автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Выбор рациональной структуры автоматизированной системы для серийной сборки шаговых электродвигателей

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Современное состояние теории и практики автоматизации сборки электродвигателей.

1.1 Современные электродвигатели и область их применения

1.2 Основные направления обеспечения эксплуатационных показателей шаговых электродвигателей.

1.3 Методы и автоматизированные средства технологического оснащения для сборки электродвигателей.

1.4 Цели и задачи исследования.

ГЛАВА 2. Выявление конструкторско-технологической взаимосвязи между параметрами соединяемых деталей и сборочной оснастки посредством структурных сборочных схем

2.1 Аналитическое представление структурных сборочных схем.

2.2 Графическое представление структурных сборочных схем.

2.3 Методика применения структурных схем при разработке сборочных систем и проектировании сборочной оснастки.

2.4 Применение метода структурных схем для разработки структуры сборочной операции по установке ротора в статор шагового электродвигателя.

ГЛАВА 3. Обеспечение универсальности сборочной оснастки на основе увеличения допусков исходных и составляющих звеньев технологической системы.

3.1 Теоретические и экспериментальные исследования соединения деталей с фасонными заходными фасками.

3.2 Методика определения параметров заходной фаски на направляющих элементах технологической оснастки.

3.3 Применение методики определения параметров заходной фаски на направляющих элементах технологической оснастки.

ГЛАВА 4. Методика проектирования средств технологического оснащения автоматизированной серийной сборки шаговых электродвигателей.

4.1 Применение методики проектирования средств технологического оснащения для установки ротора в статор шагового электродвигателя

4.2 Разработка универсального приспособления для сборки роторов шаговых электродвигателей.

ГЛАВА 5. Технико-экономическая эффективность автоматизированной системы сборки шаговых электродвигателей в серийном производстве

Современная мировая потребность в электродвигателях малой мощности (до 100 Вт) достигает 80 млрд. штук в год [5]. К таким двигателям относятся шаговые электродвигатели (ШД) - двигатели, преобразующие входной электрический импульсный сигнал в дискретные угловые или линейные перемещения ротора двигателя с возможной фиксацией его в определенных положениях. ШД применяются в системах перемещения инструментов и деталей на станках с ЧПУ, в компьютерах и периферийных устройствах ЭВМ, в печатающих устройствах и графопостроителях, а также в других средствах автоматизации.

Трудоемкость изготовления шаговых электродвигателей на 60.80 % зависит от трудоемкости заключительных, сложных и наиболее ответственных сборочных операций, в значительной мере определяющих качество готовых изделий. Основным направлением снижения трудоемкости сборки является автоматизация.

Существующие методы и средства автоматизированной сборки шаговых электродвигателей являются малоэффективными в условиях серийного производства из-за больших временных и материальных затрат, связанных с переналадкой сборочных систем при переходе к сборке других, даже однотипных, изделий.

Рост потребности в электродвигателях малой мощности в отраслях машиностроения одновременно сопровождается обновлением их типоразмеров, поэтому актуальной является задача создания средств технологического оснащения, значительно снижающих сроки переналадки автоматизированных сборочных систем в условиях серийного многономенклатурного производства изделий.

Основы совершенствования и повышения эффективности сборочных работ на базе научных исследований были заложены и развиты в трудах выдающихся ученых д.т.н. проф. Б.С. Балакшина, д.т.н. проф. B.C. Корсакова, д.т.н. проф. М.П. Новикова и других. Научные исследования по выявлению рациональных путей автоматической сборки, по применению принципов адаптивного управления в сборочных автоматах с целью обеспечения точностных параметров сборочного процесса, необходимой производительности и эффективности систем, выполненные д.т.н. проф. A.A. Гусевым, позволили получить важные результаты, запатентованные в ведущих промышленно развитых странах мира.

Большой практический вклад в совершенствование сборочных работ и внедрение эффективных методов сборки в промышленности внесли отечественные научные и научно-производственные объединения: НИИТавтопром, НИИтрактосельхозмаш, ВНИТИприбор, ряд конструкторских бюро крупных заводов: ЗИЛа, ГАЗа, ВАЗа и др.

Существующие методики проектирования средств технологического оснащения автоматизированной многономенклатурной сборки изделий позволяют формализовать и решать задачи обеспечения точности, производительности и экономичности сборочных операций, в то же время, разработка структуры сборочной операции и принятие конструкторско-технологических решений сборочной системы разработчики выполняют, как правило, на основе собственного опыта и интуиции.

Актуальной является задача разработки такого морфологического описания (формализации) объектов сборки и взаимосвязей между объектами сборки и элементами технологической оснастки, которое позволило бы разработчику принимать научно-обоснованные и эффективные конструкторско-технологические решения на качественном и количественном уровне на этапах разработки технического задания и последующего проектирования сборочной системы. Это позволит сократить время и повысить эффективность проектирования, исключить создание неработоспособных и нерациональных автоматизированных сборочных систем.

Целью работы является повышение эффективности сборки шаговых электродвигателей в условиях серийного многономенклатурного производства путем выбора рациональной структуры автоматизированной сборочной системы.

Научной и методической базой для выполнения работы явились основополагающие разделы технологии машиностроения: теории точности, базирования и размерных цепей, положения теории машин и механизмов, теоретической механики, математической логики и комбинаторики.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- Установлена и формализована технологическая взаимосвязь между геометрическими параметрами соединяемых деталей шаговых электродвигателей, схемами их базирования при сборке и конструктивными параметрами исполнительных поверхностей сборочной оснастки.

- Разработан метод структурных сборочных схем как инструмент анализа и синтеза структуры сборочных систем для эффективного выявления рациональных конструкторско-технологических решений на этапах разработки структуры сборочной операции и проектирования средств технологического оснащения.

- Установлена количественная зависимость числа звеньев в линейных и угловых размерных цепях от числа деталей, образующих сборочный контур, вида схем их базирования и соосности сопрягаемых поверхностей.

- Обосновано применение заходных фасок с отрицательным начальным углом наклона их образующих на направляющих элементах сборочной оснастки с целью увеличения допусков исходных и составляющих звеньев технологической системы, предотвращения заклинивания при соединении деталей типа вал-втулка и обеспечения универсальности средств технологического оснащения.

Достоверность и обоснованность научных результатов подтверждены проверками их эффективности при разработке структуры и проектировании автоматизированных средств технологического оснащения операций сборки шаговых электродвигателей и экспериментальными исследованиями. Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Разработан метод анализа и синтеза структуры сборочных систем с целью выявления рациональных конструкторско-технологических решений - метод структурных сборочных схем, позволяющий сократить время и повысить эффективность их проектирования.

2. На основе разработанного метода предложена и апробирована методика целенаправленного проектирования автоматизированных средств технологического оснащения операций сборки электродвигателей в условиях серийного многономенклатурного производства.

3. Разработана и экспериментально подтверждена методика определения формы и значений геометрических параметров направляющих поверхностей сборочной оснастки с целью увеличения допусков исходных и составляющих звеньев технологической системы, предотвращения заклинивания соединяемых деталей типа вал-втулка и обеспечения универсальности средств технологического оснащения.

4. В соответствии с разработанными методиками спроектированы универсальные средства технологического оснащения для типовых операций сборки электродвигателей. Исследования, проведенные на экспериментальных образцах спроектированной оснастки, подтвердили их эффективность в условиях серийного многономенклатурного автоматизированного производства.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В диссертационной работе установлена и формализована конструкторско-технологическая взаимосвязь между геометрическими и физико-механическими параметрами соединяемых деталей шаговых электродвигателей, схемами их базирования при сборке и конструктивными параметрами исполнительных поверхностей технологической оснастки, и структурой сборочной системы.

2. Разработан метод структурных сборочных схем как инструмент анализа и синтеза структуры сборочных систем для эффективного выявления рациональных конструкторско-технологических решений при разработке структуры сборочной системы и проектировании средств технологического оснащения.

3. Установлена зависимость числа звеньев в линейных и угловых размерных цепях от количества деталей, образующих сборочный контур, вида схем их базирования и соосности сопрягаемых поверхностей соединяемых деталей.

4. Создана и экспериментально подтверждена методика определения параметров заходной фаски на направляющих элементах сборочной оснастки с целью увеличения допусков исходных и составляющих звеньев технологической системы, исключения заклинивания соединяемых деталей и обеспечения универсальности средств технологического оснащения.

5. Спроектированная посредством созданной методики технологическая оснастка позволяет устанавливать ротор диаметром от 21,8 до 28,963 мм и высотой рабочей поверхности от 11,7.36,7 мм в статор при автоматической сборке четырех типоразмеров шаговых электродвигателей посредством промышленного робота.

1. Автоматизация дискретного производства / Б.Е. Бонев, Г.Й. Бохачев, И.К. Бояджиев и др.; Под общ. ред. Е.И. Семенова, Л.И. Волчкевича. М.: Машиностроение, 1987; София: Техника, 1987. - 376 с.

2. Автоматизация поискового конструирования / А.И. Половинкин, Н.К. Бобков, Г.Я. Буш и др.; Под общ. ред. А.И. Половинкина. М.: Радио и связь, 1981.-344с.

3. Автоматические линии в машиностроении: Справочник: В 3-х т. М.: Машиностроение, 1984-1985. Т.1. / Под ред. Л.И. Волчкевича, 1984. - 312 с. Т.2. / Под ред. А.И. Дащенко, 1984. - 408 с. Т.З. / Под ред. А.И. Дащенко, Г.А. Навроцкого, 1985. - 480 с.

4. Алексеев-Мохов С. Н., Любарская Т. А. Форма характеристик синхронизирующего момента шаговых электродвигателей с эксцентрично расположенным ротором // Труды МЭИ, вып. 86, часть I, 1971. С. 17-20.

5. Антонов М. В. Технология производства электрических машин: Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 592 с.

6. Антонов М.В. Технология сборки электрических машин и аппаратов. М.: Высш.школа. 1986. - 287 с.

7. Балакшин Б.С. Теория и практика технологии машиностроения: В 2-х кн. -М.: Машиностроение, 1982. Кн.1. 288 е.; Кн.2. - 367 с.

8. Белянин П.Н. Промышленные роботы и их применение: Робототехника для машиностроения, 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1983, 311 е., ил.

9. Белянин П.Н. Робототехнические системы для машиностроения. М. Машиностроение, 1986. - 256 с. - (Автоматические манипуляторы и робототехнические системы)

10. Богородицкий Н. П., Пасынков В. В., Тареев Б. М. Электротехнические материалы: Учебник для вузов. 7-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоиздат, 1986.-260 с.

11. П.Бозин В. Т. Исследование влияния технологии механической обработки магнитопроводов на энергетические показатели электрических машин: Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. М., 1980.

12. Вольдек А. И. Электрические машины. 3-е изд. - JL: Энергия, 1978. -832 с.

13. Воронин A.B. Стржемечный М.М., Писарев Е.В. Особенности сборки пар вал-втулка с гарантированным зазором при трехточечном касании // Автомобильная промышленность, 1974, №1. С. 32-33.

14. Воскресенский А. П. Исследование влияния неравномерности воздушного зазора на характеристики асинхронного электродвигателя: Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. М., 1956.

15. Гибкие производственные системы сборки / П.И. Алексеев, А.Г. Герасимов, Э.П. Давыденко и др.; Под общ. ред. А.И. Федорова. JL: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989. - 349 с.

16. Гибкие сборочные системы / Под ред. У.Б. Хегинботама. М.: Машиностроение, 1988. - 400 с.

17. Гордон A.B., Сливинская А.Г. Электромагниты постоянного тока. М.: Госэнергоиздат, 1960. - 187 с.

18. Гусев A.A. Адаптивные устройства сборочных машин. М.: Машиностроение, 1979.-208 с.

19. Гусев A.A. Основные принципы построения сборочных гибких производственных систем. М.: Машиностроение, 1988. - 52 с.

20. Дальский A.M., Кулешова З.Г. Сборка высокоточных соединений в машиностроении. М.: Машиностроении, 1988. - 304 с.

21. Диалоговое проектирование технологических процессов / Н.М. Капустин, В.В. Павлов, JI.A. Козлов и др. М.: Машиностроение, 1983. - 255 с. - (Б-ка технолога)

22. Дьяконов A.JI. Численно-аналитический метод расчета магнитной проводимости воздушного зазора микромашин с двухсторонней зубчатостью с учетом торцевых эффектов: Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. Д., 1987.

23. Ермолин Н.П. Электрические машины: Учебник для втузов. М.: Высш. школа, 1975.-295 с.

24. Жуловян В.В. Некоторые вопросы расчета шаговых электродвигателей: Дис. канд. техн. наук. Новосибирск, 1964. - 137 с.

25. Иванов-Смоленский A.B., Абрамкин Ю.В. Численные методы применения конформного преобразования Кристофеля-Шварца в электромагнитных расчетах электрических машин: Учебное пособие. М.: МЭИ, 1981. - 111с.

26. Инкин А.И. Аналитическое решение уравнений магнитного поля в дискретных структурах явнополюсных электрических машин // Электричество, 1979, №8.-С. 18-22.

27. Кадиров А. Д. Повышение точности обработки статоров электродвигателей методом последовательного хонингования: Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. Челябинск, 1992.

28. Кенио Т. Шаговые двигатели и их микропроцессорные системы управления. М.: Энергоиздат, 1987. - 200 с.

29. Козырев Ю.Г. Промышленные роботы: Справочник. М.: Машиностроение, 1983.-376 с.

30. Косил ob B.B. Применение виброколебаний при автоматической сборке // Вестник машиностроения, 1965, №3. С. 52. .54.

31. Косил ob B.B. Технологические основы проектирования автоматического сборочного оборудования. М.: Машиностроение, 1976. - 248 с.

32. Лебедовский М.С., Вейц В.Л., Федотов А.И. Научные основы автоматической сборки. Л.: Машиностроение, 1985. -316 с.

33. Левчук Д.М., Воронин A.B. Автоматическая сборка соединений с зазором во вращающемся потоке газов // Научные основы автоматизации сборки машин / Под ред. д-ра техн. наук проф. М.П. Новикова. М.: Машиностроение, 1976. - 472 с.

34. Любарская Т.А. Исследование шаговых электродвигателей с модулированным воздушным зазором: Дис. канд. техн. наук. Москва, 1973.

35. Мадатов В.Р. и др. Автоматическая балансировка роторов электрических машин и гиромоторов // Теория и практика балансировочной техники / Под. ред. В.Н. Шепетильникова. М.: Машиностроение, 1973. - С. 65-71.

36. Матвейчук B.C. К определению условий самоориентирования деталей, сопрягаемых цилиндрическими поверхностями // Приборостроение: Сб. статей. Киев: Техника, 1965. - 260 с.

37. Машиностроение. Энциклопедия / Ред. совет: К.В. Фролов (пред.) и др. М.: Машиностроение. Т. III-5: Технология сборки в машиностроении / A.A. Гусев, В.В. Павлов, А.Г. Андреев и др.; Под общ. ред. Ю.М. Соломенцева. 2001.-640 с.

38. Мельников С. Ю. Влияние неравномерности гребенчатой зубцовой зоны статора на электромагнитный момент гибридного шагового электродвигателя: Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. СПб. 1994.

39. Меткин Н.П., Щеголев В.А. Математические основы технологической подготовки гибких производственных систем. М.: Издательство стандартов, 1985.-256 с.

40. Методические указания. Цепи размерные. Основные понятия. Методы расчета линейных и угловых цепей. РД 50-635-87. Введ. 01.07.88. -М., 1987.

41. Механизация и автоматизация сборки в машиностроении / A.B. Воронин, А.И. Гречухин, A.C. Калашников и др. М.: Машиностроение, 1985. -272 с. - (Б-ка технолога)

42. Мощницкий В. Б., Черпаков Б. И., Гагашкин Г. И. Технология механической обработки в массовом производстве электродвигателей. М.: Энергия, 1981.- 176 с.

43. Муравлев А. П. Исследование влияния технологических погрешностей на качество двигателей постоянного тока: Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. Томск, 1980.

44. Муценек К.Я. Развитие научных основ автоматизации процессов сборки // Автоматизация производственных процессов в машиностроении и приборостроении: Сб. статей. Рига: Зинатие, 1969. - 312 с.

45. Научные основы автоматизации сборки машин / Под ред. М.П. Новикова. -М.: Машиностроение, 1976. 472 с.

46. Новаковская З.Д. Методы поиска и анализа уравнений проектирования индукторных шаговых двигателей. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. М., 1972.

47. Осмаков А. А. Технология и оборудование производства электрических машин. М.: Высш. Школа, 1980. - 312 с.

48. Палий И. М. Некоторые вопросы расчета шагового двигателя параметрического типа с магнитной асимметрией // Электродвигатели малой мощности: Сборник. JL: Наука. Ленингр. отд-ние, 1971. - С. 26-29.

49. Проектирование металлорежущих станков и станочных систем: Справочник-учебник в 3-х т. Т. 3. Проектирование станочных систем / Под общей ред. A.C. Проникова М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана; Изд-во МГТУ «СТАНКИН», 2000. - 584 с.

50. Промышленные роботы: Внедрение и эффективность / Асаи К., Кодзима Т. и др. М.: Мир, 1987. - 384 с.

51. Промышленные роботы в машиностроении: Альбом схем и чертежей: Учебн. пособие для технических вузов / Ю.М. Соломенцев, К.П. Жуков, Ю.А. Павлов и др.; Под общ. ред. Ю.М. Соломенцева. М.: Машиностроение, 1986.-140 с.

52. Ратмиров В.А., Ивоботенко Б.А. Шаговые двигатели для систем автоматического управления. -М.: Госэнергоиздат, 1962. 128 с.

53. Роботизированные производственные комплексы / Ю.Г. Козырев, A.A. Ку-динов, В.Э. Булатов и др.; Под ред. Ю.Г. Козырева, A.A. Кудинова. М. Машиностроение, 1987. - 272 с. - (Автоматические манипуляторы и робо-тотехнические системы)

54. Робототехнические системы в сборочном производстве / Под ред. Е.В. Пашкова. К.: Вища шк. Головное изд-во, 1987. - 272 с.

55. Судниек Ф.А., Лобзов Б.А. К определению скорости относительного движения собираемых деталей при вибрационной сборке // Автоматизация производственных процессов в машиностроении и приборостроении: Сборник. Рига: Зинатие, 1972. - 220 с.

56. Технологические основы агрегатирования сборочного оборудования / А.И. Дащенко, Ю.М. Золоторевский, И.И. Ламин и др. М.: Машиностроение, 1991. - 272 с. - (Основы проектирования машин)

57. Храбров A.C. Совершенствование процессов автоматизации сборочных работ. Л.: Машиностроение. Ленигр. отд-ние. 1979. - 230 с.

58. Хрущев В.В. Электрические машины систем автоматики: Учебник для вузов. 2-изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1985 - 368 е., ил.

59. Штейн П.А. Автоматы для динамической балансировки роторов электродвигателей // Технология электротехнического производства. М., 1975. -С. 23-25.

60. Шульц М., Регулирование энергетических ядерных реакторов. М,: Госэнергоиздат, 1959. - 172 с.

61. Юферов Ф. М. Электрические машины автоматических устройств. М.: Высш. школа, 1976. - 412 с.

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

63. How robots came to the end of the line // The Engineer. 1983. - Vol. 257, № 6654.-P. 19-21.

64. Nevins, J.L. and Whitney, D.E. Categorization and Status of Assembly Research, С SDL Report No. P-330. Charles Stark Draper Laboratory, 1976.