автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Выбор структуры технологической системы для автоматизированной сборки винтовых соединений деталей

1

/

4 . и Ц - А / '

{ ' ^ ^ ^ ■ Л-

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ "СТАНКИН"

На правах рукописи

Силантьева Светлана Михайловна

ВЫБОР СТРУКТУРЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СБОРКИ ВИНТОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ДЕТАЛЕЙ

Специальность: 05.13.07- Автоматизация технологических

процессов и производств (промышленность)

ДИССЕРТАЦИЙ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: профессор, доктор технических наук ГУСЕВ А. А.

МОСКВА 1999

- г -

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение........................................................5

Глава 1. Состояние теории и практики автоматизации сборки винтовых соединений деталей. Цели и задачи исследования.....7

1.1. Винтовые соединения и области их использования........7

1.2. Обоснование выбора объекта исследований..............14

1.3. Типы винтов..........................................16

1.4. Способы стопорения винтовых соединений...............24

1.5. Технологичность конструкций изделий..................27

1.6. Технологическая система для автоматизированной сборки винтовых соединений деталей...................31

1.7. Установление требований к точности средств технологического оснащения сборочной системы..................33

1.7.1. Условия автоматической сборки винтовых соединений деталей..............................................33

1.7.2. Размерный анализ технологической системы.............36

1.8. Методы и устройства контроля параметров затяжки винтовых соединений деталей..........................41

1.8.1. Метод сборки винтовых соединений с управлением по крутящему моменту....................................45

1.8.2. Метод сборки винтовых соединений с управлением по углу затяжки.........................................50

1.8.3. Метод сборки винтовых соединений с управлением по удлинению стержня винта..............................51

1.8.4. Градиентный метод сборки винтовых соединений деталей52

1.8.5. Метод сборки винтовых соединений путем инерционной ударно-импульсной затяжки............................55

1.9. Режимы сборочного процесса...........................62

1.10. Состав автоматизированной сборочной системы для винтовых соединений деталей.............................71

1.10.1. Выявление составляющих звеньев технологической системы.................................................71

1Л0.2. Патроны.......................................79

1.10.3. Типы винтоверты......................................84

Винтоверты вращательного действия................. . 84

Винтоверты для постановки самонарезающих и самосверлящих винтов.........................................88

Винтоверты ударного действия........................ 90

Адаптивные сборочные системы........................ 94

1.10.4. Технологические системы на базе промышленных роботовШ

1.10.5. Устройства для сборки винтов с шайбами..............117

1.10.6. Устройства подачи винтов............................119

1.10.7. Устройства для базирования и закрепления базовых деталей и их подачи к месту сборки......................125

Цель и задачи исследования.....................................129

Глава 2. Выявление качественной и количественной взаимосвязи между размерными и точностными параметрами соединяемых винтовых деталей и параметрами автоматизированных средств технологического оснащения...................130

2.1. Расчет параметров резьбы винтов.....................131

2.2. Влияние конструктивного исполнения направляющей части винтов на процесс соединения деталей.............136

2.3. Выбор баз для винтов................................140

2.4. Определение точности положения сопрягаемой резьбовой поверхности винтов относительно их базовых поверхностей..............................................151

2.5 Выбор баз для базовой детали........................157

2.6. Влияние конструктивного исполнения головок винтов на процесс сборки винтовых соединений..................163

2.7. Выбор режимов сборочного процесса для обеспечения качества винтовых соединений и изделий в целом......168

2.8. Конструктивное исполнение винтов для обеспечения сто-порения винтовых соединений.........................175

2.9. Влияние конструктивного исполнения винтов на процесс

их ориентирования и транспортирования......................178

2.10. Конструктивное исполнение шайб...................... 184

2.11. Конструктивное исполнение гаек......................185

Выводы........:...............................................190

Глава 3. Выявление качественной и количественной взаимосвязи

между конструктивными параметрами винтовых деталей и их экономичностью при автоматизированной сборке изделий..................................................192

Выводы........................................................197

Глава 4. Выбор структуры технологической операции и компоновки переналаживаемой автоматизированной системы для сборки винтовых соединений деталей.......................199

4.1. Выбор оптимальной структуры технологической операции199

4.2. Выбор компоновки переналаживаемой автоматизированной сборочной системы...................................201

4.3. Компоновка и проектирование винтовертов.............207

4.3.1. Выбор типа и проектирование патронов для базирования винтов..............................................207

4.3.2. Выбор инструмента...................................209

4.3.3. Расчет параметров шпиндельного узла винтоверта......223

4.3.4. Выбор привода винтоверта............................228

4.3.5. Выбор устройства контроля и регулирования крутящего момента.............................................230

Выводы........................................................237

Глава 5. Методика проектирования технологической оснастки и оборудования переналаживаемых автоматизированных сборочных систем........................................238

5.1. Последовательность выбора, расчета и проектирования технологической оснастки и оборудования автоматизированных сборочных систем...........................238

5.2. Результаты выполненных исследований.................245

5.3. Математическая модель выбора и расчета параметров технологической системы для автоматизированной сборки винтовых соединений деталей.........................255

5.3.1. Алгоритм математической модели......................255

5.3.2. Пример расчета параметров автоматизированной сборочной системы для сборки винтовых соединений деталей.. 270

5.4. Методика выбора структуры технологической системы для автоматизированной сборки винтовых соединений деталей.............................................276

5.5. Технико-экономическая эффективность использования автоматической сборочной системы......................291

Выводы........................................................296

Общие выводы..................................................297

Литература.................................................... 299

ВВЕДЕНИЕ

Сборка является заключительным и наиболее сложным этапом изготовления изделий. Собранные изделия должны соответствовать требуемым точностным параметрам и другим показателям качества, гарантирующим работоспособность и другие заданные их свойства в течение всего периода эксплуатации. Особенно важно это для транспортных средств: автомобилей, тракторов и др., качество которых, в том числе и безопасность работы, в значительной степени зависит от крепежных деталей: винтов, болтов и др.

Процесс сборки резьбовых соединений деталей трудоемок и сложен, требует привлечения больших трудозатрат и применения различных сборочных инструментов.

Основной путь снижения трудоемкости их сборки и достижения стабильного качества изделий является расширение использования автоматизированного сборочного оборудования и технологической оснастки.

Причины, тормозящие внедрение автоматизированной сборки резьбовых соединений:

- недостаточная технологичность конструкций деталей;

- нестабильное качество поступающих на сборку деталей;

- низкий уровень унификации и нормализации резьбовых, в том числе и корпусных деталей, а также расположения резьбовых отверстий в них;

- недостаточность исследований в области процессов автоматической сборки этих соединений деталей.

Используемое в промышленности автоматическое резьбосборочное оборудование является специальным, достаточно сложным и дорогим в изготовлении, и потому экономически оправдано только при больших программах выпуска изделий. Коэффициент использования действующего автоматического сборочного оборудования часто составляет всего 0,35 - 0,43. Трудно добиться рентабельности такого оборудования, от которого в процессе эксплуатации требуется высокая точность. В то же время потребность в автоматических сборочных системах велика ввиду необходимости сокращения трудоемкости изготовления и обеспечения стабильности качества изделий. Высокое качество сельскохозяйственной техники, транспортных средств повышенной опасности: автомобилей и самолетов является также необходимым условием конкурентности нашей машиностроительной продукции. Что касается сборки изделий в серийном производстве, то, по существу, в ми-

ре имеются лишь отдельные примеры удачной автоматизации. Это объясняется тем, что наряду со сложностями, характерными для массового производства, при автоматизации серийной сборки изделий возникают дополнительные сложности, связанные с материальными затратами на создание средств программирования, составление программ и значительными затратами времени на их подготовку и изготовление.

Накопленный в промышленности опыт по созданию оборудования для изготовления деталей показал эффективность создания групповых переналаживаемых средств и унификации элементов оборудования.

Актуальной задачей является создание гибких автоматизированных производств для сборки резьбовых соединений деталей в условиях серийного многономенклатурного изготовления изделий.

В качестве объекта исследований выбраны винтовые резьбовые соединения, которые широко распространены в машиностроении и отличаются большим многообразием.

Преимущество винтовых соединений деталей - возможность многократной сборки и разборки изделий. Винтовые детали позволяют создавать большие осевые силы, необходимые для герметичности стыков. Эти детали воспринимают значительные эксплуатационные нагрузки.

Пока недостаточно сведений о взаимосвязи размерных и точностных параметров деталей винтовых соединений и параметров технологической оснастки сборочных систем. Не было уделено достаточного внимания выбору структуры сборочной операции и не выявлены требования, которым должны отвечать оснастка и оборудование технологической системы для обеспечения высокоэффективной ее работы. В процессе проектирования технологической оснастки и оборудования переналаживаемых автоматизированных сборочных систем необходимо рассмотреть комплекс взаимосвязей (экономических, временных, точностных).

Поэтому тема "Выбор структуры технологической системы для автоматизированной сборки винтовых соединений деталей" имеет актуальное и большое практическое значение.

Глава 1

СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ АВТОМАТИЗАЦИИ СБОРКИ ВИНТОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ДЕТАЛЕЙ ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Винтовые соединения и области их использования

В современных конструкциях машин резьбовые соединения составляют от 30 до 40% [50] от общего числа соединений. Например, на легковом автомобиле "Жигули" применяется 1500 резьбовых деталей, на автомобиле "Форд" - 3000, на грузовом автомобиле "ЗИЛ-130" около 3500 [51]. Широкое распространение резьбовых соединений объясняется их высокими конструктивными и технологическими достоинствами. Резьбовые детали позволяют создавать высокоэффективные, прочные, надежные и долговечные соединения, а во многих случаях являются единственно возможным способом выполнения соединений, когда необходимо обеспечить регулировку положения деталей.

Резьбовые соединения применяются практически во всех областях машиностроения в условиях массового, крупно- и среднесерийного производства. Наиболее широкое использование они получили в автомобилестроении, при производстве сельскохозяйственной техники, в станкостроении, а также в авиационной промышленности при изготовлении топливной аппаратуры, насосов и т.п. изделий (рис. 1.1- рис. 1.5).

В настоящее время в машиностроении применяются три основных вида резьбовых крепежных соединений: шпилечные (рис. 1.6, а, б) ; болтовые (рис. 1.6, в); винтовые (рис. 1.6, г-е ).

Вид резьбового соединения оказывает большое влияние на возможность автоматической сборки.

Болтовые соединения наименее удобны для сборки, т.к. технологический процесс состоит из большого числа деталей и последовательного выполнения ряда переходов. Предварительно ориентированный болт с надетой шайбой подают и вставляют в отверстия соединяемых деталей. До окончания затяжки болт необходимо поддерживать, т.к. возможно его падение и провертывание. Для установки призон-ных болтов не требуется средств для их удерживания, но необходимо устройство для запрессовки. Далее следует постановка одной или двух шайб, наживление гайки, ее навертывание и затяжка с заданным моментом. Количество переходов сборки болтовых соединений иногда достигает 20, для их выполнения необходимо большое число техноло-

Рис. 1.2. Коробка передач с дифференциалом автомобиля "Москвич-2Ш1- винты; 2- корпус

2

±

Рис. 1.2. Карбюратор двигателя автомобиля "ВАЗ-210И": 1-винты; 2- корпус

Рис. 1.3. Топливный насос автомобиля "ВАЗ-21011": 1- винты;

2- корпус

ттшшА

Рис. 2.4. Редуктор (а) и мотор-редуктор (б): 1- винты; корпус

Рис.1.5. Авиационный компрессор АК-150: 1- винты; 2- корпус

о

Ь)

9)

Сокращается число деталей

Увеличивается производительность сборочного процесса

Рис.1.6. Конструктивное исполнение резьбовых соединений деталей

11555558

гических средств.

С помощью болтовых соединений скрепляются детали малой толщины, когда невозможно обеспечить прочность за счет резьбы в отверстии базовой детали.

Винтовые соединения применяют в тех случаях, когда прочность базовой детали достаточна для обеспечения прочности резьбового соединения при работе. Винтовое соединение обычно состоит из: винта и шайбы или только из винта. Обычно после установки сопрягаемых деталей в требуемое положение осуществляется подача, на-живление, завертывание и затяжка винтов. Использование винтов с полупотайной и потайной коническими головками обеспечивает их сгопорение без применения шайб. При наличии цилиндрической, полукруглой или шестигранной головки сборка несколько усложняется из-за необходимости предварительного установки шайб. Общее число переходов обычно не превышает 30.

По сравнению со шпилечными и болтовыми винтовые соединения являются наиболее экономичными и технологичными, поскольку позволяют сократить число деталей, тем самым упрощается сборочный процесс, увеличивается его производительность и упрощается сборочное оборудование.

1.2. Обоснование выбора объекта исследований

В качестве объекта исследований были выбраны резьбовые соединения с использованием винтов, которые широко распространены в машиностроении и отличаются большим многообразием, что делает актуальным их выбор при проектировании соединений и во многом определяет технический уровень и экономичность изделий. Это видно на примере посадки зубчатого колеса на вал (рис. 3.7). Ввиду сложности и трудоемкости их сборки при проектировании автоматизированной сборки изделий лучше избавиться от резьбовых соединений в конструкции изделия и заменить их на другие виды соединений при условии, что служебное назначение изделия при этом не изменится. Однако совсем избавиться от резьбовых деталей не возможно, поскольку в ряде случаев необходимо производить монтаж и демонтаж, а также регулировку, что не позволяют сделать другие виды соединений. Поэтому, несмотря на стремление заменить резьбовые детали на другие виды соединений, тем не менее в ближайшее десятилетие они будут оставаться основным средством обеспечения силового замыкания. Из многообразия резьбовых деталей потребуется выбрать самые

Рис. 1.7. Схемы

посадки зубчатого колеса на вал

технологичные и экономичные с учетом требований автоматической сборки.

На основе анализа конструкций машиностроительных изделий можно выделить следующие варианты расположения винтовых соединений деталей:

Винтовое соединение

Одиночное Групповое

Однорядное Многорядное Радиальное Асимметричное

Для рассмотрения проблемы сборки резьбовых соединений деталей с помощью винтов необходимо прежде всего определить их служебное назначение.

Основное назначение винтовых соединений деталей - обеспечение неизменного относительного положения сопрягаемых деталей посредством их силового замыкания при затяжке винтов (рис. 3.8).

Основное требование к винтовым соединениям деталей:

- обеспечить прочность и в ряде случаев герметичность соединений посредством создания плотной посадки путем регулирования относительного положения винтовых деталей при их сборке с заданным усилием затяжки. Усилие не должно разрушать соединение и быть достаточным для предотвращения самопроизвольного ослабления соединения в процессе эксплуатации.

Данное требование должно учитываться при определении структуры технологической операции и выборе компоновки сборочной системы.

1.3. Типы винтов

В зависимости от служебного назначения винты разделяются на крепежные и установочные (рис.1.9). К крепежным винтам относятся "обычные" и самонарезающие винты. Они служат для соединения деталей посредством резьбы. Ус