автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Разработка и исследование метода относительного ориентирования плоских деталей сложной конфигурации с использованием трехзвенного виброустройства с электромагнитным приводом

Введение

I. Анализ методов и устройств относительного ориентирования деталей при автоматической сборке.

1.1. Анализ разновидностей и классификаций методов относительной ориентации деталей при автоматической сборке.

1.2. Анализ существующих технических средств относительной ориентации деталей при автоматической сборке.

1.3. Виды траекторий и устройств взаимоориентации, основанных на применении вибраций.

1.4. Выводы по главе, цель и задачи исследования.

II. Математическая модель процесса взаимоориентации плоских деталей сложного профиля с использованием вибраций.

2.1. Кинематическая схема и характер движения вибрационного устройства.

2.2. Построение дифференциальных уравнений движения детали на вибрационном диске.

2.3. Динамическая модель вращательного движения плоской детали относительно собственного центра масс.

2.4. Выводы по главе.

III. Компьютерное моделирование процесса относительной ориентации с использованием предлагаемого метода.

3.1. Программный комплекс, реализующий математическую модель сборочного вибрационного устройства.

3.2. Моделирование процесса относительной ориентации и обсуждение результатов.

3.3. Выводы по главе.

IV. Практическая реализация результатов исследований.

4.1. Определение моментов приводов, обеспечивающих требуемое движение звеньев сборочного устройства.

4.2. Расчет электромагнитного привода.

4.2.1. Конструкция и принцип действия вибрационного устройства

4.2.2. Математическая макромодель магнитоэлектрического преобразователя

4.2.3. Расчет параметров макромодели преобразователя

4.2.4. Результаты расчетов параметров макромодели преобразователя

4.2.5. Частотные характеристики работы вибрационного устройства

4.3. Описание конструкции вибрационного устройства относительного ориентирования деталей.

4.4. Исследование процесса относительного ориентирования с использованием экспериментальной установки.

4.4. Выводы по главе.

Одной из основных проблем отечественного машиностроения является низкое качество выпускаемой продукции. В условиях массового и крупносерийного производства автомобильной техники перспективы повышения качества продукции могут быть связаны с решением автоматизации производства. Общеизвестно, что уровень автоматизации является наиболее низким в сборочном производстве. Доля трудоемкости сборки в общей трудоемкости производства изделий продолжает возрастать.

Эффективность автоматизации сборочных процессов определяется комплексностью подхода, здесь нет мелочей. Во многих случаях неэффективность вспомогательных устройств сводит на нет весь проект автоматизации сборочного процесса. Одним из наиболее важных является вопрос относительного ориентирования деталей при автоматической сборке.

Вопросам создания подобных автоматических устройств для автоматической сборки в отечественной науке и технике уделялось существенное внимание. На основе различных физических принципов были разработаны и исследованы оригинальные устройства взаимоориентации деталей, нашедшие применение в различных отраслях промышленности.

Широкому внедрению устройств относительного ориентирования деталей при автоматической сборке в значительной степени способствовали труды Бакшиса Б.П., Бедрина В.М. Вахрина Л.А., Гусева A.A., Лебедовского М.С., Муценека К.Я., Рабиновича А.Н. и других.

Однако для отдельных групп деталей (например, плоских со сложным профилем) создание устройств взаимоориентации в настоящее время остается актуальным. Работоспособность и эффективность подобных устройств определяют выполнение условий собираемости при автоматической сборке. Несобираемость может быть следствием многих причин, в том числе нарушений в точности изготовления деталей, нарушений в настройке оборудования, перекосов и смещений осей сопрягаемых поверхностей, неверно выбранных технологических режимов и т.д. Обеспечение совмещения сопрягаемых поверхностей деталей перед их соединением является основным фактором, определяющим возможность автоматической сборки.

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. Более перспективными в современных условиях можно считать устройства, основанные на использовании различных физических эффектов для реализации направленного совмещения. Среди данной группы устройств вибрационные методы автоматической сборки до настоящего времени остаются наименее изученными. При вибрационной сборке не предъявляется жестких требований к точности исходного взаимного расположения деталей на сборочной позиции. В известных работах, как правило, рассматривалось вибрационное совмещение деталей, являющихся телами вращения.

Недостаточная изученность динамики процессов совмещения деталей при вибрационном воздействии, отсутствие рекомендаций по назначению технологических режимов сборки с вибрациями и по проектированию устройств со свободным базированием деталей сдерживают широкое применение вибросборки при создании эффективных автоматических сборочных машин.

На основании вышеизложенного можно утверждать, что разработка метода взаимоориентации плоских деталей сложного профиля на основе исполь

ОГ\Г»ОТТ77<Т •ПТТКПЛЧТТГТТ ГГП ТТГТ ат^/-» ГГ ЛТС'ГЧ ТППТ ТТЛТТ ТТЛХ ПТТТЛ |ТО\/ТТТТТТЛПТ/*Г»ГТ О О ТТСГТОТ» оч/оахиглл ю гхОрацлл аКх^аллпип хпа.у ипО-ой/ципх'х!.

Цель работы - на основе теоретических и экспериментальных исследований научно обосновать выбор и разработать принципы проектирования устройств относительной ориентации плоских деталей сложного профиля, требующих дополнительной угловой ориентации, на основе использования вибрационных возмущений. 6

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:

• проводится сравнительный анализ различных методов взаимоориентирования деталей при автоматической сборке;

• разрабатывается математическая модель процесса направленного центрирования и совмещения контуров деталей с использованием вибраций;

• строится математическая модель динамики трехзвенного, имеющего три степени свободы, виброустройства с электромагнитными приводами;

• разрабатывается на основе динамических моделей программный комплекс, позволяющий проводить имитационное компьютерное моделирование процесса направленного центрирования и совмещения контуров деталей, а также определять моменты приводов, обеспечивающих требуемый характер движения звеньев устройства;

• проводится имитационное компьютерное моделирование динамики процесса с целью определения влияния конструкторско-технологических параметров на процесс ориентирования деталей;

• разрабатываются принципы проектирования устройств, реализующих предлагаемый метод взаимоориентации; проектируется и изготовляется экспериментальный образец устройства для ориентирования деталей и проводится на нем натурный эксперимент.

I. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ ОТНОСИТЕЛЬНОГО ОРИЕНТИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ПРИ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СБОРКЕ.

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

148

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Обеспечение возможности автоматизации сборочных процессов определяется выполнением условий собираемости, которые в свою очередь не могут быть обеспечены без решения вопросов относительного ориентирования деталей. От того насколько эффективно работает вспомогательное оборудование, осуществляющее загрузку, транспортирование и ориентирование деталей, зависит надежность функционирования всей технологической системы автоматизированной сборки. При выполнении относительного ориентирования деталей наиболее перспективным является использование направленного совмещения деталей. Однако в условиях промышленного спада использование дорогостоящих устройств с системой обратной связи в большинстве случаев оказывается экономически неэффективным. Более целесообразным можно считать использование устройств направленного совмещения деталей, основанных на использовании различных физических эффектов. По отдельным группам деталей такие устройства либо отсутствуют, либо их круг достаточно ограничен. В полной мере это относится к плоским деталям сложного профиля.

Среди устройств относительного ориентирования деталей сложного профиля практически не изученными до настоящего времени остаются устройства, основанные на использовании вибраций. При вибрационной сборке не предъявляется жестких требований к точности исходного взаимного расположения деталей на сборочной позиции. В известных работах, как правило, рассматривалось вибрационное совмещение деталей, являющихся телами вращения. В подавляющем большинстве это были устройства сканирования по определенной траектории.

Недостаточная изученность динамики совмещения деталей при вибрационном воздействии, отсутствие рекомендаций по технологическим режимам сборки с вибрациями и по проектированию данных устройств сдерживают широкое внедрение вибросборки в автоматическом сборочном оборудовании.

Создание и исследование устройств относительного ориентирования деталей, основанных на использовании вибраций, является актуальной научно-технической задачей.

Целью работы являлось создание метода относительного ориентирования плоских деталей сложного профиля на основе использования вибрационных возмущений.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

- проведен сравнительный анализ различных методов и устройств относительного ориентирования при автоматической сборке;

- разработана математическая модель процесса направленного центрирования и совмещения контуров деталей с использованием вибраций;

- проведено компьютерное моделирование динамики процесса с целью определения влияния конструкторско-технологических параметров;

- сформулированы принципы проектирования устройств, реализующих предлагаемый метод относительного ориентирования;

- изготовлена действующая экспериментальная установка. Построение математической модели динамики детали на ориентирующем устройстве осуществлялось на основе методов технологии машиностроения и теоретической механики, а также теоретических основ электротехники и методов расчета магнитных полей. При описании законов движения звеньев устройства применялся эффективный аппарат матриц преобразования однородных координат. Численные алгоритмы решения задач на ЭВМ основаны на использовании методов вычислительной математики.

Научная новизна работы связана с созданием математической модели процесса направленного совмещения контуров деталей при относительном ориентировании. Проведены исследования процесса с использованием модели, определены технологические режимы, обеспечивающие выполнимость процесса. С учетом результатов проведенных исследований сформулированы конструкторские рекомендации по проектированию устройства. Создан программ

147 ный комплекс по моделированию устройства. Изготовлена экспериментальная установка, реализующая предлагаемый метод.

По тематике диссертации сделано три доклада на научно-технических конференциях. По двум докладам опубликованы тезисы. Материалы диссертации обсуждались на 2-ом Международном научно-техническом семинаре «Современные методы сборки в машиностроении и приборостроении» (г. Свалява, Украина 26-28 февраля 2002 года), на конференции «Актуальные проблемы машиностроения» (май 2002 года, г. Владимир), на научном семинаре Института перспективных технологий машиностроения МГТУ «МАМИ» (15 мая 2002 года).

Научные результаты внедрены на Московском автоагрегатном заводе в автоматизированных сборочных процессах агрегатов автомобилей ЗИЛ. Методические разработки автора и созданное им устройство используется в учебном процессе в МГТУ «МАМИ» при подготовке студентов по специальности 1201 «Технология машиностроения» по дисциплине «Технология автоматизированного сборочного производства».

1. Вахрин Л.А., Мясников В.К., Синицын В.Т. Адаптивное управление процессами сопряжения деталей при автоматической сборке. «Сборка в машиностроении, приборостроении», 2001, №11, стр. 24-29.

2. Замятин В.К. Технология и автоматизация сборки. М., Машиностроение, 1993.

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

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

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

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

7. Житников Ю.З. и др. Разработка и обоснование метода пассивной адаптации деталей, сопрягаемых по резьбовым поверхностям. Материалы 2-го Международного научно-технического семинара «Сборка» (26-28 февраля 2002 г., г. Свалява, Карпаты) - Киев, 2002.

8. Методика и нормативы оценки технологичности конструкции деталей и сборочных единиц при автоматической сборке. -РД 37.002.0469-85, Минск, 1985-58 с.

9. Лебедовский М.С., Федотов А.И. Автоматизация сборочных работ. Л., 1970, 448 с.

10. Сборка изделий в машиностроении./ Под ред. Корсакова В.М. М., 1983, 480 с.

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

12. Штриков Б.Л., Шуваев В.Г., Шуваев И.В. Обеспечение показателей качества прессовых соединений в условиях ультразвуковой сборки. В сб-ке докладов научно-технического семинара «Сборка в машиностроении, приборостроении», Брянск, 2001, стр. 65-66.

13. Нерубай М.С., Папшева Н.Д., Штриков Б.Л. Физико-технологические особенности ультразвуковой сборки. «Вестник Самарского государственного технического университета», 1998, №5, с.82-85.

14. Штриков Б.Л. Повышение эффективности сборки соединений путем применения ультразвука. Дисс. д.т.н., Самара, 1994.

15. Тимофеев С.А. Повышение эффективности технологии изготовления шарнирных подшипников на основе совершенствования схемы сборки и использования ультразвуковых колебаний. Дисс. к.т.н., Саратов, 2001.

16. Гусев A.A. Адаптивные устройства сборочных машин. М., Машиностроение, 1979, 208 с.

17. Машиностроение. Энциклопедия. Том III-5 Технология сборки в машиностроении. Гусев A.A., Павлов В.В., Андреев А.Г. и др./ Под общ. ред. Соло-менцева Ю.М., 2001 640 с.

18. Симаков А.Ю., Житников Б.Ю. Адаптирующие устройства со свободным базированием соединяемых деталей. Тезисы докладов международногонаучно-технического семинара «Сборка в машиностроении, приборостроении», Брянск, 2001, с. 44-47.

19. Выбор методов сборки, устройств базирования и относительной ориентации автоматически собираемых компонентов. Руководящий технический материал - М., ЦП ВМТО Машиностроителей, 1990.

20. Лебедовский М.С., Вейц B.JL, Федотов А.И. Научные основы автоматической сборки. Д., Машиностроение, 1985 - 316 с.

21. Давыденко Э.П. Основы теории проектирования электромагнитных устройств автоматизации вспомогательных операций в дискретном производстве. Дисс. д.т.н., Рига, 1986.

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

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

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

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

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

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

28. Бакшис Б.П. Разработка теории и средств автоматической сборки на основе вибрационных методов направленного совмещения сопрягаемых поверхностей деталей. Дисс. д.т.н., Л., 1991.

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

30. 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

31. Рабинович А.Н. Основы теории автоматической сборки. «Научные записки Львовского политехнического института», серия «Механическая», вып. 20, 1995, №5.

32. Левчук Д.М., Бедрин В.М. Способ ориентирования деталей при сборке. -A.C. 854672, опуб. 15.08.81, бюлл. №30.

33. Савищенко В.М., Беспалов В.Г. Ориентация деталей исканием при автоматической сборке. «Вестник машиностроения», 1965, №5.

34. Левчук Д.М., Бедрин В.М. Устройство ориентирования и сборки деталей. -A.C. 860985, опуб. 07.09.81, бюлл. №33.

35. Левчук Д.М., Бедрин В.М. Устройство для автоматической сборки деталей. -A.C. 618244, опуб. 05.08.78, бюлл. №29.

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

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

38. Муценек К.Я. Автоматизация сборки изделий. Рига, Изд-во АН ЛатвСССР, 1964.

39. Рабинович А.Н., Рабинович Л.А. Самоориентирование деталей при автоматической сборке. «Механизация и автоматизация производства», 1967, №6.

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

41. Левчук Д.М., Бедрин В.М., Борисенко В.Г., Кленов П.Е. Устройство для сборки комплекта деталей. A.C. 854671, опуб. 15.08.81, бюлл. №30.

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

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

44. Бутенин Н.В., Лунц Я.Л., Леркин Д.Р. Курс теоретической механики. Т.2-М., Изд."Наука", 1979 543 с.

45. Бутенин Н.В., Лунц Я.Л., Леркин Д.Р. Курс теоретической механики. Т.1-М., Изд."Наука", 1970- 240 с.

46. Пол Р. Моделирование, планирование и управление робота-манипулятора. -Изд."Наука", М.,1976- 103 с.

47. Ткач М.М. Анализ объектов и выбор средств упорядочения среды при создании сборочных робототехнических систем Дисс. к.т.н. - Киев, 1988.

48. Иванов A.A. Проектирование систем автоматического манипулирования миниатюрными изделиями М., 1981, 271 с.

49. Чеботарев И.С., Левин М.А. Граница применяемости устройств принудительного ориентирования деталей В кн.: «Приборостроение», Киев, Техника, 1969, с. 65-85.153

50. Parallel Orientation of Polygonal Parts./ Prasanna, Victor K. Rao, Anil S. 11 IEEE Trans. Rob. and Autom. 1992, 8, #5, p.678-687.

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

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

53. The broad field parts presentation. / Wittenberg Gunter // Assembly Automation 1995 - 15, #3, p. 8-10.