автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение эффективности роботизированной сборки цилиндрических соединений с зазором на основе применения пассивной адаптации и низкочастотных колебаний

¿У

Кольчугин Евгений Игоревич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РОБОТИЗИРОВАННОЙ СБОРКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ С ЗАЗОРОМ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ ПАССИВНОЙ АДАПТАЦИИ И НИЗКОЧАСТОТНЫХ КОЛЕБАНИЙ

Специальности: 05.02.08 - Технология машиностроения, 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в машиностроении)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2011

1 о И АР 2011

4840218

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете

«МАМИ»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Вартанов Михаил Владимирович доктор технических наук, профессор Божкова Леонарда Викентьевна доктор технических наук, профессор Житников Юрий Захарович; кандидат технических наук, профессор Елхов Петр Евдокимович ГОУ ВПО Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

Защита состоится 17 марта 2011г. в 14 часов в аудитории Б-304 на заседании диссертационного совета ДМ 212.140.02 при Московском государственном техническом университете «МАМИ» по адресу: 107023, Москва, ул. Большая Семеновская, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Московского государственного технического университета «МАМИ», с авторефератом - на сайте www.mami.ru.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью организации, просьба направлять в адрес диссертационного совета, e-mail: kanc@mami.ru.

Автореферат разослан « 16 » февраля 2011 г.

Ученый секретарь

Диссертациионного совета д.т.н., профессор

М.Ю. Ершов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Эффективное решение проблемы обеспечения стабильного качества, снижения трудоемкости и повышения производительности связано с автоматизацией производства.

В нашей стране на предприятиях машиностроения автоматизировано лишь 5-7% сборочных операций, тогда как, например, в Японии 18-20%. Основными причинами низкого уровня автоматизации сборки являются: большое разнообразие конструкций изделий, их нетехнологичность с позиций автоматической сборки, малый опыт предприятий в области автоматизации сборки, нехватка специалистов и отсутствие необходимого сборочного оборудования.

В конструкциях современных машин около 40% от общего числа соединений приходится на соединения по цилиндрическим поверхностям с зазором. При этом год от года наблюдается тенденция постепенного повышения точности изготовления деталей. Поэтому вопрос реализации условий автоматической собираемости точных цилиндрических соединений, связанный с обеспечением совмещения осей сопрягаемых поверхностей, является актуальным. Также остро стоит проблема надежности и производительности, связанная с заклиниванием деталей при сборке из-за их взаимного перекоса. Таким образом, для обеспечения гарантированной автоматической сборки необходимо применение специальных устройств, осуществляющих относительную ориентацию деталей перед сопряжением.

Среди методов относительной ориентации и реализующих их устройств

выделяются методы на основе направленного совмещения деталей с

использованием вибраций. Их преимущества связаны с возможностью

значительного первоначального рассогласования контуров сопрягаемых

деталей; пригодностью к ориентированию деталей без фасок, в том числе из

неферромагнитных материалов; возможностью применения для сборки точных

соединений; отсутствием заклинивания собираемых деталей, высоким |

качеством и надежностью соединения; простотой конструктивной реализации

3

устройств и регулирования технологических режимов.

Вместе с тем недостаточная изученность динамики процессов совмещения деталей при вибрационном воздействии, отсутствие рекомендаций по назначению технологических режимов сборки с вибрацией сдерживают ее широкое применение при создании сборочных машин. Также практически неисследованным к настоящему времени остается вопрос о возможности совместного использования вибраций и промышленных роботов (ПР) с пассивной адаптацией для повышения эффективности автоматических сборочных операций, а именно - надежности осуществления сопряжения, производительности и качества сборки за счет направленного совмещения контуров собираемых деталей и исключения их заклинивания.

На основании изложенного можно утверждать, что разработка метода сборки точных цилиндрических соединений с зазором на основе использования вибраций в сочетании с пассивной адаптацией ПР является актуальной научно-технической задачей.

Цель работы - повышение эффективности роботизированной сборки точных цилиндрических соединений с зазором на основе совместного использования пассивной адаптации и вибрационных колебаний.

В соответствии с целью поставлены следующие задачи исследования:

1. Предложить кинематическую схему устройства, реализующего метод роботизированной сборки цилиндрических бесфасочных соединений с зазором, основанный на совместном использовании пассивной адаптации схвата промышленного робота и виброопоры базовой детали, осуществляющей ее колебания вокруг двух взаимно перпендикулярных осей;

2. Разработать математическую модель динамики движения центра масс (ЦМ) устанавливаемой детали, упруго закрепленной в адаптивном схвате, относительно неинерциальной системы координат, связанной с вибрирующей базовой деталью;

3. На основе полученных уравнений динамики разработать

компьютерную программу, позволяющую проводить моделирование движения

4

ЦМ устанавливаемой детали относительно оси базовой детали;

4. Провести имитационное моделирование динамики процесса с целью изучения влияния на него конструктивных и технологических параметров сборочного устройства;

5. Разработать математическую модель динамики сборочного вибрационного устройства в форме уравнений Лагранжа II рода для определения моментов приводов его звеньев, необходимых для обеспечения сборочного процесса;

6. Спроектировать и изготовить экспериментальные образцы вибрационного устройства и схвата робота с упругими связями;

7. Экспериментально проверить адекватность математической модели и справедливость предположения об исключении заклинивания деталей при сборке с применением разработанного метода;

8. Определить оптимальные технологические режимы и конструктивные параметры средств технологического оснащения.

Научная новизна работы:

1. Разработан метод роботизированной сборки цилиндрических бесфасочных соединений с зазором, основанный на совместном использовании пассивной адаптации схвата промышленного робота и виброопоры базовой детали, осуществляющей ее колебания вокруг двух взаимно перпендикулярных осей (по специальности 05.02.08);

2. Разработана математическая модель динамики движения ЦМ устанавливаемой детали, упруго закрепленной в адаптивном схвате, относительно неинерциальной системы координат, связанной с вибрирующей базовой деталью, на основе которой найдены законы движения звеньев сборочного вибрационного устройства, обеспечивающие условия автоматической собираемости деталей (по специальности 05.13.06);

3. Разработана математическая модель динамики сборочного вибрационного устройства, на основе которой найдены законы изменения во

времени моментов приводов его звеньев (по специальности 05.13.06);

5

4. Установлены экспериментальные зависимости производительности процесса сборки от технологических и конструктивных параметров виброустройства и адаптивного схвата, а также определены области оптимальных значений (по специальности 05.02.08).

Практическая ценность полученных результатов состоит в следующем:

1. Разработан образец экспериментального устройства для роботизированной сборки бесфасочных цилиндрических соединений с зазором;

2. Разработана компьютерная программа для моделирования процесса автоматической относительной ориентации собираемых деталей и определения оптимальных технологических и конструктивных параметров;

3. Разработана методика инженерного расчета основных элементов экспериментальной установки, реализующей предложенный метод сборки.

4. Отдельные результаты работы внедрены в учебный процесс (в лекционном курсе «Технология автоматизированной сборки», в студенческих НИР в курсовом и дипломном проектировании и магистерских диссертациях).

Новизна разработок подтверждена патентами: на полезную модель «Устройство для сборки деталей» (Патент РФ № ГШ 83958 Ш) и на изобретение «Способ сборки соединений типа вал-втулка» (Патент РФ № 1Ш 2381095 С1).

Методы исследования. При выполнении диссертационного исследования использованы методы теоретической механики, робототехники, аппарата матриц преобразования однородных координат, технологии машиностроения, линейной алгебры и аналитической геометрии, вычислительной математики, статистической обработки экспериментальных данных и теории планирования многофакторного эксперимента. Исследование выполнено экспериментально и методом математического моделирования с применением разработанных автором программ. Эксперименты проведены с применением статистической обработки результатов по одно и многофакторным схемам планирования с использованием современных

регистрирующих и вычислительных средств.

6

Достоверность полученных результатов определяется корректным использованием математического аппарата и положений теоретической механики и робототехники и подтверждается согласованностью результатов, полученных аналитически, путём математического моделирования и в ходе физических экспериментов.

На защиту выносятся:

- новый метод роботизированной сборки с использованием пассивной адаптации и вибрационных колебаний;

- математическая модель динамики движения ЦМ устанавливаемой детали относительно подвижной неинерциальной системы координат, связанной с базовой деталью;

- математическая модель динамики вибрационного устройства, на основе которой найдены законы изменения во времени моментов приводов его звеньев;

- экспериментальный образец автоматического сборочного устройства с виброопорой базовой детали и выходным звеном манипулятора со схватом, имеющим упругие связи;

- программа реализации на компьютере математической модели относительного движения ЦМ устанавливаемой детали и результаты анализа численного решения;

- методика и результаты экспериментальных исследований величины зазора в сопряжении, влияния упругого закрепления детали в схвате и характера вибрационных колебаний базовой детали на выполнение сборочной операции;

- методика выбора технологических режимов процесса сборки.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались

на Научно-техническом семинаре «Применение низкочастотных колебаний в

технологических целях» (Ростов-на-Дону, 2006 г.); Восемнадцатой

Всероссийской научно-технической конференции «Экстремальная

робототехника» (Санкт-Петербург, 10-11 апреля 2007 г.); на Международном

научно-техническом семинаре «Современные технологии сборки» (Москва,

7

МГТУ «МАМИ», 23-24 октября 2008 г.); на Международном научном симпозиуме «Автотракторостроение - 2009» (Москва, МГТУ «МАМИ», 25-26 марта 2009 г.); на Международном станкостроительном форуме «Современные тенденции в технологиях и конструкциях металлообрабатывающих машин и механизмов» (Москва, ЦВК «Экспоцентр», 25 мая 2010 г.).

Внедрение результатов исследования осуществлено в учебный процесс в МГТУ «МАМИ» по дисциплине «Технология автоматизированного сборочного производства».

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в шести печатных работах, в том числе три из них в изданиях, входящих в перечень рекомендуемых ВАК РФ, а также в двух патентах РФ.

Структура и объём работы. Диссертация общим объёмом 144 страницы состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 51 наименований и 6 приложений. Основной текст изложен на 137 страницах, включает 52 рисунка, 8 таблиц и математические формулы.

Результаты исследований были использованы при проведении работ по Государственному контракту № П879 по теме «Адаптивное оборудование и оснастка для автоматической сборки» в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы».

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении определена область исследования и обоснована актуальность темы диссертации.

В первой главе проведен анализ литературы по вопросам автоматической сборки цилиндрических соединений в машиностроении и существующим решениям в области относительной ориентации деталей перед сопряжением при наличии рассогласования взаимного положения их осей. Установлено, что наибольшими технологическими возможностями и эффективностью обладают методы направленного поиска, в основе которых лежит принцип устранения несоосности собираемых деталей либо с помощью систем обратной связи (активная адаптация), либо за счет различных физических эффектов (пассивная адаптация), таких как воздействие на одну или обе собираемые детали упругих сил, сил электромагнитного взаимодействия, пневмовихревых или механических колебаний различной частоты, а так же различных комбинаций данных эффектов. При этом применение систем с обратной связью ограничивается их высокой стоимостью и сложностью. В то же время сборочные системы с применением физических эффектов, как правило, просты и требуют меньших финансовых затрат. Среди них выделяются методы сборки на основе вибраций, применение которых чаще всего сдерживается лишь их недостаточной изученностью. Таким образом, показана целесообразность разработки, исследования и внедрения методов направленной взаимоориентации деталей на основе пассивной адаптации и вибрационных колебаний сборочного устройства. Сформулированы цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке математической модели динамики относительного движения ЦМ присоединяемой детали в неинерционной системе координат, связанной с базовой деталью. Согласно принятой кинематической схеме (Рисунок 1), присоединяемая деталь базируется

Рисунок 1. Общая кинематическая схема метода сборки: 1) устанавливаемый вал; 2) ПР, оснащенный адаптивным схватом; 3) виброопора с установленной на ней базовой втулкой

и, |<г

1) первое звено; 2) второе звено; 3) ориентирующий диск

упруго в адаптивном схвате с возможностью перемещений в вертикальной плоскости по двум направлениям, а базовая деталь жестко установлена на ориентирующем диске вибрационного устройства и совершает колебания вокруг двух взаимно перпендикулярных осей. Вибрационное устройство (Рисунок 2) представляет собой двухзвенный манипулятор, каждое звено которого приводится в движение от отдельного привода и совершает

низкочастотные колебания по гармоническому закону вокруг взаимоперпендикулярных осей.

Основой построения математической модели явилось уравнение динамики движения ЦМ вала относительно подвижной неинерциальной системы координат, связанной с втулкой (1). Расчетная схема нагрузки на вал представлена на рисунке 3.

Масг=М£ + Р + М + Ртр + F•v" + С + ,

1)

где М - масса вала, асг - относительное ускорение ЦМ вала, £ - ускорение свободного падения, N - нормальная реакция плоскости ориентирующего диска, Ртг - сила трения скольжения, Р'" - упругая сила, Р- сборочное усилие, Р™', Р"к" - соответственно переносная и кориолисова силы инерции ЦМ вала.

\~Р

\с рУ" ртР

\ /• у К//г" ' / !

Рисунок 3. Расчетная схема нагрузки на вал при одноточечном контакте

При этом переносная и кориолисова силы инерции ЦМ вала определяемые по формулам:

К" = ~Ма ,

где асе,аск - соответственно переносное и кориолисово ускорение ЦМ вала.

Уравнение (1) в проекциях на оси подвижной системы координат имеет вид:

м£ =

• мцс = (м8)„ + ^ + ^ + ^ + + С,. О)

м<гс = (М8){ + ^ + ^ + ^ + ^ + лг.

Для нахождения проекций сил, входящих в систему уравнений (3), использовался аппарат матриц преобразования однородных координат, которые определяют положение каждого звена и связанной с ним системы координат по отношению к предыдущему звену.

В результате были получены дифференциальные уравнения движения ЦМ вала относительно подвижной неинерциальной системы координат, связанной с втулкой, для двух случаев: при наличии контакта вала и втулки (4) и при отрыве вала (5).

a F . r N £. +lco%w-\jr

¡¡c =—sin y/-f----, ^ ==-

м м +lcosy/-iff)2 +{ijc-rsin(P-0-/cos(ycosf> v + Hmcpsmyf-y/)2

——(£. + (l + h)s\ny/) + £c^2 -т]{.у/^тф-2г]с-\¡/-$coscp-i;cyco%(p+2tY-q>ún<p-M

- 2ijf¿¡c cos tp- 2щс sin <p,

F

f]c=--cosjí'sinp- (4)

M

N f¡c-rún<p-y-lcosycos(p-p + lsm(púny/-lj/

M tJ(£c +1 cosy-yr)2 +(i)c-rsm<p-(p-lcosy/costp-<j>+lün<púntfr-iir)2

—— -(i) - (l + h) eos y sin <p) + ¿jcy/ sin <p+r¡c\j/2 sin2 <p + J]c ф2 + £cy/2 sin ^>cos <p + f <j>+ M

+ 2£су&\п(р+2£сф,

£ = +{l + h)úr\\ff) + ^ci¡/2-T]cy/ún(p-

M M

- 2r¡c ■ у/ ■ pcos <p - £cy/cos (p+2£CY ■ 0sin q> - eos (p - 2щс sin f>,

F с

i]c =--cos^sinp--(7 - {I+ h)cosy/sin <p) + ¿;

M M (5)

+ r¡c\j/2 sin2 <p+7]c<p2 + CcW2 sin Pc0$<P+ Ce? + sin (p + 2£сф,

F с

¿¡ =--COS^COSjP--{C -(/+ /l) COS {feos + £y/COS(p +

M M

+ r¡cyf2 sin cp<eos tp - r¡c (p + £c Ф2 + Гс ¥г cos2 9 - 2r?c Ф+ Y cos <P-

При этом момент отрыва вала от торца втулки определялся из условия равенства нулю нормальной реакции плоскости ориентирующего диска, то есть:

F с

£с +—cosycos?>+—(Сс -(/ + /i)cosycos^)-£wcos<p-

М М (6)

- J]CY2 sin <pcos <р+7JC ip - Сc ф2 - £CY2 cos2 q> + 2f¡c ф - 2%c Y cos (p = 0.

Анализ систем уравнений показал, что закон относительного движения ЦМ вала зависит от сборочного усилия, размеров и массы вала, жесткости

упругих элементов схвата, коэффициента трения скольжения в точке контакта, конструктивного параметра виброустройства й, а также режимов колебаний.

В третьей главе приведены результаты исследования характера относительного движения ЦМ устанавливаемой детали при помощи разработанной программы, реализующей полученную математическую модель на компьютере. Программа позволяет варьировать до 8-ми параметров, таких как амплитуда и частота колебаний виброопоры, жесткость упругих элементов адаптивного схвата, коэффициент трения скольжения в точке контакта и т.д. Системы дифференциальных уравнений движения ЦМ вала (4) и (5) решались численно с помощью метода Рунге-Кутта.

В ходе численного эксперимента была исследована зависимость формы траектории относительного движения ЦМ деталей от различных параметров (Рисунок 5). Для охвата широкой области варьирования был спланирован дробно-факторный эксперимент на основе латинского квадрата. Было получено множество траекторий движения ЦМ устанавливаемой детали. После их анализа за оптимальные траектории было принято семейство кривых, которые асимптотически приближаются к оси базовой детали, обеспечивая тем самым выполнение условий собираемости деталей (Рисунок 5 а, г, д). Полученные траектории показали, что с ростом амплитуды колебаний увеличивается интенсивность перемещения вала к центру ориентирующего диска и размеры витков траектории (Рисунок 5 а,б,в), что в сочетании с уменьшением частоты колебаний дает хорошие результаты (Рисунок 5 г,д,е). На основе проведенной серии численных экспериментов была найдена область оптимальных значений параметров (Рисунок 6).

а)

Л=0,05 рад; А-45 с'1; /=0,4; с=0,6 Н/мм

У

\

/ \

/ / \ \ 1

б)

Л=0,07 рад; к=45 с"'; /=0,4; с=0,6 Н/мм

в)

Л=0,09 рад;Ь42 с"1; /=0,4; с=0,б Н/мм

А=0,05 рад; к=92 с"1; /=0,4; с=0,6 Н/мм

©

Ж)

Л=0,18 рад; к=29 с"1 /=0,4; с=0,6 Н/мм

Д)

А=0,09 рад; ¿=80 с'1; /=0,4; с=0,6 Н/мм

а

3)

А=0,21 рад; ¿=27 с1; /=0,4; с=0,6 Н/мм

е)

Л=0,15 рад; к-72 с'1; /=0,4; с=0,6 Н/мм

И)

А=0,24 рад; к=25 с"1 /=0,4; с=0,6 Н/мм

Рисунок 5. Типовые траектории относительного движения ТТМ вала и соответствующие режимы колебаний виброопоры (А - амплитуда, к - круговая частота,/- коэффициент трения скольжения в точке контакта, с - жесткость упругих элементов схвата)

-С»-п тт теор.

-О-п тах теор.

12

10

0.05

0,1

0,15

амплитуда, рад

0.2

0,25

0.3

Рисунок 6. Теоретическая область значений амплитуды и частоты, обеспечивающих асимптотическое приближение ЦМ вала к оси втулки (по результатам численного эксперимента)

В четвёртой главе приведены результаты физического эксперимента. Была спроектирована и изготовлена экспериментальная установка (Рисунок 7), состоящая из вибрационного устройства; генератора гармонических сигналов; стойки; адаптивного схвата; компьютера; триангуляционных лазерных датчиков и электронного частотомера. В качестве приводов звеньев вибрационного устройства использованы электромагниты. Колебания сообщаются звеньям виброустройства генератором гармонических сигналов.

ШШШШШштт

Рисунок 7. Экспериментальная установка

Адаптивный схват (Рисунок 8) был изготовлен в соответствии с принятой кинематической схемой, которая предполагает возможность упругих перемещений собираемого вала в вертикальной плоскости по вертикали и горизонтали. Расчет пружин проводился на основе полученных результатов математического моделирования движения ЦМ устанавливаемой детали относительно базовой детали.

Рисунок 8. Адаптивный схват 17

С целью оценки возможности использования предлагаемого метода сборки для точных бесфасочных цилиндрических соединений с зазором для проведения физического эксперимента детали были изготовлены по 7-му квалитету с соответствующими посадками и геометрией.

Для контроля амплитуды колебаний виброопоры, исходя из предъявляемых требований, использовались лазерные триангуляционные датчики положения Шйек №603. Работа датчиков основана на принципе оптической триангуляции. Датчики позволяют контролировать амплитуду колебаний в режиме реального времени. Используемый электронный частотомер Ма.?1есЬ М9803Я осуществлял непрерывный контроль частоты колебаний.

В качестве параметра оптимизации было выбрано время сборки. Результаты проведенных экспериментов приведены на рисунках 9-12. На рисунке 9 представлена зависимость времени сборки от зазора в соединении. Как можно заметить, при зазоре свыше 0,04 мм его величина уже не сказывается на производительности сборки. На рисунке 10 представлена зависимость от начальной несоосности. Нелинейный характер графика свидетельствует об увеличении линейной амплитуды колебаний ориентирующего диска от центра к периферии. На рисунке 11 представлена зависимость времени сборки от жесткости пружин схвата. Здесь был получен экстремум при значении жесткости С = 0,25 Н/мм, которое и было принято оптимальным. Увеличение времени при недостаточной жесткости пружин связано с отклонением траектории движения ЦМ вала от радиального направления, а резкое увеличение времени сборки при избыточной жесткости вызвано сложностью преодоления возросших упругих сил.

о о\ \ *

«V

- , - - ^^Т"" - о

\

О 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0.06 0,07 0,08

зазор в соединении, мм

Рисунок 9. Зависимость времени сборки от зазора в соединении

начальная несоосность, мм

Рисунок 10. Зависимость времени сборки от начальной несоосности

1,4

х

о

1,2

О

6

1,1

О

0,1

0,2

0,3 0,4 0,5 0,6

жесткость пружин схвата, Н/мм

Рисунок 11. Зависимость времени сборки от жесткости пружин схвата

Экспериментальное сравнение надежности традиционной ручной сборки и автоматической сборки указанным методом показало, что при ручной сборке ввиду весьма малой величины зазора наблюдаются случаи заклинивания деталей (в среднем 1,33 случая заклинивания на 10 опытов), требующие повторного выполнения сборочной операции. Автоматическая сборка предлагаемым методом продемонстрировала высокую надежность и полное отсутствие заклинивания деталей. Было реализовано 3 реплики эксперимента по 10 опытов в каждой.

На рисунке 12 представлена полученная в ходе физического эксперимента эмпирическая область оптимальных значений амплитуды и частоты, обеспечивающих выполнение условий собираемости деталей. Также пунктирными линиями показана соответствующая теоретическая область.

Таким образом, результаты физического эксперимента подтвердили адекватность построенной математической модели динамики относительного движения ЦМ вала в неинерциальной системе координат, связанной с втулкой, а также корректность результатов компьютерного моделирования.

амплитуда, рад

Рисунок 12. Сравнение теоретической и эмпирической областей оптимальных значений амплитуды и частоты колебаний виброопоры

Эксперименты подтвердили целесообразность использования пассивной адаптации схвата в сочетании с низкочастотными колебаниями базовой детали при сборке точных цилиндрических соединений с зазорами от 0,01 мм. Это позволяет повысить надежность выполнения роботизированных сборочных операций путем направленного совмещения осей собираемых деталей при наличии рассогласования, а также за счет устранения их заклинивания. Одновременно расширяются технологические возможности роботизированной сборки за счет применимости ее для бесфасочных цилиндрических соединений.

ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Анализ современного состояния исследований и перспектив развития в области автоматической сборки показал, что одной из наиболее важных причин, затрудняющих автоматизацию сборки с помощью промышленных роботов, является недостаточная точность их позиционирования. В этой связи целесообразным представляется использование дополнительных устройств, обеспечивающих выполнение условий собираемости.

2. Разработан метод роботизированной сборки цилиндрических бесфасочных соединений с зазором, основанный на совместном использовании пассивной адаптации схвата промышленного робота и виброопоры базовой детали. Доказано, что наличие адаптивной оснастки в сочетании вибрационными колебаниями гарантирует обеспечение условий собираемости и отсутствие заклиниваний.

3. Для определения влияния амплитуды и частоты вибрационных колебаний, конструктивных параметров вибрационного устройства, коэффициентов жесткости упругих элементов схвата на характер движения центра масс устанавливаемой детали разработана математическая модель динамики относительного движения центра масс устанавливаемой детали по отношению к неинерциальной системе координат, жестко связанной с вибрирующей базовой деталью.

4. На основании математической модели разработана компьютерная программа численного решения задачи динамики относительного движения центра масс устанавливаемой детали. Анализ результатов проведенного численного эксперимента показал, что существуют области изменения амплитуды и частоты колебаний, конструктивных параметров вибрационного сборочного устройства, коэффициентов жесткости упругих элементов схвата, при которых центр масс устанавливаемой детали асимптотически приближается к оси базовой детали.

5. Для определения моментов приводов звеньев сборочного вибрационного устройства, обеспечивающих требуемый характер движения

22

звеньев, построена математическая модель его динамики в форме уравнений Лагранжа II рода. Полученная математическая модель позволила установить аналитические соотношения между амплитудой, частотой колебаний звеньев устройства, его конструктивными параметрами и моментами приводов.

6. На основании найденных законов изменения во времени моментов приводов звеньев вибрационного сборочного устройства произведен расчет электромагнитных приводов экспериментального вибрационного устройства. На основании полученных по результатам математического моделирования значений жесткости произведен расчет схвата с упругими элементами.

7. Проведенные с помощью созданного экспериментального комплекса (виброустройство, устройство с адаптивным схватом и система контрольно-измерительной аппаратуры) физические эксперименты подтвердили результаты компьютерного моделирования. Для бесфасочных цилиндрических соединений с зазором 0,01-0,07 мм условия собираемости были обеспечены автоматически путем направленного совмещения контуров деталей под воздействием вибраций и упругих элементов схвата. Также было подтверждено протекание процесса сборки без заклинивания. Диапазон начальной несоосности деталей -до 2 мм, начальный перекос осей - до 1,5° градусов.

8. Таким образом, результаты исследования доказали эффективность применения предложенного метода роботизированной сборки для автоматизации сборки цилиндрических бесфасочных соединений с зазором. При этом в качестве оптимальных были получены следующие технологические режимы работы виброустройства: частота колебаний звеньев - 12-20 Гц, амплитуда - 0,05-0,15 рад. Оптимальная жесткость упругих элементов адаптивного схвата определена значением 0,25 Н/мм. Также экспериментально установлено, что при зазоре свыше 0,04 мм его величина практически не оказывает влияние на производительность процесса сборки.

По теме диссертации опубликованы следующие работы

1. Божкова JI.B., Вартанов М.В., Чуканова О.В., Кольчугин Е.И. Метод роботизированной сборки с использованием вибрационных колебаний // "Сборка в машиностроении, приборостроении", №9, 2006, с. 19-24.

2. Божкова JI.B., Вартанов М.В., Кольчугин Е.И., Монахова Ю.Б. Роботизация сборочных операций с применением вибрационной технологии // Сборник трудов X Всероссийской науч.-практ. конф. "Актуальные проблемы защиты и безопасности"-Т.5. Экстремальная робототехника: Материалы XVIII науч.-техн. конф. / Российская академия ракетных и артиллерийских наук. - С.-Петербург: PAP АН, 2007. - с.207-213.

3. Божкова JI.B., Вартанов М.В., Кольчугин Е.И. Компьютерное моделирование метода роботизированной сборки на основе пассивной адаптации с использованием виброколебаний Известия МГТУ "МАМИ". Научный рецензируемый журнал. - М., МГТУ "МАМИ", № 2 (4), 2007, с.147-152.

4. Божкова JI.B., Вартанов М.В., Кольчугин Е.И. Экспериментальная установка для роботизированной сборки на основе пассивной адаптации и низкочастотных колебаний // "Сборка в машиностроении, приборостроении", №1, 2009, с. 5-7.

5. Кольчугин Е.И., Вартанов М.В. Адаптивное оборудование и технологическая оснастка для автоматизации сборки изделий машиностроения II Тезисы докладов международного станкостроительного форума "Современные тенденции в технологиях и конструкциях металлообрабатывающих машин и механизмов". - М., Экспоцентр, 2010, с. 73-76.

6. Кольчугин Е.И., Вартанов М.В. Экспериментальное исследование способа роботизированной сборки с применением пассивной адаптации и низкочастотных колебаний. // «Технологическое обеспечение качества машин и приборов» (сборник статей V Международной научно-практической конференции). - Пенза, Приволжский дом знаний, 2010, с. 41-44.

7. Патент РФ № RU 2381095 С1. Способ сборки соединений типа "вал-втулка" / Вартанов М.В., Божкова JI.B., Кольчугин Е.И. // Б.И. № 4, 2010.

8. Патент РФ № RU 83958 U1. Устройство для сборки деталей / Вартанов М.В., Божкова Л.В., Кольчугин Е.И. // Б.И. № 18, 2009.

КОЛЬЧУГИН ЕВГЕНИЙ ИГОРЕВИЧ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

«ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РОБОТИЗИРОВАННОЙ СБОРКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ С ЗАЗОРОМ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ ПАССИВНОЙ АДАПТАЦИИ И НИЗКОЧАСТОТНЫХ КОЛЕБАНИЙ»

Подписано в печать 15.02.2011 Заказ №>03683 Тираж 100

Бумага типографская Формат 60x90/16

Копиценгр «Чертсж.ру» ИНН 7701723201

107023, Москва, ул.Б.Семеновская 11 стр.12 (495) 542-7389 www.chertez.ru

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I

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

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

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

1.1.2. Анализ достижимой точности совмещения поверхностей деталей в сборочном оборудовании

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

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

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

1.5. Цель и задачи работы

ГЛАВА II

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

2.1. Метод роботизированной сборки цилиндрических соединений с использованием низкочастотных колебаний

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

2.2.1. Уравнения динамики относительного движения ЦМ вала

2.2.2. Построение матриц преобразования однородных координат

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

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

2.2.5. Приближенная математическая модель динамики относительного движения

2.3. Определение моментов приводов, обеспечивающих требуемое движение звеньев устройства

2.4. Выводы и результаты по главе

ГЛАВА III

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

3.1. Программные средства исследования

3.2. Моделирование процесса движения центра масс вала относительно оси втулки

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

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

3.3. Выводы и результаты по главе

ГЛАВА IV

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

4.1. Выбор квалитета и посадок деталей для исследования

4.2. Оборудование и оснащение

4.2.1. Состав экспериментальной установки

4.2.2 Контрольно-измерительные средства

4.3. Экспериментальное исследование метода роботизированной сборки с применением вибраций

4.3.1. Методика проведения физического эксперимента

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

4.3.3. Обработка результатов многофакторного эксперимента

4.4. Исследование характера зависимости времени сборки от основных технологических факторов

4.4.1. Влияние зазора в соединении

4.4.2. Влияние начальной несоосности

4.4.3. Влияние жесткости упругих элементов схвата

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

4.5. Надежность обеспечения условий собираемости соединения

4.6. Выводы и результаты по главе

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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