автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Выявление размерных и точностных связей в изделиях машиностроения для обеспечения автоматизированного проектирования последовательности их сборки

/

-у

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «СТАНКИН»

На правах рукописи УДК 621.9.07(75)

Тарасова Марина Викторовна ВЫЯВЛЕНИЕ РАЗМЕРНЫХ И ТОЧНОСТНЫХ СВЯЗЕЙ В ИЗДЕЛИЯХ МАШИНОСТРОЕНИЯ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ИХ СБОРКИ

Специальность: 05.13.07 - Автоматизация технологических

процессов и производств

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

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1998

СОДЕРЖАНИЕ

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

ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследования

1.1. Основные задачи автоматизированного проектирования

технологических процессов сборки...............................7

1.2. Алгоритмизация определения последовательности

сборочных операций................................................18

1.3. Цель и задачи диссертации............................................24

ГЛАВА 2. Основные связи элементов конструкции изделия и

производственной системы

2.1. Служебное назначение машины и структура сборочной единицы...................................................................26

2.2. Механические связи в сборочной единице.........................35

2.3. Пространственные связи в сборочной единице....................45

2.4. Размерные связи сборочной единицы..............................52

2.5. Связи элементов конструкции изделия с элементами средств

технологического оснащения........................................60

ВЫВОДЫ........................................................................63

ГЛАВА 3. Разработка математических моделей для определения

последовательности сборки изделий

3.1. Назначение и состав математических моделей сборочных единиц.......................................................................65

3.2. Разработка математической модели сборочной единицы

для определения последовательности установки деталей......68

3.3. Разработка математичекой модели размерных связей

сборочной единицы....................................................82

3.4. Математическая модель производственной системы и

полная модель сборочной единицы................................88

ВЫВОДЫ......................................................................92

ГЛАВА 4. Алгоритмизация проектирования последовательности

установки деталей изделия

4.1. Определение последовательности установки деталей с учетом условий базирования и доступа...........................93

4.2. Программная реализация алгоритма определения последовательности...................................................109

4.3. Автоматизированное проектирование технологического процесса сборки с учетом выбора последовательности установки деталей сборочной единицы......................... 116

ВЫВОДЫ.....................................................................123

ГЛАВА 5. Эффективность автоматизированного проектирования

единичных технологических процессов сборки....................124

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................130

ЛИТЕРАТУРА..........................................................................133

ПРИЛОЖЕНИЕ.......................................................................140

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Важнейшей задачей современного развития машиностроения является обеспечение качества изделий и конкурентоспособности производства. Особую трудность вызывают работы, связанные с заключительным этапом производственного процесса, сборкой изделий. Низкий уровень механизации и автоматизации сборочных работ определяют их высокую трудоемкость по сравнению с трудоемкостью изготовления деталей. В современном машиностроении трудоемкость сборочных работ составляет 30-40 %, а в приборостроении достигает 60-80%; вследствии этого себестоимость выполнения этого вида работ - около 70%. Исследованиям процесса сборки изделий посвящены работы многих отечественных ученых профессоров, докторов технических наук-Б.С.Балакшина, А.А.Гусева, В.С.Корсакова, М.П.Новикова, В.В.Павлова и других ученых нашей страны и ряда зарубежных стран. Основное внимание в этих работах уделялось обеспечению точности изделий, автоматизации сборочных работ и проектированию технологических процессов сборки.

Одной из наиболее сложных задач проектирования сборочных процессов является оценка достигаемой точности при сборке. Это вызвано тем, что сборочные размерные цепи являются связанными, и их аналитический расчет возможен только в процессе формирования сборочной единицы с учетом последовательности установки деталей. Исследования факторов, влияющих на последовательность установки деталей при сборке изделий, проводились в станкостроении, приборостроении, авиастроении и других отраслях машиностроения. Однако, эта важная задача пока в полной мере не решена.

Цель работы - повышение эффективности сборочных работ и обеспечение качества собираемых изделий путем автоматизированного

проектирования и выбора оптимальных технологических процессов сборки.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что: выявлена и разработана математическая модель влияния механических и пространственных связей на последовательность установки деталей при сборке изделий;

- установлена зависимость структуры связанных сборочных размерных цепей от последовательности установки деталей в собираемом изделии;

- разработаны математические модели и алгоритмы определения последовательности установки деталей и расчета сборочных размерных цепей.

Практическая ценность.

1 .Разработана методика определения последовательности выполнения технологических операций на основе выявленной последовательности установки деталей при сборке изделия.

2. Разработана методика расчета связанных сборочных размерных цепей.

3.Разработан программно-методический комплекс генерации возможных последовательностей установки деталей при сборке.

Методы исследования. При выполнении теоретических исследований использованы основные положения технологии машиностроения, основы механики, а также известные методики создания САПР. Приведение исследования выполнены с использованием методов математического моделирования на основе теории множеств, теории графов и вычислительной математики.

Реализация работы. Разработанные модели и алгоритмы генерации последовательностей установки и расчета связанных сборочных размерных цепей использованы в НИР №95-04/6 «Разработка математического и методического обеспечения автоматизированного

проектирования сборочных процессов на базе типовых математических моделей » (МГТУ»Станкин», 1995г.), НИР №96-26/г «Математическое моделирование дискретного производства»(МГТУ»Станкин»,1997 г.), а также при подготовке методического и программного обеспечения лабораторных работ по курсу «Автоматизированное проектирование технологических процессов»(кафедра технологического проектирования МГТУ «Станкин»),

Апробация работы. Основные положения выполненных исследований докладывались:

- на кафедрах «Автоматизация сборочных производств» и «Технология машиностроения» МГТУ «Станкин»;

на научно-технической конференции "Системы управления. Конверсия.Проблемы"-Ковров, 1996;

- на научно-технической конференции " Управление в технических системах "-Ковров, 1998.

на Всероссийской научно-технической конференции"Новые материалы и технологии " - Москва, 1998.

ГЛАВА 1

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Основные задачи автоматизированного проектирования технологических процессов сборки

Важнейшей задачей современного развития машиностроения является повышение качества и конкурентоспособности изделий и эффективности производства. Особенно большое значение на решение этих задач оказывает заключительный этап процесса производства- сборка изделия. Технологический процесс сборки представляет собой совокупность операций, в результате выполнения которых отдельные элементы конструкции, поступающие на сборку, занимают требуемое положение в изделии. На качество сборки существенное значение оказывают многие факторы, в том числе качество деталей, поступающих на сборку. Удельный вес трудоемкости сборочных работ в общей трудоемкости изготовления изделий очень велик: в современном машиностроении трудоемкость сборки составляет 30-40%, а в приборостроении 60-80%.

Основным средством снижения трудоемкости сборочных работ является автоматизация сборочных операций, однако механизация и автоматизация сборочных работ затруднена из-за сложности сборочных единиц, разнообразия действующих факторов и сложности средств технологического оснащения[30,34]. Для создания эффективных средств механизации и автоматизации сборочных операций необходимо всестороннее исследование закономерностей , определяющих содержание технологического процесса сборки, а также выявление взаимосвязей

между конструктивно-технологическими свойствами собираемого изделия и средств технологического оснащения. Поэтому исследованиям закономерностей и связей, влияющих на качество и эффективность технологических процессов сборки изделий, посвящены работы многих отечественных ученых - проф., докт.техн.наук Б.С.Балакшина, П.И.Буловского, А.А.Гусева, В.С.Корсакова, М.Н.Новикова, В.В.Павлова, А.И.Федотова и других.

Основные закономерности и связи между элементами конструкции сборочной единицы и средств технологического оснащения исследовались в работах [6,18,28,34,43 и др.]. Исследовались такие факторы, влияющие на процесс сборки, как служебное назначение машины и конструктивно-технологические свойства сборочных единиц и свойства собираемых деталей, механические и размерные связи в сборочной единице, конструктивные и технологические факторы, влияющие на автоматизацию сборки, взаимосвязь свойств сборочной единицы и сборочной оснастки и др. Наиболее важные факторы, определяющие содержание сборочных работ установлены проф., докт. техн. наук Б.С.Балакшиным [6].К этим факторам относятся служебное назначение машины и условия, обеспечивающие точность ее изготовления. Определено, что главным фактором, влияющим на точность изготовления деталей и сборки изделия, являются условия, обеспечивающие определенность базирования деталей при выполнении технологических операций. При этом процесс базирования рассматривается как процесс физического взаимодействия твердых тел, и анализируется состав и взаимосвязь механических связей между базовым элементом и базируемой деталью. Анализ механических связей позволил определить правила базирования деталей различных форм. Для оценки точности сборки изделий разработана теория размерных цепей. В работах [12,18,28 и др.] детально исследованы особенности реализации сборочных операций в зависимости от выбранных методов

достижения точности замыкающих звеньев размерных цепей изделия, а также связи между геометрическими формами деталей изделия и элементов конструкции сборочных приспособлений. В работах [45,46 и др.] исследовалось влияние формы устанавливаемой детали на процесс ее ориентации при сборке. Разностороннее исследование факторов, влияющих на содержание и качество сборочных работ приведены в [34]. Особенно много работ посвящено вопросам автоматизации технологических процессов сборки [15,16,18,30,34,63 и др.]. В этих работах тщательно исследуются условия автоматической установки деталей в изделии, режимы автоматического соединения деталей, степень подготовленности изделия к автоматической сборке, технологичность конструкции изделия для условий автоматизированной сборки, технологические схемы сборочных механизмов, факторы производительности и надежности сборочных автоматов, вопросы конструирования сборочных автоматических машин и гибких производственных систем и т.д. Так как конструирование сборочных автоматов, гибких сборочных систем, робототехнических комплексов и других средств автоматизации сборочных работ требует обоснования проектных решений и расчетов, то эти работы содержат углубленные исследования многих факторов, используемых при технологическом проектировании. Все эти работы характерны тем, что в них глубоко исследуется физическое содержание процесса сборки. Это открывает возможность использования достигнутых результатов с целью математического моделирования сборочных работ для автоматизации технологического проектирования.

Проектирование технологического процесса сборки включает в себя решение ряда задач, основными из которых являются[2,6,43,59]:

анализ служебного назначения сборочной единицы и условий, связанных с обеспечением требуемого качества собираемого изделия;

определение состава сборочных операций;

определение состава средств технологического оснащения сборочных операции;

определение возможных последовательностей установки деталей сборочной единицы;

определение последовательности выполнения всех операций технологического процесса сборки;

оценка точности сборки путем расчета сборочных размерных цепей; нормирование и расчет технико-экономических показателей и выбор оптимального варианта технологического процесса сборки; оформление технологической документации.

Решение первой задачи осуществляется технологом с учетом производственного опыта и квалификации исполнителей. Решение этой задачи в настоящее время не поддается автоматизации и целиком относится к компетенции технолога. Решение остальных задач может осуществляется автоматизированными методами.

Проблемам автоматизации проектирования технологических процессов сборки посвящено, начиная с конца 60-х годов, большое количество работ. Общим вопросам автоматизации проектирования технологических процессов сборки посвящены работы [1,2,14,19,21,34,36,37,51,57 и др.].

Известно, что автоматизированное проектирование технологических процессов основано на математическом моделировании изделия и производственной системы[1,13,21,43,49,50,51 и др.]. Математическое моделирование технологических процессов основано на формализованном представлении закономерностей, связей и факторов, влияющих на содержание этого процесса. Разработке формализованного представления и математическому моделированию отдельных элементов структуры

сборочной системы и процесса сборки посвящены работы [2,9, 13,14,30,36,41,49 и др.]

В работах [34,36] исследованы особенности проявления механических и геометрических связей элементов конструкции изделия и средств технологического оснащения в процессе сборки, и разработаны формализованные методы их представления. Наличие механических связей между деталями изделия "А" описывается графом сопряжений С=(А,С) , в котором множество вершин "А" соответствует деталям изделия, а множество дуг (ребер) "С" соответствует наличию сопряжений между парами деталей. Характер механических связей описывается с помощью единичных баз-векторных величин, параллельных осям базовой системы координат.

Геометрические связи при сборке проявляются в двух аспектах. С одной стороны, они определяют положение элементов конструкции относительно друг друга и системы координат в изделии; этот аспект геометрических связей проявляется в виде размерных связей в изделии, описываемых сборочными размерными цепями. С другой стороны, геометрические связи определяют возможные перемещения элементов конструкции, механически связанных друг с другом. Поэтому в работах [34,36,57 и др.] геометрические связи именуются пространственными связями, Описание характера возможных перемещений деталей описывается в векторной форме. Для этой цели используются единичные векторы возможных перемещений. Между механическими и пространственными связями установлено соответствие: при наличии единичной базы Ва возможное перемещения Ба в данном направлении отсутствует и, наоборот - при отсутствии единичной базы Ва возможное перемещение Ва существует. Для полного описания характера механических и пространственных связей между деталями собираемого изделия разработан аппарат логических уравнений базирования и

возможных перемещений. Этот аппарат используется для описания условий базирования и доступа деталей в зону их установки при сборке изделий. Такой аппарат может служить основой для разработки математической модели собираемого изделия, отображающей влияние механических и пространственных связей на содержание процесса сборки при автоматизированном проектировании.

Формализованному представлению структуры технологического процесса сборки в виде ориентированного графа посвящены работы [2,14,30,34,36 и др.]. В работах [30,34] структурная модель сборочной системы, отображающая состав и взаимосвязь операций по возможной последовательности их выполнения в процессе сборки, представляется как топологическая модель технологической системы. Эта модель представляет собой ориентированный граф, вершинами которого являются состояния собираемого изделия до и после выполнения сборочных операций. Однако средства математического описания реальных физических состояний сборочной е