автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Выявление закономерностей обеспечения точности изделия при сборке на основе моделирования технологического процесса его изготовления

МИШСТЕРСТВО ПО ДЕЛАМ НАУКИ, ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И • ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ СТАИКСИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи УДК 621. 757-52-187. 001. 57: 681. 3. 067(043. 3)

ГЛИНСКАЯ НИНА ЮРЬЕВНА

ВЫЯЫЕ1ШЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЯ ПРИ СБОРКЕ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Специальность 05. 02. 08. - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1992

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени станкоинструментальном институте.

Научный t ководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация: НИИД

профессор, доктор технических наук Кузьмин в. В.

профессор, доктор технических наук копылов Л. В. доцент, кандидат технических каук Балаболин В. Н.

Зашита состоится "____" ___________199Е г. в____час.

на заседании специализированного совета Д'065. чг. 0t| в Московском станкоинструиектальном институте по адресу: 101472, ГСП, Москва, К-55, Вадковскии пер., За.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Московского станкоинструнентального института за однн месяц до зашиты.

Автореферат разослан "____"_________1992. г.

Ученый секретарь специализированного совета К 063. 42. 04.

к. т. н. Егоров с. б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Важными требованиями, предъявляемыми к современному механосборочному производству, являются обеспечение его высотой производительности и минимального времени запуска в производство нового изделия.

Анализ развития машиностроительного производства подзывает, что допущены значительные диспропорции в совершенствовании различных технологических процессов производства изделий, что является тормозом в развитии комплексной автоматизации и механизации производственных процессов. Так, в сборочном производстве, составляющем от 30 до 60 процентов от общей трудоемкости производства изделия, механизировано около 25, а автоматизировано только б процентов сборочных работ.

Одним из путей выхода из создавшегося положения является совершенствование технологии сборки на основе оптимизации технологических процессов, определения пространственных взаимосвязей элементов изделия и возможных вариантов последовательности сборки, более широкого применения методов АСТПП.

Определение пространственной взаимосвязи поверхностей деталей, входящих в изделие, позволяет на этапе ТПП выявить принципиальную возможность их соединения и определить точностные требования на выбираеую или проектируемую оснастку, что позволит обеспечить требуемую точность изделия.

Цель работы: снижение трудоемкости ТШ за счет автоматизации проектирования ТП изготовления изделия и средств технологического оснащения; снижение себестоимости изготовления изделия за счет оптимизации допусков составляющих звеньев сборочных размерных цепей.

Методы исследования. При проведении исследований использовались методы аналитической геометр!-", матричного исчисления, прикладной математики и программирования.

Научная новизна работы состоит в том, что

- систематизированы связи между конструкторско-техноло-

о

гическими факторами, действующими в процессе производства изделия, и обеспечением точности изделия при сборке, что дает возможность повысить качество решений, принимаемых на этапе технологической подготовки производства;

- формализованы правила построения геометрической модели детали, что позволило автоматизировать процесс формирования геометрической модели детали и изделия для задач САПР ТП сборки;

- разработана методика рекения прямой задачи размерного анализа, учитывающая сложность изготовления деталей в зависимости от их геометрической структуры.

Практическая ценность. Практичесюш результатом работы является создание комплекса программ по формирования геометрической модели изделия на основе логико-алгебраического языка описания деталей, входящих в изделие. Использование данного комплекса программ возможно для репения многих задач САПР ТП сборки. Разработан комплекс программ для решения проектной ( прямой ) задачи пространственного размерного анализа, позволяющий с учетом пространственной взаимосвязи элементов изделия взаимосвязанно назначить допуски на составляющие звенья размерной цепи.

Реализация работы. Результаты работы приняты к внедрению в учебный процесс кафедры "Автоматизации сборочных производств" Московского Станко;!11струменталыюго института, В инженерном центре " Мехатроь г;", акционерном объединении " Оренбургский станкозавод'.

•Апробация работы. Результаты работы докладывались, были обсувдены и получили положительную оценку на кафедре " Автоматизации сборочных производств " Московского станконнстру-менталыюго института. Основные положения работы докидывались на научно-техническом семинаре "Средства технологического оснащения механосборочного производства"

Публикации. Пэ тема диссертации Сило опубликовано б работ.

Струга ура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав и основных выводов, изложенных на 87 страницах' маганоппеного текста, содеряп- 65 рисунков, 8 таблиц, при-ло;.:гя;:я, список литературы ггз 80 наименований.

Основное содержание работа

Ео введении обосновывается актуальность и дается обгдя характеристика работы.

3 первой главе рассмотрено понятие точности изделия и точности сборки и проанализированы факторы, влнэкхцие на обеспечение точности изделия в процессе его сборки.

Выявление пространственной взамосвязи элементов собираемого изделия Еогно.тно при использовании аппарата пространственных 'размерных цепей.

Установлено, что в работах, связанных с расчетом пространственных размерных цепей, под точностью изделия понимается точность относительного расположения в пространстве тех пове-верхностей и геометрических элементов, которые определяют служебное назначение катаны.

Относительное положение поверхностей деталей определяется при помощи метода преобразования координат. Для этого с поверхностям деталей связываются локальные ситемы координат: ¡.¡атрица, описывающая преобразования, необходиьке дат совмещения локальных "скситем координат, связанных с рассматриваемыми поверхностями, описывает их относительное положение.

Анализ факторов, влияющих на обеспечение точности изделия при сборке, показал, что часть из них закладывается в процессе проектирования изделия и ТП его сборки. Это точность изготовления • и монтажа деталей, входящих в изделие, точность изготовления и монтажа средств сборочного технологического ' оснащения.

Определение допустимых значений параметров . деталей и сборочной технологической оснастки проводится при помета ре-

шения прямой задачи пространственного размерного анализа. •

Анализ предлагаемых' методов репения прямой задачи пространственного размерного анализа показал, что во-первых, пред- . латаемые методы решения не учитывают экономичности изготовления изделия, а во-вторых, часть' из пред/чг^-м;^ решений сохраняет один- из глаь-'ых недостатков пллеких |..v«->î>4<:x цепей -раздельное назначение допусков на линейны-) ;; :rv:>. v.'L!? погрешности. . ' ' '

Применение на практике этих работ сдер-таваетсл отчасти из-за того, что в них мало внимания уделяется вопросам.моделирования геометрической структуры деталей, что приводит к необходимости вссдкть в ЭВМ Солыгой .объем исходной информации для расчетов вручную.'

Анализ работ, посвяцепных специально вопросам геометри-. ческого моделирования, позволил сделать вывод, что наиболее подходш?й для шявлегои пространственной взаимосвязи элементов кэдег.;г. является модель детали поверхностного (полигонального) типа, с^рмнрованной lia основе универсального языка описания деталей.

Проведенный анализ литературных источников показывает, • что ' длл достижения поставленной в работе цели необходимо рс-еить следующие задачи.

1. Разработать геомстрнческуо модель изделия и входящих в него деталей, адекватно отобрамюшую пространственную взаимосвязь элементов изделия и пригодную.для ранения задач САПР ТП ебоки.

?.. Разработать методику решения прямой задали пространст- 1 венного размерного анализа с учетом экономичности изготовления изделия,

3. Разработать геометрическую модель сборочной технологической системы ( СТО ), стосрахпетую пространственные гео^ метрические связи, BO?.Ki!irJc,!X.e ? процессе соединении дет;и"сг,. . для моделирования действия рс.пдачш« технологически? ¿îwrro-роь, действует« в процессе сборки.

4. Ка основе рззрпбот лнн^й модели СТС . выявить ыжпт ряда факторов.на oîc-onev-mi' точности ипдолнл в'процесс; >-xJ

сборки.

Во второй глазе разработана геометрическая модель изделия и гходяцих в него деталей, предлокзН способ представления г::1»риации о деталях, входяилх б изделие, разработаны алгоритмы и прогрш.мгов обеспечение для автоматизированного фор-' }«роЕшшя геометрических моделей деталей и изделия.

Математическая модель объекта понимается кзл некоторое многаство элементов с заданными отношениями на этом нногсстве

В геометрической модели изделия существует два вида отношений: отношения на множстве деталей и отношения на мно-тестве поверхностей деталей, входящих в изделие, что определяет двухуровневое строение .модели игделия.

На первом (верхнем) уровне описываются взаимосвязи между детачями, входящими в изделие. Отношения на множестве деталей изделия описываются з виде'графа, вершинами которого ямявтся детали, а дуг&\гл - отношения мевду ними. Данный граф описывается матрицей "детали-детали" и матрицей "детали-поверхности" конкретизирующей по таким поверхностям происходит соединение деталей. • •

Второй уроЕень модели изделия формируется из геометрических моделей деталей. Сормирозание геометрической модели детали начинается с выбора сптемы координат детали ( в 'дальнейшем СКД ) и описания поверхностей деталей относительно данной СКД. Затем с ка»дой из исполнительных поверхностей детали связываются локальные .системы координат (СК) для дальнейшего моделирования положения поверхностей друг относительно друга. Для определения пространственного положения каддой исполнительной поверхности определяется координатный размер, связывающий локальную СК, связанную с рассматриваемой поверхностью С СКД. •

Структура описания поверхности пользователем состоит из 5 позиций.

В первой позиции, занимающей 3 символа записывается номер поверхности по порядку,. бо второй позиции записывается

код способа описания поверхности. Третья позиция- код поверхности. Четвертая позиция представляет собой последовательность параметров, характеризующие описываемую поверхность. Число параметров ызкэт бить различным, в зависимости от вида и способа задания поверхности. В таблице 1 представлены базовые элементы фзрм (БЭФ), наиболее часто встречающиеся при описании дета:г;й машиностроения.

В пятой позиш'.и ставится знак, указывающий. в какую сторону от описанного полупространства расположено тело детали.

Для всех ВсС\кро).'.о плоскости,код способа описания равен 1, т.е. они списываются единственным способом. Например, плоскость г будэт описана так :

001 11 ООО ООО 001 ООО >

I_!- I_I I_I 1_I I_1

1 2 3 4 5

Плоскости ммат бить описана коэффициента«! уравнения плоскости в общем сиде или координата!,Я1 трех точек. Описание при помощи трех точек для единства ьнутренлего представления описания поверхностей преобразуется к виду описания шюаюс-ти уравнением в общем виде.

На основе, этого описания формируется геометрическая модель детали. Алгоритм формирования геометрической модели детали представлен на рис 1.

Фзрмироваш:е модели начинается с формирования матрицы смежности поверхностей. Данная матрица заполняется в несколько этапов на основе сначала попарного, а затем группового сравнения поверхностей на пересечекие. Пересечение пар поверхностей определяется по взаимному расположению нормалей,- восстановленных к данным поверхностям, г. групповое сравнение- на основе принятых в работе правил, охватывающих возможное расположение поверхностей деталей средней сложности.

Следующим этапом формирования модели изделия является назначение локальных С 1С Принципиального значения точка нача-. ла локальных СК имеет. Однако, для возможности авто:-итизи-ровать процесс формирования уздели в работе предложены формальные ; правила назначения локальных СК.

Таблица 1

Струтаура описания БЭФ

вид пов-ти код задания код поз-ти способ задания параметры

плоскость 1 1 уравнение в общем виде А,В,С,Б- коэффициенты уранения плоскости

плоскость 2 1 координаты трех точек Х1,У1,21,Х2,У2,22, хз.уз.гз

цилиндр 1 2 координаты двух.точек на оси и радиус Х1,У1,21,К,Х2,У2, 72,1? И-радиус

конус 1 3 координаты двух точек на оси и два радиуса Х1,У1,21,1?1, ' Х2.У2,22,152 И,И2-радиусы

Алгоритм Формирования геометрической модели летали

Рис. X.

В зависимости от вида поверхности и ее расположения углы поворота осей локальных СК относительно СКД. будут различными. Назначение этих углов проводится согласно выработанным в работе правилам по таблице 2.

Затем формируется матрица относительного положения поверхностей деталей в СКД. Эта матрица в точности совпадает по структуре и способу формирования с матрицей, описывающей относительное положение поверхностей детали.

В отличие от предыдущих работ, в которых эта матрица Армируется каждый раз путем последовательного перемножения матриц поворотов относительно определенных осей координат, предлагается использовать матрицу, описывающую максимальный набор возможных преобразований (т.е. 3 поворота и 3 переноса).

cosficóslí - casfi sin ¿f -sinуЗ х"

("Sirií¿ SinyS COS¡f+ (-Slnoi-COSyS Sin<y+ - Slno^COSyJ у

COS ¿ sin ¿C) COS <1 COS

(COS o(.Sin/£COS<$' + ("COSC^Sln^Siná'+ COSct COSfi 2 Slnc'.Slná') Slno(cOSyi)

о о 0

Если какой-либо из поворотов отсутствует, то подстановка в матрицу 1 его нулевого значения приводит к такому виду матрицы, как если бы перемножались матрицы двух возможных поворотов.

Последовательность выполнения поворотов1 вокруг соответствующих осей координат роли не играет, что и дает право- воспользоваться матрицей преобразования координат вида 1 в качестве основной.

Такой вид матрицы, позволяет выполнять необходимые преобразования матрицы (например обращение^ при которых она не изменяет своей структуры.

Элемент данной матрицы заносятся строкой в массив, описывающий геометрическую структуру изделия (второй уровень мо-

(1)

Таблица 2

Определение углов поворота осей локальной системы координат относительно СКД ■ 1

тип поверхности знак расположения углы 01 X гносителы У ю осей г

плоскость ХОУ > 0 0 ■ 180

0 . 0 . .0

плоскость гоу > 0 90 90

< 0 90 -90

плоскость У01 > 0 90 90

< 0 90 -90

цилиндр ХОУ 90 90 0

'90 ' 90 • 180

цилиндр гоу,гох > 0 90 90

< 0 90 -90

конус ХОУ > 90+ ЧЪ 90+ Чк

< 90+ Чи. 90+ Ч\с 180+ ^

. конус гоу, гох > 90» Тс 90+

< 90+ Чк. -90+ ?к

дели изделия). Первым'элементом строки является номер детали, вторым - номер поверхности, а с 3 по 18 - элементы матрицы 1. Когда таким образом описаны все детали,входящие з изделие7за-канчивается формирование второго уровня модели изделия.

Затем на основании массива геометрической структуры изделия формируются матрицы сме.чзюсти "детали-детали" и. "детали-поверхности" на основе алгоритма поиска пути на графе.

С сформированием дачных матриц заканчивается формирование модели изделия.

В третьей главе рассматриваются вопросы определения требований к точности изготовления и установки деталей е изделие и определения требований к точности применяемой сборочной технологической оснастки, разработана модель сборочной технологической системы, описываю:;зя геометрические связи, возникающие в процессе соединения деталей,и рассмотрено влияния ряда конструкторское. .»логических связей на обеспечение точности соединения деталей.

Часть факторов, влияющих на обеспечение точности изделия при сборке, закладываются в процессе проектирования изделия конструктором и в процессе проектирования ТП сборки изделия технологом. Это точность изготовления и установки в изделие деталей и точность изготовления и установки сборочного технологического оборудования и оснастки. Эти параметры определяются путем решения прямой задачи размерного анализа для пространственных размерных цепей, выявленных в изделии или пространствен;) ой размерной цепи, описывающей сборочную технологическую систему.

Предложенный в работе алгоритм решения задачи позволяет назначать допуски на состовляющие звенья размерной цепи с учетом сложности технологической реализации геометрической структуры деталей.

Величина замыкающего звена пространственной размерной цепи, определяемое как произведение матриц, описывающих относительное положение поверхностей, влияющих на его величину, может быть представлено как функция п независимых парметрсв, котоую можно разложить в ряд Тейлора. После некоторых пр-с-сб-

разовелий уравнение примет вид

Ма = Мз(£) +1 [«XL + (2)

> А ^ i

При математической постановке прямой задачи размерного анализа учитывалась необходимость обеспечить изготовление деталей с наименьшими затратами, независимость изготовления деталей, входящих в изделие,и наличие взаимосвязи между параметрами составляющего звена размерной цепи (составляющее звено описывается 6 параметрами - 3 поворотами и 3 переносами).

Прямая задача размерного анализа решалась в следующей математической постановке.

Для заданных ХзС У», ( t ßh 1 $л 3 и известной последовательности Xi определить величины XI [ xL, с/.. , ß,: , Ус 3 при выполнении условий 1,2,3

1. ECTi (xi) -»- nun

2. ' 'хзт £ Ха

3. При известных Хк, где к£[1,п]

В качестве допущений принимаются следующие

1. Допуски на составляющие звенья размерной цепи независимы.

2. Допуски на параметры составляющего звена взаимосвязаны.

, лх;/ I у I ¿х; - огс^ х- * ot-i. * circ-lg x

n ■ L ..J,

- G.rx ßiiaгЛ} ^

fi ¡filarjj

Укрупненный алгоритм решения данной задачу представлен . на. рис. 2. ■ '

Для определения пространственных геометрических связей, возникающих в процессе соединения деталей,была разработана геометрическая модель сборочной технологической системы.

Укрупненная блок-схем алгоритма решения прямой задачи пространственного размерного анализа

<

полученные значения Х1£0?,<

~ полученные значения XIб

^печать результатов

"— ~—I

Рис.2

Принципы геометрического моделирования, используемые при разработке геометрической' модели изделия, вполне применимы для моделирования геометрических связей, возникающих в сборочной технологической системе. Для моделирования геометрических связей с исполнительными поверхностми сборочного технологического оборудования и оснастки связываются системы координат. При включении в эту модель моделей соединяемых деталей образуется пространственная размерная цепь, аамьн^аюдам (исходным) звеном которой является условие собираемости деталей. Решая прямую задачу для данной размерной цепи, технолог получает требования к точности изготовления оснастки.

На основании такого принципа разработки математической модели сборочной технологической системы для нескольких сборочных технологических систем были разработаны математические модели и проводились исследования влияния каадого из шести параметров составляющих звеньев размерной цепи на величину замыкающего звена (т. е. на обеспечение условия собираемости деталей). Проведенные расчеты показали, что:

1. В отношении пространственных размерных цепей понятия увеличивающего или уменьшающего звена неприменимы, т.к. увеличение параметров составляющего звена может приводить как к увеличению так и к уменьшению соответствующих параметров замыкающего звена.

2. Угловая погрешность звеньев, расположенных дальше от замыкающего звена размерной цепи, оказывает большее влияние на его величину, чем угловая погрешность звена, расположенного ближе к замыкающему звену.

С учетом вывода 2 можно заключить, что

1) углоЕые погрешности изготовления и установки детали в приспособлении оказывает меньшее влияние на точность относительного положения поверхностей соединиямых деталей перед процессом соединения, чем углоЕые погрешности изготовления и установки сборочного приспособления;

2) базирование присоединяемой детали рекомендуется проводить по возможности по поверхностям ближе других расположенным к поЕерхности сопряжения.

. 3. Базирование основной детали в координатный угол,

по плоскости и двум отверстиям, по' плоскости и отверстию с точки зрения обеспечения точности установки детали равнозначны.

Б четвертой главе рассматриваются возможности практического применения теоретических разработок, описанных в главах 2 и 3, в виде программного модуля ({армирования геометрической модели детали и изделия для ресеипя различи« задач САПР ТП сборки я программного модуля ре се кип прямей задач;« пространственного размерного анализа.

Как показали проведенные расчеты, использование пространственных размерных цепей при рзеении прямой задачи размерного анализа позволяет на 30 7. расширить допуски на изготовление деталей за счет полного использования области допустимых значений параметров зш-ыкагацего звена. Даннсе половине проиллюстрировано на рис. 3.

Основном составляющими экономической зКектиьности дан-пет модулей является:

1. Снимэнке трудов!« и материальных затрат ка стадии проектирования и технологической подготовки производсва изделия.

2. Шзысенив качества проектирования технологических процессов сборки за счет рационального назначения допусков на изготовление деталей изделия и оснастки и выявления на этапе ТИП принципиальной возможности реализации сборочных операций. "

Общие выводы и результаты работы.

1. В работе разработана геометрическая модель детали, формирующаяся автематиэированно на осноье Зирмал/зованного описании ее поверхностей, позволяющая азтоштнзировавно мкрогать описание относительного положения поверхностей детали. •;

2. Разработана'математическая модель оделил, а^оиати-зированно фэрмируицазся .на основе моделей деталей, пОйуэляю-^ шя описывать пространственные взаимосвязи. злементпв^жпол^--).

Резервы расширения полей допусков деталей при использовании пространственных размерных . пзпзй

Л

х .о.

А

\ Я >

- область допустимых значений параметров

заминающего звена пространственной размерной цепи

i - область допустимых значений параметров

замыкающего звена в плоских размерных цепях

Рис. 3

зумыэ затем для определения требуемой точности относительного • положения Поверхностей деталей.

3. На основе анализа факторов, действующих в процессе сборки изделия и оказывающих ьлиянне на обеспечение его точности, било установлено, что значения параметров части Фпют-ров, названных в работе конструкторскими, задастся в процессе конструирования изделия и сборочной технологической оснастки и качество принимаемых на этапе проектирования решений сказывает влияние на обеспечение точности недолил в процессе сборки.

4. Разработала методика решения прямой задачи прост. ранственного размерного анализа, позволяющая рассчитьвать допуски па линейные и угловые погрешности составляющих звеньев с учетом пространственной ззаи; освязи параметров составляют« звеньев пространственной размерной цепи и скококпчности производства изделия ¡¡а основе приоритетного назначения допусков на составдявде звенья размерной цеп.1. . .

5. ■Обеспечение условия-собираемости деталей, вытекающего из геометрической структуры соединимых деталей, является по' казателем точности соединения деталей при" заданных режкмн*

соединения. Это позволило использовать услоеиэ собираемости деталей з качестве.пегазателя обеспечения точности соединения деталей при исследовании влияния на нее конструкторских ■ и технологических фалтеров.

6. Нз основе. разработанной модели сборочной технологической системы, позволяющей моделировать геометрические связи, возникающие в процессе соединения деталей, проанализпро-вано действие ряда конструкторсга-технологических факторов нз точность относительного положения сопрягаемых поверхностей

, деталей перёд соединением и систематизировать связи мевду констр/кторско-технологическикги факторами и обеспечением точности изделия в процессе сборга. •

7. В' результате проведенного исследования влияния ряда факторов ка принятый в работе показатель обеспечения точности соединения, деталей Сшо установлено, что изменение, параметров п^т.сателя точности прямо или обратно пропорционально игмечч-

кию соответствует« параметров показателя точности действующего фактора.

Оснорнке результаты диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

1) Глиисгля Я. Автоматизация формирования геометрической модели изделия. / Автоматизация и новые технологии. N 6,1692/

2) Глинская 11XX Кузьмин В. В. Определение парапетов точности сборочной технологической оснастки /Средсвтва технологического оснащения механосборочного производства. Материалы семинара. Москва, 1992/

3) Глинская Н. ¡0. Определение требуемой точности сборочной технологической системы /5ф£ективность использования машиностроительного оборудования. Научно-техническая конференция. Саранск, 1391/

4) Глинская II Ю., Кузьмин Е В. Выявление и расчет пространственных размерных цепей. /Тезисы докладов. Научно-техническая конференция. Владимир, 1392/

5) Глинская Е КХ Геометрическая модель изделия для рещения задач пространственного размерного анализа. /Тезисы докладов XIV научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития уральского региона". (часть первая) Оренбург, 1992 /

6) Глинская К Ю. Автоматизация формирования геометрической модели изделия для решения задач размерного анализа./Тезисы докладов XIV научно-технической конференции " Состояние I! перспективы развития уральского региона" (часть

. первая), Оренбург. 1992./

--"Р1--:-вод.*