Повышение эффективности роботизированной сборки цилиндрических соединений с зазором на основе применения пассивной адаптации и низкочастотных колебаний тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.08, кандидат технических наук Кольчугин, Евгений Игоревич

• Кольчугин, Евгений Игоревич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кольчугин, Евгений Игоревич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I

Анализ методов и технических средств автоматической сборки деталей, сопрягаемых по цилиндрическим поверхностям с зазором

1.1. Обеспечение требуемой точности совмещения деталей, сопрягаемых по цилиндрическим поверхностям с зазором

1.1.1. Условия собираемости деталей, сопрягаемых по цилиндрическим поверхностям с зазором

1.1.2. Анализ достижимой точности совмещения поверхностей деталей в сборочном оборудовании

1.2. Анализ разновидностей и классификация способов относительной ориентации деталей при автоматической сборке

1.3. Анализ существующих методов и средств автоматической сборки деталей, сопрягаемых по цилиндрическим поверхностям с гарантированным зазором

1.4. Разновидности траекторий и устройств взаимоориентации, основанных на применении колебаний

1.5. Цель и задачи работы

ГЛАВА II

Математическая модель динамики относительного движения при упругом базировании присоединяемой детали и вибрационных колебаниях базовой детали

2.1. Метод роботизированной сборки цилиндрических соединений с использованием низкочастотных колебаний

2.2. Математическая модель динамики относительного движения центра масс (ЦМ) устанавливаемой детали

2.2.1. Уравнения динамики относительного движения ЦМ вала

2.2.2. Построение матриц преобразования однородных координат

2.2.3. Определение проекций сил, входящих в уравнения динамики относительного движения

2.2.4. Построение системы дифференциальных уравнений относительного движения ЦМ вала по отношению к подвижной системе координат, связанной с втулкой

2.2.5. Приближенная математическая модель динамики относительного движения

2.3. Определение моментов приводов, обеспечивающих требуемое движение звеньев устройства

2.4. Выводы и результаты по главе

ГЛАВА III

Компьютерное моделирование движения центра масс вала относительно втулки при автоматической сборке цилиндрических соединений

3.1. Программные средства исследования

3.2. Моделирование процесса движения центра масс вала относительно оси втулки

3.2.1. Исследование влияния параметров системы на вид траектории относительного движения центра масс вала по отношению ко втулке в проекции на плоскость ориентирующего диска

3.2.2. Определение области оптимальных амлитудно-частотных режимов колебаний виброопоры, обеспечивающих асимптотическое приближение ЦМ вала к оси втулки

3.3. Выводы и результаты по главе

ГЛАВА IV

Экспериментальное исследование процесса автоматической сборки с применением пассивной адаптации и низкочастотных колебаний

4.1. Выбор квалитета и посадок деталей для исследования

4.2. Оборудование и оснащение

4.2.1. Состав экспериментальной установки

4.2.2 Контрольно-измерительные средства

4.3. Экспериментальное исследование метода роботизированной сборки с применением вибраций

4.3.1. Методика проведения физического эксперимента

4.3.2. Планирование многофакторного эксперимента при поиске оптимальных технологических режимов и конструктивных параметров оборудования

4.3.3. Обработка результатов многофакторного эксперимента

4.4. Исследование характера зависимости времени сборки от основных технологических факторов

4.4.1. Влияние зазора в соединении

4.4.2. Влияние начальной несоосности

4.4.3. Влияние жесткости упругих элементов схвата

4.4.4. Определение эмпирической области оптимальных амплитудно-частотных режимов колебаний виброопоры

4.5. Надежность обеспечения условий собираемости соединения

4.6. Выводы и результаты по главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности роботизированной сборки цилиндрических соединений с зазором на основе применения пассивной адаптации и низкочастотных колебаний»

Обеспечение качества выпускаемой продукции является одной из основных задач технологии машиностроения. Общеизвестно, что эффективное решение проблемы обеспечения стабильного качества связано с автоматизацией производства. При этом особенно следует обратить внимание на автоматизацию сборки, так как являясь заключительным этапом производства, она формирует качество конечного продукта.

Необходимость автоматизации обусловлена также тем, что доля трудозатрат на сборку в общей трудоемкости изготовления изделий машиностроения составляет 30-40% [1] и продолжает возрастать, а себестоимость сборки достигает 50% от общих затрат на изготовление изделий.

Но даже в массовом производстве таких стран как Германия, США автоматизировано только 12-15% от общего объема сборочных работ, в Японии 18-20%. В нашей стране на предприятиях машиностроения автоматизировано лишь 5-7%, что в является явно недостаточным. Основными причинами такого положения являются: разнообразие конструкций узлов и изделий, их нетехнологичность с позиций автоматической сборки, отсутствие соответствующего сборочного оборудования, малый либо нулевой опыт предприятий в автоматизации сборки, отсутствие специалистов.

В конструкциях современных машин в среднем около 40% от общего числа соединений [2] приходится на соединения деталей по цилиндрическим поверхностям с зазором. При наблюдается тенденция постепенного повышения точности изготовления деталей. Поэтому решение задач автоматической сборки точных цилиндрических соединений с малым зазором приобретает все большую актуальность.

Возможность автоматизации сборочных процессов определяется выполнением условий собираемости, которые в свою очередь не могут быть обеспечены без решения вопросов относительного ориентирования деталей. Известно, что точность положения деталей перед сопряжением и условия базирования определяют безотказность и качество выполнения автоматических сборочных операций [3]. Однако при этом не до конца решенной остается проблема надежности сборки, связанная с заклиниванием деталей, вызванным угловым рассогласованием положения их осей.

В связи с этим обеспечить гарантированную автоматическую сборку без применения специальных устройств, осуществляющих относительную ориентацию собираемых деталей перед их соединением, представляется невозможным.

Вопросам создания подобных устройств для автоматической сборки в отечественной науке и технике уделялось существенное внимание. Были разработаны и исследованы оригинальные устройства относительной ориентации деталей, нашедшие применение в различных отраслях промышленности. Широкому внедрению устройств относительного ориентирования деталей при автоматической сборке в значительной степени способствовали труды таких ученых как Бакшис Б.П. [14], Бедрин В.М. [27-32], Божкова JI.B. [26,34], Вартанов М.В. [9,34], Гусев A.A. [3,16], Дащенко А.И. [25], Елхов П.Е. [39], Житников Ю.З. [17,24], Кристаль М.Г. [38], Лебедовский М.С. [1, 21], Левчук Д.М. [46, 48], Холодкова А.Г. [45] и ряда других.

Наиболее эффективными являются устройства взаимоориентации, основанные на направленном совмещении. Однако те из них, которые основаны на использовании систем управления, являются технически сложными и, следовательно, дорогостоящими и недостаточно надежными. Более перспективными в современных условиях можно считать устройства, основанные на использовании различных физических эффектов для реализации направленного совмещения. Среди подобных устройств относительного ориентирования деталей малоизученными до настоящего времени остаются устройства, основанные на использовании вибраций. При вибрационной сборке значительно снижаются требования по точности взаимного расположения деталей на сборочной позиции. Однако в подавляющем большинстве известных работ рассматриваются устройства сканирования по определенной траектории, не обеспечивающие направленного совмещения контуров деталей.

Также одним из средств автоматизации сборочных процессов являются промышленные роботы (ПР). Способность ПР быстро переналаживаться с одной сборочной операции на другую оправдывает замену в сборочных комплексах специализированных автоматов на ПР. Это соответствует актуальной проблеме использования в современных рыночных условиях гибких производственных систем. Однако, сдерживающим фактором использования ПР в сборочных процессах является их высокая стоимость (особенно при наличии каналов обратной связи), а в случае применения менее дорогостоящих ПР с программным управлением (без обратных связей) и с пассивной адаптацией - их недостаточная точность позиционирования. В особенности это касается соединений с малыми зазорами - от 0,03 мм и менее.

На основании изложенного, можно утверждать, что повышение эффективности роботизированной сборки деталей, сопрягаемых по цилиндрическим поверхностям с малым зазором, за счет обеспечения условий автоматической собираемости деталей путем использования ПР с пассивной адаптацией схвата и специализированного вибрационного устройства является актуальной научно-технической задачей.

Диссертационная работа посвящена расширению технологических возможностей автоматической сборки точных бесфасочных цилиндрических соединений с зазором, обеспечению ее надежности и качества путем научного обоснования и разработки на основе теоретических и экспериментальных исследований метода роботизированной автоматической сборки на основе использования пассивной адаптации и вибрационных колебаний.

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. В первой главе дан анализ методов и средств автоматической сборки цилиндрических соединений с зазором, выполнена постановка цели и задач исследования. Во второй главе проводится разработка математической модели динамики движения центра масс присоединяемой детали при ее упругом базировании в схвате робота относительно подвижной системы координат, связанной с базовой деталью, которая совершает вибрационные колебания. Третья глава посвящена компьютерному моделированию с помощью программы, реализующей полученную модель динамики, и численному эксперименту. В четвертой главе описана разработанная экспериментальная установка для сборки, проведено многофакторное планирование физического эксперимента, представлена методика его проведения, результаты, их краткий анализ и сделаны соответствующие выводы.

Заключение диссертации по теме «Технология машиностроения», Кольчугин, Евгений Игоревич

Результаты работы могут быть использованы заводами, промышленными предприятиями машино- и приборостроения, а также высшими учебными заведениями машиностроительного профиля.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При выполнении относительного ориентирования деталей наиболее перспективным является использование направленного совмещения деталей. Однако в условиях экономического спада использование дорогостоящих роботизированных систем с обратной связью в большинстве случаев оказывается экономически неэффективным. Более целесообразным можно считать использование недорогих устройств направленного совмещения деталей, основанных на использовании различных физических эффектов. Эти устройства в сочетании с пассивным адаптивным схватом промышленного робота позволяют собирать детали без направляющих фасок при значительной начальной несоосности, а также обеспечивают протекание сборки без заклинивания даже для точных соединений с малым зазором.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кольчугин, Евгений Игоревич, 2011 год

1. Лебедовский М.С., Вейц В.Л., Федотов А.Н. Научные основы автоматизации сборки. Л.: Машиностроение. 1985. 316 с.

2. Косилов В.В. Технологические основы проектирования автоматического сборочного оборудования.- М.: Машиностроение, 1976. 248 с.

3. Гусев A.A. Автоматизация сборочных работ, М.: Энергия. 1975. 62 с.

4. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976. - 280 с.

5. Налимов В.В., Чернова H.A. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. — М.: Наука, 1965. 340 с.

6. Монтгомери Д.К. Планирование эксперимента и анализ данных (пер. с англ.). Л.: Судостроение, 1980. - 380 с.

7. Ямпольский Л.С., Полищук М.Н. Оптимизация технологических процессов в гибких производственных системах. — Киев : Техшка, 1988. — 174 с.

8. Макушенко Т.В., Малицкий И.Ф. Роботизация сборочных операций с применением пассивной коррекции. Журнал «Вестник машиностроения», №5 1992 с.38-39. -М.: Машиностроение

9. Божкова Л.В., Вартанов М.В., Чуканова О.В. Совершенствование технологии роботизированной сборки цилиндрических соединений. Журнал «Техника машиностроения», №3 2000, с. 106-112. — М.: НТП «Вираж-центр»

10. Ю.Замятин В.К. Технология и автоматизация сборки. М.: Машиностроение, 1993,464 с.

11. П.Вахрин Л.А., Мясников В.К., Синицын В.Т. Адаптивное управление процессами сопряжения деталей при автоматической сборке. «Сборка в машиностроении, приборостроении», 2001, №1, с. 17-26.

12. Бедрин В.М., Бедрина A.B. Обзор методов и устройств автоматического ориентирования деталей при сборке. «Сборка в машиностроении, приборостроении», 2000, №2, с. 7-21.

13. З.Герасимов А.Г. Технологические основы построения систем на сборочных позициях в автоматизированном производстве. Дисс. д.т.н., Куйбышев, 1988.

14. Бакшис В.П. Разработка теории и средств автоматической сборки на основе вибрационных методов направленного совмещения сопрягаемых поверхностей деталей. Диссертация докт. техн. наук, Ленинград, 1991. -446 с.

15. Судниек Ф.А. Исследование некоторых методов вибрационной сборки деталей. Дисс. к.т.н., Рига, 1971

16. Гусев A.A. Адаптивные устройства сборочных машин. М., 1979.

17. Житников Ю.З. Автоматизация сборки изделий с резьбовыми соединениями. Учебное пособие. 4.1. Теоретические основы автоматизированной сборки изделий с резьбовыми соединениями.- Ковров: КГТА, 1996.

18. Корсаков B.C. Автоматизация производственных процессов, М., 1978, 396 с.

19. Сборка изделий в машиностроении: Справочник/ Под ред. B.C. Корсакова, В.К. Замятина. М.: Машиностроение, 1983 480 с.

20. Андреева JI.E. Упругие элементы приборов. М.: Машиностроение, 1981. -392 с.

21. Лебедовский М.С., Федотов А.И. Автоматизация сборочных работ. Л.: Лениздат, 1970.

22. Яхимович В.А. Ориентирующие механизмы сборочных автоматов. М.: Машиностроение, 1975 165 с.

23. Научные основы автоматизации сборки машин и механизмов/ Под общ. ред. М.Л. Новикова. М. 1976.

24. Дащенко А.И., Божкова JI.B., Бедрин В.М. и др. Сборка в руке робота. — «Машиностроитель», 1997, № 12, с. 18-23.

25. Божкова Л.В., Чуканова О.В. Математическая модель динамики сборочного вибрационного устройства. «Наука производству», 1998, № 9, с. 52-56.

26. Бедрин В.М., Бедрина A.B. Ориентирование деталей с помощью направленных вибраций. «Сборка в машиностроении, приборостроении», 2001, №7, с. 27-34.

27. Бедрин В.М., Бедрина A.B. Ориентирование деталей с помощью направленных вибраций. «Сборка в машиностроении, приборостроении», 2001, №8, с.5-9.

28. Бедрин В.М., Бедрина A.B. Ориентирование деталей с помощью направленных вибраций. «Сборка в машиностроении, приборостроении», 2001, №9, с.2-10.

29. Бедрин В.М., Бедрина A.B. Ориентирование деталей с помощью направленных вибраций. «Сборка в машиностроении, приборостроении», 2001, №10, с. 15-20.

30. Бедрин В.М., Бедрина A.B. Ориентирование деталей с помощью направленных вибраций. «Сборка в машиностроении, приборостроении», 2001, №11, с. 10-14.

31. Бедрин В.М., Бедрина A.B. Ориентирование деталей с помощью направленных вибраций. «Сборка в машиностроении, приборостроении», 2001, №12, с.10-14.

32. Макушенко Т.В., Малицкий И.Ф. Роботизация сборочных операций с применением пассивной коррекции. Журнал «Вестник машиностроения», №5 1992 с. 38-39. - М.: Машиностроение

33. Божкова Л.В., Вартанов М.В., Чуканова О.В. Совершенствование технологии роботизированной сборки цилиндрических соединений. Журнал «Техника машиностроения», №3 2000 с. 106-112. - М.: НТП «Вираж-центр»

34. Бутенин H.B. и др. Курс теоретической механики. В двух томах. Т.1., Т.2 -М.: Наука, 1979г.

35. Юревич Е.И. Основы робототехники: Учебник для втузов. Л.: Машиностроение, ленингр.отд-ние, 1985. — 271 е., ил.

36. Беклемишев Д.В. Курс аналитической геометрии и линейной алгебры. М.: Физматлит, 2005 - 304 с.

37. Кристаль М.Г. Разработка методов проектирования автоматических устройств повышенной производительности и надежности для сборки. Дисс. д.т.н. М., 2009

38. Дащенко А.И., Елхов П.Е. Анализ процесса пневмовихревой сборки деталей. В ж-ле «Техника машиностроения», 2000, №2, с. 40-47

39. Протодьяконов М.М., Тедер Р.И. Методика рационального планирования экспериментов -М.: Наука, 1970. — 76 с.

40. Рабинович А.Н., Рабинович JI.A. Самоориентирование деталей при автоматической сборке //Механизация и автоматизация производства, 1967, №6.

41. Лобзов Б.А., Лойко В.Е. Способ соединения деталей. A.C. 260384

42. Левчук Д.М., Бедрин В.М. Устройство для сборки комплекта деталей. A.C. 636065, опуб. 05.12.78, бюлл. №45

43. Холодкова А.Г. Технология автоматической сборки. М.: Машиностроение, 2010, 560 с.

44. Левчук Д.М., Бедрин В.М. Способ ориентирования деталей при сборке. -A.C. 823058, опуб. 23.04.81, бюлл. №15

45. Пономарчук Г.Б. Разработка и исследование метода и средств ультразвукового совмещения деталей при автоматической сборке. — Дисс. к.т.н., Ужгород, 1979

46. Левчук Д.М. Исследование и разработка методов относительного ориентирования сборочных единиц соединений во вращающемся потоке газов при автоматической сборке. Дисс. к.т.н.- М., 1974

47. Parallel Orientation of Polygonal Parts./ Prasanna, Victor K. Rao, Anil S. // IEEE Trans. Rob. and Autom. 1992, 8, #5, p.678-687.

48. Poli Corredo. Designing parts for automatic assembly. — "Machinery design", 1987, v. 59, #29, p. 140-145.

49. Valentovic Ernest. Knowing your orientation "Assembly automation", 1996, v. 16, #2, p. 31-33.