автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Разработка методов обеспечения автоматической сборки упругих деталей

На правах рукописи п ;"< 'ПО Н.'"'* МАРКОВА Татьяна Владимировна

£ Л гни

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СБОРКИ УПРУГИХ ДЕТАЛЕЙ

Специальность 05.13.07 - Автоматиэаггия технологических

процессов и производств (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 19%

Работа выполнена на кафедре "Автоматы" Санкт-Петербургского государственного технического университета

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор Челпанов И.Б.

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Тимофеев А.В. Кандидат технических наук, доцент Тисенко В.Н.

Ьедущая организация: ПО "Системотехника",СПб

Защита состоится " 2-1" ¡/С^^-Л. \996 г. в | £ часов на заседании диссертационного совета К.063.38.07 при Санкт-Петербургском государственном техническом университете по адресу:

195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29, I учебный корпус, ауд.439 .

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке университета,

Автореферат разослан "I '-Т'^-гМ 1996 г.

ДА^Х/Ц ¡с

Ученый секретарь ¿р

диссертационного совета _Чесноков Н.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В большинстве случаев объектами сборки являются заготовки и детали, упругими деформациями которых в процессе сборки можно пренебрегать. Теория сборки таких деталей в настоящее время проработана достаточно полно. Между тем, на практике часто приходится сталкиваться с задачами сборки деталей, заметно деформирующихся при приложении сборочных усилий. Обычно это элементы или конструкции, имеющие вид стержней, тонкостенных колец, пластин, оболочек, а также рам, решеток и т.п. Очень часто при ручной сборке упругость облегчает сборку, взаимное несоответствие' форм поверхностей по которым происходит сопряжения, уменьшается. Однако, при автоматизации сборочных операций и при выполнении операций контроля деталей возникают серьезные трудности. При высокой упругой податливости детали погрешности положения точек поверхностей могут бьпъ большими, причем конфигурации подобных деталей изменяются в Широких пределах в зависимости от способа установки, укладывания или подвешивания, от расположения опорных точек, линий или поверхностей. Необходимо определить, возможно ли приложением вполне допустимых сил обеспечить правильное сопряжение деталей, Пригодны ли детали для автоматической сборки, а если сборка невозможна, то как следует корректировать программы изготовления деталей. Разработка вопросов собираемости деталей, обладающих высокой упругой податливостью, представляет безусловно актуальную задачу.

Целью диссертации является разработка на основе единого научного подхода к нормированию, измерению и контролю параметров формы и положения поверхностей упругих деталей теории их сопряжения и закрепления под действием сил, частично или полностью устраняющих начальные погрешности формы и обеспечивающие заданные параметры собранного изделия, применительно к задачам автоматизации сборочных операций.

Методы исследования. Теоретические исследования в работе основаны на применении методов сопротивления материалов, теории упругости, метрологии и теории управления.

Научная новизна.

- предложены схемы проведения измерений легкодеформируемых , объектов различных конфигураций;

- разработана методика выбора точек измерения» линейных и угловых величин, подлежащих измерению для надежного определения возможности сборки;

- предложен общий цодход к определению нагрузок, необходимых для обеспечения автоматической сборки упругих деталей, имеющих начальные отклонения формы и положения;

- разработана методика определения остаточных отклонений точек поверхностей сборочных единиц, по которым делается вывод о пригодности детали к сборке;

сформулированы общие условия собираемости легкодеформируемых объектов;

- решены типовые задачи сборки с деформированием упругий детали с жесткой деталью или нескольких упругих деталей;

- разработана методика расчета погрешностей положения и формы поверхностей сборочной единицы при заданных погрешностях собираемых упругих деталей;

- получены рекомендации по такому предварительному деформированию деталей при автоматической сборке, при котором погрешности формы сборочной единицы значительно уменьшаются;

- даны рекомендации по применению теоретических результатов при автоматизированной сборке, а также при коррекции программ УЧПУ установки для гибки ленты.

Практическая ценность работы состоит в выработке рекомендаций по организации и проведению измерений и по коррекции программ изготовления упругих деталей, в результате чего могут быть обеспечены заданные параметры собранного изделия.

Практическое применение результаты работы нашли в разработке рекомендаций по коррекции управляющих программ для установки АГМ-01.

4

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на ХП Всеахадемической международной школе по проблемам метрологического обеспечения и стандартизации (Санкт-Петербург, 1995г.) и на семинарах кафедры "Автоматы" СПбГТУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 2 работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит та введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 82 наименования, й приложений. Диссертация содержит 1 страниц текста, 78 рисунков и 4 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются основные цели работы и основные положения, выносимые на защиту, дается краткий обзор содержания диссертации по главам.

В первой главе рассмотрены общие вопросы сборки, базирования и сопряжения деталей. Особое внимание уделено анализу причин и видов погрешностей сборки и основных направлений работ по повышению собираемости узлов машин. Отмечается, что природа сборочных погрешностей оказывается двоякой. Одни из них определяются отклонениями параметров, возникающими при изготовлении собираемых деталей, другие -при сборке. Однако, и те и другие погрешности устойчиво сохраняются при эксплуатации, в значительной степени определяя надежность узла. Таким образом, знание начальных точностных параметров деталей и их основных поверхностей необходимо при определении погрешностей, возникающих при сборке. Определение деформаций связано также с необходимостью сравнения полученных при силовом воздействии искажений формы с допустимыми . . отклонениями. Наиболее " предпочтительным здесь оказывается расчетный метод, практическим результатом которого может бьггь определение

5

силы затяжки винтов, .последовательность затяжки, натяги и др., что сравнительно легко обеспечивается при сборке.

Рассмотрены проблемы развития автоматизации сборочных операций, взаимосвязь автоматизированных процессов измерений, обработки деталей и сборки (рис.1). Отмечается, что большинство работ посвящено вопросам автоматической сборки жестких деталей, сборка изделий с элементами малой жесткости рассматривается крайне редко. Однако, автоматизировать сборку таких изделий можно, если при конструировании сборочных' устройств правильно оценить и учесть факторы, влияющие на собираемость. Отсюда следует необходимость разработки теории обеспечения собираемости упругих деталей, что является основной целью диссертации.

Вторая глава посвящена контролю параметров деталей. Сначала рассматриваются общие вопросы измерения параметров поверхностей деталей, выбора приборов и методик измерения различных отклонений формы и положения.

Основное содержание главы заключается в анализе особенностей измерения геометрических параметров и сборки упругих деталей. На ряде примеров показывается, что вследствие гибкости и неопределенности формы и размеров подобных объектов требования к геометрическим параметром могут формулироваться по-разному в зависимости от того, каким образом рассматриваемые объекты должны стыковаться с другими объектами и какие требования предъявляются к точности сопряжения. В конкретных случаях можно непосредственно установить, на какие отклонения формы налагаются ограничения, а на какие - нет. Так, если объект, представляет собой номинально прямолинейных стержень, то изменения его длины должны быть малыми, а отклонения от прямой линии могут быть на ] -2 порядка больше. Аналогично, для номинально кругового кольца жесткие ограничения задаются на периметр, в то же время допускается значительная овальность и неплосжостность. Для объектов более сложной формы (например, фасонно изогнутых стержней и оболочек) формулировка требований к отклонениям (погрешностям) положения и формы поверхностей нетривиальна и может представлять серьезные трудности. Из сказанного следует, что обычный подход к определению параметров формы и

Взаимосвязь этапов автоматизации

Технологические процессы Этапы автоматизации Предлагаемые пути

и/или технологическое 1 совершенствования

оборудование автоматизации

Рис.1

положения поверхностей для упругих деталей оказывается неприемлемым. Проблема организации и проведения измерений в целом формулируется так: необходимо определить, какие линейные и (или) угловые величины, дщя каких сочетаний точек или линий поверхностей детали следует измерять, чтобы по результатам измерений надежно установить возможность сборки.

Могут быть использованы различные средства измерений, соответственно различную структуру будут иметь уравнения измерений. Практически наиболее перспективным представляется использование датчиков линейных перемещений, каждый из которых .измеряет составляющую линейного перемещения по нормали к поверхности объекта в данной точке. Простейшими из таких средств измерений являются измерительные головки контактного типа со шкалой, цифровым индикатором или цифровым выходом. Контактные усилия, создаваемые наконечником штока такого датчика, малы, однако, если они слишком велики для исследуемого лепсодеформируемого объекта, можно применять стандартизованные бесконтактные датчики.

Специфика . требований к используемым средствам измерений заключается в том, что диапазон измерений часто должен быть на дв# порядка больше допускаемых погрешностей параметров положения и формы поверхностей (после исправления формы путем приложения корректирующих нагрузок). В то же время погрешности средств измерений должны быть на порядок меньше указанных допускаемых погрешностей. Поэтому обычно приведенные погрешности должны быть порядка 103 , то есть средства измерений должны быть достаточно точными.

Измерения могут осуществляться или параллельно несколькими датчиками, устанавливаемыми на фиксированных позициях, или последовательно, путем перемещения одного датчика (непрерывного, по заданной направляющей, или дискретного, с установкой и базированием в заданных точках).

Рассматривается частная задача определения условий собираемости детали в виде изогнутой по заданному профилю детали в виде тонкой металлической ленты с базовой деталью -основанием. Предполагается, что контур детали является замкнутым. Предлагается следующая схема осуществления измерений. Из листа легкообрабатываемого материала вырезается

8 .

плоский шаблон, повторяющий ш> контуру форму базовой детали, но с определенным, положительным припуском а. На шаблон укладыва'ется деталь, на-глаз выравнивается по шаблону с тем, чтобы со всех сторон поля были примерно одинаковыми и закрепляется, прижимается к шаблону с тем, чтобы во время измерений исключить как смещения в целом, так и деформации отдельных частей. Для измерений используются измерительные головки, например, индикаторы часового типа, закрепленные в стойках. Передние углы оснований стоек являются базирующими, они базируются по шаблону, упираясь в него. Измерительные оси индикаторов направляются по нормалям' к контуру. Схема расстановки индикаторов в целом изображена на рис.2. На каждом из гладких участков поставлено по одному индикатору (их может быть и больше), в каждой из угловых точек ставится по два индикатора. В принципе все измерения могут быть выполнены с помощью одного индикатора, при этом он должен переставляться на разные позиции.

-04

Г

2

3

4

I

Рис.2

Поскольку жесткая база при установке деформируемой детали принципиально отсутствует, это обстоятельство учитывается при обработке результатов измерений. Представляется естественным использовать такой подход. Базовая система координат, в которой измеряются координаты точек поверхностей, ориентируется произвольным образом. Вводятся в рассмотрение параметры геометрического положения объекта как жесткого целого (для плоской задачи две линейные координаты и один угол, для пространственной - три линейных координаты и три угла). Далее при обработке данных эти координаты рассчитываются из условий наилучшего приблежения, и на них вводятся поправки. В результате отклонения поверхностей реального объекта определяются относительно поверхностей идеального объекта (недеформируемого) при условии наилучшего приближения.

Однако, во многих случаях только по результатам измерений нельзя сделать выводы относительно пригодности или непригодности детали для сборки с базовой деталью: даже если измеренный показатель превышает допуск, приложение небольших усилий при сборке может быть достаточным для того, чтобы исправить форму и обеспечить правильную стыковку с базовой деталью.

Предлагается следующий общий подход: по результатам ' измерений отклонений формы детали от номинальной в отдельных точках аппроксимацией определяется форма в целом, затем предполагается, что к объекту прилагаются нагрузки (распределенные или сосредоточенные), которые уменьшают отклонения поверхностей объекта от номинальных положений. На нагрузки налагаются . ограничения, вытекающие из условий прочности, потери устойчивости и пр. Остаточные отклонения (после приложения этих нагрузок) принимаются за погрешности положения и формы поверхности объекта.

Реально выбор нагрузок и оценка остаточных отклонений осуществляется на математических моделях. Математические модели строятся на основе уравнений теории упругости для стержней, стержневых систем, пластин, оболочек и т.п. В сложных случаях необходимо применение метода конечных элементов. В

ю

отношении деформирующих нагрузок возможны различные варианты. В частности, можно задавать из тех или иных соображений точки приложения сосредоточенных сил, а из условий минимума в определенном смысле выбирать (рассчитывать из уравнений статики) значения этих сил; можно точки приложения сил не задавать, а определять из тех же условий; можно, не задавать вид нагрузок, а допускать приложение распределенных и сосредоточенных сил и моментов. Результаты (остаточные смещения) будут от этого существенно зависеть. ¡В последнем случае возможны ситуации, когда приложение нагрузок полностью исправляет форму объекта, то есть теоретически остаточные смещения становятся равными нулю и форма точно приводится к номинальной. Однако формальное решение может оказаться физически нереализуемым.

В третьей главе поставлены и рёшены частные задачи определения условий собираемости типовых упругих элементов. Для разных вариантов форм деталей определены необходимые сборочные усилия и остаточное отклонения после закрепления. Единым является общий подход, предложенный в главе 2. Он применим как к детали в целом, так и к отдельным элементам.

В зависимости от конфигурации деталей необходимо рассматривать их как упругие стержни, пластины, решетки или оболочки. Как правило, достаточно учитывать только изгибные деформации и можно пренебрегать растяжением - сжатием.

Простейшим элементом любой конструкции- является - прямолинейный стержень. В действительности он может иметь произвольную форму, аппроксимирующуюся различными видами кривых. В главе разобран ряд примеров устранения и уменьшения отклонений стержня от прямолинейности. Основным подходом является решение обратных задач. Начальная форма стержня считается прямолинейной, далее к стержню прикладываются нагрузки, приводящие к действительной, первоначальной форме. Деформации предполагаются малыми, в рассмотрение принимаются простейшие параболические аппроксимации формы стержня, наиболее часто встречающиеся в Практике, а решение задач производится обычными методами сопротивления материалов. Для каждой задачи записывается дифференциальное уравнение упругой линии

11

Ш-у" = М ,

где Е - модуль упругости материала, J - момент инерции сечения, М • приложенная нагрузка.

Далее, учитывая граничные условия и вид приложенной нагрузки, определяется величина необходимой для исправления формы нагрузки и остаточное отклонение, по величине которого должен делаться вывод о пригодности детали к сборке.

В случае, когда форма искривленного стержня с достаточной точностью аппроксимируется параболой 4-/-х-(/-х)

У =-Р-

возможно' полное устранение отклонений с приведением оси стержня к прямой. Это достигается приложением к концам стержня постоянного момента:

!г

где /- прогиб поседине.

Использованием других силовых схем достигается приближенное исправление формы. Например, при приложении силы Р, определяемой выражением

48-_£/

/3

посередине прогиб в этой точке обращается в нуль, наибольшие отклонения при этом (симметрично расположенные относительно середины) окадываются равными

л

"«' [4 •> •

Рассмотрены различные более сложные и более общие варианты нагружения. Результаты расчетов сведены в таблицу и представлены в виде графиков.

Как сопряжение двух номинально прямолинейных участков стержня рассматривается угловой элемент. Коррекции силовым воздействием подлежит ошибка углового размера. Рассмотрена задача крепления углового элемента из легкодеформируемого

12

;3 >

материала на жестком основании. Полученные результаты позволяют рекомендовать задавать определенную величину и направление прикладываемой силы, определять максимальные Остаточные' отклонения и координату точки, начиная с которой и далее по всей длине стержня ошибка углового размера устраняется полностью, а значит, крепление углового элемента можно-производить любыми способами без приложения дополнительных сил. Построены удобные для практического использования графики.

Далее рассматриваются криволинейные стрежни. В частности, решена задача крепления стержня с определенным радиусом кривизны к круговому барабану.

Кроме деформаций изгибных стержень может испытывать деформации кручения. Особенно часто подобные начальные отклонения присущи деталям в форме узкой полосы, причем, это может быть прямолинейный элемент, угловой, криволинейный; он может крепиться к основанию плотно по всей длине или в дискретных точках. Иначе говоря, во всех случаях сборки упругой детали с жестким основанием или нескольких упругих деталей друг с другом необходимо учитывать отклонения от номинальной формы, вызванные деформациями кручения. Очевидно, начальные ошибки в этом случае исправляются приложением моментов в определенных точках.

Дифференциальное уравнение деформаций имеет вид: ¿<р _ Мкр ■

где Мкр - крутящий момент, С/ - модуль сдвига, 1—[$\Ъ -момент инерции при кручении, /? - коэффициент, зависящий от отношения Ь/Ь.\ для достаточно узкого прямоугольника (полосы), где Ь/И>2, [3&1/3.

Уравнение для определения угла закручивания и необходимого для коррекции формы момента получаем после интегрирования . исходного уравнения, учитывая граничные условия.

Наряду со стержневыми конструкциями наиболее часто используются при сборке детали, основу которых составляют

13

пластины различной формы. Оцениваемой погрешностью формы является отклонение от плоскостности.

Дифференциальное уравнение поперечного изгиба пластинки представляет собой бигармоническое уравнение с правой частью-.

„ д* V д* Р

--4-2—--— +-г = ДЛн' - —— ,

дх4 дг х-д1 у ду4 О

где \\> - прогиб, Рг - действующая сила,

12^1 — V 21 " цилиндРическая жесткость пластины,

Е, V - модуль упругости и коэффициент Пуассона материала, 8 - толщина пластины,

Д = хг'+ ' ' гармонический оператор Лапласа.

Это уравнение совместно с выражениями ддя моментов и перерезывающих усилий составляет основную систему уравнений теории изгиба упругих изотропных пластинок.

В работе разобраны частные случаи изгиба прямоугольной и круглой пластин, определены усилия, корректирующие форму.

В случаях, когда жесткость одной из сопрягаемых деталей значительно превышает жосткость другой и, следовательно, форма сборочной единицы определяется формой жесткой детали, применимы модели сборки упругих элементов с жестким основанием. Иначе необходимо рассматривать сопряжение с учетом упругости обоих элементов. При этом погрешности формы сборочных единиц значительно зависят от предварительной деформации элементов. Контроль остаточных отклонений сборочной единицы дает возможность целенаправленно вырабатывать корректирующие воздействия на каждую деталь еще до сборки - такие, чтобы суммарные остаточные погрешности после сопряжения и закрепления устранялись или были, минимальными. В работе поставлена и решена задача сборки нескольних упругих элементов в предварительным деформированием.

14

В качестве практических- приложений рассмотрена задача влияния ошибок изготовления и сборки на работу пары направляКяцие-ползун и задача сборки решетки из стержней, имеющих отклонеяия от прямолинейности.

Рассмотренные в работе задачи иллюстрируют общие способы выбора нагрузок, необходимых для исправления формы упругих деталей при сборке. Однако, ряд условий (технологические, условия прочности, потери устойчивости и пр.) могут налагать существенные, ограничения на прилагаемые силы. В работе конкретизируются эти ограничения.

В четвертой главе приведены данные об автоматизированной гибочной машине АГМ-01, предназначенной для программной гибки профилей. Рассмотрены вопросы повышения качества изделий при автоматизации сборочных процессов путем выработки кдрректирующих воздействий по результатам измерений на всех этапах производства. .

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Собраны и систематизированы задачи сборки, для которых необходимо учитывать упругую податливость деталей, определена специфика этих задач. ...................

•2. Сформулированы и формализованы условия базирования и сопряжения при автоматической сборке деталей, обладающих высокой упругой податливостью.

3. Предложены типовые базовые математические модели деталей, обладающих высокой упругой податливостью, в частности, стержней и систем стержней, работающих на изгиб и кручение, рам, пластин и оболочек.

4. Предложены различные . варианты ограничений, • налагаемых на силы, моменты или распределенные нагрузки при выполнении сборочных операций и полностью или частично исправляющих погрешности положения и формы поверхностей собираемых деталей.

15

5. Сформулированы условия точной компенсации погрешностей собираемых деталей, получены выражения для необходимых для этого сил, моментов или распределенных нагрузок.

6. Предложен подход, при котором задаются вид нагрузок, точки приложения сил и моментов и осуществляется минимизация максимальных значений остаточных отклонений формы упругой детали от номинальной.

7. Предложен общий подход к определению пригодности деталей, обладающих высокой упругой податливостью, отличающийся тем, что по измеренным в Дискретных точках отклонениям формы от номинальной определяются силы, нагрузки или моменты, исправляющие форму, налагаются ограничения на эти факторы, расчитываются максимальные остаточные отклонения и сравниваются с допусками.

8. Разработаны рекомендации по методике проведения измерений при экспериментальном определении отклонений формы легкодеформируемых деталей от номинальной, по расстановке датчиков и обработке их выходных сигналов или показаний.

9. Предложены пути корректирования управляющих программ при изготовлении упругих деталей и при автоматическом выполнении сборочных операций на оборудовании с ЧПУ,

10. На примере разработанной и изготовленной в СПбГТУ установки АГМ-01 доказана реализуемость и практическая эффективность подходов, развитых в данной диссертации.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Аблязов В.И., Маркова Т.В., Чеяпанов И.Б. Задачи и методы контроля гибких деталей // Испытательные и поверочные стенды. Труды ЛГТУ. - Л.Л992. - № 437. - С.93 - 95. ,

2. Челпанов И.Б., Маркова Т.В. Задачи и методы определения параметров формы и положения поверхностей

1«