Введение к работе
Актуальность проблемы. Эффективным средством интенсификации производства, повышения качества и конкурентоспособности продукции является автоматизация технологических процессов и производств. Сборочные операции, являясь завершающим этапом производственного цикла изделий, в значительной мере определяют их технико-экономические и качественные показатели.
Предпосылками автоматизации сборочных операций являются:
высокая трудоемкость сборки, достигающая 18-45% от трудоемкости изготовления изделий приборо- и машиностроения;
большое количество (до 40%) типовых соединений (по цилиндрическим и коническим поверхностям, резьбовых, по плоскостям), ручная сборка которых не требует высокой квалификации работников и отличается монотонностью и повторяемостью рабочих движений;
зависимость производительности труда и качества сборки от субъективного человеческого фактора;
неблагоприятные для человека факторы сборочных производств: шум, вибрации, удары, повышенные температуры и т. д.
необходимость быстрой переналадки производства на выпуск новых видов продукции.
Несмотря на эти предпосылки, уровень автоматизации сборки существенно отстает от автоматизации других этапов производственного цикла. Так, в мировой промышленности механизировано около четверти сборочных операций, а автоматизировано не более 5 -- 12%, в то время как уровень автоматизации обрабатывающих операций приближается к 90 — 95%.
Причинами такого положения являются:
-наличие нескольких аспектов проблемы автоматизации сборки, основным из которых является автоматическая ориентация (или адаптация) сопрягаемых поверхностей при совмещении соединяемых деталей;
-многообразие конструкций соединяемых деталей и требований к собираемым узлам, что затрудняет анализ взаимосвязей и закономерностей, действующих в процессе адаптации сопрягаемых поверхностей;
-попытки решения проблемы автоматической адаптации деталей в рамках частных технологических задач, в то время как она является одним из вопросов общей задачи управления движением деталей.
В силу этих причин разработка средств автоматизации сборочных операций ограничивается потребностями и возможностями отдельных отраслей и даже промышленных предприятий. Результатом такого подхода является решение частных задач на уровне конструктивной проработки, как правило, без систематизации и обобщения найденных решений. Для обеспечения
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ і
БИБЛИОТЕКА j
концепции проектирования автоматизированных сборочных устройств, базирующейся на принципе «от общего - к частному» весьма актуальной является проблема теоретического обоснования методов автоматического управления процессом адаптации деталей наиболее распространенных в изделиях машино- и приборостроения соединений.
Из изложенного следует, что в настоящее время существует актуальная научно-техническая проблема автоматической адаптации сопрягаемых поверхностей при совмещении соединяемых деталей, от решения которой в значительной мере зависит уровень автоматизации сборочных операций и качество изделий.
Цель работы - теоретическое обоснование методов и разработка эффективных средств адаптации для различных видов сопрягаемых поверхностей соединений при автоматизированной сборке на основе выявленных взаимосвязей, действующих в процессе ориентации соединяемых деталей, на базе принципов автоматического управления.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
разработка системной модели функционирования автоматизированного сборочного устройства. Анализ взаимосвязей, действующих в процессе целенаправленной ориентации соединяемой детали;
теоретическое обоснование необходимых и достаточных условий автоматизированной сборки. Формирование требований к структуре средств адаптации на основе необходимых и достаточных условий;
теоретическое обоснование методов адаптации соединяемых деталей на основе общих методов управления движением по программной траектории;
формирование требований к элементной базе методов адаптации и теоретическое обоснование границ применения методов адаптации и способов их осуществления;
разработка эффективных средств адаптации для автоматизированной сборки различных видов соединений на основе предложенных методов адаптации. Разработка методических рекомендации по выбору параметров средств адаптации;
экспериментальное подтверждение эффективности адаптирующих устройств для автоматизированной сборки различных соединений;
разработка методологии проектирования адаптирующих устройств для автоматизированной сборки различных соединений.
Методы исследования. Для разработки системной модели функционирования устройств и обоснования необходимых и достаточных условий автоматизированного совмещения, методов и способов адаптации в работе использовались аналитические методы исследования: методы теории мно-
жеств, математического анализа, линейной алгебры, аналитической механики, теории автоматического управления, математического и цифрового моделирования и др.
Для подтверждения эффективности предложенных методов и средств адаптации применялось цифровое и физическое моделирование, экспериментальные исследования в лабораторных и производственных условиях с использованием стандартной измерительной аппаратуры и оборудования.
Научная новизна. На основе принципов автоматического управления и выявленных взаимосвязей, действующих в процессе ориентации соединяемых деталей, разработан общий подход к решению научно-технической проблемы автоматической адаптации сопрягаемых поверхностей различных видов соединений, включающий:
1. Теоретическое обоснование методов адаптации различных видов сопрягаемых поверхностей соединяемых деталей, учитывающих:
особенности взаимосвязей, действующих в процессе совмещения сопрягаемых поверхностей различных видов соединяемых деталей при автоматизированной сборке;
необходимые и достаточные условия автоматизированного совмещения сопрягаемых поверхностей соединяемых деталей, определяющие требования к реализации программных траекторий совмещения и точности перемещения и позиционирования деталей по этим траекториям;
программные траектории совмещения сопрягаемых поверхностей и их элементов, обеспечивающие эффективную ориентацию деталей по угловым и линейным координатам адаптации при автоматизированной сборке;
общие методы управления движением соединяемых деталей по заданным программным траекториям;
принципы автоматизированного совмещения различных видов сопрягаемых поверхностей, на основе которых разработаны методы адаптации:
а) адаптивное позиционирование детали по линейным и угловым ко
ординатам из неопределенного начального в требуемое согласованное поло
жение с точностью, отвечающей условиям собираемости при статическом
совмещении сопрягаемых поверхностей или их элементов;
б) адаптивная стабилизация движения соединяемой детали относи
тельно семейства программных траекторий, определяемого неопределенным
начальным положением детали и условиями собираемости при динамиче
ском совмещении сопрягаемых поверхностей или их элементов;
в) ненаправленный поиск согласованного положения по траекториям,
формируемым за счет собственного движения адаптирующего устройства с
учетом условий динамического совмещения сопрягаемых поверхностей или их элементов.
2. Ограничения на области применения предложенных методов и
средств адаптации, включающие:
разработку критериев для оценки работоспособности средств адаптации на основе необходимых и достаточных условий автоматизированного совмещения сопрягаемых поверхностей и их элементов; *
требования к значениям параметров и режимам работы адаптирующих устройств;
3. Методология проектирования эффективных средств адаптации раз- \
личных видов соединяемых деталей.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
1. На базе предложенных методов адаптации различных видов деталей
с учетом возможных вариантов взаимосвязей устройств разработаны спосо
бы их реализации и конструктивные схемы средств адаптации, используе
мые в конструкциях сборочных автоматов и обеспечивающие:
адаптивное позиционирование различных деталей;
адаптивную стабилизацию движения деталей и их элементов;
ненаправленный поиск согласованного положения соединяемых деталей.
-
Разработана методология проектирования эффективных средств адаптации для автоматизированной сборки различных видов соединений, позволяющая автоматизировать процесс проектирования адаптирующих устройств.
-
Внедрены в производственный и учебный процесс конструкции средств адаптации, обеспечивающие автоматизированную сборку различных соединений. '
Реализация результатов работы. В результате выполнения исследовательских работ были внедрены:
установка для сборки деталей, соединяемых по цилиндрическим по- 1 верхностям (ОАО «Завод им. В.А. Дегтярева»);
многошпиндельное адаптивное завинчивающее устройство (ОАО «Завод им. В.А. Дегтярева»);
передана научно-техническая документация для изготовления шестишпиндельного и двухшпиндельного гайковертов нормированного осевого усилия (АО «Ковровский экскаваторный завод»);
средство адаптации осесимметричных деталей на базе учебного ро-бототехнического комплекса и многошпиндельное завинчивающее устройство, которые используются в лабораторном практикуме по дисциплинам
«Автоматизация сборочных работ» на кафедре приборостроения, ангомагики и управления и «Автоматизация производственных процессов» на кафедре технологии машиностроения Ковровской государственной технологической академии.
Достоверность результатов, представленных в диссертационной ра
боте, рекомендаций и выводов основывается:
у - на корректном применении в исследованиях теоретических положе-
ний фундаментальных наук (высшей математики, аналитической механики, теории автоматического управления и др.);
на непротиворечивости экспериментальных данных, полученных при цифровом и физическом моделировании средств адаптации;
на успешных испытаниях и эксплуатации устройств в условиях производства ( ОАО «ЗИД», АО «КЭЗ»).
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на:
-
IV международном конгрессе «Конструкторско-технологическая информатика - 2000, доклад в г. Москве, МГТУ «Станкин», 2000 г.;
-
Пяти Международных конференциях (девять докладов), в том числе:
- два доклада - «Системные проблемы качества, математического мо
делирования и информационных технологий» Москва - Ковров - Сочи,
1999г.; один доклад — «Прогрессивные технологии, машины и механизмы в
машиностроении» г. Калининград, 2000 г.; два доклада - «Управление в тех
нических системах - XXI век» г. Ковров, 2000 г.; два доклада - «Современ
ные методы сборки в машиностроении» г. Киев, 2002 г.; два доклада -
«Сборка в машиностроении, приборостроении» г. Брянск, 2001 г.;
3. На Всероссийских конференциях, в том" числе:
- два доклада - «Современные технологии в машиностроении»
г.Пеюа, 2002 г.; два доклада - «Современные проблемы радиоэлектроники»
г. Красноярск, 1999,2001г.; девять докладов - «Экстремальная робототехни
ка» г. С Петербург, 1996 - 2003 гг.
4. На научно-технических конференциях (девять докладов).
Всего соискателем сделано по теме диссертации 32 доклада.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 55 печатных работ,
в том числе монография, учебное пособие, 15 статей в центральных журналах, 16 статей в сборниках вузов, 1 патент на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, заключения, списка литературы и приложений.
