автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Выбор структуры и разработка автоматических измерительно-сортировочных комплексов для систем управления технологическими процессами изготовления деталей

V* о*

. * Л» 159»

На правах рукописи

м

Тихомиров Олег Евгеньевич

Выбор структуры и разработка автоматических измерительно-сортировочных комплексов для систем управления технологическими процессами изготовления деталей

Специальность 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов

и производств

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Рыбинск -1998

Работа выполнена в Ярославском государственном техническом университете.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Мясников В.К. Научный консультант - кандидат технических наук, доцент Синицын В.Т.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Гусев А. А.

Ведущее предприятие - АО «Ярославский завод дизельной аппаратуры»

Защита состоится 9 декабря 1998 г. в 12.00 час..на заседании диссертационного совета К.064.42.02 Рыбинской государственной авиационной технологической .академии

по адресу: 152934, Ярославская обл., г.Рыбинск, ул.Пушкина, 53,-ауд. 237.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Рыбинской -государственной авиационной технологической академии.

Автореферат разослан "_"_1998 года.

- кандидат технических наук, доцент Шилков Е.В.

Ученый секретарь диссертационного совета

Иванов Ю.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современное дизелестроение предъявляет все более высокие требования к точности изготовления прецизионных деталей и сборки узлов машин, определяющих качество и надежность дизелей в целом.

Высокая точность сопрягаемых поверхностей деталей прецизионных пар зависит от решения целого комплекса вопросов. Необходимо не только прецизионное оборудование, но и соответствующий режущий инструмент, а также контрольно-измерительные средства.

Следует отметить, что до сих пор на контрольных операциях применяются измерительные приборы ручного действия, информация о качестве изготовления деталей часто субъективна, отсутствуют методики коррекции технологического процесса по результатам измерений.

Учитывая, что стоимость прецизионных деталей высока и их брак зследствие значительных экономических потерь недопустим, для повышения эффективности технологических процессов и качества изготовления деталей дизелей были разработаны и внедрены в производство автоматические измерительно-сортировочные комплексы (АИСК), которые включают в себя ме-саническую, информационную, управляющую, интеллектуальную, и диагностическую подсистемы. Одной из основных задач создания АИСК являлось тиболее полное удовлетворение требований Международных стандартов сачества ИСО серии 9000. Использование АИСК в производстве позволяет останавливать причитшо-следствеиные связи между параметрами технологии 13готовлепия и качества деталей, диагностировать и последовательно устра-1ять "узкие" места в технологии и производить коррекцию последующих ехнологических операций обработки деталей.

Следует отметить, что с точки зрения затрат материальных, энергетиче-;ких и трудовых ресурсов на разработку и изготовление АИСК наиболее ре-урсоемкими являются их механические подсистемы.

Поэтому выбор рациональной структуры и конфигурации механических юдсистем АИСК является аюуальной проблемой современного дизеле-троегащ.

Цель работы. Разработка АИСК для систем управления технологиче-кими процессами изготовления и обеспечения качества деталей, дизельных вигателей, а также уменьшение затрат всех видов на изготовление АИСК на снове процессно-ориентированного моделирования структуры и тсонфигу-ации его механической подсистемы с использованием методов автоматизи-ованного проектирования.

Общая методика исследований. Решение научных задач диссертации азируется на использовании методов системного анализа, автоматизирован-ого проектирования, математического программирования, аппарата теории эафов, анализа динамических и технико-экономических моделей оборудо-

вания, математического, вычислительного и натурного (производственного) эксперимента механических подсистем АИСК.

Научная-новизна работы:

- разработаны методы формирования рациональной структуры и конфигурации АИСКдля управления дискретными технологическими процессами изготовления, контроля и сортировки иг обеспечения высокого качества деталей дизельных двигателей;..

- разработаны принципы организационно-технологического д .лроцесс-но-ориентированного моделирования структуры и конфигурации АИСК с использованием методов автоматизированного проектирования;

- предложен способ автоматической калибровки аттестованными деталями датчиков измерительной позиции для повышения точности и ладежно-сти работы основного технологического оборудования АИСК.

Практическу ю ценность- работы представляют :

- методака формирования рациональной структуры и конфигурации механической подсистемы АИСК, позволяющая генерировать ее оптимальные по эффективности варианты в соответствии с функциональным назначением и производственными условиями;

- новые конструкции технологического оборудования -АИСК, обеспечивающие высокоскоростной меж- и послеоперационный сплошной контроль и многодиапазонную сортировку на группы качества втулок плунжера и пружин сжатия;

- методы автоматизированного проектирования оборудования и конфигурации механической подсистемы АИСК, математическое и программное обеспечение для их реализации;

- инерционный электромеханический привод загрузочно-разгрузочных устройств, работающих с межоперационной производственной тарой, снижающий динамические нагрузки и исключающий соударения прецизионных деталей.

Апробация работы.

Материалы диссертационной работы прошли апробацию в 7 докладах на Всесоюзных, Республиканских и Международных научно-технических конференциях, на семинарах кафедры робототехники и мехатроники Московского государственного технологического университета «СТАНКИН». Полное содержание диссертационной работы докладывалось на научно-технических семинарах кафедр « Технология машиностроения» Ярославского государственного технического университета, «Основы конструирования машин» и «Технология авиационных двигателей и общего машиностроения» Рыбинской государственной авиационной технологической академии.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 5 статей, 3 тезиса доктадов на научно-технических, включая международные, конференциях, 3 авторских свидетельства и один получено 4 авторских свидетельства и патента на изобретения.

Структура н объем работы. Диссертационная работа изложена на 205 листах , содержит 11 таблиц , 42 рисунка и. состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников,из 129 наименований и 5 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Систематизация требований к автоматическим измерительно-сортировочным комплексам в системах управления технологическими процессами изготовления деталей дизельных двигателей

Важнейшим фактором, обуславливающим эксплуатационные параметры дизельных двигателей, является качество. Оттого, насколько точно изготовлены дртали,. например, плунжерные пары, зависит не только их гидравлическая плотность и подвижность, но и такие эксплуатационные показатели, как надежность и долговечность.

В главе рассмотрены достоинства и-недостатки активного и пассивного контроля, а также предложенная профессором В.С.Вихманом схема комплексного автоматического контроля детали на позициях предварительного контроля , контроля в зоне обработки , контроля после обработки я размерной сортировки, дополняющих друг.друга для обеспечения высокого качества изготовления деталей:

С целью выявления номенклатуры изделий , требующих сплошного тсон-троля й сортировки с помощью АИСК, произведет систематизация конструктивных и технологических параметров деталей, выпускаемых на АО ЯЗДА.

Для рационального выбора конструктивных модулей механических подсистем АИСК произведено группирование деталей ТНВД по конструктивно-технологическим признакам.

Установлены закономерности взаимосвязи конструктивных, технологических и эксплуатационных параметров прецизионных деталей дизельного двигателя на примере плунжерной пары, распылителя форсунки и т.п., которые позволили произвести систематизацию технологических условий и предпосылок комплексной автоматизации контроля параметров качества деталей дизельных двигателей. Они сводятся к следующему.

1. Необходимость обеспечения качества изделий в соответствии с установленными международными стандартами качества ИСО серии 9000.

2.. Значительный брак готовой продукции и число рекламаций на продукцию отечественного дизелестроения.

3. Необходимость повышения качества на отдельных технологических операциях и снижение процента пропускаемого брака на последующие операции.

4. Необходимость объективного стопроцентного (сплошного) контроля деталей (прежде всег<} прецизионных пар) после каждой технологической операции.

5. Контроль наиболее ответственных деталей и технологических операций, например, финишных операций обработки деталей прецизионных пар.

6. Увеличение числа контролируемых точек технологического процесса для выявления отклонений параметров деталей на всех стадиях обработки и коррекции технологических факторов на последующих операциях.

7.-Высокий уровень специализации машиностроительного производства дизельных двигателей.

8. Необходимость резкого повышения эффективности систем оперативного управления качеством продукции двигателестроения.

9. Необходимость разработки новых двигателей, технологических процессов и оборудования и оценки их влияния на показатели качества и эксплуатационные характеристики изделий.

10.Повышение культуры производства (снижение вредных производственных факторов), интеллектуализация и гуманизация производства.

При разработке механических подсистем АИСК для контроля деталей топливной аппаратуры дизелей формулируются технологические требования пользователей (исходные технологические данные) к ним по номенклатуре контролируемых деталей, их конструкторско-технологическим параметрам, производительное™, гибкости, надежности, автономности АИСК и ориентации деталей и т.п.

В заключении главы сформулированы основные научные задачи, решение которых необходимо для разработки обобщенной методики формирования структуры и конфигурации АИСК.

Глава 2. Разработка структуры и моделирование конфигурации механических подсистем автоматических измерительно-сортировочных комплексов меж- и послеоперационного контроля деталец дизельных двигателей

Формирование структуры и конфигурации -механической подсистемы АИСК предлагается осуществлять в следующей последовательности:

1. Разработка состава механической подсистемы АИСК начинается после того, как вместе с пользователем определено функциональное назначение создаваемой системы и соответствующий перечень технологических операций с контролируемыми деталями: разгрузка-загрузка, отбраковка, измерение (контроль), маркировка, сортировка, укладка, сборка, упаковка и т.п.

2. Синтез структурной модели АИСК с учетом разделения или совмещения измерительных операций. Задача структурного синтеза измерительного комплекса состоит в том, чтобы определить последовательность выполнения в АИСК измерительных операций и при этом для каждой измерительной

операции подобрать измерительное устройство из их гаммы так, чтобы процесс измерения осуществлялся за минимально возможный промежуток времени при требуемых значениях точности измерений контролируемых параметров.

3. Генерирование возможных маршрутов рабочего органа робота, перемещающего детали от одного измерительного устройства к другому, осуществляется с помощью структурной модели АИСК.

4. Выбор оптимального маршрута робота по минимуму элементарных движений его рабочих органов. В зависимости от маршрутов движения рабочих органов робота в АИСК цикл его работы меняется и может быть оценен числом элементарных движений, на основании которого можно определить оптимальный.маршрут перемещения деталей при её контроле в АИСК.

5. Построение матрицы переходов и смены состояний занятости рук робота на момент после совершения определенного технологического перехода. Матрица состоит из двух частей: верхняя часть строится в зависимости от выполняемых на измерительных позициях переходов и состояния занятости рук робота деталями; нижняя часть - в зависимости от состояния занятости рук робота на момент после совершения определенного перехода.

6. Построение многовариантного графа переходов (рис.1) на основании матрицы занятости рук робота. Вершины графа представляют собой варианты состояний занятости рук робота контролируемыми деталями. Дуги - переходы, рыполняемые роботом. Стрелки на дугах указывают направленность движения.

7. Построение графа работы АИСК путем нанесения на граф переходов робота графа машинного времени. На построенный граф переходов наносится граф машинных времен. Вершинами графа являются начало и конец технологического перехода. Эти дуги машинных времен начинаются в конце дуг переходов графа «установки детали на измерительную позицию» и заканчиваются в начале дуг переходов графа«снятия детали с измерительной позиции».

8. Анализ графа работы АИСК и определение оптимальной структуры по минимальному простою измерительного оборудования. -Определяются циклы с минимальным простоем оборудования (максимальной производительностью). Для выделения циклов необходимо перебрать все сочетания дуг машинного времени, которые замыкаются только двумя дугами переходов - по снятию детали с измерительной позиции и по установке на неё. Из всех возможных вариантов сочетаний определяется вариант с замкнутым циклом.

9. Выбор оптимальной конфигурации оборудования механической подсистемы АИСК с целью сведения к минимуму занимаемой производственной площади. Решение этой оптимизационной задачи осуществлялось с помощью компьютерно-графического моделирования размещения оборудования АИСК.

1

1г

Условные обозначение :

поставить деталь Взять детолй

О

1

Т1

Ьэяшо деталь и

И, ®) поставить другую

О

одновременно

обход по дуге запрещен

1 дуга N1 машинного Времени на Т1 перЬоп измерительной операции —»-о

. <дуеа N1 машинного бремени на

бторой измерительной операции

Рис.1. Граф работы АИСК

10. Технико-экономический анализ выбранных вариантов структуры и конфигурации механической подсистемы АИСК с целыо минимизации затрат всех видов на изготовление оборудования АИСК. Критерием снижения затрат всех видов на изготовление механической подсистемы АИСК принят экономический эффект, определяемый как разность приведенных затрат от использования в технологическом процессе изготовления детали базового и нового вариантов механической подсистемы с использованием методов автоматизированного проектирования.

Разработана система интеллектуального управления технологическим процессом изготовления детали с использованием АИСК (рие.2), которая позволяет наблюдать за технологическими процессами на основании получаемой измерительной информации, удерживать параметры качества деталей в пределах допустимых значений, оперативно реагировать экспертными заключениями на отказы и сбои станочного и другого технологического оборудования.

Полученная в результате проведения автоматического контроля аналоговая информация об отклонениях Лqi значений параметров качества qi деталей, проходя через аналого-цифровые преобразователи, поступает уже в цифровой форме в блок статистической обработки измерительной информации.

Применение при принятии решений метода обобщения информации обусловлено как наличием измерительной информации (экспериментальных данных), так и стремлением к построению обобщенных моделей данных (знаний) на основе обработай больших массивов измерительной информации, получаемой в результате технического контроля деталей.

Далее измерительная информация проходит последовательно -блоки анализа причин отклонений, оценки последствий отклонений, принятия решений о корректирующих воздействиях. Информация о происходящем в этих блоках поступает в блок учета и накопления сценариев, который непрерывно пополняет блок корректируемых баз знаний, правил, гипотез экспертной системы. Последний вносит корректировки в работу трех первых блоков.

После принятия решений, корректирующие воздействия на технологические факторы ^ осуществляются с помощью организационно-производственных мероприятий. Сюда входит замена изношенных инструментов и- оснастки, поднастройка и регулирование технологических наладок, замена заготовок из некачественных материалов, проведение дополнительных технологических операций доводки, корректировка программы последующей обработки и даже приостановка технологического процесса. Также существует связь между базами знаний, правил и гипотез экспертной системы и блоком подсистемы связи с оператором. Проведенные мероприятия заносятся в базу знаний, пополняя и уточняя сценарии, гипотезы и правила экспертной системы.

Рис.2. Интеллектуальное vnoaaленив технологическими пооиессами

Глава 3. Разработка системы автоматизированного проектирования механических подсистем автоматических измерительно-сортировочных комплексов для меж- и послеоперационного контроля деталей дизельных двигателей

Решение задачи о конфигурации механической подсистемы АИСК осложнено тем, что при автоматизированном проектировании АИСК -должны учитываться имеющиеся производственные площади, специфические требо-ланиялс расположению входа и выхода АИСК, экономические показатели и т.д. Механическая подсистема, кроме того, представляет собой сложную систему из множества компонентов взаимосвязашшго технологического оборудования, а также накопительных, подающих и ориентирующих исполнительных устройства т.д.

В результате решения задачи о конфигурации механическая подсистема АИСК должна обеспечивать стопроцентный контроль деталей, обладатьтсак высокой надежностью взаимосвязанных элементов, обеспечивая способность к обнаружению отказов, так и продолжать функционировать в случае отказа какого-либо элемента. Кроме того, механическая подсистема АИСК должна давать возможность асинхронного параллельного выполнения независимых стадий параллельных процессов (операций).

При проектировании конфигурации АИСК возможны три основных варианта размещения компонентов механической подсистемы: размещение АИСК по отношению к уже установленному оборудованию; размещение оборудования в пределах самой АИСК; размещение контролируемых деталей и их потоков внутри механической подсистемы АИСК.

Для первого варианта размещение компонентов механической подсистемы АИСК производится по обобщенному критерию Р НГ ( П, Т, Н, С, Э ), где П - производительность, Т - точность, Н - надежность, С - стоимость, Э -эффективность комплекса. В то же время приходится решать задачу и в случае второго варианта, когда размеры механической подсистемы АИСК межи послеоперационного контроля деталей были наименьшими, в частности, производственная площадь, занимаемая ею, была минимальной.

На варьируемые параметры механической подсистемы налагаются некоторые ограничения и функциональные связи:

- расположение технологического оборудования в пределах имеющихся производственных площадей на расстояниях друг от друга и от границ этих помещений, не менее допускаемых;

- исключение соударений деталей с технологическим оборудованием и элементов робота при всех его планируемых перемещениях;

- функциональная связь между расположением технологического оборудования, траекториями контролируемых деталей* и параметрами оборудования;

- контроль (измерение) определенного параметра качества детали осуществляется после проведения контроля предыдущих параметров, причем такое требование вызвано яе ограниченными возможностями математической модели, а технологической схемой контроля детали.

После введения исходных данных и обобщенных критериев, необходимо найти комбинацию исходных параметров механической подсистемы АИСК с максимальным показателем эффективности.

Глдва4. Практическая реализация методики формирования структуры и конфигурации механической подсистемы автоматических измерительно-сортировочных комплексов

Разработанная методика структурного, графического и технико-экономического, моделирования механических подсистем АИСК реализована на примере деталей-представителей типа «пружина сжатия ТНВД» и «втулка плунжера». Построены матрицы и многовариантные графы переходов, на основе анализа которых выбраны оптимальные варианты механических лад-систем АИСК для контроля геометрических и силовых характеристик пружины сжатия (наружного и внутреннего диаметра, перпендикулярности торцов, грузовой диаграммы) и АИСК для контроля внутреннего диаметра, овальности и конусности втулки плунжера.

Созданное и внедренное основное и вспомогательное технологическое оборудование АИСК для контроля этих деталей защищено авторскими свидетельствами и патентами РФ.

Глава 5. Создание, производственныеиспытания и внедрение механических подсистем автоматических измерительно-сортировочных комплексов

С целью обеспечения надежности -базирования и сохранности прецизионных поверхностей при транспортировании деталей типа «втулка плунжера» в межоперационной производственной таре рассмотрена динамика электромеханического привода загрузочно-разгрузочных устройств АИСК. Для этого предложена конструкция и. разработана липам ическая модель демпфера в виде высокомоментного электродвигателя и редуктора с большим передаточным- числом для увеличения инерционности электромеханического привода загрузочно-разгрузочного устройства.

Разработаны и внедрены цифровые измерительные устройства для автоматического многопараметрического контроля прецизионных деталей дизелей, повышение точности измерений (до 0.2 мкм) и метрологической надежности которых осуществлено за счет ликвидации методической ошибки и повышения- жесткости конструкции. Измерительное устройство содержит

одноплечий рычаг, установленный на основании на упругом шарнире, выполненном в виде двух, взаимно перпендикулярных плоских пружин и связан упругим шарниром с двуплечим рычагом, одно плечо которого с измерительным наконечником на его конце размещено в продольном пазу оправки, а другое -связано промежуточным соединительным звеном со -штоком преобразователя линейных перемещений. При этом основание шарнирно соединено с корпусом с возможностью движения в горизонтальной плоскости, ось штока преобразователя, линейных перемещений лежит в вертикальной плоскости, проходящей через упругий пружинный шарнир, соединяющий одноплечий рычаг с основанием.

Для устранения дрейфа нуля и относительной нел!шейности шкалы измерительного устройства контроля в автоматическом режиме размеров .(диаметров отверстий) прецизионных деталей, предложен способ автоматической калибровки аттестованнымидеталями.

Значения контролируемых размеров деталей рассчитываются интерполировали- 1 ем по ломаной линии-графику преобразования кода измерения в числовое значение ^ параметра качества детали (рис.3). Ломаная линия реализует функцию В = Г (с1ц), где Б -значение диаметра; с1и - код, полученный от измерительного устройства. В точках излома имеем = Г(с1га), где Оэ, - известное значение диаметра 1-го аттестованного образца детали; <1о1 - опорное значение кода, Рис.З.График преобразован™ кода измерения в числовое значение размера детали

полученное от измерительного

устройства при измерении диаметра ¿-го аттестованного образца.

Аттестованный образец, принятый за эталон, может измеряться многократно, давая различные {в пределах точности контроля) значения Таким образом, в памяти ЭВМ хранятся пары значений с^ - Оэь которые в режиме контроля используются для расчета размера диаметра отверстия контролируемой детали.

Каждое промежуточное, значение определяется по интерполяционной формуле, представляющей собой уравнение прямой определяемое ло двум известным точкам в координатах В = Г (сЗи). При этом текущее значение (1 рассматривается как промежуточное между меньшим и большим опорными значениями кода («^ < <!и < (1т-ц).

В режиме автокалибровки взамен контролируемых деталей загружаются эталонные (аттестованные) образцы, диаметры которых соответствуют хранящимся в памяти значениям 0->,. Измеренные значения в виде кодов ^ ранжируются по возрастанию диаметров, образуя пары с Оэ;. Многократные измерения Оэ, выявляют случайную погрешность результатов измерения.

Перемещение деталей-эталонов и автокалибровка осуществляется так же, каю и в режиме измерения, то есть данный режим может быть использован для комплексной проверки системы вплоть до контроля правильности сортировки.

Мера относительной нелинейности шкалы вычисляется по формуле:

к, --к Л

ИШ--

"э

о -в

где К: -—; к = —— , N0-число эталонных образцов.

Случайная среднеквадратичная погрешность измерения диаметра:

1

К-1

где И - число повторных измерений эталона, к - номер повторного измерения.

После передачи значения с1и от датчика измерительного устройства вычисляемся номер интервала <1о1 путем последовательного-сравнения е возрастающими опорными значениями кода. После вычисления порядкового номера регламентируемого размера I величина Б находится по интерполя, циошюй формуле:

■ 1 С.

Полученное значение О переводится в целое и помещается в ячейку измеренных диаметров. Если с^ < ё<ю или <!„> ботах, то деталь относится к бра-кованньш, и выставляется признак на виртуальный датчик дискретного параметра.

Ряд функций на стадии измерения является общим как длярежима автокалибровки, так и. для рабочего режима контроля: опрос битов виртуального датчика, расчет действительных значений диаметра и сравнение с границами; вычисление номеров битов; расчет средних значений диаметров и числа повторных показателей в группе а также оценка среднеквадратичной погрешности ошибки измерения.

Результаты измерений в режиме автокалибровки по каждому диаметру помещаются в смежные ячейки памяти, каждой из которых ставится в соответствие ячейка среднеквадратичной погрешности при повторных измерениях и ячейка количества повторных измерений с2н; пу, где^ - номер группы качества контролируемой детали.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1.Систематизированы требования потребителей и технологические условия для построения механических подсистем АИСК, используемых в системах управления технологическими процессами изготовления деталей с целью обеспечения их высокого качества.

2. Разработаны методы структурного моделирования механических подсистем АИСК многовариантными цикловыми графами переходов, позволяющие выполнять генерацию оптимальных вариантов технологического оборудования механической подсистемы АИСК по имеющейся информации о детали-представителе и требованиях действующего производства.

3. Разработаны алгоритмы для анализа и синтеза на ЭВМ структурных, графических и технико-экономических моделей механических подсистем АИСК.

4. Разработан пакет автоматизированного проектирования механических подсистем АИСК, построенных по модульному принципу, который позволяет совершенствовать и находить оптимальную конфигурацию создаваемого оборудования АИСК в соответствии с функциональным назначением, требованиями потребителя и производственными условиями.

5. Создана методика формирования структуры и конфигурации механической подсистемы АИСК. Произведен комплекс оптимизационных расчетов с использованием предложенной методики.

6. Разработаны новые конструкции автоматических загрузочно-разгрузочных, измерительных, контрольно-сортировочных и других устройств, способных работать в малолюдном режиме работы.

7. Предложен метод автоматической калибровки измерительных приборов для устранения дрейфа нуля и нелинейности шкалы.

8. Разработаны алгоритмы аналитического моделирования динамики за-грузочно-разгрузочных устройств АИСК.

9. Спроектированы оптимальные варианты. АИСК на пружину сжатия и втулку плунжера и проведены производственные испытания механических подсистем АИСК втулки плунжера и пружины сжатия в оптимальных вариантах конфигурации их оборудования.

10., С участием автора созданы и внедрены в производство АИСК для контроля размеров, овальности и конусности сквозного отверстия втулки плунжера и пяти параметров качества пружины сжатия ТНВД дизеля.

ПУБЛИКАЦИИ ПО РАБОТЕ

1. Мясников В.К., Тихомиров O.E., Широков И.Ю. Автоматизация контрольно-измерительных операций в интегрированном производстве изделий машиностроения // Автоматизация средств метрологического обеспечения

народного хозяйства: Материалы Всесоюз. научн.-техн. конф. - Тбилиси: НПО "Исари", 1989,- С. 357-368.

2. Мясников В:К., Тихомиров O.E., Широков И.Ю., Колтин И.П. Робото-технические измерительные комплексы для контроля геометрических , параметров деталей топливной аппаратуры // Двигателестроение. - 1990. N12. -С.15 -17,30..

3. Мясников В.К, Тихомиров O.E., Широков И.Ю. Имитационное л-аналитическое моделирование измерительных РТК // Прогнозирование создания ГПС РТК в условиях интенсификации производства: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. - К.: УкрНИИНТИ, 1990. - С. 54-55.

4. Мясников В.К., Тихомиров O.E. Интеллектуальная интегрированная САПР технологических модулей // Комплексная автоматизация проектных и конструкторских работ в машиностроении / Материалы науч.- техн. семинара. - Л.: ЛДНТП, 4990. - С. 59 - 60.

5. Мясников В.К., Тихомиров O.E., Широков И.Ю-, Магдалинский СИ. Построение структурных моделей контрольно-измерительных РТК // Многопроцессорные вычислительные системы и параллельные алгоритмы: Сб. на-уч.тр. - Ярославль: ЯрГУ, 1991. -С. 28 - 35.

6. Мясников В.К, Тихомиров O.E., Широков _И.Ю. Робототехнический измерительный комплекс для контроля параметров пружин сжатия // Вестник .машиностроения. - 1992. -N 5. - С. 35 - 3&.

7. A.c. СССР N 1729617, МКИ BQ7C5/04. - Контрольно-сортировочное устройство для. деталей цилиндрической формы / Мясников В.К., Костылев В.М., Тихомиров O.E., Широков И.Ю. // Открытия. Изобретения. - 1992: N 16. - С. 48.

8. A.c. СССР N 1756105, МКИ B23Q7/00. - Загрузочное устройство / Мясников В.К., Тихомиров O.E., Широков И.Ю. // Открытия. Изобретения. -1992. -N31. -С. 59.

9. A.c. СССР N J763861, МКИ G01B5/08. - Устройство ддя измерения диаметра отверстия / Костылев В.М., Богачев Г.И., Мясников В.К., Тихомиров O.E. // Открытия. Изобретения. - 1992. -N35. - С. 158.

10.. Патент РФ N2023571 кл. МКИ B23Q41/02. - Контрольно-сортировочный комплекс У Мясников В.К., Тихомиров O.E., Широков ИЛО. // Открытия. Изобретения. - 1994. - N 22. - С. 52.

11. Кулебякин A.A., Тихомиров O.E., Мясников В.К. Разработка меха-тронных модулей для ГПС машиностроения; Тез. докл. науч.-техн. _конф. ЯГТУ - Ярославль: ЯГТУ, 1996. - С. 54.

12. Тихомиров O.E., Мясников В.К. Совершенствование конфигурации механических подсистем робототехнологических измерительных-комплексов // Тез. докл. Международной, науч.-техн. "БАЛТТЕХМАШ-98" - Калининград: Калининградский ГТУ, 1998. - С.9.

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ ЯРОСЛАВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Выбор структуры и разработка автоматических измерительно-сортировочных комплексов для систем управления технологическими процессами

изготовления деталей

Специальность 05.13.07 Автоматизация технологических процессов и производств

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи л

Тихомиров Олег Евгеньевич

УДК 621.865.8:531.71

Научный руководитель, д.т.н., профессор Мясников В.К. Научный консультант,к.т.н., доцент Синицын В. Т.

Ярославль - 1998

Ярославль - 1998 РЕФЕРАТ

Диссертация стр., {{ табл., рис., 429 библ.назв.

ДЕТАЛЬ, КОМПЛЕКС АВТОМАТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНО-СОРТИРОВОЧНЫЙ, КОНТРОЛЬ АВТОМАТИЧЕСКИЙ МЕЖ- И ПОСЛЕОПЕРАЦИОННЫЙ, СОРТИРОВКА АВТОМАТИЧЕСКАЯ МНОГО ДИАПАЗОННАЯ, СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ, УСТРОЙСТВО ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ, РАЗГРУЗОЧНО-ЗАГРУЗОЧНОЕ, СОРТИРОВОЧНОЕ

Объектом исследования является методика - создания -автоматических измерительно-сортировочных комплексов (АИСК) для автоматизации меж- и послеоперационного контроля качества деталей и их многодиапазонной сортировки (на группы качества) в дизелестроении.

Цель работы - исследование и разработка .структуры и конфигурации механических подсистем АИСК , предназначенных для систем управления дискретными технологическими процессами изготовления и обеспечения высокого качества деталей дизельных двигателей, а также уменьшение затрат всех видов на изготовление АИСК на основе организационно-производственного и процессно-ориентированного моделирования АИСК с использованием методов автоматизированного проектирования.

На основе выявленной взаимосвязи конструктивных, эксплуатационных и технологических параметров деталей дизелей (в т.ч. прецизионных пар) установлены требования к характеристикам АИСК, обеспечивающие эффективность их применения в условиях крупносерийного и массового автоматизированного производства.

Разработаны оптимальные конфигурации АИСК для меж- и послеоперационного контроля и создано новое технологическое оборудование модульного типа. Приведены алгоритмы структурного и графического моделирования, а также результаты оптимизационного проектирования схемных и конструктивных параметров нового оборудования.

Проектирование АИСК для меж- и послеоперационного контроля и многодиапазонной сортировки деталей осуществляется с помощью интегрированной САПР, включающей пакеты структурного и графического моделирования, технико-экономического анализа разрабатываемых комплексов.

Результаты внедрены на ряде предприятий дизелестроения.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ТРЕБОВАНИЙ К АВТОМАТИЧЕСКИМ ИЗМЕРИТЕЛЬНО-СОРТИРОВОЧНЫМ КОМПЛЕКСАМ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

1.1. Проблемы автоматического контроля параметров качества прецизионных деталей дизельного двигателя

1.2. Взаимосвязь конструктивных, эксплуатационных и технологических параметров прецизионных деталей дизельного двигателя

1.3. Исследование технологических условий и требований пользователей к АИСК

1.4. Выводы по главе и постановка цели и задач диссертационной работы

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ И МОДЕЛИРОВАНИЕ КОНФИГУРАЦИИ МЕХАНИЧЕСКИХ ПОДСИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНО-СОРТИРОВОЧНЫХ КОМПЛЕКСОВ МЕЖ- И ПОСЛЕОПЕРАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ДЕТАЛЕЙ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

2.1. Разработка структурных моделей функционирования АИСК

2.2. Моделирование механической подсистемы АИСК многовариантными цикловыми графами переходов [57]

2.3. Характеристика основных функций и структуры системы управления АИСК

2.4. Разработка конфигурации технических средств управляющей подсистемы АИСК

2.5. Последовательность формирования структуры и конфигурации механической подсистемы АИСК

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ПОДСИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНО-СОРТИРОВОЧНЫХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ МЕЖ- И ПОСЛЕОПЕРАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ДЕТАЛЕЙ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

3.1. Постановка задачи автоматизации проектирования структуры и автоматизации механической подсистемы АИСК

3.2. Разработка вариантов конфигурации механических подсистем АИСК

3.3. Автоматизация структурного моделирования механической подсистемы АИСК

26 2« ' 37 42 44

45

46

64

3.4. Компьютерно-графическое моделирование вариантов оборудования и конфигурации механической подсистемы АИСК 49

3.5. Автоматизация технико-экономического анализа АИСК 5 5

3.6. Структура пакета автоматизированного проектирования и интеллектуализации САПР АИСК 57

ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕ АЛИЗАЦИЯ МЕТОДИКИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И КОНФИГУРАЦИИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ПОДСИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНО-СОРТИРОВОЧНЫХ КОМПЛЕКСОВ

4.1. Общие замечания 61

4.2. Методика формирования структуры и конфигурации механической подсистемы АИСК 63

4.3. Варианты механических подсистем АИСК для контроля параметров пружин сжатия в случаях с раздельным и одновременным измерением внутреннего и наружного диаметров 4.4 Контрольно-сортировочное устройство для предварительной отбраковки пружин по наружному диаметру 71

ГЛАВА 5. СОЗДАНИЕ, ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ВНЕДРЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПОДСИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНО-СОРТИРОВОЧНЫХ КОМПЛЕКСОВ

5.1. Создание, производственные испытания и внедрение АИСК втулки плунжера

5.1.1. Общие сведения 74

5.1.2. Загрузочное устройство 77

5.1.3. Устройство для измерения диаметра отверстия [118] 81

5.1.4. Сортировочное устройство [119] 87

5.2. Диагностирование работы АИСК 91 -53, Программное обеспечение АИСК

5.3.1. Назначение и принципы построения

5.3.2. Управление синхронизацией процессов

5.3.3. Описание алгоритма основных программных модулей 98

5.3.4. Описание программных модулей и подпрограмм 100

5.4. Исследование надежности работы механической подсистемы АИСК 104

5.5. Динамика электромеханического привода загрузочно-разгрузочных устройств АИСК

5.6. Автоматическая калибровка измерительной позиции АИСК Ю9 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 113 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1И

105

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

Современное дизелеетроение предъявляет все более высокие требования к точности изготовления прецизионных деталей и сборки узлов машин, определяющих качество и надежность дизелей в целом. Так, несоответствие продукции, выпускаемой предприятиями компании "Русские моторы", европейским стандартам Евро-2 и Евро-3 препятствует .выходу этих предприятий на внешнеэкономический рынок.

Высокая точность сопрягаемых поверхностей деталей прецизионных пар зависит от решения в производстве целого комплекса вопросов. Необходимо не только прецизионное оборудование, но и соответствующий режущий инструмент, а также контрольно-измерительные средства. Многое зависит от свойств материала заготовки, режимов обработки, технологической (окружающей) среды.

В связи с этим, постоянно возрастает необходимость в повышения качества прецизионных деталей и, следовательно, увеличивается количество используемых для их изготовления технологических операций, что ведёт к увеличению числа точек технического контроля {34].

Следует отметить, что до сих лор на контрольных операциях применяются измерительные приборы ручного действия, информация о качестве изготовления деталей часто субъективна, отсутствуют методики коррекции технологического процесса по результатам измерений.

Учитывая, что стоимость прецизионных деталей высока и их брак вследствие значительных экономических потерь недопустим, для повышения эффективности технологических процессов и качества изготовления деталей дизелей были разработаны и внедрены в производство автоматические измерительно-сортировочные комплексы (АИСК). Эти комплексы включают в себя механическую, информационную, управляющую, интеллектуальную и диагностическую подсистемы и разработаны-в Ярославском государственном техническом университете группой сотрудников, включая автора, под научным руководством д.т.н., профессора В.К. Мясникова. Одной из основных задач создания АИСК являлось наиболее полное удовлетворение требований Международных стандартов качества серии ИСО 9000. Использование АИСК в производстве позволяет объективно оценивать качество изготовления деталей, устанавливать причинно-следственные связи между параметрами технологии изготовления и качества деталей, диагностировать и последовательно устранять "узкие" места в технологии и производить коррекцию последующих технологических операций обработки деталей [3,53,54,55,57].

В настоящее время важно уменьшать затраты всех видов на разработку и изготовление АИСК и, прежде всего, их механических подсистем, как наиболее ресурсоемких с точки зрения затрат материалов, энергии, физического и

интеллектуального труда рабочих, инженеров и ученых, создающих новую технику.

Решению этой проблемы и посвящена настоящая работа, выполнявшаяся с 1989 года и входившая в комплексные научно-технические программы Минвуза РСФСР.

Общая методика исследований.

Решение научных задач диссертации базируется на использовании методов системного анализа, автоматизированного проектирования, математического программирования, аппарата теории графов, анализа динамических и технико-экономических моделей оборудования, математического, вычислительного и натурного (производственного) эксперимента механических подсистем АИСК.

Научная новизна работы:

- разработаны методы формирования рациональной структуры и конфигурации АИСК для управления дискретными технологическими процессами изготовления, контроля и сортировки и обеспечения высокого качества деталей дизельных двигателей;

- разработаны принципы организационно-технологического и процесс-но-ориентированного моделирования структуры и конфигурации АИСК с использованием методов автоматизированного проектирования;

- предложен способ автоматической калибровки аттестованными деталями датчиков измерительной позиции для повышения точности и надежности работы основного технологического оборудования АИСК.

Практическую ценность работы представляют:

- методика формирования рациональной структуры и конфигурации механической подсистемы АИСК, позволяющая генерировать ее оптимальные по эффективности варианты в соответствии с функциональным назначением и производственными условиями;

- новые конструкции технологического оборудования АИСК, обеспечивающие высокоскоростной меж- и послеоперационный сплошной контроль и многодиапазонную сортировку на группы качества втулок плунжера и пружин сжатия;

- методы автоматизированного проектирования оборудования и конфигурации механической подсистемы АИСК, математическое и программное обеспечение для их реализации;

- инерционный электромеханический привод загрузочно-разгрузочных устройств, работающих с межоперационной производственной тарой, снижающий динамические нагрузки и исключающий соударения прецизионных деталей.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзной научно-технической конференции "Автоматизация средств метрологического обеспечения народного хозяйства", Тбилиси, 1989г.; на Всесоюзной научно-технической конференции «Прогнозирование

создания ГПС и РТК в условиях интенсификации производства», Харьков, 1990 г. ; Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы создания и эксплуатации ГПС и ПР на предприятиях машиностроения», Севастополь, 1990 г.; Республиканских научно-технических конференциях «Опыт создания ГПС для интегрированного машиностроительного производства», Киев, 1989 и 1990 г.г.; Научно-техническом семинаре «Комплексная автоматизация проектных и технических работ в машиностроении», Ленинград, 1991 г.; Международной научно-технической конференции «БАЛТТЕХ-МАШ-98», Калининград, 1998 г., на семинарах кафедры робототехники и мехатроники Московского государственного технологического университета «СТАНКИН» в 1990-1997 г.г. Полное содержание диссертационной работы докладывалось на научно-технических семинарах кафедр «Технология машиностроения» Ярославского государственного технического университета, «Основы конструирования машин» и «Технология авиационных двигателей и общего машиностроения» Рыбинской государственной авиационной технологической академии.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 5 статей, 3 тезиса докладов на научно-технических, включая международные конференциях, получено 3 авторских свидетельства и один патент на изобретения.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и приложений.

В первой главе рассматриваются проблемы автоматического контроля параметров качества ответственных деталей дизельного двигателя, а также взаимосвязь их конструктивных, технологических и эксплуатационных параметров. На основе систематизации технологических условий и требований пользователей АИСК осуществляется выбор конструкций оборудования и конфигурации механических подсистем АИСК меж- и послеоперационного контроля и сортировки деталей дизельного двигателя. В заключении главы сформулированы выводы по ней, цель и задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена характеристике основных функций и структуры системы управления АИСК, разработке структуры, функций, состава механических подсистем АИСК, вариантов конфигурации их оборудования модульного типа.

В третьей главе рассмотрены графические и технико-экономические модели оборудования механической подсистемы АИСК, методы технико-экономического анализа при выборе вариантов оборудования и конфигурации механической подсистемы АИСК, структура пакета автоматизированного проектирования и интеллектуализация САПР АИСК. Приведен пример выбора оптимальной конфигурации механической подсистемы АИСК и расчета технико-экономического эффекта от внедрения АИСК.

Четвертая глава посвящена практической реализации методики формирования структуры и конфигурации механических подсистем АИСК на при-

мере автоматического контроля геометрических и силовых параметров пружины сжатия.

В пятой главе рассмотрены вопросы создания, производственных испытаний и внедрения механических подсистем АИСК, а так же разработки цифровых измерительных устройств многопараметрического контроля прецизионных деталей, новые к-онструкции основного технологического и вспомогательного оборудования АИСК, динамика электромеханического привода за-грузочно-разгрузочных устройств, диагностика и автоматическая калибровка измерительного устройства.

ГЛАВА 1. СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ТРЕБОВАНИЙ К АВТОМАТИЧЕСКИМ ИЗМЕРИТЕЛЬНО-СОРТИРОВОЧНЫМ КОМПЛЕКСАМ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

1.1г. Проблемы автоматического контроля параметров качества прецизионных деталей дизельного двигателя.

Важнейшим фактором, обуславливающим эксплуатационные параметры дизельных двигателей является качество. От того, насколько точно изготовлены детали, например, плунжерные пары, зависит не только их гидравлическая плотность и подвижность, но и такие ее эксплуатационные показатели, как надежность и долговечность.

Качество выпускаемой продукции во многом определяется техническим контролем, под которым обычно понимают [21] совокупность средств автоматизации контроля либо процессов (активный контроль), либо объектов производства(пассивный контроль).

В первом случае измерения и контроль размеров и других параметров деталей производится в процессе изготовления деталей. Устройство активного контроля позволяет осуществлять регулирование технологического процесса и поддерживать на заданном уровне основные его параметры непосредственно при обработке изделий.

Повышение точности изготовления деталей в этом случае обусловлено тем, что активный контроль является непосредственным регулятором технологических факторов [19]. Но подобный контроль связан с применением дорогостоящего контрольного оборудования и сложной организацией самого процесса, так-как снятие значений технологических факторов происходит непосредственно в процессе обработки деталей.

Дизельный двигатель содержит целый ряд узлов и сборочных единиц (например, прецизионные пары), требования к сопряжениям в которых налагают на размерные характеристики составляющих их деталей-очень жесткие допуски {34]. Выдержать последние на существующем оборудовании даже с устройством активного контроля очень сложно , так как настроив оборудование на получение детали определенной группы , фактически может быть получена деталь другой груп�