребителя возврат инвестиций ожидается менее 12 месяцев за счет повышения качества продукции и производительности.

Заключение

В работе предложена концепция гибридной системы поштучной выдачи деталей, основанная на модернизации механизма SU 554994 модулем машинного зрения. Основные результаты:

1. Проведен анализ состояния техники и обоснована актуальность разработки.
2. Предложена архитектура системы и определены ее основные компоненты.
3. Выполнена предварительная оценка прочности ключевого элемента методом конечных элементов.
4. Показана экономическая целесообразность решения для МСП.

Дальнейшие перспективы работы включают изготовление опытного образца, проведение промышленных испытаний и адаптацию системы для расширенной номенклатуры деталей.

Список литературы:

1. Бутройд Г. Автоматизация сборки и проектирование изделий / Г. Бутройд ; пер. с англ. – Москва : Машиностроение, 2005. – 312 с.
2. Дэвис Э.Р. Компьютерное зрение: принципы, алгоритмы, приложения = Computer Vision: Principles, Algorithms, Applications / Э.Р. Дэвис. – 5-е изд. – Лондон : Academic Press, 2018. – 890 с.
3. SU 554994 A1, МПК B23Q 7/04. Устройство для поштучной выдачи деталей / Л.А. Наследников, Н.Н. Муратов, В.Г. Воронин ; заявитель Центральное проектно-конструкторское и технологическое бюро. – № 2326567/08 ; заявл. 24.02.76 ; опубл. 25.04.1977, Бюл. № 15. – 3 с.
4. Journal of Manufacturing Systems. Анализ затрат и выгод от внедрения робототехники и автоматизации на МСП = A cost-benefit analysis of robotics and automation implementation in SMEs. – 2020. – Vol. 55. – С. 123-135.
5. International Journal of Production Research. Индустрия 4.0 и интеллектуальное производство: Обзор = Industry 4.0 and smart manufacturing: A review. – 2021. – С. 1-20.