автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Автоматизированная регулировка манометров

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

на правах рукописи

БРИГАДИН АНДРЕЙ ГЕННАДЬЕВИЧ

АВТОМАТИЗАЦИЯ РЕГУЛИРОВКИ МАНОМЕТРОВ

Специальность: 05.13.07 -Автоматизация технологических

процессов и производств

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н. проф. Куфарев Г.Л.

Томск 1998

Содержание

СОДЕРЖАНИЕ__ 2

ВВЕДЕНИЕ___ 5

1. ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СБОРКИ И РЕГУЛИРОВКИ В МАШИНО- И ПРИБОРОСТРОЕНИИ_11

1.1. Научные основы автоматической сборки и регулировки_11

1.2. Современные тенденции автоматической сборки и регулировки манометров_14

1.3. Временные затраты на регулировку манометров в условиях «АО МАНОТОМЬ"_17

1.4. Выводы, основные задачи научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ _19

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ МАНОМЕТРА _21

2.1. Оценка нестабильности показаний манометра ____22

2.2. Изучение траектории перемещения точки крепления оси тяги передаточного механизма на наконечнике чувствительного элемента_24

2.3. Влияние положения оси шарнира на траекторию и величину перемещения_26

2.4. Исследование влияния погрешности расположения передаточного механизма_^_29

2.5. Влияние закрутки спиральной пружины на величину хода наконечника чувствительного элемента_30

2.6. Выводы __•_33

3. ВЗАИМОСВЯЗЬ ЭЛЕМЕНТОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ МАНОМЕТРА _35

3.1. Математическая модель механической системы манометра_3 5

3.2. Экспериментальная проверка математической модели_44

3.3. Аналитические исследования механической системы манометра_47

3.3.1. Исследование влияния вариаций параметров регулировки на погрешности показаний манометра__ 47

3.3.2. Оптимизация взаимного расположения элементов механической системы манометра__ _50

3.4. Зависимость точности показаний манометра от числа регулируемых элементов и точности их исполнения_53

3.4.1. Двухпараметрическая регулировка _54

3.4.2. Однопараметрическая регулировка_55

3.4.3. Безрегулировочная сборка_56

3.5. Взаимосвязь входных и выходных параметров_57

3.6. Выводы_63

4. ТЕХНОЛОГИЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СБОРКИ - РЕГУЛИРОВКИ _ 65

4.1. Технологические возможности автоматизированной сборки_65

4.1.1. Технологические возможности определения параметров чувствительного элемента_66

4.1.1.1. Вибрационный способ определения упругой характеристики пружиныбб

4.1.1.1. Изучение возможности измерения параметров механической системы манометра на контактно-измерительной машине_70

4.1.1.2. Изучение возможности контроля показаний манометра средством технического зрения __72

4.1.1.3. Изучение возможности контроля показаний манометра с помощью фотоимпульсного датчика_73

4.1.2. Технологические возможности получения регулировочных параметров ______:_77

4.2. Варианты технологических процессов_79

4.2.1. Итерационные способы регулировки и сборки_83

4.2.2. Организационные способы сборки и регулировки_85

4.2.2.1. Селективный выбор регулируемых параметров_85

4.2.2.2. Доделка регулируемых параметров_89

4.2.2.3. Рисование шкалы_89

4.2.3. Регулировка путем изменения жесткости механической системы

манометра__ 93

4.3. Выводы_94

5. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ «ИЗДЕЛИЕ -ТЕХНОЛОГИЯ - МАШИНА» _96

5.1. Конструкции манометра, удовлетворяющие требованиям автоматизированной сборки и регулировки_96

5.1.1. Манометр с реечным передаточным механизмом_97

5.1.1.1. Анализ кинематики механизма манометра с реечным передаточным механизмом__98

5.1.2. Манометр с регулируемой жесткостью чувствительного элемента 102 5.1.2.1. Анализ кинематики механизма манометра с регулируемой жесткостью чувствительного элемента_105

5.1.3. Манометр с дополнительным зубчатым сектором_113

5.2. Автоматический задатчик давления_116

5.3. Автоматизированный комплекс для регулировки манометров_118

5.4. Выводы_120

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ_122

ЛИТЕРАТУРА __124

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ___129

ПРИЛОЖЕНИЕ 2_139

ПРИЛОЖЕНИЕ 2А_142

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 ____146

ПРИЛОЖЕНИЕ 4____150

Введение

Актуальность работы.

Автоматизация сборочных работ является комплексной проблемой, которую условно можно представить состоящей из следующих элементов:

- комплектации деталей,

- позиционирования и соединения деталей,

- регулировки и поверки изделия в целом.

Если первые две задачи при всей их сложности все же являются универсальными, и в целом успех их решения определяется чисто техническими возможностями, то задача регулировки и поверки носит значительно более интеллектуальный и специализированный характер; эта задача сложнее хотя бы потому, что при ее решении требуется анализировать всю совокупность характеристик деталей и сборочных единиц, входящих в состав изделия.

Работа посвящена оптимизации процесса сборки и регулировки приборов давления, в частности, манометров с трубкой Бурдона и рычажно-зубчатым передаточным механизмом.

Для решения поставленной задачи оказались необходимыми исследования и разработки по трем направлениям:

- разработка вариантов конструкций манометров, отвечающих требованиям автоматизированной сборки,

- разработка новых способов автоматизированной сборки и регулировки приборов,

- разработка устройств для реализации технологических процессов.

Продуктивность этого интегрального подхода была отмечена Вейцом В.Л. и Лебедовским М.С. [51], которые обосновали систему «изделие - технология - машина». Подобную мысль высказал и У.Б. Хегинботам: «...потенциальная эффективность автоматических сборочных систем отчетливо проявляются только тогда, когда все составляющие производственного процесса рассматриваются как единое целое» [29].

Цель работы - изыскание способов автоматизации сборочно-регулировочных работ для широко распространенного класса приборов давления - манометров с трубкой Бурдона.

Операции сборки и регулировки занимают значительное место в технологическом процессе производства приборов, в частности, в производстве приборов давления - манометров, где на их долю приходится около 70% всего времени производственного цикла. Это оправдывает проведение работ по автоматизации процесса сборочно-регулировочных работ.

Если проследить эволюцию технологии сборки, нетрудно заметить ее "спиралеобразное" развитие. Вначале, когда технические средства изготовления

деталей машин были несовершенными, сборка машин осуществлялась путем "подгонки" деталей для обеспечения требуемого характера сопряжения.

На следующем этапе практически вся техника была ориентирована на полную взаимозаменяемость, и только в редких случаях имели законное (обусловленное экономически) право на существование сборочные процессы с ограниченной взаимозаменяемостью, например, селективная сборка. Причем существенно, что такие процессы рассматривались как некая уступка старому, с "несовершенными машинами", способу. Трудности применения сборки с ограниченной взаимозаменяемостью на этом этапе были обусловлены необходимостью выполнения большого объема организационных работ.

Новый виток технологии сборки характеризуется возвратом на новую ступень, в новом качестве эпохи "подгоночной" технологии. Этому в большой степени способствовали снижение серийности машин, быстрая смена моделей, повышение требований к точности, надежности деталей и узлов и пересмотр отношения к проблеме ремонта машин: очевидна целесообразность узловой замены вышедших из строя элементов, агрегатов, комплексов. Но особенно существенно то обстоятельство, что неизбежный при этом виде сборки большой объем аналитической и организационной работы оказался способным принять на себя управляющие ЭВМ.

Появилось много возможностей у этого испытывающего новое рождение способа сборки и много устройств, предназначенных для его реализации. Например, "автоматическая линия для селективной сборки узлов, включающая оборудование для окончательного изготовления одной из собираемых деталей..." (A.c. 1158325).

Приведенный пример характеризует группу новых способов и устройств, ориентированных не на селективную сборку в классическом ее понимании, а на сборку, содержащую такие операции, как измерение размеров (характеристик) деталей, составляющих размерную цепь, либо измерение величины замыкающего звена и доработку, либо селективный выбор одного из звеньев: соответственно, замыкающего или составляющего.

Приведенная совокупность операций явилась основой способа сборки манометров с рычажно-зубчатым механизмом, состоящего в измерении характеристик чувствительного элемента (пружины Бурдона) и погрешностей ры-чажно-зубчатого механизма, расчете и установке размеров регулирующих элементов конструкции манометра, исходя из требуемого класса точности прибора. (A.c. 1207709) [14].

Реализация этого способа в ряде случаев сопряжена с трудностями дифференцированного определения характеристик чувствительного элемента и передаточного механизма манометра. В связи с этим в работе предприняты попытки разработки конструкций приборов давления, ориентированных на автоматическую регулировку, например, путем управления жесткостью чувстви-

тельного элемента, проводимой по результатам интегрального (по показаниям стрелки) анализа действительных значений параметров механической системы.

гр с»

Такой подход реализован в настоящей работе, он оказался весьма плодотворным, т.к. дает возможность практически ликвидировать регулировочные работы при сборке.

Регулировка, как известно, проводится с целью компенсации разброса естественных свойств и погрешностей изготовления составляющих размерную цепь деталей. Ее главная цель - установление определенного оптимального взаимного расположения деталей - может быть достигнута достаточно простым и доступным в современных условиях способом: для каждой сборочной единицы на основе универсальных средств разрабатываются специализированные мерительные устройства, которые с заданной точностью снимают необходимую информацию для расчета параметров последнего звена (детали), далее размеры его дорабатываются также на специализированном оборудовании и в последующем осуществляется сборка узла без регулировки.

Идея работы состояла в том, что, коль скоро, оператор-регулировщик методом проб и ошибок находит значения регулируемых параметров, обеспечивающих заданную точность показаний прибора, то возможно с использованием математического моделирования рассчитать оптимальные значения регулируемых параметров.

Вопросами автоматизации сборки и регулировки манометров занимались такие организации, как НПО "Техноприбор" (г. Смоленск), ПО "Теплокон-троль" (г. Казань), ВНИТИПрибор НПО "Темп" (г. Москва), НИИТеплоприбор и др.

В Казанском ПО «Теплоконтроль» была создана гибкая производственная система по сборке манометров. Однако операция регулировки не была автоматизирована. В НИИ Смоленского НПО "Техноприбор" разработан алгоритм -функционирования робототехнологического комплекса автоматизированной настройки манометров класса 4.

Поставленная цель потребовала решения следующих задач исследования:

1. Экспериментального исследования механической системы манометра (МСМ) с целью определения граничных условий и возможных допущений при создании математической модели.

2. Разработки математической модели МСМ и её экспериментальной проверки.

3. Аналитического исследования механической системы манометра, с целью оптимизации процесса регулировки.

4. Разработки и исследования вариантов автоматизированной сборки и регулировки манометров.

5. Разработки конструкций манометра, отвечающих требованиям автоматизированной сборки.

6. Разработки высокопроизводительных технологических машин и устройств для выполнения сборочно-регулировочных операций манометров.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, приложений и списка литературы. Работа изложена на 150 страницах машинописного текста, содержит 56 рисунков, 23 таблицы, список литературы из 70 наименований, в состав приложений входит 24 страницы машинописного текста, дополняющего содержание работы.

Научная новизна:

1. Предложена методология автоматизации сборки и регулировки приборов давления, как синтез системы «изделие - технология - машина», позволяющая минимизировать объем регулировочных работ, вплоть до их исключения из производства изделия.

2. Разработана и экспериментально обоснована оригинальная математическая модель механической системы манометра основанная на комплексном анализе взаимосвязи всех ее элементов.

3. Впервые предложен и обоснован защищенный авторским свидетельством способ автоматизированной сборки манометров, содержащий операции: измерение действительных значений влияющих параметров, расчет требуемых для заданной точности прибора значений регулировочных параметров и сборку приборов без последующей регулировки.

4. Предложены оригинальные элементы разработанной системы: конструкции манометров, отвечающие требованиям автоматизированной сборки, технологические средства - автоматический задатчик давления и устройство для автоматизированной регулировки приборов с лимитированной жесткостью чувствительного элемента.

Практическая ценность работы

1. Разработаны, обоснованы и апробированы основные элементы автоматизированной системы: "изделие - технология - машина", для сборки и регулировки манометров: варианты конструкции манометров, удовлетворяющие требованиям автоматизированной сборки, технологический процесс автоматизированной сборки - регулировки, автоматический задатчик давления и устройство для автоматизированной регулировки приборов.

2. Применение на этапе проектирования манометров разработанной математической модели позволяет оптимизировать взаимное расположение элементов механической системы манометров, оценить влияние технологических и конструктивных параметров на погрешность показания и рассчитать величины регулируемых параметров из условия минимизации погрешности показаний прибора.

3. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили обосновать принципы сборки и регулировки, минимизирующие затраты и в отдельных случаях упраздняющие операцию регулировки из технологиче-

ского процесса.

4. Предложенные алгоритмы, средства автоматизированной сборки и подход к решению проблемы автоматизации регулировки манометров применимы для автоматизации процесса изготовления других изделий.

Основные положения, представляемые к защите:

В связи с тем, что оператор (регулировщик), неоднократно выполняя в процессе регулировки частичную сборку - разборку приборов методом проб и ошибок, в конечном счете находит и устанавливает значения регулируемых параметров, обеспечивающих заданную точность прибора, возможно с использованием математического моделирования по предварительно измеренным значениям влияющих конструктивных параметров рассчитать требуемые значения регулируемых параметров, выполнить их и существенно сократить регулировку, либо при определенных условиях упразднить ее.

Наибольший эффект автоматизации сборочно-регулировочных работ достигается при воздействии на основные элементы системы: на приведение конструкции изделия в соответствие с требованиями автоматизированной сборки-регулировки, разработку оптимального технологического процесса и создание соответствующих автоматизированных технологических машин.

Предложены, аналитически и экспериментально обоснованы приемлемые варианты системы «изделие - технология - машина»: оригинальные конструкции манометров, технологические процессы сборки с сокращением объема регулировки и упразднением последней, технологические средства - оригинальный автоматический задатчик давления и устройство для регулировки приборов давления с ограниченной жесткостью чувствительного элемента.

Апробация работы

Основные положения и выводы по работе были представлены в публикациях и были доложены на научно-технических конференциях:

V Всесоюзная школа-семинар молодых ученых и специалистов, Промышленные роботы и гибкие автоматизированные производства, Нарва, 1986.

Научно-техническая конференция. Автоматизация и механизация в машиностроении, Кемерово, 1988.

Областная научно-практическая конференция молодежи и студентов по техническим наукам и высоким технологиям. Томск. 1995.

Х-научная конференция, посвященная 40-летию Юргинского филиала ТПУ. Юрга. 1997.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 12 работ, из них 6 статей и 2 патента на изобретения.

Результаты работы внедрены на АО «МАНОТОМЬ» г. Томск и в ЦПКБ "Теплоприбор" г. Казань. Акты внедрения представлены в приложении 4.

Личный вклад в результаты работы состоит в:

разработке методики и проведении экспериментальных исследований механической системы манометров с трубкой Бурдона (МСМ);

разработке основных положений математической модели МСМ, ее исследовании и