автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.05, диссертация на тему:Роботизированная сборка и установка упругих элементов

о - ^ ^

ЛЕНИНГРАДСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА ПОЛИШНИЧЕСКИЛ ИНСТИТУТ ИМЕНИ М.И.КАЛИНИНА

РОБОТИЗИРОВАННАЯ СБОРКА И УСТАНОВКА УПРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Специальность 05.02.05 - роботы, манипуляторы и

робототехнические системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

' ТОРГОМЯН Карем Завенович

УДК 621.865.8

ЛЕНИНГРАД 1990

Работа выполнена в Ереванском ордена Трудового Красного"-. Знамени Политехническом институте имени К. Маркса. ; .. ..',

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Челпанов И.Б.

доктор технических наук, профессор Климов В.А.,

кандидат технических наук, с.н.с. Колпашников С.Н.

Ведущая организация Армянский научно-исследователь-

ский институт машиностроения (Арм.НИИМАШ НЛО "Армстанок", ' г. Ереван)

Защита состоится 19 июня 1990 года в {(> часов, в аудит. №439 первого учебного корпуса на заседании специализированного совета К 063.38,28 Ленинградского ордена Ленина политехнического института им. М.И.Калинина (195251, Ленинград, Политехническая ул., 29)

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке института. . .

Автореферат разослан " /"/ " М АЛ 1990 года

Ученый секретарь специализированного" совета, доцент, кандидат технических наук И.М. Чесноков

:|Д1РСШйГО

Отдел кссертаций

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В соответствии с "Основными направлениями экономического и социального развития СССР на 1966-1990 годы к на период до ¿000 года" и комплексной программой научно-технического прогресса стран членов СЭВ до 2000 года одним из важнейших направлений научно-технического прогресса является комплексная автоматизация. Для достижения этой цели, в частности, ставятся задачи создания гибких производственных систем сборки, сборочных роботов и сборочных головок к ним для различных отраслей народного хозяйства.

Возможности применения промышленных роботов в сборсчшх операциях определяются прежде всего возможностями их рабочих органов.

При серийном производстве роботов оказывается практически невозможным учесть особенности сборки, поэтому штатный схват снимают, н на его место устанавливают сборочные головки, специально спроектированные для сборочных операции.

В настоящее время не существует научно обоснованной методики выбора основных конструктивных характеристик сборочных головок. Их параметры рассчитываются и выбираются как правило на основании опыта, конструкции создается в большинстве случаев на основе хорошо зарекомоцдов&вших себя прототипов.

Вследствие этого, при проектировании сборочных головок промышленных роботов могут быть допущены просчеты, снижающие функциональные возможности робота при сборке. 'Гаки?.) образом язляется очень актуальной задача разработки сборочных роботои и сборочных головок к ним.

Основная цель работы. Развитие теории и разработка методов проектирования и повышения технического уровня пасснннш и комбинированных упругих устройств сборочных голопок промышленных роботов (ПР) для выполнения сборки соединений типа вал-втулка, разработка новых конструкций сборочных головок с применением упругих элементов и теоретические основы расчета их податливости, разработка технологических основ и конструкции устройств для роботизированной установки при сборке разнообразных упругих элементов.

Для достижения поставленной цели необходимо:

- систематизировать и классифицировать схемные и технические, решения составных частей сборочных головок, определить относительную важность различных классификационных признаков с целью ьоеде-

ния вариантов базовых схем составных частей;

- разработать новые схемы сборочных головок для выполнения соединения типа вал - втулка и методику расчета их параметров;

- развить общую теорию расчета податливости пассивных сборочных головок;

- создать новые устройства для роботизированной установки стопорных колец и для установки пружин сжатия;

- разработать технологические основы установки упругих элементов;

- разработать основы автоматизированного проектирования сборочных головок для сборки соединений вал - втулка и установни упругих элементов;

- с использованием предложенных устройств разработать автоматический процесс сборки лентопротяжного механизма автомагнитофонов.

Раучная новизна работы. На основе анализа большого числа конструкций реальных сборочных головок проведена систематизация схем и конструкций их составных частей, определены приоритетные классификационные признаки, на основании которых введена совокупность базовых схем и компановок, предложены схемы новых сборочных головок для выполнения соединения типа вал - втулка и установки упругих элементов. Проведен анализ работы предложенных сборочных головок. Рассмотрены этапы взаимодействия собираемого вала с втулкой в процессе сборки с помощью предложенных сборочных головок. Подробно разработана общая теория расчета податливости пассивных сборочных головок.

Впервые разработан технологический процесс и созданы новые устройства для роботизированной установки стопорных колец и для установки пружин сжатия.

Создана основа автоматизированной системы проектирования сборочных головок для сборки соединений типа вал - втулка и установки упругих элементов. с. .

На защиту выносятся следующие основные положения:

- методика выбора конструктивных схем упругих элементов сборочных головок для сборки соединений вал - втулка;

- методика выбора параметров упругих элементов сборочных головок;

- методика выбора принципиальных и конструктивных схем уст-

ро^ств для установки упругих элементов;

- принципы автоматизированного проектирования сборочных головок.

Практическая ценность работы. Разработанная методика дает возможность научно обоснованно выбирать новые схрмы, конструкции и определять параметры упругих элементов сборочных головок по совокупности технических требований к сборке соединения вап - втулка.

Разработанная методика проектирования устройств для установки упругих элементов раамиряет возможности роботизированной сборки.

Разработанная методика основ автоматизироваштого проектирования сборочных головок расширяет возможности их применения, позволяет сформулировать и сфорлалиэовать основные задачи выбора типа и расчета сборочных головок.

Внедрение полученных результатов. Результаты работы использованы при проектировании автоматической линия сборки лентопротяжного механизма автомагнитофонов, выпускаемых на Ереванском заводе "Гарни".

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы доложены и одобрены на: 3-ей Республиканской конференции аспирантов Армянской ССР, Ереван, 1909; Всесоюзной научно-технической конференции "Интегрированные системы автоматизированного проектирования", Вологда, 1989.

По теме диссертации опубликовано 13 работ.

Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы, состоящей из 94 наименований и приложения; всего 245 страниц, 5 страниц приложения, 110 рисунков,.2 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность темы, определяется основная цель работы, формулируется основное положение, выносимое на защиту, отмечаются главные результаты работы.

Первая глава посвящена изучению состояния проблемыи постановке задач исследования. Обзор литературы, посвященной автомати-

G

зации сборки можно кратко резюмировать следующим образом: до настоящего времени при автоматизации и механизации сборочшх процессов все большее распространение получают промышленные роботы (Г1Р), специфика условий выполнения сборочных операций соединения с помощью ПР диктует создание широкой номенклатуры специализированного сборочного инструмента.

До настоящего времени практически отсутствуют обобщающие работы, где теоретически обосновывались бы возможности создания новых схем и конструкций сборочных головок для ПР.

Теоретической основой данной работы является созданная в ЛИИ им. Ц.И.Калинина общая теория захватывания и проектирования сборочных головок.

11а основе анализа особенностей сборки с помощью адаптивных и жесткопрограммируемых Г1Р обосновывается актуальность создания пассивных и комбинированных сборочных головок.

Недостатком адаптивного способа является высокая стоимость и сложность сборочного оборудования по отношению к пассивным податливым сборочным головкам. Приведено несколько примеров применения активных и пассивных сборочных головок. Описаны сборочные головки, созданные разработчиками из Массачусетского технологического института с вынесенным центром податливости. Особенностью этих сборочных головок является перенос центра податливости на нижний торец охватываемой детали, что позволяет устранить опасность заклинивания вала при сборке соединений типа вал - втулка.

Вторая глава посещена анализу технических решений состав ->шх частей сборочных головок и определению базовых схем и компоновок, предназначении для использования при сборке соединений типа вал - втулка,

& глава приводятся подробные сведения о функциональном назначении, возможных технических решениях, наилучшим образов отработанных конструкций сборочных головок. В соответствии с проведенной систематизацией и принятой системой классификационных признаков выделены наиболее универсальные схемы сборочных головок. Для классификации пассивных и комбинированных сборочных головок (СГ) ПР в качестве характерных признаков выбраны: уровень едап?ации; принципы и способы поиска.

По виду построения упругих устройств их можно разделить на дна гр^пш: к первой, где упругие звенья явдяатся элементами на-

сущей конструкции, они одновременно задают кинематику перемещений и возвращающие силы и моменты. Эту группу можно классифицировать по типу и принципу работы упругих элементов (УЭ).

Ко второй группе относятся устройства, которые строятся как механизм, состоящий из жестких звеньев, в подлившие соединения звеньев вводятся упругие элементы - пружины.

Рассмотрены варианты размещения спе^иалыи« упругих элементов в конструкции ПР (рис. I):

1. Между концом руки ПР и основанием охвата;

2. Совмещением упругих элементов с рабочими элементами юн звеньями механизма схвата;

3. Установлением упругих элементов на губки схватов.

В большинстве работ рассматривается первый вариант включения упругого элемента между концом руки и основанием схвата.

В работе подробно рассмотрены конкретные конструкции первого варианта упругих элементов, описаны разнообразные конструкции, дан анализ их возможностей и недостатков. Приведены предложенные автором и защищенные изобретениями 3 конструкции сборочных головок.

В предложенном A.c. .¥1460743, СССР, мы расширяем технологические возможности сборки при переменной длине собираемого вала и уменьшаем нежелательные колебании при переносе руки IIP.

В предложенной конструкции A.c. №1484543, СССР, мы, за счет применения пружин с межвитковьм давлением, значительно уменьшаем колебания и облегчаем переналадку центра податливости устройства. А в предложенной заявке JP4376183/08 СССР в сборочной головке за счет применения пластинчатых пружин, имеющих два устой- . чивых положения: выгнутое и вогнутое, мы расширяем технологические возможности сборки.

Второй вариант - совмещение упругих элементов 'С рабочими элементами или звеньями механизма схвата связан с конструктивными трудностями и рассматривается впервые.

По этому принципу автором предлагается сборочно-захватное устройство (СЗУ) по A.c. 1,4495121, СССР, где вал, захваченный в губках обладает податливостью по линейным координатам, что обес- . печивает возможность смещения вала под действием сил, 'приложенных в точке контакта вала с втулкой. СЗУ, оснащенное простейшими датчиками и управлением, имеет всомсжность перемещать вал, за

Рис, I. Классификация и вариант размещения упругих элементов сборочных голо.мок в конструкции ПР

счет предварительно сжатой пружины в направлении уменьшения смещения между собираемыми деталями.

Имеется возможность с помощью толкателя, в необходимый момент создать дополнительное сборочное усилие по оси СЗУ и производить сборку при контакте вал с втулкой по торцам, если возможен перекос вала создаваемый с помощью толкателя.

Третий вариант - с упругими элементами, установленными на губках схвата. Эту компоновку в практике рассматривают впервые.

Предлагается конструкция (заявка М421039/08 СССР), которая устанавливается на губках ЗУ и имеет податливость по линейным и угловым координатам, а колебания при переносе исключаются за счет двойного захватывания вала. Приведены необходимые расчеты упругих элементов.

Рассмотрены процессы сборки вал - втулка для предложенных конструкций.

В третьей главе рассматриваются принципы теоретического расчета податливости пассивных устройств. Известную методику расчета матрицы податливости с упругими элементами, работающими на растяжение - сжатие, дополняет методика расчета с элементами, имеющими предварительный натяг. Используя метод конечных элементов, построена матрица податливости устройств, где упругие элементы работают на изгиб.

Построена обобщенная матричная модель податливых устройств с упругими элементами в виде прямолинейных стержней.

Общую матрицу податливости отион тельно точки центра податливости устройства определяем из:

-где ¿'^¿Чт^.^^т^)'

- матрица податливости одного стержня;

Т;, Т*'1*- матрицы преобразований при изменении системы координатных осей.

Предложена методика расчетного определения характеристик и координат центра податливости для пассивных податливых устройств. Получены выражения для параметров податливых устройств с двумя, тремя и четырьмя упругими элементами.

Дня устройств с тремя упругими элементами, поперечная жесткость Сх ; координата центра податливости р и угловая жест -кость О. имеют вид

Р [К^(1*со5в)со5в^г5,песо5в(Кп -К$5)1 ,

С^=(1 + 2собг0) * ^ (К„ гсоэ4© + К» г-8и?в --¿К^аб)- р'С* ,

где & - угол мезвду осью упругого элемента и осью устройства;

г - расстояние от оси устройства до точки крепления упругого элемента к нижнему фланцу;

К55; К,^ - диагональные элементы матрици жесткости.

В диссертации приведены графики изменения параметров устройств в зависимости от угла ориентации упругого элемента и места крепления.

Четвертая глава посвящена способам роботизированной сборки разнообразных упругих элементов.

Приведен анализ упругих элементов с точки зрения возможности автоматического выполнения сборочных операций. Подробно рассмотрены особенности технологического процесса автоматической сборки упругих элементов.

Разработан технологический процесс автоматической сборки стопорных колец.

Автором предлагается универсальное устройство для установки стопорного кольца в наружные канавку цилиндрических деталей с помощью ПР. В предлагаемом устройстве коническая оправка с помощью которой деформируется стопорное кольцо для установки на вал, выполненная в виде четырех рабочих поясков, которые могут из конусообразной формы, в раскрытом положении для деформирования кольца перейти в цилиндрическую форму для захвата кольца. Приведен алгоритм протекания автоматического процесса установки кольца и последовательность проектирования сборочных устройств. Определено

необходимое осевое усилие при автоматической установке на вал стопорного кольца деформируемого конической оправкой с четырьмя рабочими поясками

1- сое

4(1.

I

где "С - радиус стопорного кольца;

Д - приращение радиуса кольца. Исходя из условия, что время прохождения зазора в пазе больше периода свободных колебаний кольца оценена допускаемая ско-рость V при автоматической установке стопорного кольца

¿к ГЦ

2жАг "I 2\зг?

— для разрезанного кольца

г . и д — Д"я неразрезанного

у " ^ (целого) кольца

где I - ширина паза; с4 - диаметр недеформированного стопорного кольца; К. - высота сечения стопорного кольца; р - удельная плотность материала.

Приведен технологический процесс автоматической сборки цилиндрических пружин, рассмотрена очередность операций и переходов. Подробно рассмотрен процесс сборки цилиндрических пружин сжатия. Определены форма и число рабочих элементов для захвата пружин сжатия при сборке. Обоснована необходимость предварительного деформирования пружин и принципы установки пружин сжатия в зависимости от типа сборочного узла.

Анализирована и предложен©(заявка № 4490971/06 ССОР), устройств© для сборки пружин сжатия.

Предложенное ЗУ содержит две губки в виде двух подпружиненных частей, которые при выполнении сборочных'операций типа "сборка винтовых пружин сжатия в сборочный узел", контактируя с буртиком сборочного узла, раскрываются и пропускают между губками

пружину, вставляя еет буртик, то есть происходит сборка пружинного узла (рис. 2).

Рассмотрены другие принципы и схемы установки пружин сжатия в сборочный узел, процессы при переносе ЗУ со сжатой пружиной, когда возможна потеря устойчивости сжатой пружины, проявляющаяся в выскальзывании пружины в боковой направлении. Приведены принципы и схемы устройств которые должны фиксировать витки прукины и исключать возможность потери устойчивости пружины. Автором предлагается схема захватного устройства с фиксатором (заявка № 448Ь345/25-08 СССР), который исключает потерю устойчивости сжатой пружины (рис. 3).

Сформулирована задача определения условий удержания пружины в схвате, учитывая упругость пружины и возможность потери устойчивости пружины. Рассмотрены способы расчета усилия при захватывании пружины с торцов и за боковые поверхности, при условии недопустимости потери устойчивости пружины.

Рассмотрен способ расчета допускаемых усилий при установке пружин перемещением ее захваченной за верхний конец, при том что нижний конец скользит по плоскости основания.

Пятая глава посвящена основам решения проблемы автоматизированного проектирования сборочных Устройств для сборки соединений типа вал - втулка и установки упругих элементов.

Предложена структура автоматизированной системы. Основная цель синтеза сводится к определению структурно-компоновочного решения схвата для сборки соединений типа вал - втулка и сборки упругих элементов, с детализацией до кинематической схемы и расчету основных параметров ее составных частей. Задачи синтеза сборочного устройства условно разделены на две группы:

1. Определение системы исходных данных. Сюда включаются систематизация и формализация совокупности технических требований к характеристикам типа сборки, сборочного узла и разновидностей пружин, которые приводят к заданию' системы исходных данных для решения задач синтеза. Многовариантность решения задач синтеза сборочных устройств нередко приводит к необходимости дополнительного введения, наряду с исходными данными, критериев оптимальности решения.

2. Определение последовательности принятия решений по выбору и расчету составных частей сборочного устройства.

Рис. 2. Схема захватного устройства для установки прулин сжатия

Рис. 3. Схема захватного устройства с фиксатором

Поиск возможных вариантов решения задачи производится методом перебора в диалоговом режиме работы с ЭВМ.

В приложении к диссертации описана предложенная автором линия автоматической сборки лентопротяжного механизма автомагнито-фсков. Предлагается основы технологического процесса с использованием сборочных роботов и особенности автоматической сборочной ячейки для установки пружин растяжения. Приведена разработанная конструкция сборочно-захватного устройства для установки пружин растяжения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследования, проведенные в настоящей работе, привели к следующим результатам:

1. Проведен анализ значительного количества конструкций сборочных головок для сборки соединений типа вал - втулка, который показал, что большое разнообразие схем сборочных головок может быть получено при сочетании небольшого количества наилучшим образом отработанных вариантов компоновок упругих элементов. Проведена систематизация и классификация основных типов упругих элементов сборочных головок.

2. Выполнен анализ работы нсьых предложенных автором сборочных головок. Выявлены основные особенности новых сборочных головок, расширяющие технологические возможности промышленных роботов для сборки. Проведен анализ процесса введения при сборке гладких цилиндрических деталей в отверстие втулки для предложенных сборочных головок.

3. Исследованы особенности установки упругих элементов в самом захватном устройстве и созданием сборочно - захватных устройств, имеющих возможность производить сборку не только при контакте' по фаскам, но и по торца;,1 вала с втулкой.

4. Предлонена схема и конструкция упруги/, элементов устанавливаемых на губках схвата, которая имеет расширенные возможности для сборки разных типоразмеров деталей и исключает возможность возникновения колебаний при перемещении руки ПР с деталью.

5. Разработана методика расчета характеристик упругого элемента для разных типов сборочных: головок, разработана общая теория расчета пода.тливости пассивных сборочных головок.

6. Разработан и предложен технологический процесс роботизированной установки упругих элементов. Выявлены основные факторы, определяющие особешгости роботизированной установки упругих моментов.

7. Предложена схема и конструкция устройств для установки стопорных колец и для установки пружин сжатия.

8. Сформулированы критерии и определены ограничения сборочных устройств для установки упругих элементов.

9. Разработаны основы автоматизированного проектирования сборочных головок для сборки соединений пал - втулка и установки упругих элементов.

10. Предложена методика разработки технологического процесса сборки лентопротяжного механизма автомагпитофонов для применения на ереванских заводах, выпускающих автомагнитофоны.

Основные результаты диссертации отражены в следующих работах:

1. A.c. № 1466743 СССР, Б.И., № 12, 1989. Сборочно-захват-ное устройство / И.Б.Челпанов, М.Е.Вартанян, К.З.Торгомян.

2. A.c. № 1484543 СССР, Б.И., № 21, 1989. Устройство длА' сборки деталей / И.Б.Челпанов, К.З.Торгомян.

3. A.c. № I495I2I CCCJ5, Б.И., № 27, 1989. Сборочно-захвптное устройство / И.Б.Челпанов, К.З.Торгомян.

4. Положительное решение по заявке: 4376I83/3I-0G СССР. Сборочная головка / И.Б.Челпанов, К.З.Торгомян. Решение о выдаче от 29.II.1988.

5. Положительное решение по заявке: № 4421039/31-08 СССР. Сборочно-захватное устройство / И.Б.Челпанов, К.З.Торгомян. Решение о вьщаче от 20.02.1969.

6. Положительное решение по заявке: № 4498971/31-08 СССР. Захватное устройство для сборки / И.Б.Челпанов, К.З.Торгомян. Решение о выдаче о'т 29.06.1989.

7. Положительное решение по заявке: № 44.85345/25-08 СССР. Захватное устройство / И.Б.Челпанов, К.З.Торгомян. Решение о выдаче от 25.12.1989.

8. Торгомян К.З. Новие упругие элементы для сборочных головок промышленных роботов / Ереван, 1988 - Деп. в Арм.НИШТИ, № 34-Ар от 00.04.1908.

9. Чэлпанов И.Б., Торгомян Н.Э. Устройства промышленных роботов для сопряжения деталей / Промышленность, строительство и архитектура Армении. - 1988. - 1? II - с. 29 - 30.

10. Челпеьов И.Б., Торгомян К.З. Сборочно-захватное уст-' ройство для промышленных. робот о в / Промышленность, строительство и архитектура Армении. - 1989. - № 2 - с. 39 - 41.

11. Чилранов И.Б., Торгомян К.З. Устройство для сборки деталей / Промышленность, строительство и архитектура Армении. -1989. - К 4, с. 53.

12. Торгомян К.З. Рабочие органы дня сборочных роботов. Тез. докл. 3-й Республ.конференции аспирантов Арм.ССР. - Ереван -1989. - с. 53.

13. Чзлпашв И.Б., Торгомян К.З. Основы САПР сборочных головок промышленных роботов. Тез.докл. Всесоюзной научно-технической конференции "Интегрированные системы автоматизированного проектирования". - Вологда,. - 1989. - с. 124 - 126.

Лодписан к печати 25.D4.90

формат бумаги 60x84 I/16 I 11.11. 0,7уч..:зц.л.

Заказ L,32 Тира« /00 Ш 03545 Бесплатно

Отпечатан в отделении оперативной полиграфии Ереванского ордена Трудового Красного Gíiai-iemi политехнического института им.К.Маркса Адрес: 375009, Еревая ул.Теряпа 105.