Введение к работе
Актуальность проблем: :ы. Массовая продукция производится на автоматических линиях (ЛЛ). Длительность и трудоемкость их ручной переналадки затрудняет обновление и совершенствование изделий, вызывает значительные организационные и коммерческие потери. Для мелкосерийного и, в пределе, единичного производства создаются ГПС^в которых исполнительные механизмы (ИМ) переналаживаются одновременно множеством индивидуальных приводов с ЧПУ. Однако и АЛ и ГПС недостаточно эффективны в условиях средней серийности с частотой переналадки один-два раза в смену и реже. Это относится и к станочной оснастке. Приспособления под заготовки сложной формы обычно собираются из унифицированных элементов вручную за несколько часов. А стоимость комплекта палет с приспособлениями сопоставима или даже превышает стоимость самого обрабатывающего центра.
Данное иследопанис посвящено проблемам гибкой автоматизации производственных систем, частота переналадки которых недостаточна для окупаемости множества индивидуальных приводов в ГПС и велика для ручной наладки. Эту проблему предлагается решать на основе оперативного варьирования структуры исполнительных устройств и расширения многофункциональности приводов с ЧПУ, обрабатывающих и манипуляционных систем. Структура подобных временных исполнительных устройств оптимальным образом приводится в соответствие со спецификой выполняемых наладочных, манипуляционно-сборочных и технологических операций. При незначительном замедлении последних существенно сокращается число приводов с ЧПУ и, следовательно, уменьшаются габариты и стоимость комплексов.
Создание такого нового вида средств гибкой автоматизации требуетсоответствующего теоретического и методического обеспечения. Необходима разработка общих принципов построения ГПС с многофункциональными приводами (ГПС МП) -синтеза, систематизации и сравнительного анализа схемных решений подсистем: привода и позиционирования исполнительных звеньев, оперативного объединения компонентов в комплексные устройства, фиксации ИМ между наладками. Исполнительные комплексные устройства ГПС МП отличаются вариативностью и многообразием структур. Велика опасность аварий от неправильного программирования. Поэтому проектирование и особенно эксплуатация ГПС МП невозможны без поддержки САПР,
требующей разработки адекватных специфике подобных комплексов методов их математического моделирования и проведения в больших объемах численных расчетов. Высокая степень общности предлагаемой концепции показывается на практических примерах автоматизации переналадки автоматических линий, станочной ос пастки и манипуляционных систем. Реализуемость и эффективность подтверждаются их анализом с помощью введенных методов моделирования, экспериментальными исследованиями и результатами внедрения. Эти теоретические и методические разработки являются основой решения важной народно-хозяйственной проблемы повышения эффективности и расширения сферы применения гибкой автоматизации производства.
Тема работы соответствует планам НИР, выполняемых в СПбГТУ в рамках целевой научно-технической программы ГКНТ и АН СССР «Технологии, машины и производство будущего», Распоряжениям СМ СССР от 25.10.88 № 211р, Бюро СМ СССР по машиностроению от 29.02.88 № БМб-223 и от 26.07.89 № БМб-545, Постановлению СМ России от 13.06.91 №396.
Целью работы является разработка теоретических и методических основ повышения эффективности и расширения сферы применения гибких производственных модулей и систем за счет оперативного варьирования их структуры и многофункционального использования приводов с ЧПУ, обрабатывающих и манипуляционных подсистем. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих основных задач:
разработка теоретических и методических основ построения ГПС с многофункциональными приводами и оперативно варьируемой структурой;
разработка методов математического моделирования комплексных устройств с оперативно варьируемой структурой для автоматизации их анализа, синтеза и программирования;
разработка принципов построения комплексов с многофункциональными приводами для автоматизированной переналадки станочных приспособлений, автоматических линий и манипуляционных систем;
экспериментальное исследование системы автоматической переналадки станочных приспособлений.
Методы исследования, используемые в диссертации, относятся к теоретической и аналитической механике, теории механизмов и машин, теории матриц и векторного анализа, теории точности и системотехники. Из специальных научных дисциплин
привлечены метрология и теория базирования.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается сравнением полученных численных решений тестовых задач с известными аналитическими зависимостями, конструкторскими разработками, а также хорошей согласованностью с экспериментальными данными.
Научная новизна и положения, выносимые на защиту:
-
Концепция адаптации производственных систем к изменениям продукции и технологии посредством поочередной переналадки совокупности исполнительных механизмов общим многофункциональным приводным устройством" с ЧПУ, перемещаемым между объектами наладки.
-
Принципы построения интегрированных ГПМ, отличающихся оперативным варьированием структуры и использованием обрабатывающей подсистемы для выполнения дополнительных функций: манипулирования, сборки, наладки, привода и контроля приспособлений. Методы обоснования выбора степени автоматизации и интеграции операций механообработки.
-
Принципы построения систем переналадки автоматов и автоматических линий с помощью роботов, переносимых приводных агрегатов с ЧПУ, кибернетизированных инструментов и приборов.
-
Теория гибкой автоматизации производств с оперативно варьируемой структурой и многофункциональными приводными устройствами с ЧПУ. Принципы декомпозиции системы на совокупность исполнительных механизмов и общее многофункциональное приводное устройство. Методы и средства формирования комплексных устройств, их привода, позиционирования и фиксации.
-
Общая математическая модель комплексных устройств с оперативно варьируемой структурой, отличающаяся системным иерархическим описанием с единым аппаратом преобразований геометрических, кинематических, статических и точностных параметров.
-
Методы расчета точности пространственных механизмов и агрегатно-модульных систем, базирующиеся на аппарате преобразования матрицами передаточных отношений бивекторов погрешностей в нормализованной и произвольнной форме. Свойство общности матриц преобразования точностных, кинематических и статических параметров. Эффектнвне методы определения матриц передаточных отношений, использующие эту общность.
Новизна схемных и технических решений подтверждается 17 авторскими свидетельствами на изобретения.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
предложено решение важной народно-хозяйственной проблемы повышения эффективности и расширения сферы применения гибкой автоматизации на области средней серийности и нетрадиционные отрасли промышленности;
разработаны средства автоматизации переналадки станочного оснащения, открывающие перспективу беспалетной обработки сложных заготовок на обрабатывающих центрах, полной автоматизации и интеграции всех операций механообработки и за счет этого сокращения стоимости и габаритов ГПМ;
предложены переносные приводные агрегаты с ЧПУ, кибернетизированные инструменты и приборы, позволяющие ускорить переналадку автоматов и автоматических линий сборки, механообработки, производственных комплексов химической, пищевой, легкой, строительной промышленности;
— предложены манпиуляционные системы с мобильными
приподними агрегатами, позволяющие перемещать тяжелое тех
нологическое оборудование в экстремальных условиях космоса,
высотных сооружений, горных разработок.
Реализация и внедрение результатов работы:
автоматически переналаживаемые станочные приспособления изготовлены и внедрены в интегрированной проектно-произ-водственной системе механообработки деталей, созданной в инженерном центре ГПС СПбГТУ; расчетный годовой экономический эффект, отнесенный к разработкам, выполненным под руководством автора, составляет 1,7 млн.руб. в ценах 1990 г.
принципы построения, методы анализа и синтеза систем с многофункциональными приводными устройствами с ЧПУ внедрены во ВНИИЭСО при создании сварочных производственных модулей, и использованы в ЦНИИ РТК при разработке роботов, предназначенных для монтажных и сборочных операций в экстремальных условиях;
теоретические положения и выполненные на их основе методические разработки использованы в учебном процессе на кафедрах «Автоматы», «Механика и процессы управления», «Технической кибернетики» СПбГТУ, а также в СПбХТИ, СПбЖТ в лекционных курсах, курсовом и дипломном проектировании.
Апробация работы. Оснвные положения диссертации докла-
дывались и обсуждались на Всесоюзных совещаниях по робото-техническим системам (Суздаль 1978, Минск 1981); 2 Всесоюзном съезде по ТММ (Одесса 1982); Российской научно- технической конференции «Роботы и манипуляторы для экстремальных условии» (СПб 1992); международных научно-технических конференциях по искусственному интеллекту (СПб 1990), робототехнике и ГПС (Прага 1992), а также на научных семинарах института машиноведения АН (Москва), МГТУ, СПбГТУ. Автоматически переналаживаемая станочная оснастка, спроектированная автором, демонстрировалась на международной промышленной выстапке (Брно, 1990).
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано около 40 работ, в том числе 6 книг, 17 авторских свидетельств на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав основного текста, заключения с перечнем основных результатов и выводов, списка цитируемой литературы, прилоеж-ния с материалами о внедрении. Работа содержит 292 стр. основного текста, 108 рисунков, 13 таблиц, списка литературы из 267 наименований и 32 стр. приложений.