автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Гибкие производственные модули и системы с многофункциональными приводами

ив ^

. • • 'Л '.'"". - о , ,. ..'. ' •

Санкт-Петербургский Государственный Технический унниерсшет

На правах рукописи

ТИМОФЕЕВ Андрей Николаевич

ГИБКИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ МОДУЛИ И СИСТЕМЫ С МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ ПРИВОДАМИ

Специальности: 05.13.07 — автоматизация технологических

процессов и производств, 05.02.05 — роботы, манипуляторы и

робототехнические системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1992

Работа выполнена На кафедре «Автоматы» и инженерном центре ГПС Санкт-Петербургского технического университета

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор В.М. ВАЛЬКОВ

доктор технических наук, профессор А.И.КОРЕНДЯСЕВ

доктор технических наук, профессор А.В.ТИМОФЕЕВ

Ведущее предприятие: НПО "ЭНИМС", г.Москва

Защита состоится » марта 1993 г. в _часов

на заседании специализированного Совета Д 053.28.01 во Всесоюзной Ассоциации инженерных центров по комплексной автоматизации по адресу: 195251, С-Печербург, Политехническая 29

С диссерйацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке СПбГТУ

Автореферат разослан » 1993г.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор технических наук, профессор я

В.И.Маслов.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблем: :ы. Массовая продукция производится на автоматических линиях (АЛ). Длительность и трудоемкость их ручной переналадки затрудняет обновление и совершенствование изделий, вызывает значительные организационные и коммерческие потери. Для мелкосерийного и, в пределе, единичного производства создаются ГПС^в которых исполнительные механизмы (ИМ) переналаживаются одновременно множеством индивидуальных приводов с ЧПУ. Однако и АЛ и ГПС недостаточно эффективны в условиях средней серийности с частотой переналадки один-два раза п смену и реже. Это относится и к станочной оснастке. Приспособления под заготовки сложной формы обычно собираются из унифицированных элементов вручную за несколько часов. А стоимость комплекта палет с приспособлениями сопоставима или даже превышает стоимость самого обрабатывающего центра.

Данное исследование посвящено проблемам гибкой автоматизации производственных систем, частота переналадки которых недостаточна для окупаемости множества индивидуальных приводов в ГПС и велика для ручной наладки. Эту проблему предлагается решать на основе оперативного варьирования структуры исполнительных устройств и расширения многофункциональности приводов с ЧПУ, обрабатывающих и манипуляционных систем. Структура подобных временных исполнительных устройств оптимальным образом приводится в соответствие со спецификой выполняемых наладочных, манипуляционно-сборочных и технологических операций. При незначительном замедлении последних существенно сокращается число приводов с ЧПУ и, следовательно, уменьшаются габариты и стоимость комплексов.

Создание такого нового вида средств гибкой автоматизации требует соответствующего теоретического и методического обеспечения. Необходима разработка общих принципов построения ГПС с многофункциональными приводами (ГПС МП) - синтеза, систематизации и сравнительного анализа схемных решений подсистем: привода и позиционирования исполнительных звеньев, оперативного объединения компонентов в комплексные устройства, фиксации ИМ между наладками. Исполнительные комплексные устройства ГПС МП отличаются вариативностью и многообразием структур. Велика опасность аварии от неправильного программирования. Поэтому проектирование и особенно эксплуатация ГПС МП невозможны без поддержки САПР,

требующей разработки адекватных специфике подобных комплексов методов их математического моделирования и проведения в больших объемах численных расчетов. Высокая степень общности предлагаемой концепции показывается на практических примерах автоматизации переналадки автоматических линий, станочной ос ластки и манипуляционных систем. Реализуемость и эффективность подтверждаются их анализом с помощью введенных методов моделирования, экспериментальными исследованиями и результатами внедрения. Эти теоретические и методические разработки являются основой решения важной народно-хозяйственной проблемы повышения эффективности и расширения сферы применения гибкой автоматизации производства.

Тема работы соответствует планам НИР, выполняемых в СПбГТУ в рамках целевой научно-технической программы ГКНТ и АН СССР «Технологии, машины и производство будущего», Распоряжениям СМ СССР от 25.10.88 № 211р, Бюро СМ СССР по машиностроению о1г 29.02.88 № БМб-223 и от 26.07.89 № БМб-545, Постановлению СМ России от 13.06.91 №396.

Целью работы является разработка теоретических и методических основ повышения эффективности и расширения сферы применения гибких производственных модулей и систем за счет оперативного варьирования их структуры и многофункционального использования приводов с ЧПУ, обрабатывающих и манипуляционных подсистем. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих основных задач:

— разработка теоретических и методических основ построения ГПС с многофункциональными приводами и оперативно варьируемой структурой;

— разработка методов математического моделирования комплексных устройств с оперативно варьируемой структурой для автоматизации их анализа, синтеза и программирования;

— разработка принципов построения комплексов с многофункциональными приводами для автоматизированной переналадки станочных приспособлений, автоматических линий и манипуляционных систем;

— экспериментальное исследование системы автоматической переналадки станочных приспособлений.

Методы исследования, используемые в диссертации, относятся к теоретической и аналитической механике, теории механизмов и машин, теории матриц и векторного анализа, теории точности и системотехники. Из специальных научных дисциплин

привлечены метрология и теория базирования.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается сравнением полученных численных решений тестовых задач с известными аналитическими зависимостями, конструкторскими разработками, а также хорошей согласованностью с экспериментальными данными.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту:

1. Концепция адаптации производственных систем к изменениям продукции и технологии посредством поочередной переналадки совокупности исполнительных механизмов общим многофункциональным приводным устройством" с ЧПУ, перемещаемым между объектами наладки.

2. Принципы построения интегрированных ГПМ, отличающихся оперативным варьированием структуры и использованием обрабатывающей подсистемы для выполнения дополнительных функций: манипулирования, сборки, наладки, привода и контроля приспособлений. Методы обоснования выбора степени автоматизации и интеграции операций механообработки.

3. Принципы построения систем переналадки автоматов и автоматических линий с помощью роботов, переносимых приводных агрегатов с ЧПУ, кибернетизированных инструментов и приборов.

4. Теория гибкой автоматизации производств с оперативно варьируемой структурой и многофункциональными приводными устройствами с ЧПУ. Принципы декомпозиции системы на совокупность исполнительных механизмов и общее многофункциональное приводное устройство. Методы и средства формирования комплексных устройств, их привода, позиционирования и фиксации.

5. Общая математическая модель комплексных устройств с оперативно варьируемой структурой, отличающаяся системным иерархическим описанием с единым аппаратом преобразований геометрических, кинематических, статических и точностных параметров.

6. Методы расчета точности пространственных механизмов и агрегатно-модульных систем, базирующиеся на аппарате преобразования матрицами передаточных отношений бивекторов погрешностей в нормализованной и произвольнной форме. Свойство общности матриц преобразования точностных, кинематических и статических параметров. Эффективне методы определения матриц передаточных отношений, использующие эту общность.

Новизна схемных и технических решений подтверждается 17 авторскими свидетельствами на изобретения.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

— предложено решение важной народно-хозяйственной проблемы повышения эффективности и расширения сферы применения гибкой автоматизации на области средней серийности и нетрадиционные отрасли промышленности;

— разработаны средства автоматизации переналадки станочного оснащения, открывающие перспективу беспалетной обработки сложных заготовок на обрабатывающих центрах, полной автоматизации и интеграции всех операций механообработки и за счет этого сокращения стоимости и габаритов ГПМ;

— предложены переносные приводные агрегаты с ЧПУ, кибернетизированные инструменты и приборы, позволяющие ускорить переналадку автоматов и автоматических линий сборки, механообработки, производственных комплексов химической, пищевой, легкой, строительной промышленности;

— предложены маннпуляционные системы с мобильными приводными агрегатами, позволяющие перемещать тяжелое технологическое оборудование в экстремальных условиях космоса, высотных сооружений, горных разработок.

Реализация и внедрение результатов работы:

— автоматически переналаживаемые станочные приспособления изготовлены и внедрены в интегрированной проектно-произ-водственной системе механообработки деталей, созданной в инженерном центре ГПС СПбГТУ; расчетный годовой экономический эффект, отнесенный к разработкам, выполненным под руководством автора, составляет 1,7 млн.руб. в ценах 1990 г.

— принципы построения, методы анализа и синтеза систем с многофункциональными приводными устройствами с ЧПУ внедрены во ВНИИЭСО при создании сварочных производственных модулей, и использованы в ЦНИИ РТК при разработке роботов, предназначенных для монтажных и сборочных операций в экстремальных условиях;

— теоретические положения и выполненные на их основе методические разработки использованы в учебном процессе на кафедрах «Автоматы», «Механика и процессы управления», «Технической кибернетики» СПбГТУ, а также в СПбХТИ, СПбЖТ в лекционных курсах, курсовом и дипломном проектировании.

Апробации работы. Оснвные положения диссертации докла-

дывались и обсуждались на Всесоюзных совещаниях по робото-техническим системам (Суздаль 1978, Минск 1981); 2 Всесоюзном съезде по ТММ (Одесса 1982); Российской научно- технической конференции «Роботы и манипуляторы для экстремальных условии» (СПб 1992); международных научно-технических конференциях по искусственному интеллекту (СПб 1990), робототехнике и ГПС (Прага 1992), а также на научных семинарах института машиноведения АН (Москва), МГТУ, СПбГТУ. Автоматически переналаживаемая станочная оснастка, спроектированная автором, демонстрировалась на международной промышленной выставке (Брно, 1990).

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано около 40 работ, в том числе 6 книг, 17 авторских свидетельств на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав основного текста, заключения с перечнем основных результатов и выводов, списка цитируемой литературы, прилоож-ния с материалами о внедрении. Работа содержит 292 стр. основного текста, 108 рисунков, 13 таблиц, списка литературы из 267 наименований и 32 стр. приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дан обзор рассматриваемой проблемы, показана ее актуальность, сформированы цели и задачи диссертационной работы, приведены данные о научной новизне и положения, выносимые автором на защиту, изложены сведения об апробации работы.

Отмечается перспективность переналадки многофункциональными приводными устройствами ГПС с оперативно варьируемой структурой. В становлении теории и практики создания подобного оборудования ГПС большую роль сыграли труды отечественных ученых О.А.Аверьянова, Б.Н.Белянина, Л.И.Волч-кевича, Е.И.Воробьева, В.А.Дьяченко, М.З.Коловскопо, В.Г.Колосова, А.И.Корендясева, В.С.Корсакова, Ф.М.Кулакова, В.С.Кулешова, И.М.Макарова, Е.И.Попова, В.Т.Портмана, В.Э.Пуша, А.Г.Раковича, А.В.Тимофеева, И.В.Челпанова, Я.А.Шифрина, Е.И.Юревича и иностранных ученых М.Века, Д.Кохана, Р.Пигерта, К.Штуффензаммера, Я.Хартли, К.Янга.

В отличие от этих работ в данном исследовании решается проблема расширения сферыэффективного применения гибкой ав-

томлтизацин на области более редкого изменения условий производства. Обрабатывающие подсистемы и комплектные приводные устройства с ЧПУ используются многофункционально в исполнительных устройствах, структура которых оперативно варьируете;! и приводится в соответствие выполняемым операциям. Это требует разработки теоретических и методических основ проектирования ГПС с многофункциональными приводами и оперативно варьируемой структурой.

I

В первой главе рассматривается состояние и перспективы развития гибкости и многофункциональности производственных систем. Систематизируются методы и средства переналадки. Выделяется область исследований данной работы — параметрическая переналадка исполнительных механизмов с помощью внешних приводных устройств с ЧПУ или компьютеризированных инструментов. Развиваемые в данной работе подходы лежат в рамках композиционной структурной гибкости, заключающейся в установлении новых связей между подсистемами посредством взаимных перемещений последних. Среди известных ГПС принципы композиционной структурной гибкости наиболее полно и системно реализуются в «структурно-гибких роботизированных производствах», предложенных А.Н.Волковым, В.А.Дьяченко и АЛО.Смирновым, и в концепции «однородных производственных сред», сформированной В.Г.Колосовым. Из функционально завершенных технологических, накопительных и управляющих модулей манипуляционно-сборочными средствами оперативно формируются ГПС, структура которых адекватна текущим требованиям производства. Предложена классификация оперативно сменяемых компонентов оборудования, отличающаяся от известных детальной систематизацией функционально неполных, усеченных устройств и видов их разъемов — стыков. Анализируются методы адаптации средств базирования и зажима объектов при обработке, манипулировании и транспортировании. Отмечается перспективность беспалетной обработки сложных заготовок. Однако реализующие этот принцип системы переналадки станочной оснастки встроенными приводами с ЧПУ, разработанные в Штуггарском техническом университете (ФРГ) из-за громоздкости и сугубой стационарности имеют ограниченную сферу применения.

Приведен обзор литературы по проблемам теории и практики ГПС, агрегатно-модульных систем и станочной оснастки. Отмечается широкое распространение векторно-матричных методов описания этих объектов. Но для анализа различных эффектов

используются специальные, зачастую трудно совместимые между собой математичские модели. Наиболее полно и системно эти методы изложены в работах Е.И.Воробьепа и В.Т.Портмана. Однако математические модели точности в них либо существенно упрощены, либо, по нашему мнению, излишне загромождены вспомогательной информацией, отражающей последующие преобразования.

Вторая глава посвящена теории гибких производственных модулей и систем с многофункциональным приводом.

В производственных комплексах часть механизмов и устройств предназначена для переналадки оборудования при изменениях изделии или технологий. В автоматах и линиях с цикловым или механическим управлением они приводятся в действие вручную, а в ГПС — индивидуальными приводами с ЧПУ. Однако большую часть времени эти сложные и дорогостоящие средства бездействуют, так как изделия обычно обрабатываются партиями.

В данной работе предлагается концепция обеспечения гибкости производства со средней частотой переналадки — час и реже, заключающаяся п следующем. Совокупность устройств переналадки выполняется в виде ведомых исполнительных механизмов (ИМ) без собственных двигателей (Рис. 1). А их приводы объединяются в общее ведущее устройство — многофункциональный привод (МП) с ЧПУ, состоящий из средства перемещения и сменных рабочих органов. Многофункциональный привод пере^ мещается между ИМ и в соответствии с программой переводит их в новое требуемое положение. Для переналадки ИМ средство перемещения и рабочий орган образуют комплексное устройство (КУ), по функциям подобное неразъемным исполнительным устройствам. В качестве средства перемещения могут выступать обрабатывающая система станка, робот или человек. При полномасштабной реализации этой концепции в автоматизированном виде воспроизводится естественный процесс адаптации производства к изменениям продукции или технологии. Средство перемещения заменяет часть ИМ на новые из накопителя и затем с помощью сменных рабочих органов настраивает исходные и вновь установленные ИМ. Новизна подобного подхода к обеспечению гибкости производства подтверждается рядом изобретении. Он является развитием концепций однородных производственных сред и структурно-гибких роботизированных производств. С помощью МП могут переналаживаться станочные, сварочные и сборочные приспособления, транспортные контейнеры; автоматы и автоматические линии сборки, механообработки, произ-

Рис. I ГПС с многофункциональными приводами

ГАЬОЧНИ-ИЛДЛДЧИК

ОДНОСТКПЕПИЫК

НСПОЛПИТБПЬНЫВ

МЕХАНИЗМЫ

MiioiocitmiiiiUL ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

Рис. 2 Разновидности комплексных устройств ГПС МП

водства строительных конструкций; химико-технологические комплексы; манипуляторы для экстремальных условий.

Сформулированы принципы декомпозиции исходного исполнительного устройства на ИМ, рабочий орган наладки и средство перемещения (Рис. 2). Переналаживаемые ИМ содержат большую или меньшую часть таких функциональных элементов: исполнительное звено — выход, несущая кинематическая пара, передачи и редукторы, ведомое звено — вход, фиксирующий тормоз. В качестве объектов переналадки могут выступать: обрабатывающие, базирующие и зажимающие рабочие элементы; органы регулирования скорости, расхода, давления, усилий,моментов, электрических параметров, длины и формы звеньев механизмов; ограничители ходов устройств с цикловым управлением; основания функционально завершенных подсистем обрабатывающих, манипуляцнонных, накопительных, контрольных и т.п. ИМ классифицируются по количеству, подвижности, пзаимосвя-занности входов и выходов, а также усечению исходного устройства.

Предлагается широкий спектр альтернативных средств переналадки: приводные агрегаты^ перемещаемые роботом или человеком; кибернетизированные инструменты и приборы для рабочего-наладчика; обрабатывающие системы станков или манипуляторы роботов, оснащенные специальными наладочными, приводными и манипуляционными головками. Наиболее развитый рабочий орган — приводной агрегат включает: элементы системы с ЧПУ, датчик, двигатель, передачи, редукторы, ведущее звено — выход, вспомогательное устройство привода тормоза, разъемы стыковки с ИМ и средством перемещения. Особый интерес представляет полуавтоматическая наладка с помощью кибернетизированного прибора или инструмента наладчика. Их основу составляет датчик измерения состояния ИМ и портативный компьютер с дисплеем. Рабочий наладчик стыкует их с ИМ, считывает с дисплея информацию о рассогласовании фактического состояния последнего относительно требуемого и непосредственно или через дополнительный редуктор настраивает ИМ. Обрабатывающие системы или сварочные роботы настраивают свои приспособления статической оправкой или более развитой головкой комплексной наладки и фиксации ИМ.

Подобные подсистемы перемещения и позиционирования исполнительных звеньев систематизированы, даны рекомендации по применению сочетаний различных ИМ и МП.

Разработаны принципы оперативной компоновки исполни-

тельных устройств ГПС МП из функциональных элементов. Сформулированы предъявляемые к подсистемам требования: автоматизации стыковки, необходимой структуры связей, точности перемещения и позиционирования выходных звеньев.

Предложен новый метод формализованного анализа рациональности сложных пространственных механизмов. Условия свободной сборки рационального механизма (рис. 3) при погрешностях его звеньев и программируемого перемещения исполнительного звена принимают вид к—1

А к—1=ПВ|1—1,к А'к—1=1, Л"к—1 = О

1

где Дк=0 = J — бивектор смещения начального сечения условно разорванного или монтируемого звена; А к —вызванное им смещение к-ого сечения того-же звена; Дк—1 —подобное смещение предпоследнего звена в исследуемом контуре механизма; А'к—1 —компоненты смещения А к—1 в направлении программируемого перемещения «хода ИМ; А" к—1 — остальные компоненты А к—1 *, J — единичная матрица-столбец; Вк-1,к — матрицы передаточных отношений (ПО) от (к-1)-ого к кому сечению, общие для точностного, кинематического и статического анализа механизма. В частности ^ для кинематических пар Вк-1,к =<Над[8 ¡1 где

8 к—1 ,к — бивектор связей в этой паре. Предложены схемные и конструктивные решения объединения ИМ и МП. Положение основания приводного агрегата задается базированием либо по ИМ, либо совместно по ИМ и средству перемещения. А наладочная головка или оправка однозначно базируется по обрабатывающей системе станка или манипулятору робота. В узлах стыковки оснований, ведущих н ведомых звеньев предусматриваются подвижности, устраняю-

Рис. 3 Схема стыковки компонентой

щие излишние связи п соответствии с приведенным; выше условием рациональности механизма.

Предложены методы и средства фиксации ИМ и стыковочных устройств. Выполнен их сравнительный анализ и даны рекомендации по области их применения. Исполнительные механизмы фиксируются для сохранения своего состояния между переналадками. А в стыковочных механизмах разъемы фиксируются в номинальном взаимном положении. В простейшем случае фиксация осуществляется: весом или силами сопротивления движению, деформациями несущих конструкций или упругих элементов, самотормозящимися передачами. Перспективен привод механизмов фиксации подходом к ведомому звену по направлениям, отличным от программируемых рабочих перемещений. Эти компоненты пространственного движения рабочего органа выделяются разделительным устройством, размещенным на ведущем звене или основании ИМ. В особо ответственных случаях фиксирующие механизмы оснащаются встроенными короткохо-довымп двигателями гидравлическими или на основе эффекта памяти формы. В обрабатывающих системах для этого используется вращение шпинделя.

Системы с многофункциональными приводами (ИМ) отличаются структурной гибкостью — оперативным варьированием состава комплексных устройств. В замкнутых дифференциальных устройствах нарушение координации двух-трех компонентов пространственного движения рабочих органов приводит к аварии. В связи с этим необходимо автоматизированное решение прямых и обратных задач геометрии систем с МП, прогнозирования погрешностей, анализа кинематики и статики комплексных устройств. САПР подобного назначения прилагается организовывать в виде реляционной базы данных со специализированной системой управления. Это облегчает адаптацию к изменениям структуры комплексных устройств, способствует накоплению и анализу информации пользователем или в перспективе - экспертной системой. Подготовленные с помощью такой системы уп-равляюще программы обеспечили автоматическую наладку реальных образцов станочной оснастки па обрабатывающих центрах ДФ-320 ПФ и ПС12-250М,

Третья глава посвящена разработке основ математических моделей механики ГПС МП для автоматизированного анализа, синтеза и программ^овани;:.

При анализе подооных пространственных механизмов роботов

и станков основное внимание уделяется программно управляемым приводным кинематическим парам. В системах с МП большее значение приобретают стыки, по которым взаимодействуют компоненты при оперативном изменении структуры. Этой специфике более соответствуют методы анализа подсистем, выделенных из общего устройства по вышеупомянутым разъемам (рис.4). В качестве таких подсистем рассматриваются объекты различного уровня иерархии: манипуляционное и обрабатывающее оборудование, рабочие органы, исполнительные механизмы, условные модули стыков, функциональные элементы.

, Положение Н, скорость Н, погрешность А и нагрузка N на 1-ом входном и гном выходном разъемах описываются единообразно шестимерными векторами — бивекторами. Связь между входными и выходными параметрами устанавливается матрицами передаточных отношений Вт, .Причем установлена общность этих матриц для преобразования параметров кинематики и точности

Рис. 4 Модуль комплексного устройства

Н m = Bim Hi = [R ш F ш] - [ hi h2...hi...h6] Аm~Bim АI =[AR mAFm]T= [Ai A2...Ai...A6]' N | = B?m N m = [P m M m]T= [n, П2...Щ...П6]'1

Am = В Im A| Bin

T

где И, Р — векторы линейных и угловых скоростей; АН, АР — векторы линейных и угловых погрешностей; Р, М — векторы силы и момента; А— матрица податлив: сти. Данное представление бивекторов соответствует нормализованной форме — в виде проекции на систему координат описываемого разъема. Возможна и произвольная форма их представления —

состизляющим;! И |, А1, п 1 скорости, погрешности нагрузки на 3-ой связи между взаимодействующими разъемами стыковочного устройства.

Повышенное внимание уделяется индексации структур и режимов работы КУ, формализации синтеза моделей объектов, образованных выборкой из избыточной совокупности компонентов. Описание процессов в ГПС МП сведены к двум типовым: передачи объекта, привода ИМ йли обработки и' контроля. Структура анализируется на двух уровнях: конструктивных элементов, связанных с разъемами модулей; контактов рабочих поверхностей последних. Структура ГПС МП отображается графами, построенными на совокупности разъемов входящих в КУ компонентов (рис. 5). Разработано ег иерархическое описание,

Рис. 5 Графы структур комплексных устройств

основанное на поэтапной декомпозиции этих графов. Кроме компактности представления информации, такой подход позволяет автоматизировать формирование частных моделей. На каждом этапе оперативной компоновки целевого исполнительного КУ анализируются эффекты взаимодействия присоединяемого компонента к исходному комплексу, что позволяет унифицировать методы анализа объектов с прнципиалыю различной структурой, и в том числе, многократно замкнутой. Предлагаемый единый аппарат описания и матричного преобразования параметров компонентов в сочетании с подобным представлением структуры КУ отличается простотой и удобством исследования сложных пространственных механизмов и агрегатно-модульных систем. На каждом этапе формирования целевого исполнительного КУ рассматриваются все маршруты, связывающие присоединяемый компонент с исходным комплексом. При анализе точности, кн-

а>

б)

Ро Р, Рг ... Я Р,=/п

нематики и статики матрица общего передаточного отношения получается перемножением всех матриц передаточных отношений модулей, соответствующих входящим в эти маршруты ребрам графа структуры. Таким образом учитываются свойства подсистем различного рода, и в том числе: ИМ, програмно управляемых приводных модулей, условных модулей многостепенных самоустанавливающихся стыков и т.п.

В целях подготовки управляющих программ переналадки ИМ прямая и обратная задачи о положениях разъемов КУ решаются рекурентной процедурой на основе соотношений следующего вида

Н т =Л(Н|)

С 1га 1

= [ В(Р1т) I Н, ]

в 1т 1

Т

где Нщ = [ И к Р к ] — бивектора положения к-ого разъема

(к=1,т) относительно базовой системы координат, К к — ради-

т*

ус-вектор, Р к — вектор ориентации; в 1т = [ К 1т Р 1т ] — бивектор положения выходного разъема относительно входного; А(н |) — расширенная матрица перехода от входной к базовой системе координат.

На основании подобных векторно-матричных преобразований получены решения задач о распределении скоростей и нагрузок по элементам КУ с произвольной и однократно-замкнутой структурой (рис. 56). Показано, что матрицы передаточных отношений скоростей и нагрузок взаимно транспонированы. Рассмотрены вопросы анализа динамики переналадки ИМ и получены оценки ее длительности.

В четвертой главе разработаны методические основы анализа точности ГПС МП. Сформированы математические модели точности объектов различного уровня иерархии. В связи с оперативным варьированем структуры ГПС МП учитывается влияние на погрешность Аз целевого КУ погрешностей Д8промежуточных устройств с иным составом модулей

А8 = В „б А„ +^В85(Вр5Ар +В'р8А'р)

ще А п »Ар , А' р — погрешности положения разъемов це-

левою и промежуточных КУ; В пБ » В эЭ — матрицы прсдаточ-ных отношений к целевому объекту от первичных погрешностей целевого и промежуточных КУ; В рэ , В' рБ — матрицы г?ред-аточных отношений к выходу промежуточных КУ от внешних и внутренних первичных погрешностей. Разработаны методы анализа погрешностей деформации и задания технологических нагрузок, приведения податливостей с учетом трения.

Исследована точность стыковочных устройств, являющихся наиболее специфичными элементами ГПС МП. Выявлены и систематизированы перспективные для ГПС МП виды стыковочных устройств. Разработана презиционная муфта сцепления с точностью, близкой к передачам редукторов и существенно большей жесткостью. Сформирована модель точности стыковки модулей вКУ

где В(с гт)> Вги, Вки — матрицы передаточных отношений от соответствующих разъемов к системе координат Хц уи Хи стыка; А г — приведенная податливость базирующих элементов, отражающая общие и контактные деформации и износ рабочих поверхностей; N к — действующе нагрузки, включая зажимающие; А г —приведенные погрешности контактирующих баз, учитывающие неточности изготовления, аттестации и зазоры. Показано, что погрешности стыков в ГПС МП лежат в пределах 0,01...0,03 мм с повторяемочтью0,003..;0,02 мм. Аналитически и экспериментально исследованы стыковочные устройства на базе сединеноя типа «ласточкин хвост». Выявлены области их нормального функционирования, которые позволяют оптимизировать выбор конструктивных параметров, обеспечивающих требуемую точность и несущую способность. Показано, что компенсацией систематических погрешностей и односторонним подходом к конечному положению ведомого разъема возможно снизить погрешности стыховки до 0,6... 1,5 мкм. Результаты экспериментального исследования стыков с погрешностью 25...40%

+ Дг + А.-В,

ги

^вки Д1Чк ]

согласуются с оценками, полученными аналитически с помощью данной методики.

На основании анализа взаимосвязей малых смещений разъемов КУ показана общность матричных преобразований бивекторов пофешностей А , деформаций д , скоростей G и нагрузок N

В im = [В!П = [ <5rf / <5rj ] = [ (АП/Д1 ] = [ (<5 у1)/«5 \ ] = = [ Ф?)Л\ ] =[(п])/п!в]

Даны практические рекомендации по анализу точности ГПС МП. Предложены альтернативные методы определения матриц передаточных отношений и указаны области их применения. Анализ отклика на поочередное воздействие отдельных компонент малых возможных перемещений входных разъемов удобен при наличии геометрических и кинематических моделей устройств, сформированных для подготовки управляющих программ. В тех же условиях для отдельных механизмов рекомендуется дифференцирование функций положения. Подобный подход используется и для анализа возмущений не механического характера. Статические конструкции, а также их аналоги в виде цепи программно управляемых модулей координатных перемещений удобно описывать матрицами перехода между смещенными системами координат. Матрицы перехода через многостепенные кинематические пары, и в том числе самоустанавливающиеся стыковочные механизмы, представляются через бит*

вектора S = [Sl___Si___S6] структуры связей Bim — diag [S i].

При наличии связи в соединении Si =1 и при ее отсутствии Si "О. Навыкам и образу мышления практиков, инженеров-механиков и наибольшей степени соответствует определение матриц передаточных отношений в сложных пространственных механизмах посредством анализа статики идеализированного механизма без трения. Найденная связь между нагрузками используется далее для точностного расчета.

В пятой главе даются методические основы выбора методов и средств переналадки оборудования. Сформулирована модель оценки себестоимости продукции и экономического эффекта ГПС МП и альтернативных производственных комплексов. В ее основу положена методика, утвержденная ГКНТ и АН СССР в 1988г. Получены соотношения, описывающие границы области предпочтительного по этим критериям применения ГПС МП.

На основе анализа типовых процессов, экспериментальных и паспортных данных оборудования показано, что приходищаяся на один ИМ длительность автоматической комплексной параметрической переналадки не превышает одной минуты. Таким соразом многофункциональные приводные устройства открывают перспективу повышения производительности труда рабочего-наладчика в пять-ссмь раз.

В шестой главе рассмотрены вопросы автоматизации переналадки автоматических линий (АЛ) с помощью роботов. Предложены принципиальные схемные и конструктивные решения приводных агрегатов (ПА) перемещаемых между ИМ роботом или рабочим-наладчиком. В их основе лежат современные комплектные приводы с волновыми или циклоидными передачами, двигателем, датчиками и системой управления на базе бортовой ЭВМ с дисплеем, органами управления и средствами стыковки со стационарной системой управления.

Широко распространены ИМ с винтовыми передачами. Выходное ведущее звено и основание ПА для их наладки оснащаются прецизионными лолумуфтами сцепления с компенсационными элементами в виде упругих стаканов (рис.ба). Тормозы ИМ отну-

ДНСПЛЕН

прецкзкоиныс

МУФТЫ СЦКПЛЕНИ*

б)

о

Рис. 6 Мобильные и переносные приводные агрегаты

скаются поджатием ПА или дополнительным приводом. При особо высоких требованиях к точности ПА выполняются с выносным измерительным блоком, устанавливаемым на ИМ вблизи рабочей зоны.

Многофункциональные приводы позволяют предельно упростить переналаживаемое оборудование. ИМ вырождается в объединенное входное и выходное звено в направляющих с механизмом зажима. Робот или рабочий-наладчик устанавливает ПА на направляющие ИМ (рис.66), перемещает его от базы начала отсчета до контакта с ведомым звеном. Корпус ПА зажимом направляющих фиксируется, а его выходное звено притягивается к ведомому , одновременно расфиксируя последнее. С точки зрения повышения надежности и точности особый интерес представляет определение априори неизвестного положения ведомого звена ИМ измерительной системой. Считывающее устройство последней размещено на ведущем звене ПА и взаимодействует с растром/нанесенном на основание ИМ. Так как общий ПА используется для наладки множества ИМ, то допустимо применение наиболее совершенных измерительных средств, например, лазерных. Это в сочетании с повышенной жесткостью передач с короткими винтами открывает перспективу увеличения;точности переналадки по сравнению с индивидуальными приводами с ЧПУ. Подобные ПА с габаритами менее 500*150*150 мм и массой 6...9 кг позволяет перемещать с дискретностью до 0,001 мм и скоростью 0,02...0,06 м/с исполнительное звено с нагрузкой до 1500 Н.

Кибернетизированные инструменты и приборы рабочего-наладчика образованы из сходных функциональных элементов, но в усеченном составе. В связи с.эпизодическим характером переналадки, а также достижениями в области миниатюризации электроники, приводов и энергообеспечения особенно перспективны полностью автономные ПА. Но возможно и размещение части подсистем на роботе, в дополнительном подвижном или стационарном блоке.

Разработаны принципиальные решения систем роботизированной переналадки АЛ сборки, электрохимической обработки, химико-технологических комплексов. Стационарные или мобильные роботы-наладчики с помощью ПА выставляют в требуемое положение: обрабатывающие головки и агрегаты; автооператоры с питателями; магазины и бункера; упоры силовых головок и автооператоров. По мере необходимости автоматически меняется инструмент или агрегаты в целом, то есть изменяется струк-

тура обрабатывающей системы. После наладки АЛ работает автономно, а робот переходит к обслуживанию следующих линий или участвует в наиболее сложных производственных операциях. В химических производствах, пищевой и стонтельной индустрии перспективна, например, настройка таким образом различного рода затворов, дозаторов, питателей, регуляторов давления, расхода, температуры, положения формирующих элементов. Для этого ПА дополнительно могут оснащаться средствами измерения регулируемых параметров, в том числе не механического вида.

Проведен сравнительный анализ точности наладки различными ПА и исходными неразъемным устройством с индивидуальным приводом. Показано, что по сравнению с последним оперативное варьирование структуры при многофункциональном использовании приводов вносит дополнительные погрешности, не превышающие 3...5 мкм. Так как общий ПА используется для наладки множества ИМ, то в нем допустимо применение наиболее совершенных измерительных средств, например, лазерных. Это открывает перспективу дальнейшего увеличения точности переналадки. Ряд составляющих погрешностей может быть дополнительно компенсирован размещением ПА вместо обрабатываемого объекта.

Исследованы вопросы обоснования выбора методов и средств переналадки АЛ.

Описанные выше методы и средства переналадки АЛ различаются прежде всего стоимостью, длительностью и степенью автоматизации. Поэтому обоснование и оптимизация их выбора производится по критерию себестоимости продукции или экономическому эффекту. На рис.7 приведены области предпочтительного по этому критерию применения альтернативных видов переналадки АЛ. При малых интерпалах Р < 1 часа между переналадкой исполнительные механизмы целесообразно оснащать индивидуальными приводами с ЧПУ - зона IV. Это решение типично для обычных ГПС. Редкая переналадка относительно небольшого количества N < 10...20 ИМ характерна для АЛ массового производства с ручной подналадкой — зона 1. Между этими двумя крайними решениями лежат области предпочтительного применения полуавтоматической наладки кибернетизированными приборами, инструментами и переносными ПА — зона II, и роботами-наладчиками с мобильными ПА — зона III. Последняя дополнительно делится на подзоны с различным количеством г роботов-наладчиков. Таким образом мно-

1\ час

100

10

1

0,1

2,5 10 40 160 N

Рис. 7 Области применения переналадки АЛ многофункциональными приводами

нефункциональные приводы перспективны при интервалах между переналадками от часа до нескольких недель или даже месяцев. Усложнение ИМ и замедление их переналадки сдвигает сферы применения многофункциональных приводов в области больших значений Р и N. Но даже в неблагоприятных условиях предлагаемые методы сохраняют конкурентоспособность по отношению к традиционным при интервале между наладкой в одну две смены.

Кроме удешевления оборудования и сокращения простоев АЛ на переналадку, многофункциональные приводы дают ряд дополнительных эффектов. Повышается и стабилизируется качество продукции. Сокращаются потери от брака, особенно при запуске и отладке комплекса. Строго соблюдаются и оптимизируются технологические режимы. Благодаря этому уменьшаются вредные выбросы, экономятся материалы и энергия, повышается надежность и долговечность технологического оборудования, сокращаются затраты на ремонт последнего. По сравнению со встроенными приводами с ЧПУ повышается надежность средств автоматизации, так как приводные агрегаты меньше пребывают в неблагоприятных производственных условиях. В паузах между переналадками они могут диагностироваться, ремонтироваться, заменяться на исправные на специальных участках вне действующего производства. Автоматизация наладки улучшает условия и повышает безопасность труда, со-

крлщлст пребывание рабочего в неблагоприятных условиях.

Таким образом решается задача массового выпуска продукции с низкой себестоимостью в сочетании с гибкостью — возможностью оперативного изменения и совершенствования изделий и технологий, организации многопредметного производства, адаптации к специфике потребителя и вариациям экономической конъюнктуры.

В седьмой главе рассматриваются вопросы применения многофункциональных приводов в манипуляционных системах для экстремальных условий. Предлагается манипулятор выполнять в виде ведомого механизма без двигателей, содержащего только несущие звенья с кинематическими парами и управляемыми тормозам. Функции его приводов выполняет ПА, который перемещается по манипулятору, поочередно стыкуется с кинематическими парами, расфиксирует тормоза и переводит звенья в новое требуемое положение. Предложены и систематизированы методы и средства стыковки, перемещения и энергообеспечения ПЛ. Между приводимыми шарнирами Г [Л переносится многоцелевым роботом, кареткой-схвагом, перешагиваю' ишм блоком сдвоенных ПЛ.

Произведен сравнительный анализ манипуляционных систем с мнофункциональными и встроенными приводами. По сравнению с альтернативными система с Г1Л в 5... 10 раз легче и в 30...40 раз менее податлива. Длительность вывода технологического оборудования в труднодоступную рабочую зону не превышает 15...20 минут, что вполне приемлемо для данных целей. Предполагаемый подход в значительной мере снимает ограничения на увеличение числа степеней подвижностей манипулятора. Компактно сложенный манипулятор помещается в отсеках космических или иных подвижных объектов, а также зданий. Повышенная маневренность позволяет перемещаться в труднодоступных, неупорядоченных полостях горных разработок и полуразрушенных сооружений. ПА может разворачивать конструкции в виде ферм или Ь- координатных манипуляторов для контролируемого пространственного перемещения тяжелых космических модулей или строительных конструкций.

Восьмая глава посвящена разработке теоретических и методических основ решения важной практической проблемы автоматизации переналадки средств базирования и зажима изделий при механообработке, сборке, сварке, манипулировании и транспортировании.

В большинстве ГГ1С обработки сложных заготовок переналадка и загрузка станочных приспособлений остается не автоматизированной. Ее трудоемкость составляет 1...12 часов. Часто изготавливают специализированные приспособления-спутники, стоимость которых сопоставима или дам1е превышает стоимость обрабатывающего центра. Кардинальное решение гной проблемы возможно на основе принципов переналадки многофункциональным приводом, в качестве которого выступает обрабатывающая система станка (рис.8}.

Автоматически переналаживаемые приспособлений выполняются в виде унифицированных оснований, на которых закладными болтами и пазах монтируются каретки различного назначения: базирования по плоскости и зажима вшг/ами, цангами, прижимами; регулируемые опоры и упоры; вертикальные и горизонтальные пряжимы. Для наладки приспособление устанавливается на рабочем столе станка. А в шшпделе или па его ползуне вместо инструмента закрепляется сменная наладочная головка и поочередно стыкуется с каретками. Корпуса последних специальным механизмом поджимаются к базам стойки каретки. Скоординированным перемещением шпинделя и стола головка переподи г каретку по двум-трем координатам в требуемое положение на основании и фиксирует ее вращением шпинделя через муфты предельного момента и сцепления.

им'льл 1ЫЧА:ощля СИСТЕМА

•;лрпк!'1

\ ГД С''<!^им1>т / , г?:!С!;о-/ < о!,лг;ш '

Рис. 8 Схема интегрированного ГПГ.;

■ .Сформированы основы проектирования подобных систем автоматизации переналадки станочных приспособлений. Предложены и систематизированы принципиальные решения проблем кинематики и фиксации кареток, их установки по базам наладочных головок, стыковки сменных наладочных головок со ■ шпинделем и его ползуном.

Разработана гамма автоматически переналаживаемых станочных приспособлений под заготовки типа сложных-корпусов с габаритами до 500 мм для фрезерно-расточных обрабатывающих центров типа МС 12-250, ДФ-320ПФ, ИР-320, М-400, ЛР-800, ИР-500, ИР-500. Схемные, параметрические и конструктивные решения средств базирования и зажима приняты сходными с широко распостраненными в производстве с ручной преналадкой оснастки. Усложнение в целях автоматизации переналадки минимально и проявляется только в оформлении унифицированных баз и стыков. Благодаря этому, стоимость, габариты и технологические возможности у предлагаемых приспособлений близки к характеристикам аналогов, переналаживаемых вручную. Минимально вмешательство в конструкцию станка. Его адаптация к выполнению нетрадиционных функций обеспечивается наладочной головкой. На основе этих принципов разработаны, экспериментально исследованы и внедрены два ГПМ с автоматической переналадкой приспособлений горизонтально-фрезерным многоинструментальным станком МС 12-250М и вертикально-фрезерным обрабатывающим центром ДФ-320ПФ интегрированной проектно-производственной системы механообработки деталей, созданной инженерным центром ГПС СПбГТУ.

Предложены методы и средства автоматической переналадки приспособлений для сварки, сборки, схватов и транспортных контейнеров. Особый интерес представляют системы с частичным разрывом магнитной связи кареток с основанием, обеспечивающие повышенную маневренность и точность.

Решение проблемы автоматизации переналадки приспособлений открывают перспективу полностью автоматической беспа-летной механообработки заготовок сложной формы. Комплект сменных рабочих органов дополняется манипуляционной, приводной и контрольной головками. С их помощью обрабатывающая система собирает и настраивает приспособление, закрепляет, контролирует и обрабатывает заготовку. Это возможно на выпускаемых промышленностью обычных фрезерно-расточных обрабатывающих центрах. Однако в наибольшей степени эффекты данной концепции проявляются в интегрированной ГПМ.

Ячейки хранения приспособлений, заготовок и крупных манипу-ляционных головок располагаются в пределах досягаемости шпинделя обрабатывающей системы в основании модуля под направляющими портала. Небольшие рабочие органы помещаются в инструментальном магазине. Реализация беспалетной обработки позволяет существенно сократить затраты на станочную оснастку. По сравнению с выполняющей те же функции группой специализированного оборудования ГПС подобный интегрированный ГПМ более чем в два раза дешевле и занимает примерно в семь раз меньшие производственнные площади.

Намечены перспективы дальнейшего развития интеграции и многофункционального использования обрабатывающей системы. Предложены принципы построения агасгатируемых ГПМ. На максимально упрощенный базовый обрабатывающий агрегат, кроме описанных выше рабочих органов, оперативно устанавливается сменное комплектное оснащение специальных технологий. В пределе интегрируются: фрсзерно-расточная, карусельная, строгальная, кругло- и плоско-шлифовальная, лазерная, плазменная, электроэрозионная обработки. При собственных размерах базового агрегата до 3500x4000 мм обрабатываются заготовки с габаритами до 500x1000x2000 мм и массой до 1500 кг. Состав комплекса и, соответственно, стоимость и технологические возможности варьируются в широких пределах в зависимости от специфики потребителя, развития, переориентации и свертывания производства. Возможны новые формы организации работы, и в том числе проката или временного использования специального оснащения на различных станках.

Работы по разработки подобных новых видов ГПМ ведутся в инженерном центре ГПС и на кафедре «Автоматы» СПбГ^У, а также СКБ ТИУС при участии Е.Ф.Егорова, В.Г.Колосова, Д.Е.Консона, В.В.Паршина, А-.С.Руберта, Ал.Н.Тимофеева, Т.А.Трубииа и ИЛ.Туккеля.

Исследована динамика автоматической наладки приспособлений. В предположении малости скоростей переналадки и масс перемещаемых объектов дифференциальные уравнения движения в общем циде .

ПИН |-ЪН| = 1ЧР-А(р|) N1

т0йо~ьй0 =

= РА(Ро)М Г Вг [8А(Ро)1 N , I +14 „ ]

Ns = C|(gB j-.jAGj-ij)

где mi, Шо — диагональные матрицы инерционных параметров станка и переналаживаемой каретки; H 1 — положение обрабатывающего шпинделя; U о — обобщение координаты приспособлений; N р , N s — нагрузка на приводах и связях каретки с наладочной головкой; С — матрица жесткости системы; Р , S — диагональные матрицы структуры подвнжностей и связей в соединении каретки с основанием; A(f) , В f, В j—i,j — матрицы передаточных отношений; AG j—l,j—погрешности изготовления и функционирования компонентов. Показано, что комплексные устройства переналадки могут быть выполнены в два-три раза более жесткими, чем исходная обрабатывающаа система. Установлена необходимость компенсации погрешностей системы самоустанавливающимися стыковочными устройствами или силовым очувствлением.

Разработан комплекс методов и средств контроля и аттестации системы автоматической наладки приспособлений на станке. Решаются проблемы предотвращения аварий из-за сбоев управления или загрязнений п кинематически замкнутых, жестких и мощных комплексных устройствах. Полномасштабная система включает: тензометрнческие средства нормирования фиксирующих и зажимающих усилий; блокирующие элементы наладочных головок; головки контактного и безконтактного контроля размеров; систему технического зрения для общего контроля состояния комплексного устройства. Предложена устанавливаемая л шпиндель станка специальная измерительная головка контроля положения заготовок или приспособлений. Даны рекомендации по выбору параметров наладочных головок с силовым очувствлением. Выявлены ограничения на точность и скорость переналадки.

Исследована точноетть наладки приспособлений на станках. Сформирована математическая модель точности, базирующаяся на матричных преобразованиях бивекторов погрешностей компонентов, образующих КУ. Исследована погрешность наладки приспособлений и интегрированной обработки с учетом поправок, вводимых по результатам аттестации. Показано, что при изготовлении оснастки по шестому квалитету точности погреш-

ность наладки менее 0,2 мм, что достаточно для выставки зажимающих элементов. При введении поправок в управляющую программу по результатам аттестации системы обеспечивается точность автоматической наладки базирующих элементов порядка 0,01...0,02 мм, то есть достаточная для фрезернйнрасточ-ной обработки. Эта погрешность складывается из трех близких по уровню составляющих: погрешность кинематики и управления станка, погрешность стыковки компонентов и термическая деформация. Без стабилизации температуры последняя составляющая может в несколько раз увеличиться. Данные оценки подтверждаются результатами экспериментального исследования точности действующих образцов автоматически переналаживаемых приспособлений. Многие погрешности автоматической наладки приспособления и обработки на нем заготовки взаимно компенсируются. Особо важна возможность компенсации части термических деформаций, играющих значительную роль в точности обработки.

Исследованы вопросы обоснования выбора уровня автоматизации и интеграции операций в ГПМ механообработки. Показано, что передача обрабатывающей системе дополнительных наладочных и манипуляционно-сборочных функций в два-три раза увеличивает непроизводительные потери рабочего времени станка. Но эти потери на один-два порядка меньше трудоемкости ручного выполнения подобных операций. Проведен сравнительный анализ экономической эффективности альтернативных ГПМ: с ручной наладкой приспособлений и установкой заготовок; автоматической наладкой приспособлений станком и ручной установкой заготовок; с интегрированной механообработкой на сюычных станках и специально приспособленном модуле; с роботизированной наладкой приспособлений и установкой заготовок на дополнительном участке комплектации. Выявлены области их применения, предпочтительные по данному критерию. Автоматизация переналадки приспособлений обрабатывающей системой — зона I (рис. 9а) более эффективна, чем ручная — зона II при объеме партий заготовок 5...25. Отношение г = Тц/То длительности ручной наладки Тн и обработки То характеризует долю трудоемкости наладки в производственном процессе. Сфера автоматизации расширяется по мере роста отношения Ь=2Т/К зарплаты Ъ рабочего-наладчика за весь период Т эксплуатации обрабатывающего центра к стоимости К последнего. Этот показатель за 1985...1990 гг. в СССР — Ь1«0,1...0,3, а в западно-европейских странах он'примерно в десять раз выше

б)

о

50 10 5

РУЧНАЯ НАЛАДКА

приспосоилсння

Ч4

^ 0)

S

10

5

2 1

РУЧНАЯ УСТАНОВКА ЗАГОТОВКИ

0,5

НАЛАДКА ПРНСПО-сошшшя СТАНКОМ

УСТАНОВКА .ЗАГОТОВКИ СТАНКОМ

Кп, тыс.руо

Рис. 9 Области применения автоматической наладки приспособлений и установки заготовок

1)2=1...3. Интеграция наладки приспособлений, установки и обработки заготовок сложной формы позволяет на 20...40% сократить потребное количество V приспособлений. При стоимости приспособлений Кп более 2 т.р. сфера предпочтительного применения интегрированных ГПМ — зона III (рис.9б) распространяется на весь диапазон представляющих практический интерес объемов партий Q , обрабатываемых с одной наладки присбособ- . ления. При всех реально возможных значениях параметров манипулирование обрабатывающей системой оказывается предпочтительным по сравнению с пристаночным роботом. Л создание специализированного центра автоматической наладки и загрузки приспособлений, например, с помощью роботов, оправдывается только при обслуживании нескольких десятков ГПМ, что нереально.

Таким образом внедрение переналадки приспособлений обрабатывающей системой может существенно сократить затраты на станочную ос настку, незавершенное производство и ГПМ в целом, стабилизировать качество продукции и снизить потерн от брака, повысить производительность и улучшить условия труда. Интегрированная механообработка особенно перспективна для инструментального и опытно-экспериментального производства, предприятий с наукоемкой и динамично развивающейся продукцией.

Даны практические рекомендации по разработке и внедрению

интеграционных ГПМ механообработки. Описывается разработанная САПР переналадки приспособлений, вплоть до подготовки управляющих программ.

В приложении предложена классификация опративно сменяемых компонентов оборудования, отличающаяся от известных детальной систематизацией функционально неполных, усеченных устройств и видов их раз1>смов-стыков. Приведены сведения о внедрениях.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Главным итогом работы является разработка теоретических и методических основ решения важной народно-хозяйственной проблемы повышении эффективности и расширения сферы применения гибких производственных модулей и систем за счет оперативного варьирования их структуры и многофункционального использования приводов с ЧПУ, обрабатывающих и манипули-ционнмх систем.

2. Предложена концепция адаптации производственных систем к изменениям продукции и технологии посредством поочередной переналадки совокупности исполнительных механизмов общим многофункциональным приводным устройством с ЧПУ, перемещающимся между объектами наладки. На ее основе разработан широкий спектр альтернативных методов и средств гибкой автоматизации, по быстродействию и стоимости занимающих промежуточное положение между переналадкой вручную и встроенными индивидуальными приводами с ЧПУ.

3. Разработана теоретическая и методическая основа гибкой автоматизации производств с оперативно варьируемой структурой и многофункциональными приводными устройствами с ЧПУ. Предложены принципы декомпозиции системы на совокупность исполнительных механизмов и общее многофункциональное приводное устройство. Разработаны методы и средства формирования комплексных устройств, их привода, позиционирования и фиксации.

4. Разработаны теоретические и методические основы решения важной практической проблемы автоматизации переналадки станочных приспособлений. На их базе созданы, исследованы и внедрены системы автоматической переналадки станочных приспособлений под заготовки для фрезерно-расточной обработки на ГПМ. Установлена возможность автоматической выставки за 1...2 минуты по 2...3 координатам базирующих элементов с

погрешностью 0,01...0,05 мм. Предложена обеспечивающая эту точность система методов и средств контроля и диагностики. Показано, что автоматическая переналадка приспособлений обрабатывающей системой перспективна при объеме партий заготовок менее 25 штук.

5. Предложены принципы построения интегрированных ГПМ, в которых единая обрабатывающая система выполняет дополнительно функции робота, переналаживающего приспособлении и устанавливающего заготовки. Это открывает перспективу существенного сокращения потребного количества палет с приспособлениями, занимаемых производственных площадей и стоимости оборудования ГПМ. Показано, что подобная интегрированная механообработка эффективнее традиционной раздельной при стоимости приспособлений более 0,5% от стоимости обрабатывающего центра. Намечены перспективы дальнейшего расширения многофункциональности обрабатывающих систем станков.

6. Разработаны теоретичекие и методические основы роботизации переналадки автоматических линий. Предложены, систематизированы и исследованы схемные и конструктивно-компоновочные решения систем переналадки оборудования переносными приводными агрегатами с ЧПУ, кибернетизированными инструментами и приборами. Подобные средства способны за 5... 10 сек выставить исполнительное звено с погрешностью менее 0,05 мм. Показаны перспективы дальнейшего повышения точности наладки на основе использования эффектов оперативного варьирования структуры исполнительных устройств. Исследованы вопросы оптимизации выбора уровня автоматизации, методов и средств переналадки автоматических линий по критериям экономической эффективности. Показано, что системы с многофункциональными приводными устройствами с ЧПУ и оперативным варьированием структуры предпочтительны при интервалах между наладками от одного часа до нескольких смен или даже месяцев.

7. Предложены принципы построения манипуляционных систем с мобильными приводными блоками. Показана возможность существенного увеличения количества степеней подвижности, маневренности и несущей способности манипулятора.

8. Разработана общая математическая модель комплексных устройств с оперативно варьируемой структурой, основанная на системном иерархическом описании и едином матричном аппарате преобразований геометрических, кинематических, статических и точностных параметров. На се основе создана система ав-

томатизированного проектирования переналадки исполнительных механизмов вплоть до подготовки управляющих программ.

9. Разработана методика расчета точности пространственных механизмов и агрегатно-модульных систем, базирующаяся на использовании введенных автором матриц передаточных отношений для преобразований над бивекторами погрешностей, представляемых как в нормализованной, так и в произвольной форме. Установлена общность матриц преобразования точностных, кинематических и статических параметров. Предложены эффективные методы определения матриц передаточных отношений, существенно упрощающие формирование математических моделей сложных механических систем. Предложены методы анализа рациональности механизмов, базирующиеся на подобных векторно-матричных преобразованиях.

Результаты данной работы позволили расширить области эффективного применения гибкой автоматизации, совместить высокую гибкость и производительность с малыми капитальными затратами и пониженной себестоимостью продукции.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

КНИЖНЫЕ ИЗДАНИЯ

1. Основы многофункциональности оборудования проектно-производственных систем будущего. —СПб.: СПбГТУ, 1992.— 27 с.

2. Проектирование манипуляторов промышленных роботов и роботизированных комплексов.-М.:Высш.шк., 1986.-264 с. (совместно с С.Ф.Бурдаковым и В.А.Дьяченко)

3. Оборудование гибкого автоматизированного производства. —Л.: ЛПИ, 1985.—80 с. (совместно с В.Я.Катковником, Ал .Н.Тимофеевым, И.Б.Челпановым)

к. Оборудование гибкого автоматизированного производства.-Л.: ЛПИ, 1984.-80 с. (совместно с В.Я.Катковником, Ал.Н.Тимо-феевым, И.Б.Челпановым)

5. Расчет и проектирование несущих конструкций модулей степеней подвижности. — Л.: ЛПИ, 1982.- 78 с.

6. Некоторые вопросы проектирования роботизированных комплексов.-Л.: ЛПИ.- 1981.-80 с. (совместно с В.А.Дьяченко)

СТАТЬИ И ТЕЗИСЫ ДОКЛАДОВ

7. Программирование структурно-гибких производственных систем. // Международная конференция «Искусственный инте-лект—практическое применение», Л.- 1990. (совместное И.А.Тру-биным)

8. Выбор и проектирование вспомогательных промышленных роботов для ГПС// Труды ЛПИ.- 1986.-С.26-35 (совместно с В.И.Масловым и И.Б.Челпановым)

9. О банках информации для проектирования гибких производственных систем манипулирования//Промышленныс роботы' для гибких автоматизированных производств,- Куйбышев.: Куи-бышевск. авиац. ин-т, 1985.-С.49-54.

10. Системы . транспортирования и манипулирования ГАП//Труды ЛПИ.-1984.-№400.- С.40-46

11. Вопросы унификации и агрегатно-модульного построения промышленных роботов//Труды ЛПИ.-1982.-№382.-с.40-41

12. Вопросы выбора параметров несущих конструкций промышленных роботов//Всссоюзный съезд по теории машин и механизмов. Одесса: 1982 (совместно с А.Н.Поповым)

13. Некоторые вопросы системного подхода к проектированию роботизированных комплексов// Всесоюзное совещание «Робо-тотехническне системы в отраслях народного хозяйства».-Минск,-1981

14.Вопросы проектирования захватных устройств промышленных роботов// там же, (совместно с И.А.Трубиным)

15. Некоторые вопросы роботизации механообработки.// Всесоюзное совещание по робототсхническим системам.- Владимир 1978 (совместно с И.А.Герасимовым, В.АДьяченко, Н.Е.Корны-шевым, А.Н.Поповым, О.В.Ронжиным, А.Б.Смирновым)

16. Принципы организации АСУТП роботизированной механообработки /Опыт разработки и внедрения автоматизированных систем управления технологическими процессами, Л.гЛДНТП, 1978.- с.25-26 (совместно с А.Н.Герасимовым, М.А.Записовым, О.В.Ронжиным)

АВТОРСКИЕ СВИДЕТЕЛЬСТВА НА ИЗОБРЕТЕНИЯ

17. A.c. по заявке №4860539 (СССР) Структурно-гибкая производственная система. Реш. о выдаче а.с. 04.01.93 (совместно с Е.А.Новиковым)

18. A.c. по заявке №47009956 (СССР) Гибкий производственный модуль. Реш. о выдаче а.с. 28.04.92

19. A.c. по заявке №4843525 (СССР) Структурно-гибкая производственная система. Реш. о выдаче а.с. 18.09.91 (совместно с Е.А.Новиковым)

20. A.c. по заявке №4851460 (СССР) Манипуляционная система с мобильным приводом. Реш. о выдаче а.с. 13.06.91

21. A.c. 1743803 (СССР) Гибкий производственный модуль. Опубл. в БИ 1992, №24 (совместное В.В.Паршиным)

22. A.c. по заявке №4499040 (СССР) Гибкий производственный! модуль. Реш. о выдаче а.с. 24.12.90 (совместно с В.Г.Колосовым)

23. A.c. по заявке №4413433 (СССР) Гибкий производственный модуль. Реш. о выдаче а.с. 11.01.90

24. A.c. 1740139 (СССР) Способ установки заготовоки на станке. Опубл. в БИ 1992 , №22 (совместное Ал.Н.Тимофеевым)

25. A.c. 1683950 (СССР) Гибкий производственный модуль. Опубл. в БИ 1991, №31 (совместно с Ал.Н.Тимофеевым и А.Э.Сафаряном)

26. A.c. 1618649 (СССР) Сменное захватное устройство? Опубл. в БИ, 1991, №1

27. A.c. 1593915 (СССР) Гибкий производственный модуль. Опубл. в БИ, 1990, №35 (совместно с Ал.Н.Тимофеевым и А.Э.Сафаряном)

28. A.c. 1268363 (СССР) Устройство линейного перемещения. Опубл. в БИ, 1986, №41 (совместно с А.Б.Бергером)

29. A.c. 812571 (СССР) Грузозахватное устройство. Опубл. в БИ, 1979, №10 (совместно с В.И.Горячко, ВЛО.Клюкиним, А.Н.Поповым, А.Б.Смирновым)

30. A.c. 465684 (СССР) Токоподводящее устройство. Опубл. в БИ, 1973, №12 (совместно с Г.Г.Павлопым, В.В.Андрущуком, М.И.Токовым)

РТП.ГГО 1501 g3.5aif.7T/00 Бесплатно.