автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Выявление размерных и точностных связей в изделиях машиностроения для обеспечения автоматизированного проектирования последовательности их сборки

кандидата технических наук
Тарасова, Марина Викторовна
город
Москва
год
1998
специальность ВАК РФ
05.13.07
цена
450 рублей
Диссертация по информатике, вычислительной технике и управлению на тему «Выявление размерных и точностных связей в изделиях машиностроения для обеспечения автоматизированного проектирования последовательности их сборки»

Текст работы Тарасова, Марина Викторовна, диссертация по теме Автоматизация технологических процессов и производств (в том числе по отраслям)

/

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «СТАНКИН»

На правах рукописи УДК 621.9.07(75)

Тарасова Марина Викторовна ВЫЯВЛЕНИЕ РАЗМЕРНЫХ И ТОЧНОСТНЫХ СВЯЗЕЙ В ИЗДЕЛИЯХ МАШИНОСТРОЕНИЯ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ИХ СБОРКИ

Специальность: 05.13.07 - Автоматизация технологических

процессов и производств

Научный руководитель: профессор, доктор технических наук ГУСЕВ А.А.

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................4

ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследования

1.1. Основные задачи автоматизированного проектирования

технологических процессов сборки...............................7

1.2. Алгоритмизация определения последовательности

сборочных операций................................................18

1.3. Цель и задачи диссертации............................................24

ГЛАВА 2. Основные связи элементов конструкции изделия и

производственной системы

2.1. Служебное назначение машины и структура сборочной единицы...................................................................26

2.2. Механические связи в сборочной единице.........................35

2.3. Пространственные связи в сборочной единице....................45

2.4. Размерные связи сборочной единицы..............................52

2.5. Связи элементов конструкции изделия с элементами средств

технологического оснащения........................................60

ВЫВОДЫ........................................................................63

ГЛАВА 3. Разработка математических моделей для определения

последовательности сборки изделий

3.1. Назначение и состав математических моделей сборочных единиц.......................................................................65

3.2. Разработка математической модели сборочной единицы

для определения последовательности установки деталей......68

3.3. Разработка математичекой модели размерных связей

сборочной единицы....................................................82

3.4. Математическая модель производственной системы и

полная модель сборочной единицы................................88

ВЫВОДЫ......................................................................92

ГЛАВА 4. Алгоритмизация проектирования последовательности

установки деталей изделия

4.1. Определение последовательности установки деталей с учетом условий базирования и доступа...........................93

4.2. Программная реализация алгоритма определения последовательности...................................................109

4.3. Автоматизированное проектирование технологического процесса сборки с учетом выбора последовательности установки деталей сборочной единицы......................... 116

ВЫВОДЫ.....................................................................123

ГЛАВА 5. Эффективность автоматизированного проектирования

единичных технологических процессов сборки....................124

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................130

ЛИТЕРАТУРА..........................................................................133

ПРИЛОЖЕНИЕ.......................................................................140

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Важнейшей задачей современного развития машиностроения является обеспечение качества изделий и конкурентоспособности производства. Особую трудность вызывают работы, связанные с заключительным этапом производственного процесса, сборкой изделий. Низкий уровень механизации и автоматизации сборочных работ определяют их высокую трудоемкость по сравнению с трудоемкостью изготовления деталей. В современном машиностроении трудоемкость сборочных работ составляет 30-40 %, а в приборостроении достигает 60-80%; вследствии этого себестоимость выполнения этого вида работ - около 70%. Исследованиям процесса сборки изделий посвящены работы многих отечественных ученых профессоров, докторов технических наук-Б.С.Балакшина, А.А.Гусева, В.С.Корсакова, М.П.Новикова, В.В.Павлова и других ученых нашей страны и ряда зарубежных стран. Основное внимание в этих работах уделялось обеспечению точности изделий, автоматизации сборочных работ и проектированию технологических процессов сборки.

Одной из наиболее сложных задач проектирования сборочных процессов является оценка достигаемой точности при сборке. Это вызвано тем, что сборочные размерные цепи являются связанными, и их аналитический расчет возможен только в процессе формирования сборочной единицы с учетом последовательности установки деталей. Исследования факторов, влияющих на последовательность установки деталей при сборке изделий, проводились в станкостроении, приборостроении, авиастроении и других отраслях машиностроения. Однако, эта важная задача пока в полной мере не решена.

Цель работы - повышение эффективности сборочных работ и обеспечение качества собираемых изделий путем автоматизированного

проектирования и выбора оптимальных технологических процессов сборки.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что: выявлена и разработана математическая модель влияния механических и пространственных связей на последовательность установки деталей при сборке изделий;

- установлена зависимость структуры связанных сборочных размерных цепей от последовательности установки деталей в собираемом изделии;

- разработаны математические модели и алгоритмы определения последовательности установки деталей и расчета сборочных размерных цепей.

Практическая ценность.

1 .Разработана методика определения последовательности выполнения технологических операций на основе выявленной последовательности установки деталей при сборке изделия.

2. Разработана методика расчета связанных сборочных размерных цепей.

3.Разработан программно-методический комплекс генерации возможных последовательностей установки деталей при сборке.

Методы исследования. При выполнении теоретических исследований использованы основные положения технологии машиностроения, основы механики, а также известные методики создания САПР. Приведение исследования выполнены с использованием методов математического моделирования на основе теории множеств, теории графов и вычислительной математики.

Реализация работы. Разработанные модели и алгоритмы генерации последовательностей установки и расчета связанных сборочных размерных цепей использованы в НИР №95-04/6 «Разработка математического и методического обеспечения автоматизированного

проектирования сборочных процессов на базе типовых математических моделей » (МГТУ»Станкин», 1995г.), НИР №96-26/г «Математическое моделирование дискретного производства»(МГТУ»Станкин»,1997 г.), а также при подготовке методического и программного обеспечения лабораторных работ по курсу «Автоматизированное проектирование технологических процессов»(кафедра технологического проектирования МГТУ «Станкин»),

Апробация работы. Основные положения выполненных исследований докладывались:

- на кафедрах «Автоматизация сборочных производств» и «Технология машиностроения» МГТУ «Станкин»;

на научно-технической конференции "Системы управления. Конверсия.Проблемы"-Ковров, 1996;

- на научно-технической конференции " Управление в технических системах "-Ковров, 1998.

на Всероссийской научно-технической конференции"Новые материалы и технологии " - Москва, 1998.

ГЛАВА 1

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Основные задачи автоматизированного проектирования технологических процессов сборки

Важнейшей задачей современного развития машиностроения является повышение качества и конкурентоспособности изделий и эффективности производства. Особенно большое значение на решение этих задач оказывает заключительный этап процесса производства- сборка изделия. Технологический процесс сборки представляет собой совокупность операций, в результате выполнения которых отдельные элементы конструкции, поступающие на сборку, занимают требуемое положение в изделии. На качество сборки существенное значение оказывают многие факторы, в том числе качество деталей, поступающих на сборку. Удельный вес трудоемкости сборочных работ в общей трудоемкости изготовления изделий очень велик: в современном машиностроении трудоемкость сборки составляет 30-40%, а в приборостроении 60-80%.

Основным средством снижения трудоемкости сборочных работ является автоматизация сборочных операций, однако механизация и автоматизация сборочных работ затруднена из-за сложности сборочных единиц, разнообразия действующих факторов и сложности средств технологического оснащения[30,34]. Для создания эффективных средств механизации и автоматизации сборочных операций необходимо всестороннее исследование закономерностей , определяющих содержание технологического процесса сборки, а также выявление взаимосвязей

между конструктивно-технологическими свойствами собираемого изделия и средств технологического оснащения. Поэтому исследованиям закономерностей и связей, влияющих на качество и эффективность технологических процессов сборки изделий, посвящены работы многих отечественных ученых - проф., докт.техн.наук Б.С.Балакшина, П.И.Буловского, А.А.Гусева, В.С.Корсакова, М.Н.Новикова, В.В.Павлова, А.И.Федотова и других.

Основные закономерности и связи между элементами конструкции сборочной единицы и средств технологического оснащения исследовались в работах [6,18,28,34,43 и др.]. Исследовались такие факторы, влияющие на процесс сборки, как служебное назначение машины и конструктивно-технологические свойства сборочных единиц и свойства собираемых деталей, механические и размерные связи в сборочной единице, конструктивные и технологические факторы, влияющие на автоматизацию сборки, взаимосвязь свойств сборочной единицы и сборочной оснастки и др. Наиболее важные факторы, определяющие содержание сборочных работ установлены проф., докт. техн. наук Б.С.Балакшиным [6].К этим факторам относятся служебное назначение машины и условия, обеспечивающие точность ее изготовления. Определено, что главным фактором, влияющим на точность изготовления деталей и сборки изделия, являются условия, обеспечивающие определенность базирования деталей при выполнении технологических операций. При этом процесс базирования рассматривается как процесс физического взаимодействия твердых тел, и анализируется состав и взаимосвязь механических связей между базовым элементом и базируемой деталью. Анализ механических связей позволил определить правила базирования деталей различных форм. Для оценки точности сборки изделий разработана теория размерных цепей. В работах [12,18,28 и др.] детально исследованы особенности реализации сборочных операций в зависимости от выбранных методов

достижения точности замыкающих звеньев размерных цепей изделия, а также связи между геометрическими формами деталей изделия и элементов конструкции сборочных приспособлений. В работах [45,46 и др.] исследовалось влияние формы устанавливаемой детали на процесс ее ориентации при сборке. Разностороннее исследование факторов, влияющих на содержание и качество сборочных работ приведены в [34]. Особенно много работ посвящено вопросам автоматизации технологических процессов сборки [15,16,18,30,34,63 и др.]. В этих работах тщательно исследуются условия автоматической установки деталей в изделии, режимы автоматического соединения деталей, степень подготовленности изделия к автоматической сборке, технологичность конструкции изделия для условий автоматизированной сборки, технологические схемы сборочных механизмов, факторы производительности и надежности сборочных автоматов, вопросы конструирования сборочных автоматических машин и гибких производственных систем и т.д. Так как конструирование сборочных автоматов, гибких сборочных систем, робототехнических комплексов и других средств автоматизации сборочных работ требует обоснования проектных решений и расчетов, то эти работы содержат углубленные исследования многих факторов, используемых при технологическом проектировании. Все эти работы характерны тем, что в них глубоко исследуется физическое содержание процесса сборки. Это открывает возможность использования достигнутых результатов с целью математического моделирования сборочных работ для автоматизации технологического проектирования.

Проектирование технологического процесса сборки включает в себя решение ряда задач, основными из которых являются[2,6,43,59]:

анализ служебного назначения сборочной единицы и условий, связанных с обеспечением требуемого качества собираемого изделия;

определение состава сборочных операций;

определение состава средств технологического оснащения сборочных операции;

определение возможных последовательностей установки деталей сборочной единицы;

определение последовательности выполнения всех операций технологического процесса сборки;

оценка точности сборки путем расчета сборочных размерных цепей; нормирование и расчет технико-экономических показателей и выбор оптимального варианта технологического процесса сборки; оформление технологической документации.

Решение первой задачи осуществляется технологом с учетом производственного опыта и квалификации исполнителей. Решение этой задачи в настоящее время не поддается автоматизации и целиком относится к компетенции технолога. Решение остальных задач может осуществляется автоматизированными методами.

Проблемам автоматизации проектирования технологических процессов сборки посвящено, начиная с конца 60-х годов, большое количество работ. Общим вопросам автоматизации проектирования технологических процессов сборки посвящены работы [1,2,14,19,21,34,36,37,51,57 и др.].

Известно, что автоматизированное проектирование технологических процессов основано на математическом моделировании изделия и производственной системы[1,13,21,43,49,50,51 и др.]. Математическое моделирование технологических процессов основано на формализованном представлении закономерностей, связей и факторов, влияющих на содержание этого процесса. Разработке формализованного представления и математическому моделированию отдельных элементов структуры

сборочной системы и процесса сборки посвящены работы [2,9, 13,14,30,36,41,49 и др.]

В работах [34,36] исследованы особенности проявления механических и геометрических связей элементов конструкции изделия и средств технологического оснащения в процессе сборки, и разработаны формализованные методы их представления. Наличие механических связей между деталями изделия "А" описывается графом сопряжений С=(А,С) , в котором множество вершин "А" соответствует деталям изделия, а множество дуг (ребер) "С" соответствует наличию сопряжений между парами деталей. Характер механических связей описывается с помощью единичных баз-векторных величин, параллельных осям базовой системы координат.

Геометрические связи при сборке проявляются в двух аспектах. С одной стороны, они определяют положение элементов конструкции относительно друг друга и системы координат в изделии; этот аспект геометрических связей проявляется в виде размерных связей в изделии, описываемых сборочными размерными цепями. С другой стороны, геометрические связи определяют возможные перемещения элементов конструкции, механически связанных друг с другом. Поэтому в работах [34,36,57 и др.] геометрические связи именуются пространственными связями, Описание характера возможных перемещений деталей описывается в векторной форме. Для этой цели используются единичные векторы возможных перемещений. Между механическими и пространственными связями установлено соответствие: при наличии единичной базы Ва возможное перемещения Ба в данном направлении отсутствует и, наоборот - при отсутствии единичной базы Ва возможное перемещение Ва существует. Для полного описания характера механических и пространственных связей между деталями собираемого изделия разработан аппарат логических уравнений базирования и

возможных перемещений. Этот аппарат используется для описания условий базирования и доступа деталей в зону их установки при сборке изделий. Такой аппарат может служить основой для разработки математической модели собираемого изделия, отображающей влияние механических и пространственных связей на содержание процесса сборки при автоматизированном проектировании.

Формализованному представлению структуры технологического процесса сборки в виде ориентированного графа посвящены работы [2,14,30,34,36 и др.]. В работах [30,34] структурная модель сборочной системы, отображающая состав и взаимосвязь операций по возможной последовательности их выполнения в процессе сборки, представляется как топологическая модель технологической системы. Эта модель представляет собой ориентированный граф, вершинами которого являются состояния собираемого изделия до и после выполнения сборочных операций. Однако средства математического описания реальных физических состояний сборочной е