автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Совершенствование технологии автоматизированной сборки деталей приборов типа "вал-втулка" на основе комплексного выбора параметров сборочного процесса

На правах рукописи \<6

005012520

ЗАМЯТИН Антон Валерьевич

Совершенствование технологии автоматизированной сборки цилиндрических деталей приборов на основе комплексного выбора параметров сборочного процесса

Специальность: 05.11.14 - Технология приборостроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 [лДР

Москва - 2012

005012520

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет приборостроения и

информатики»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Николаев Юрий Львович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Грузиненко Валерий Борисович научный консультант ОАО «ЛИТ-ФОНОН»

кандидат технических наук, доцент кафедры «Инновационные технологии в приборостроении, микро- и оптоэлектронике» МГУПИ Зерний Юрий Владимирович

Ведущая организация: НИИИН МНПО «СПЕКТР»

Защита состоится 28 марта 2012 года в зале Советов в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д 212.119.01 в Московском государственном университете приборостроения и информатики по адресу: 107996, г. Москва, ул. Стромынка, д. 20

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУПИ.

Автореферат разослан 24 февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета Д 212.119.01, д. т. н. профессор

В. В. Филинов

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1. Актуальность темы.

Важнейшим направлением обеспечения необходимого ускорения развития технологии приборостроения является повышение научно-технического уровня сборочного производства, обладающего самыми крупными потенциальными резервами для повышения качества, надежности и безопасности эксплуатации изделий, снижения материальных и трудовых ресурсов, повышения производительности труда и конкурентоспособности выпускаемых изделий на мировом рынке.

Проблема повышения эффективности технологии сборочного производства в приборостроении и качества выпускаемых изделий является сложной и недостаточно изученной, она носит комплексный характер и требует системного подхода с учетом влияния взаимосвязанных конструкторско-технологических факторов. Поэтому разработка научно обоснованных технологических процессов и средств автоматической сборки деталей приборов, а также методик и рекомендаций, является актуальной задачей.

1.2. Современное состояние проблемы

Сборка является завершающим и наиболее ответственным этапом производства, на котором интегрируются результаты всех предшествующих этапов производства и формируются основные показатели качества выпускаемых изделий; до 90% от всех отказов изделий происходит по причине их некачественной сборки.

Повышение качества сборки изделий достигается, прежде всего, за счет повышения уровня технологии и автоматизации сборочных процессов и объективного контроля всех нормируемых параметров сборки (зазоров, натягов, соосности и углов перекоса собираемых деталей, радиальных и торцовых биений, сборочных усилий, моментов затяжки резьбовых соединений, плотности и герметичности соединений, уравновешенности деталей, параметров технологического оборудования и оснастки, режимов сборки и т.п.). Однако на практике, ввиду низкого уровня автоматизации процессов сборки, преобладания ручного труда и отсутствия действующей научно-обоснованной системы управления качеством продукции в сборочных производствах машиностроения и приборостроения, в большинстве случаев высокое качество собираемых деталей не обеспечивается.

В настоящий момент при замене ручного труда процессы сборки наименее механизированы и автоматизированы (до 80% от всего объема сборочных работ выполняется вручную) и занимают непропорционально большой удельный вес в общей структуре трудоемкости производства машин

(25 - 40%) и приборов (40 - 70%). Совершенствование технологии автоматизированной сборки является наиболее перспективным направлением повышения эффективности машиностроения и приборостроения. При этом автоматизация нередко обеспечивает увеличение производительности сборки в десять раз и более при одновременном повышении качества выпускаемых изделий. Особую актуальность приобретает задача автоматизации сборочных процессов в приборостроении. По данным института IFI (Industrial Fastener Institute, USA) затраты на сборку составляют до 16 - 20% - в авиакосмической промышленности и до 55 - 60% в радиоэлектронной и приборостроительной промышленности. В технологии производства оптических приборов необходима автоматизация сборки направляющих вращательного движения (состоящих из цапфы и втулки), объективов коллиматоров, диоптрийных трубок, деталей микроскопов, объективов насыпной конструкции, фотообъективов и т. д.

1.3. Цель работы и задачи исследования

Целью_работы является повышение эффективности

автоматизированной сборки цилиндрических деталей приборов на основе комплексного выбора параметров сборочного процесса.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• Проанализировать и систематизировать факторы, влияющие на собираемость деталей приборов при автоматизированной сборке.

• Разработать математические модели сборочного процесса для определения влияния на собираемость деталей в автоматизированном режиме геометрических, кинематических и силовых параметров.

• Разработать интегральные оценки параметров технологического процесса сборки, при которых обеспечивается гарантированная сборка в автоматизированном режиме.

• Разработать методические рекомендации по оценке технологичности и подготовленности конструкции собираемых деталей к автоматизированной сборке.

• Разработать методические рекомендации по расчету и комплексному выбору значений параметров технологического процесса сборки, удовлетворяющих требованиям собираемости деталей в автоматизированном режиме.

• Разработать методику расчета погрешности базирования.

• Разработать алгоритм и программу для определения геометрических условий собираемости деталей.

1.4. Методы исследования

При проведении исследований применялся системный анализ и математическое моделирование факторов, влияющих на условия собираемости деталей. Теоретические исследования базировались на основных положениях технологии приборостроения, метрологии, теоретической механики, математического моделирования, анализа и синтеза технологических процессов и средств автоматизированной сборки, расчете точности сборки и сборочных размерных цепей с помощью ЭВМ. При экспериментальных исследованиях осуществлялась проверка разработанных математических моделей на их адекватность реальным технологическим процессам и средствам оснащения сборки с использованием опытных образцов собираемых деталей и средств автоматизированной сборки. При этом была использована современная аттестованная научная аппаратура, приборы и средства контроля размерных, точностных, жесткостных и силовых параметров сборочного процесса.

1.5. Научная новизна работы

Научная новизна работы состоит в том, что в данной работе:

• Разработаны математические модели автоматизированного сборочного процесса сопряжения деталей типа «вал-втулка» в форме системы дифференциальных уравнений, включающих пространственные геометрические, кинематические и силовые параметры технологического процесса, решение которой позволяет определить области значений параметров, при которых обеспечивается гарантированная сборка деталей.

• Предложена система интегральных оценок, определяющих возможность собираемости деталей типа «вал-втулка» в зависимости от допустимого смещения осей, предельно допустимой скорости сопряжения и диапазона значений жесткости элементов технологической системы «собираемые детали - оснастка - оборудование».

• Разработана методика расчета суммарного относительного смещения осей собираемых деталей, позволяющая оценить возможность автоматизированной сборки методом полной взаимозаменяемости без их механического повреждения.

• Предложена методика расчета погрешностей базирования сопрягаемых деталей для типовых схем их относительной ориентации.

• Разработаны алгоритм и программа определения возможности автоматизированной сборки деталей на основе оценки значений допустимого и действительного смещений осей собираемых деталей.

1.6. Практическая ценность

Практическая ценность заключается в разработке методических рекомендаций по комплексному выбору параметров автоматизированного сборочного процесса цилиндрических деталей.

Разработанные методики расчета точности относительного положения собираемых прецизионных деталей и суммарного относительного смещения осей собираемых деталей были использованы в рамках НИР по разработке эталонной базы РФ, что подтверждено актом внедрения в ВНИИМСе.

Предложены усовершенствованные конструкции исполнительных органов автоматизированного сборочного оборудования.

1.7. Реализация работы

Методические материалы по результатам работы переданы во ВНИИМС для использования при разработке новых нормативно-технических материалов по разработке эталонной базы оптического приборостроения.

1.8. Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях и семинарах: «Инженерный бизнес и защита окружающей среды». (Болгария, г. Варна. 03-12.06.96); «Новые технологии и средства оснащения производства», (г. Сочи, 2030.09.1996); «Фундаментальные и прикладные проблемы информатики, приборостроения и экономики» (г. Сочи, 26.09-02.10.1998 г.); «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики», (г. Сочи 01.10.2007-05.10.2007 г.); «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики», (г. Сочи 01.10.2011-05.10.2011 г), а также на семинарах и научных конференциях Московского государственного университета приборостроения и информатики.

1.9. Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследований по определению областей значений геометрических, кинематических и силовых параметров технологического процесса сборки, гарантирующих собираемость деталей типа «вал-втулка» в автоматизированном режиме.

2. Методические рекомендации по выбору геометрических, кинематических и силовых параметров технологического процесса автоматизированной сборки деталей типа «вал-втулка.

3. Методика и программа расчета погрешностей базирования сопрягаемых деталей для типовых схем их относительной ориентации.

4. Результаты разработки требований, предъявляемых к конструкциям сопрягаемых деталей, а также погрешностям взаимного расположения деталей на основе предложенных интегральных оценок.

1.10. Публикации

По материалам работы опубликовано 18 научных работ, в том числе 4 в опубликованных тезисах и докладах Международных конференций и 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Раздел справочника для ВУЗов -Технология и оснащение сборочного производства машиноприборостроения: Справочник - М.: Машиностроение, 1995. - 608 с.

1.11. Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, _5_ глав, заключения, списка

литературы и приложения. Она содержит _162_страницы

машинописного текста, включая _35_ рисунков, _96_ формул, _134_

наименований цитируемой литературы и приложения на 9 страницах.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность выбранной темы исследований, определены цели и задачи исследований, сформулирована научная новизна, практическая значимость полученных результатов и научные положения, выносимые на защиту.

Представлены сведения об апробации и реализации результатов работы, а также основные положения и результаты, выносимые на защиту.

Первая глава диссертационной работы посвящена анализу состояния технологии и автоматизации сборки в настоящий момент.

Основным вопросом автоматизированной сборки является обеспечение собираемости деталей, то есть определение условий, при которых погрешности относительного расположения сопрягаемых поверхностей деталей не превышают своих допустимых значений. В результате этого обеспечивается такое совмещение пространственного относительного положения собираемых деталей, при котором происходит их соединение без нарушения заданного качества поверхностей.

Относительные смещения и перекосы осей сопрягаемых поверхностей деталей на позициях сборки могут приводить к возникновению больших усилий на поверхностях сопряжения, что нередко вызывает повреждение

посадочных поверхностей из-за того, что сборочные усилия воспринимаются на небольших площадках контакта. Такие повреждения происходят в тех случаях, когда возникающие контакты давления на поверхностях сопряжения превышают свои допустимые значения. Поэтому важной задачей является определение областей значений параметров процесса сборки, при которых не вызываются недопустимые пластические деформации сопрягаемых поверхностей и стыков технологической системы. Для решения этой задачи необходима разработка математических моделей и интегральных оценок параметров автоматизированного сборочного процесса.

Структура и содержание автоматизированного технологического процесса сборки зависят от конструкции собираемого изделия, предъявляемых к нему технических требований, массы, размеров, геометрической формы и количества собираемых компонентов, программы и длительности выпуска изделий и др.

Несмотря на существующее многообразие операций автоматизированной сборки, в их структуре можно выделить повторяющиеся этапы и элементы, осуществляемые в процессе сборки. В общем виде технологический процесс автоматизированной сборки состоит из следующих этапов и элементов: 1 - автоматизированная загрузка деталей в сборочное оборудование (ориентирование положения в пространстве, перемещение от загрузочных устройств на позиции сборки, базирование на сборочных позициях); 2 - автоматизированное относительное ориентирование собираемых деталей на позиции сборки с точностью, обеспечивающей их собираемость; 3 -сопряжение собираемых деталей; 4 -закрепление собираемых деталей; 5 -контроль качества сборки; 6 -съем собранного изделия (узла).

Выбор наиболее эффективных способов сборки конкретного изделия зависит от правильности учета влияния комплекса взаимосвязанных производственных, технологических, метрологических и организационных факторов, которые обеспечивают сборку необходимого количества и качества изделий с минимальными затратами труда и издержками производства.

В связи с этим необходима разработка требований, предъявляемых к параметрам автоматизированных сборочных процессов и методических рекомендации по обеспечению условий собираемости деталей в автоматизированном режиме.

Во второй главе диссертационной работы определены геометрические условия собираемости деталей на основе комплексного анализа влияющих параметров.

Одним из необходимых условий обеспечения автоматизированной сборки деталей является выполнение геометрического условия собираемости

- О)

где Дг и Е- соответственно суммарное действительное и допустимое значения относительного смещения осей сопрягаемых поверхностей собираемых деталей в плоскости, перпендикулярной их оси сопряжения (сборки). Под допустимым смещением осей понимается предельное значение смещения, при котором возможно соединение деталей в автоматизированном режиме.

Во время выполнения соединения деталей происходит непрерывное изменение их относительного положения, а также жесткостных, силовых и динамических параметров процесса сборки, что приводит к изменению значений величины относительного смещения осей. Поэтому для обеспечения собираемости деталей необходимо, чтобы условие (1) было выполнено на всех этапах соединения деталей с учетом влияния динамики процесса сборки.

При использовании исполнительных сборочных механизмов, предназначенных для автоматизированной сборки цилиндрических соединений с зазором, к параметрам, оказывающим влияние на значение допустимого и действительного относительного смещения осей Е, относятся (рис.1):

- диаметральный минимальный зазор д в соединении собираемых деталей;

- форма и отклонение размеров направляющих элементов базовой и присоединяемой деталей;

- диаметр сопряжения Бо;

- длина присоединяемой детали Н;

- наличие и размеры фаски базовой и присоединяемой деталей - а и а соответственно;

- расстояние ^ между началом сопрягаемой поверхности базовой детали и торцем ориентирующей поверхности базирующего устройства присоединяемой детали;

- механические свойства материала базовой и присоединяемой деталей;

- угол перекоса /? осей ориентирующих поверхностей базирующих устройств базовой и присоединяемой деталей;

- угол наклона Д оси сопряжения (сборки) к горизонтальной плоскости;

- жесткость технологических систем: присоединяемая деталь - базирующее устройства - оборудование (1п) и базовая деталь - базирующее устройство -оборудование (1б);

- сила сборки Рсб ;

- скорость сборки Усб;

- силы закрепления базовой Р3 и присоединяемой Р3 деталей к ориентирующим поверхностям базирующих устройств.

Схема сборки вала и втулки с обозначением основных параметров процесса сборки представлена на рис. 1.

осей вала и втулки. В связи с этим, суммарное относительное смещение Дг, обусловленное влиянием многих параметров, является их интегральной оценкой.

Для упрощения расчета суммарного относительного смещения ДЕ целесообразно одну из координатных осей совмещать с направлением, совпадающим с направлением большинства составляющих Д£ или превалирующих по величине погрешностей. Если все составляющие суммарного смещения Д£ проектируются без искажения на одну координатную ось в плоскости, перпендикулярной оси сопряжения, то при методе сборки с полной взаимозаменяемостью предельное суммарное смещение Дг, можно определить по формуле:

=1 ьАВ |+| д, |+| д; |+| дй31+| дг |, (2)

где |Д,В| - предел погрешности, вызываемой геометрическими неточностями сборочного автомата; |Д^| и |Д^| - пределы погрешностей

установки соответственно базовой и присоединяемой деталей на сборочной позиции, зависящие, главным образом, от погрешности базирования деталей; I Днз| - предел погрешности, обусловливаемой износом; |ДГ| - предел погрешности, вызываемой тепловыми воздействиями.

Анализ технологических процессов сборки, различных по конструкции собираемых деталей, позволили выявить этапы сборочного процесса и параметры, влияющие на собираемость деталей, а также установить, что условия собираемости деталей после подачи и установки их на сборочных позициях автоматов зависят от конструкций и параметров собираемых деталей, средств автоматической сборки, пространственного относительного положения осей сопрягаемых поверхностей деталей на позициях сборки и режимов сборочного процесса.

Установлено, что процесс соединения деталей после подачи их и установки на сборочной позиции и до окончания выполнения соединения

целесообразно для многих видов соединений (цилиндрических, конических, плоских и др.) разбить условно на три характерных этапа (рис.2).

Первый этап характеризуется перемещением присоединяемых деталей толкателем или захватным органом и возможным образованием дополнительных инерционных погрешностей относительной ориентации собираемых деталей, связанных с перемещением присоединяемой детали до момента контактирования его с базовым компонентом.

Второй этап характеризуется процессом соединения (относительного скольжения) собираемых деталей по поверхностям их направляющих элементов и относительно быстрой компенсацией относительного смещения осей Л^ сопрягаемых поверхностей компонентов до допустимых переделов.

Третий этап характеризуется процессом непосредственного соединения (относительного скольжения) собираемых деталей по сопрягаемым

1 - базовая деталь (вал); 2 - присоединяемая деталь (втулка); 3 -

толкатель; 4 - базирующая призма

Поэтапная разбивка технологического процесса автоматического соединения деталей условно на этапы позволяет дифференцированно рассматривать влияние отдельных факторов на собираемость деталей.

Наряду с определением влияния взаимного положения деталей на их собираемость в автоматизированном режиме, также необходимо учитывать кинематические и силовые параметры процесса сборки, которые во многих случаях могут оказывать существенное влияние на допустимое значение относительного смещения ДЕ осей сопрягаемых поверхностей в процессе соединения деталей.

В связи с этим в качестве дополнительных интегральных оценок параметров автоматизированного технологического процесса, выбрана максимальная скорость перемещения присоединяемой детали относительно базовой, а также сила закрепления.

Третья глава диссертационной работы посвящена определению погрешностей базирования деталей для типовых схем их относительной ориентации и разработке рекомендаций по выбору устройств базирования.

В формуле (2) основное влияние на суммарное смещение чаще всего оказывает погрешность установки базовой и присоединяемой деталей.

При выборе технологических баз для установки собираемых деталей следует использовать принцип совмещения баз (технологических, измерительных и конструкторских) с целью уменьшения погрешностей их установки в приспособлениях.

Погрешность установки А^, собираемых деталей в приспособлениях включает погрешность базированияД£ и погрешность закрепления д^.

Погрешность базирования д;; представляет собой разность предельных расстояний от измерительной базы базовой детали до поверхности присоединяемой детали, положение которой задано выполняемым при сборке размером.

Выбор способа базирования основан на учете технологии и специфики построения сборочного процесса: конструкции, массы, габаритов и точностных параметров собираемых деталей; конструкции и точности сборочного оборудования; необходимого усилия зажима собираемых

Рисунок 3.- Характерные схемы относительной ориентации автоматически собираемых цилиндрических деталей: 1 - базовая деталь (вал); 2 -присоединяемая деталь (втулка); 3, 7 - подпружиненные прижимы; 4 -

толкатель; 5 - упор; 6, 8 - базирующие и установочные призмы; 9 -подвижный центр; 10 - неподвижный центр; 11 - ловитель; 12 - пружина; 13 - трубчатый ловитель.

Выбор устройств базирования осуществляется с учетом погрешностей базирования собираемых деталей на позициях сборки и обеспечения выполнения условий собираемости деталей. Для определения погрешностей базирования собираемых деталей в работе рассмотрены девять характерных схем относительной ориентации, автоматически собираемых цилиндрических деталей (рис. 3), в которых базирование вала при использовании схем I, IV и VII происходит по наружной поверхности в призме, при схемах II, V и VIII - по наружной поверхности в призме и центровому отверстию центром, а при схемах III, VI и IX - по двум центровым отверстиям в центрах. Базирование втулки при схемах I - III осуществляется по наружной поверхности в призме, при схемах IV - VI - на ловителе по поверхности отверстия, при схемах VII - IX - по наружной поверхности в трубчатом ловителе.

Для каждой схемы определены формулы для расчета погрешностей базирования в плоскости, перпендикулярной к оси сопряжения:

S.

а „ = -—л—+ е+е

ВТ

2> в 0т п _ » . '

• sin а 2 'Sin а

2> в i i г вт л •

■sin a J L 2 •sin а

• + е.т + -

2-sin а

-+ е. +

2■sin а 2

S» „ „А н Sj -+ е. + е. —+ —

2•sin а

5Г,

5° -+е. + е. 5т

а • в вт л '

2 •sin а 2

.+ e. + e:\!L+e. ■ дт

2-sin а * ') L ,л 2

sТЛ (3)

2 '

где SB и 8ВТ - поля допусков на диаметры наружных установочных поверхностей соответственно вала и втулки;

б, - эксцентриситет осей наружной установочной и сопрягаемой

поверхности вала;

е, - эксцентриситет осей центровых отверстий и сопрягаемой

поверхности вала;

е,т - эксцентриситет осей отверстия и наружной установочной поверхности втулки;

8- максимальный диаметральный зазор в соединении втулка-ловитель;

Н- длина втулки;

Ь- расстояние от торца вала, находящегося в зоне сборки, до ближайшего торца его призмы;

5ТЛ - максимальный диаметральный зазор в соединении: наружная

поверхность втулки - трубчатый ловитель;

ОС - угол базирующих призм.

Расчет погрешностей базирования Ав различных по конструкции собираемых деталей для других схем их относительной ориентации также основан на выявлении и учете всех составляющих погрешности базирования.

Относительная ориентация собираемых деталей перед началом и в процессе их непосредственного соединения выполняется в случаях, когда относительное смещение Д1 осей сопрягаемых поверхностей превышает допустимое значение.

На основе проведенных исследований разработаны конструкции базирующих устройств, которые могут быть использованы при разработке технологических процессов и средств автоматизированной сборки.

Разработаны алгоритм (рис. 4) и программа определения погрешностей базирования собираемых деталей на сборочной позиции.

Рисунок 4.- Алгоритм определения погрешности базирования для различных схем относительной ориентации собираемых деталей

Четвертая глава диссертационной работы посвящена математическому моделированию кинематики автоматизированных сборочных процессов деталей типа «вал-втулка», а также исследованию влияния сборочных усилий и жесткости узлов на обеспечение собираемости деталей.

<—

Рисунок 5. -Схема расположения вала и втулки в плоской системе координат

В схеме сборки втулка-вал (рис. 5) принята система базирования, обеспечивающая плоско - параллельное движение втулки и вала (в призмах), когда оси вала и втулки всегда находятся в одной плоскости.

Для этого введем неподвижную систему координат XYZ в точке О -опоре вала.

Подвижная система координат ^цд введена в центре тяжести втулки - в точке А.

Ось \ направим по оси втулки, ось г| - в плоскости ХУ, ось д так, чтобы система координат была правой.

На рис. 5 обозначены:

а - угол отклонения оси вала от горизонтальной оси;

у - угол отклонения оси втулки от оси вала.

Задача кинематического исследования состоит в нахождении координат характерной точки втулки (например, М), скоростей этой точки и получении кинематических условий стыковки и сборки узла вал-втулка, накладываемых на скорости и координаты точек контакта.

Для этого использованы следующие формулы движения: а) для определения координат характерной точки

х=ха+а11^+а12,,+а13^

где хуг - координаты характерной точки движущегося тела (втулки), например координаты точки М в системе неподвижных координат;

х ау а - координаты точки А в системе неподвижных координат;

- координаты точки А в системе подвижных координат; ау - косинусы углов, образуемых осями, б) для определения скоростей в неподвижной системе координат

где V; - проекции скоростей характерной точки движущегося тела на оси неподвижной системы координат;

ХЛ, уд, гл - координаты центра тяжести движущегося тела - точки А в системе координат хуг;

Ю1 - угловые скорости вращения относительно соответствующих осей; б) для определения скоростей в подвижной системе координат

где У[ - проекции скоростей характерной точки движущегося тела на оси подвижной системы координат.

Система уравнений (4-6) дополняется, приведенной в работе, системой уравнений сил, возникающих при взаимодействии собираемых деталей друг с другом и с элементами оснастки.

Полученная полная система дифференциальных уравнений является замкнутой, т. е. достаточной для решения задачи Коши, в результате решения этой системы можно определить области значений параметров, при которых произойдет гарантированная сборка.

В пятой главе диссертационной работы представлены методика и результаты экспериментальных исследований по определению зависимости допустимого смещения осей собираемых деталей от значений параметров автоматизированного сборочного процесса.

Экспериментальное исследование процессов автоматической сборки проводилось на специальной переналаживаемой установке, имитирующей сборочный исполнительный механизм.

Установка была оснащена тензометрической аппаратурой, устройствами и приборами для измерения параметров относительной ориентации собираемых деталей, сборочных усилий и скорости сборки.

(5)

(6)

Конструкция установки позволяет легко производить переналадку и настройку, связанную с исследованием сборочных процессов. Общий вид установки показан на рис. 6.

Рисунок 6 - Общий вид

экспериментальной

установки

График влияния расстояния 1, между началом цилиндрической поверхности вала и торцом ориентирующего устройства, размера фаски втулки а на допустимое смещение осей Е показан на рис. 7.

Эксперименты проводились с валами, имеющими фаски 1*45° и втулками без фаски и с фасками в отверстиях 1*45° и 2*45° на сборочном механизме без ловителя

При проведении исследований задавались следующие значения параметров сборочного процесса: 5С=0,1 мм,

размеры втулки диаметр - Т>с=\2 и 20 мм, длина Н=32 мм, угол перекоса (3=0, 10, 30,50, 70, 90°, Р3=50Н, Рсб=50 Н, Усб=0,9 м/с, расстояние 1, принималось равным 2, 5, 15, 25, и 30,2 мм. График зависимости допустимого смещения Е от расстояния 1, показан на рис. 7.

3500 3000 2500 1 2000 ш 1500 1000 500 0

-ж--X

*-

п п <1 И

2 5 15 25 30,2

I, мм

Рисунок 7. - График зависимости допустимого смещения от расстояния 1( и размера фаски втулки:

1) а=0; 2) а=1мм; 3) а=2 мм; 4) а=1 мм (Р3=50 Н); 5) а=2 мм (Р3=50 Н).

Из полученных графиков следует:

1. При высокой жесткости систем Ь и использовании механизма без компенсатора размер фаски втулки не оказывает существенного влияния на величину допустимого смещения Е. Незначительный рост величины Е с увеличением размера фаски втулки вызывается только за счет уменьшения глубины сборки Ь=Н-1ь что приводит к увеличению угла у. При расстоянии 1(=30,2 значение Е увеличивается пропорционально размеру фаски втулки.

2. При использовании механизма без компенсатора с пневмозажимом вала, а также механизма с упругим компенсатором величина допустимого смещения Е увеличивается пропорционально размеру фаски при всех условиях протекания процесса. Незначительное снижение величины Е при I, =2 и 5 мм обусловлено ограничением динамической составляющей сборочного усилия Рсб.

На Рис 8 и 9 показаны графики влияния на условия собираемости: диаметрального зазора 8С в соединении вал-втулка и размеров фасок вала и втулки.

2500 2000 | 1500 -

I

ш 1000 -500 0

0,05

0,1 б, мм

0,21

Рисунок 8. - График зависимости допустимого смещения от диаметрального зазора 5С и размера фаски втулки без закрепления при а =1 мм, Н=32 мм:

1,2) а= 0-4 мм, 1(=15 мм; 3) а=0; 4) а=1 мм. Полученные графики показывают:

1. При уменьшении жесткости систем ^ до значения 25-50 * 104Н/м значение допустимого смещения Е возрастает.

2. Значение допустимого смещения Е возрастает пропорционально увеличению размера фаски втулки при всех условиях протекания процесса

3. С увеличением зазора 8С допустимое смещение возрастает.

6000 -I

5000 -

4000 -

I 3000 -ш

2000 -1000 -

0,03 0,1 0,21

б, мм

Рисунок 9. - График зависимости допустимого смещения от диаметрального зазора 8С и размера фаски втулки и вала без закрепления при 1,=30,2, Н=30 мм:

1) а=а*=0; 2) а*=0, а=1 мм; 3) а=а*= 1 мм;4) а*=1 мм, а=2 мм; 5) а=а*= 2 мм; 6) а*=1 мм, а=4 мм

По результатам исследований была подтверждена адекватность предложенных расчетных формул реальным значениям параметров сборочного процесса.

Для ограничения погрешности Д„, связанной с перемещением присоединяемой детали до минимума, необходимо в сборочных механизмах обеспечивать поджим присоединяемой детали к установочным поверхностям призмы с силой не менее 30 Н.

Для исключения ударных нагрузок, приводящим к пластическим деформациям сопрягаемых поверхностей и стыков технологической системы, рекомендуется принимать скорость досылателя Усб не более 0,9 м/с. При необходимости дальнейшее увеличение скорости целесообразно проводить за счет уменьшения жесткости технологической системы и расстояния 1т.

Результаты экспериментальных исследований показали, что при высокой жесткости технологической системы с уменьшением длины цилиндрического отверстия Н и увеличения расстояния 1т и зазора 5Л величина допустимого смещения возрастает.

С увеличением зазора в соединении 8 величина допустимого смещения возрастает при всех условиях протекания процесса.

Величина допустимого смещения возрастает пропорционально размерам фасок собираемых деталей, размер фасок вала и втулки не оказывают существенного влияния на условия собираемости при высокой жесткости систем 1п, 16; при сборке деталей без фасок величина допустимого смещения ег незначительна.

Важным фактором, влияющим на величину допустимого смещения оказывает угол перекоса р.

В заключении обобщены результаты исследований автора.

Основные выводы и результаты работы.

1. Разработаны математические модели процесса взаимного сопряжения деталей типа «вал-втулка» в форме системы дифференциальных уравнений, включающей размерные пространственные, кинематические и силовые параметры технологического процесса, в результате решения которой определяются области значений параметров, при которых обеспечивается автоматизированная сборка.

2. Предложена система интегральных оценок параметров технологического процесса сборки, определяющих возможность собираемости деталей типа «вал-втулка».

3. Установлено, что значение допустимого смещения осей собираемых деталей Е возрастает с увеличением расстояния 1( между началом цилиндрической поверхности вала и торцом ориентирующего устройства (в пределах длины их образующей) в несколько раз по сравнению с заданным диаметральным зазором.

4. Установлено, что для ограничения составляющей погрешности, связанной с перемещением присоединяемой детали, необходимо обеспечивать поджим присоединяемой детали с силой не менее 30 Н. Для исключения ударных нагрузок, приводящих к пластическим деформациям, рекомендуется ограничивать Усо не более 0,9 м/с. Оптимальная жесткость технологической системы «собираемые детали - оснастка - оборудование» составляет 25-50*104 Н/м.

5. Увеличение скорости сборки можно проводить за счет уменьшения жесткости технологической системы и изменения технологического расстояния 1(.

6. Разработаны методические рекомендации по расчету и комплексному выбору значений параметров технологического процесса, обеспечивающих гарантированную сборку в автоматизированном режиме.

7. Разработаны требования к технологичности и подготовленности конструкций собираемых деталей, а также к точности взаимного расположения ориентирующих поверхностей сборочного оборудования в зависимости от допустимого смещения осей собираемых деталей.

8. Предложена методика расчета погрешностей базирования сопрягаемых деталей для типовых схем их относительной ориентации.

9. Разработан алгоритм и программа определения возможности сборки деталей в зависимости от значений геометрических параметров технологического процесса сборки.

10. Предложены усовершенствованные конструкции базирующих и исполнительных элементов сборочного оборудования, позволяющих повысить производительность автоматизированного сборочного процесса.

Основные результаты диссертации опубликовано в работах:

1. Замятин А. В. Механизированный слесарно-сборочный инструмент; Раздел справочника «Технология и оснащение сборочного производства машиноприборостроения». М. Машиностроение, 1995, с. 308-331;

2. Замятин А. В. Мухин А. В. Автоматизация расчета и выбора рациональных схем исполнительных механизмов сборочных автоматов; Труды международного семинара «Инженерный бизнес и защита окружающей среды». Болгария, г. Варна. 03-12.06.96, с. 41-42;

3. Замятин А. В. Мухин А. В. Автоматизация расчета и выбора рациональных схем исполнительных механизмов сборочных автоматов; «Автоматизация и современные технологии», 1996, № 12, с. 11-14;

4. Замятин А. В. Условия автоматической собираемости деталей; «Машиностроитель», 1997, № 4, с. 43-44;

5. Замятин А. В.; Автоматизация расчета и выбора рациональных схем автоматической сборки; «Информатика-Машиностроение», 1997, № 4, с. 1923;

6. Замятин А. В. Многофункциональный исполнительный орган сборочного робота; «Изобретатели - машиностроению», 1997, № 2, с. 30-31;

7. Замятин А. В. Исполнительный орган сборочного робота; «Изобретатели -машиностроению», 1997, № 2, с. 31-32;

8. Замятин А. В. Захватно - исполнительное устройство сборочного робота; «Изобретатели - машиностроению», 1997, № 2, с. 32-33;

9. Замятин А. В. Мухин А. В.Автоматизация расчета функциональных параметров сборочных автоматов; «Машиностроитель», 1998, № 12, с. 52-53;

10. Замятин А. В. Мухин А. В.Проектирование и расчет исполнительных механизмов сборочных автоматов; «Машиностроитель», 1998, № 5-6, с. 17-21

11. Замятин A.B. Выбор технологических баз и расчет погрешностей установки и базирования деталей; «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики», 2007, с. 112-114

12. Замятин A.B. Николаев Ю.Л. Контроль погрешностей базирования и установки деталей при сборке и их диагностирование, «Контроль и диагностика», № 3, 2011, с. 30-34.

13 Замятин A.B. Николаев Ю.Л. Особенности базирования деталей при автоматической сборке в приборостроении, «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики», 2011, с. 112-114

14. Замятин A.B., Вишнеков A.B. Стендовые исследования возможностей автоматизированной сборки деталей приборов. «Заводская лаборатория. Диагностика материалов», №11, 2011, с. 34-36.

Работы [3 12, 14] опубликованы в журналах, признанных ВАК научными изданиями.

Подписано в печать 23.02.2012 г. Формат 60x84. 1/16 Объем 1,5 п.л. Заказ № 226 Печать лазерная цифровая Тираж 100 экз.

Типография Aegis-Print 115230, Москва, Варшавское шоссе, д. 42 Тел.: 8 (495) 785-00-38, 8 (926) 850-53-16 www.autoref.ae-print.ru

61 12-5/1843

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный университет приборостроения и информатики

на правах рукописи

ЗАМЯТИН Антон Валерьевич

Совершенствование технологии автоматизированной сборки деталей приборов типа «вал-втулка» на основе комплексного [бора параметров сборочного процесса

Специальность: 05.11.14 - Технология приборостроения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Николаев Ю. Л.

Москва, 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ СБОРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ...........................................................................14

1.1 Аналитический обзор................................................................................14

1.2. Исследование структуры автоматизированных сборочных процессов и классификация видов сборки.................................................19

1.3. Средства технологического оснащения сборочного производства

..............................................................................................................................26

Выводы по главе 1............................................................................................28

ГЛАВА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСЛОВИЙ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СОБИРАЕМОСТИ ДЕТАЛЕЙ.........................................................................30

2.1 .Точность относительного положения собираемых деталей на сборочной позиции..........................................................................................30

2.2. Общие условия автоматической собираемости деталей.................33

2.3. Расчет суммарного относительного смещения осей собираемых

деталей...............................................................................................................38

2.4. Последовательность и этапы процесса автоматической сборки и параметры, влияющие на автоматическую собираемость деталей.....44

2.5. Определение условий автоматической собираемости типовых соединений деталей........................................................................................49

2.6. Влияние на условия автоматической собираемости деталей жесткостных, силовых и динамических параметров процесса сборки 61 Выводы по главе 2............................................................................................71

ГЛАВА 3. ВЫБОР СПОСОБОВ, УСТРОЙСТВ БАЗИРОВАНИЯ И ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ОРИЕНТАЦИИ АВТОМАТИЧЕСКИ СОБИРАЕМЫХ ДЕТАЛЕЙ..............................................................................73

3.1 .Расчет погрешностей установки и выбор схем базирования

собираемых деталей........................................................................................73

3.2. Выбор способов и устройств относительной ориентации

собираемых деталей........................................................................................88

Выводы по главе 3..........................................................................................100

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕМАТИКИ И ДИНАМИКИ СБОРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ.........................................................................101

4.1. Общие уравнения плоско - параллельного движения твердого тела ............................................................................................................................101

4.2. Кинематика подхода втулки к неподвижному валу.......................105

4.3. Кинематические условия наживления втулки па вал....................116

4.4. Динамика сборки цилиндрических соединений при схемах

жесткого крепления вала и втулки............................................................ 126

Выводы по главе 4..........................................................................................136

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ..............................................................138

5.1. Экспериментальная установка...........................................................138

5.2. Результаты проведения экспериментальных исследований.........143

Выводы по главе 5..........................................................................................147

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................149

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.....................................151

ПРИЛОЖЕНИЕ.................................................................................................163

ВВЕДЕНИЕ

Сборка является завершающим и наиболее ответственным этапом производства, на котором интегрируются результаты всех предшествующих этапов производства и формируются основные показатели качества выпускаемых изделий. Подтверждением этого являются результаты проведенных исследований, которые показали, что до 90% от всех отказов изделий нередко происходит по причине некачественной их сборки[17, 41, 134].

К особенностям сборки можно отнести:

• низкий уровень технологии и автоматизации сборочных процессов;

• многовариантность и сложность выполняемых сборочных операций;

• нетехнологичность многих конструкций изделий в автоматической

сборке;

• большое разнообразие конструкций собираемых деталей по

геометрической форме, размерам и массе;

• сложность обеспечения автоматической ориентации и подачи в зону

сборки многих собираемых деталей;

• необходимость одновременного относительного ориентирования,

транспортирования и позиционирования различных по конструкции, материалу и свойствам двух или более собираемых деталей с высокой точностью и скоростью;

• сложность траекторий собираемых деталей или технологической оснастки

для реализации процесса сборки;

• разнообразие направлений сборки и необходимость переориентирования

собираемых деталей в процессе их сборки;

• необходимость объединения различных по виду и трудоемкости основных

и вспомогательных операций в одном комплексе;

• большое разнообразие контрольных операций, выполняемых при сборке;

• ограниченность стандартных и типовых средств технологического

оснащения сборки;

• невозможность эффективной автоматизации сборки многих изделий[11,

12, 16].

Анализ работ отечественных и зарубежных ученых, научно-исследовательских и проектно-технологических работ, патентных материалов и производственного опыта промышленных предприятий показал, что проблемы разработки высокоэффективных технологических процессов и средств автоматической сборки изделий изучены недостаточно. Отсутствуют всесторонние исследования факторов, комплексно влияющих на условия протекания процессов автоматической сборки и обеспечение собираемости деталей с заданной точностью и качеством сборки. Недостаточно изучено влияние размерных, точностных, жесткостных, геометрических, кинематических, силовых и динамических параметров сборочного процесса на условия автоматической собираемости деталей и проектирование составляющих элементов средств технологического оснащения сборки. Отсутствуют научно-обоснованные рекомендации и методики по отработке и оценке технологичности конструкций изделий в автоматической сборке, а также по проектированию высокоэффективных технологических процессов и средств автоматической сборки с учетом комплексного влияния параметров собираемых деталей, средств автоматической сборки и режимов сборочного процесса[31, 79, 81, 84].

На современном этапе развития промышленности важнейшим направлением обеспечения необходимого ускорения развития приборостроения является повышение научно-технического уровня сборочного производства, обладающего самыми крупными потенциальными резервами для повышения качества, надежности и безопасности эксплуатации изделий, снижения материальных и трудовых ресурсов,

повышения производительности труда и конкурентоспособности выпускаемых изделий на мировом рынке[11, 20, 25, 28].

По данным института IFI (Industrial Fastener Institute, USA) затраты на сборку радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) на печатных платах [35, 36, 82, 83] колеблются от 16 - 20% - в авиакосмической промышленности до 55 -60% в радиоэлектронной и приборостроительной промышленности^, 2, 6].

В результате допущенных диспропорций в замене ручного труда процессы сборки наименее механизированы и автоматизированы (до 80% от всего объема сборочных работ выполняется вручную) и занимают непропорционально большой удельный вес в общей структуре трудоемкости производства машин (25 - 40%) и приборов (40 - 70%). Совершенствование технологических процессов и автоматизация сборки является наиболее перспективным направлением повышения эффективности машиностроения и приборостроения. При этом автоматизация нередко обеспечивает увеличение производительности сборки в десять раз и более при одновременном значительном повышении качества выпускаемых изделий. Особую актуальность приобретает задача автоматизации сборочных процессов в приборостроении^ 8, 24, 114, 129, 130].

В частности, для оптических приборов [80, 91, 106, 119, 133] - это автоматизация сборки: направляющих вращательного движения (состоящих из цапфы и втулки), объективов коллиматоров, диоптрийных трубок, деталей микроскопов, объективов насыпной конструкции, фотообъективов и т. п[13, 19,38,40, 77].

Повышение качества сборки изделий достигается, прежде всего, за счет повышения уровня технологии и автоматизации сборочных процессов [66, 68, 69], объективного контроля [114] всех нормируемых параметров сборки (зазоров, натягов, соосности и углов перекоса собираемых деталей, радиальных и торцовых биений, сборочных усилий, моментов затяжки резьбовых соединений, плотности и герметичности соединений,

уравновешенности деталей, параметров технологического оборудования и оснастки, режимов сборки и т.п.). Однако на практике, ввиду низкого уровня автоматизации процессов сборки, преобладания ручного труда и отсутствия действующей научно-обоснованной системы управления качеством продукции в сборочных производствах машиностроения и приборостроения, в большинстве случаев высокое качество собираемых изделий не обеспечивается применяемой технологией их сборки [37, 42, 56, 78].

Проблема повышения эффективности сборочного производства и качества выпускаемых изделий на основе разработки и внедрения высокоэффективных технологических процессов и средств автоматической сборки является актуальной. Эта проблема является сложной и недостаточно изученной, носит комплексный характер и требует системного подхода с учетом влияния взаимосвязанных конструктивно-технологических факторов [3, 4, 92, 113]. Поэтому разработка научно обоснованных технологических процессов и средств автоматической сборки деталей приборов, а также методик и рекомендаций является актуальной задачей [5,7].

Цель данной диссертационной работы - повышение эффективности автоматизированной сборки цилиндрических деталей на основе комплексного выбора параметров сборочного процесса.

В диссертационной работе были поставлены следующие задачи:

• Проанализировать и систематизировать факторы, влияющие на собираемость деталей приборов при автоматизированной сборке.

• Разработать математические модели сборочного процесса для определения влияния на собираемость деталей в автоматизированном режиме геометрических, кинематических и силовых параметров.

• Разработать интегральные оценки параметров технологического процесса сборки, при которых обеспечивается гарантированная сборка в автоматизированном режиме.

• Разработать методические рекомендации по оценке технологичности и подготовленности конструкции собираемых деталей к автоматизированной сборке.

• Разработать методические рекомендации по расчету и комплексному выбору значений параметров технологического процесса сборки, удовлетворяющих требованиям собираемости деталей в автоматизированном режиме.

• Разработать методику расчета погрешности базирования.

• Разработать алгоритм и программу для определения геометрических условий собираемости деталей.

При проведении исследований применялись системный анализ и математическое моделирование [115, 122] факторов, влияющих на условия автоматической собираемости деталей. Теоретические исследования базировались на основных положениях: технологии приборостроения [26, 29, 59], расчете точности сборки и сборочных размерных целей с помощью ЭВМ [14, 23, 86, 94, 105]. При экспериментальных исследованиях осуществлялась проверка разработанных математических моделей на их адекватность реальным технологическим процессам [30, 32, 34] и средствам оснащения сборки с использованием опытных образцов собираемых деталей и средств автоматической сборки. При этом была использована современная аттестованная научная аппаратура, приборы и средства контроля размерных, точностных, жесткостных и динамических параметров процесса автоматической сборки.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, излагаются цель и основные задачи исследования.

Первая глава диссертационной работы посвящена анализу состояния технологии и автоматизации сборки в настоящий момент.

Главными задачами разработки высокоэффективных процессов автоматической сборки являются всестороннее изучение физической сущности сборочных процессов и выявление основных закономерностей их протекания.

Основным вопросом автоматической сборки является обеспечение условий собираемости деталей, то есть условий, при которых погрешности относительного расположения сопрягаемых поверхности деталей не превышают своих допустимых значений. В результате этого обеспечивается такое совмещение пространственного относительного положения собираемых деталей, при котором происходит их автоматическое соединение без нарушения заданного качества сопрягаемых поверхностей.

Исследования показали, что относительные смещения и перекосы осей сопрягаемых поверхностей деталей на позициях сборки могут приводить к возникновению больших усилий на поверхностях сопряжения, что нередко вызывает повреждение посадочных поверхностей вследствие того, что сборочные усилия воспринимаются на небольших площадках контакта. Такие повреждения происходят в тех случаях, когда возникающие контакты давления на поверхностях сопряжения превышают свои допустимые значения. Поэтому важной задачей является определение рациональных параметров процесса сборки, при которых не вызываются недопустимые пластические деформации сопрягаемых поверхностей и стыков технологической системы. Для решения этой задачи необходимы разработка математических моделей и интегральных оценок условий автоматической собираемости деталей.

Структура и содержание технологического процесса автоматической сборки зависят от конструкции собираемого изделия, предъявляемых к нему технических требований, массы, размеров, геометрической формы и количества собираемых деталей, программы и длительности выпуска изделий и др.

Выбор наиболее эффективных способов сборки конкретного изделия, обеспечивающих сборку необходимого количества, заданного качества изделий с минимальными затратами труда и издержками производства, зависит от правильности учета влияния комплекса взаимосвязанных производственных, технологических, метрологических и организационных факторов.

В связи с этим, разработаны требования, предъявляемые к параметрам сборочных процессов и методические рекомендации по обеспечению условий автоматизированной собираемости деталей.

Во второй главе диссертационной работы определены условия автоматической собираемости деталей, на основе комплексного изучения влияющих параметров.

Определены необходимые условия обеспечения автоматизированной сборки деталей.

В процессе выполнения автоматического соединения деталей в течение времени происходит непрерывное изменение относительного положения собираемых деталей, а также жесткостных, силовых и динамических параметров процесса сборки, что приводит к изменению значений величин относительного смещения осей. Поэтому для обеспечения автоматической собираемости деталей необходимо, чтобы эти условия были выполнены на всех этапах автоматического соединения деталей с учетом влияния динамики процесса сборки. При этом определение условий автоматической собираемости должно проводиться на основе рассмотрения последовательности автоматического соединения деталей для конкретного сборочного механизма с учетом влияния параметров собираемых деталей, оснастки и оборудования.

Выявлены факторы, оказывающие влияние на значение допустимого относительного смещения осей Е.

Одним из необходимых условий собираемости, является обеспечение требований к относительному смещению осей собираемых деталей. В связи с этим, определены факторы, влияющие на суммарное относительное смещение Д2, которое является их интегральной оценкой.

Исследованы процессы автоматической сборки различных по конструкции собираемых деталей, что позволило выявить основные закономерности их протекания, этапы сборочного процесса и параметры, влияющие на автоматическую собираемость деталей.

В связи с этим, в качестве дополнительных интегральных оценок условий автоматической собираемости деталей, выбрана максимальная скорость перемещения присоединяемой детали относительно базовой, а также сила закрепления.

Третья глава диссертационной работы посвящена выбору способов и устройс