Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ существующих способов и технических средств автоматизации сборки деталей, сопрягаемых по резьбовым поверхностям. Цель и задачи работы .
1.1 Анализ методов и конструкций устройств сборки деталей, сопрягаемых по резьбовым поверхностям,
1.1.1. Устройства с активными средствами адаптации 9
1Л .2, Устройства с пассивными средствами адаптации 33
1.2 Цель и задачи работы. 3 7
Глава 2. Обеспечение структурной схемы управления и кинематики устройств, обеспечивающих расширение возможностей доориентации резьбовых деталей при автоматизированной сборке .
2.1 Обоснование структурной схемы управления устройств, обеспечивающих доориентацию резьбовых деталей в процессе автоматизированного наживления и завинчивания .
2,2 Разработка кинематической схемы устройства, обеспечивающего расширение возможностей доориентации резьбовых деталей, при автоматизированной сборке.
Глава 3. Теоретическое обоснование работоспособности средств адаптации, обеспечивающих надёжную автоматизированную сборку резьбовых соединений -
3.1 Теоретическое обоснование доориентации соединяемых деталей . 52
3.2 Способ пассивной адаптации деталей при податливом креплении завинчивающего устройства с переменной угловой жёсткостью. Условия собираемости при автоматизированноой сборке.
Глава 4. Экспериментальное подтверждение работоспособностисборочных устройств при доориентации соединяемых деталей, разработанных на основе доказанного способа пассивной адаптации деталей .
4.1 Экспериментальный способ для исследования процесса автоматизированного совмещения соединяемых деталей и их сборки . 99
4.2 Экспериментальное подтверждение предельных углов перекоса осей соединяемых деталей, при которых обеспечивается надёжная доориентация. 107
43 Экспериментальное подтверждение режимов работы сборочного оборудования.
Глава 5. Методика определения параметров податливого крепления завинчивающего устройства .
Заключение по диссертационной работе. 128
Список используемой литературы, 130
- Устройства с активными средствами адаптации
- Обоснование структурной схемы управления устройств, обеспечивающих доориентацию резьбовых деталей в процессе автоматизированного наживления и завинчивания
- Теоретическое обоснование доориентации соединяемых деталей
- Экспериментальный способ для исследования процесса автоматизированного совмещения соединяемых деталей и их сборки
Введение к работе
Автоматизация производства является важнейшим направлением развития промышленности.
Автоматизация позволяет снизить трудоёмкость, а следовательно, повысить производительность труда, надёжность изготовления, сборки и эксплуатации изделий, исключить травматизм и тяжёлый однообразный физический труд, вредное воздействие на человека вибрации, шума, пыли» отравляющих веществ и других факторов, а главное, обеспечить стабильное и высокое качество изделий. Итогом автоматизации является повышение роли человека в производственном процессе.
В настоящее время в промышленно развитых странах мира уровень автоматизации обрабатывающих операций составляет 90.. .95 %, а сборочных -7...12%
Эти работы выполняются на автоматических линиях с применением роботизированных систем. Трудоёмкость сборки изделий составляет 35 % от общей трудоёмкости при создании машин, а стоимость этих работ в машиностроении достигает 50 %. При сборке изделия наиболее широко применяются резьбовые соединения. Так в легковом автомобиле среднего класса используется крепёжных деталей до 2,5...3 тысяч, а в автомобильной промышленности мира ежегодно собирается 6*1010 резьбовых соединений.
Главным фактором, сдерживающим автоматизированную сборку машин и механизмов, является исключительная сложность обеспечения точного совмещения сопрягаемых поверхностей соединяемых деталей.
В настоящее время профессором Житниковым ЮЗ. разработан метод пассивной адаптации деталей соединяемых по резьбовым и цилиндрическим поверхностям, который позволяет собирать эти соединения при значительных (до 3 мм) относительных смещениях осей.
Расширение этого диапазона значительно снизит затраты в производстве. На основании этого можно утверждать, что существует задача расширения диапазона доориентации деталей, сопрягаемых по резьбовым поверхностям при автоматизированной сборке, обеспечивая высокое качество изделий. Целью настоящего исследования является расширение технологических возможностей собираемости резьбовых деталей, на основе автоматической доориентации при неустойчивом движении корпуса завинчивающего устройства.
Научная новизна:
1. Теоретически обоснован способ пассивной адаптации деталей, сопрягаемых по резьбовым поверхностям, при неустойчивом движении корпуса завинчивающего устройства с податливым креплением при автоматизированной сборке изделий, который включает:
условия автопоиска (сканирования) концом соединяемой детали отверстия на поверхности узла, определяемого законами прецессионного и нутационного движения корпуса завинчивающего устройства;
условия невыхода конца соединяемой детали из зоны отверстия в зависимости от траектории пересечения соединяемой деталью зоны резьбового отверстия;
- предельные режимы вращения шпинделя завинчивающего устройства в
зависимости от параметров соединяемых деталей и устройства завинчива
ния, при которых гарантируется невыход конца детали из зоны резьбового
отверстия;
условия углового совмещения осей соединяемых деталей в зависимости от параметров завинчивающего устройства и соединяемых деталей;
структурную схему управлення процессом сборки деталей, сопрягаемых по резьбовым поверхностям, с активными обратными связями;
Ф - кинематическую схему устройства доориентации деталей» сопрягаемых по
резьбовым поверхностям, с пассивными обратными связями. Практическая ценность:
L Разработана методика определения параметров податливого крепления завинчивающего устройства при сборке соединяемых деталей, сопрягаемых по резьбовым поверхностям,
2. Разработаны и опробованы в условиях производства (ОАО «Завод имени В- А. Дегтярёва», г. Ковров) оригинальный способ и конструкция устройства автоматизированной сборки деталей, сопрягаемых по резьбовым поверхностям на основе метода пассивной адаптации.
*
Устройства с активными средствами адаптации
Существует три метода доориентации соединяемых деталей, сопрягаемых по цилиндрическим и резьбовым поверхностям:
активной адаптации, когда для совмещения деталей используется датчики обратной связи в системе автоматического управления;
- совместного движения деталей по некоторым траекториям, предусматри-вающим момент совмещения их осей;
пассивной адаптации, когда обеспечивается самосовмещение их осей. 1.1.1 Устройства с активными средствами адаптации.
В современном автоматизированном сборочном оборудовании величина относительного смещения осей соединяемых деталей может достигать несколь-ких миллиметров, а угол перекоса 5-7 и более [19]. При таких смещениях даже наличие фасок на двух соединяемых деталях не позволяет надежно производить как одиночную, так и групповую сборку.
Учитывая, что при роботизированной сборке относительное смещение осей соединяемых деталей может достигать порядка 10 мм, а угол перекоса 10 и более, сборку деталей, соединяемых по резьбовым поверхностям, обеспечить практически невозможно без специальных средств и методов доориентации. Причем, процесс совмещения деталей при роботизированной сборке с использованием средств активной доориентации длится 30-..45 секунд.
Недостаточная точность ориентации при роботизированной сборке в основном обусловлена применением внешних следящих систем, например таких, как следящие системы с применением потенциометров, трансформаторов, сельсинов, индукционных потенциометров, серводвигателей И Др. [4],
Следящая система является устройством, которое устанавливает положение объекта в соответствии с изменяющимся сигналом, обладающим весьма незначительной мощностью. Ее действие основано на наличии разности сигналов между действительным положением объекта и заданным. Следящие системы относятся к семейству устройств, известных как системы регулирования с обратной связью.
Наиболее широко распространенным способом выявления рассогласования требуемого и действительного положения механизма является способ использования сельсинов. На (рис. 1.1) [4] показана типовая следящая система, исполь-зующая пару сельсинов в качестве выявителя рассогласования сигналов. Командный вал соединяется муфтой или зубчатой передачей с валом сельсин-датчика. Сельсин-датчик возбуждается переменным током. Три провода, выходящие из управляющего сельсина-датчика, присоединяются к сельсин-трансформатору, который может быть удален на значительное расстояние от датчика. Вал сельсин-трансформатора соединяется с управляемым валом посредст-вом зубчатой передачи или муфты, и два провода от сельсин-трансформатора подают напряжение на вход усилителя- Это напряжение является сигналом рассог-ласования и мерой ошибки следящей системы. Как и большинство других элементов, сельсины не являются совершенным устройствами. Они имеют главные недостатки: неточность, инерционность и наличие остаточного напряжения. Следящая система не может быть точнее, чем устройство, измеряющее ее ошибку. Если датчик рассогласования неточно из меряет угловую разность положения двух валов, ошибка следящей системы не будет меньше этой неточности. Усилитель и двигатель следящей системы стремятся привести ее к положению, при котором напряжение рассогласования будет стремиться к нулю. Но если появится нулевое напряжение, при неточном согласовании управляемого вала с командным, значит, в следящей системе имеется ошибка.
Хотя сельсины могут быть изготовлены со статической ошибкой в несколько минут, в действительности статическая ошибка системы датчика и трансформатора составляет около 18 минут и является функцией положения ротора, причем эта ошибка условиям собираемости соизмерима с минимальным перекосом осей соединяемых резьбовых деталей.
Источником ошибок сельсина являются главным образом неточности изготовления. Например, ошибки могут появиться, если обмотки статора датчика будут неидентичными. Различие в обмотках может вызываться различным числом витков на катушках или, что белее неуловимо, различным сопротивлением обмоток катушек. Для машин с явно выраженными полюсами, длина и форма полюсов имеет важное значение. В машинах с круглыми роторами последние должны быть отшлифованы до очень точной округлости. Эллиптичность, как статора, так и ротора приводит к ошибкам- Например, эллиптичность ротора или статора на величину 0,0025 мм создает ошибку 4 в типовом сельсине малого размера.
Ротор должен быть точно установлен относительно оси статора и листы сердечника должны иметь однородные магнитные свойства, при оценке которых следует принимать во внимание даже направление прокатки листа. Статическая ошибка имеет главенствующее значение, однако, следует учитывать и динамические ошибки сельсинов. Они вызываются тем, что магнитные потоки, создающиеся в сельсинах, пересекаются обмоткой статора- Таким образом, следящие системы, использующие сельсины, приобретают дополнительную ошибку при быстром вращении валов, при чем эта ошибка приблизительно пропорциональна скорости вращения вала. Направление динамической ошибки сельсина при постоянной скорости его вала таково, что увеличивает установившуюся ошибку следящей системы, когда сельсин отрабатывает постоянную скорость командного сигнала.
Обоснование структурной схемы управления устройств, обеспечивающих доориентацию резьбовых деталей в процессе автоматизированного наживления и завинчивания
При автоматизированной сборке резьбовых соединений процесс доориента ции соединяемых деталей должен происходить не только при автоматизирован ном наживлений, т.к. только в этом случае можно обеспечить требуемое качест во, но и в процессе завинчивания. Это объясняется тем, что при завинчивании из-за перекоса осей соединяемых деталей резко возрастает сопротивление в , резьбе, что может привести к недовинчиванию деталей и, в конечном счёте, к некачественной сборке. Предлагается универсальная структурная схема управления устройством завинчивания, в основе которой заложены обратные связи и процесс доориентации резьбовых деталей осуществляется за счёт углового совмещения осей платформы. Структурная схема имеет два контура управления: МВЛИОТЁКА 1. Контур самонаведения, на котором расположено завинчивающее устройство - платформа; 2. Контур стабилизации, на котором закреплена соединяемая деталь. Контур стабилизации предназначен для компенсации изменения угловых координат устройства при наведении соединяемой детали на резьбовое отверстие. Контур самонаведения (верхняя часть структурной схемы) имеет два канала управления по угловым координатам а и р, t В этом контуре задающие устройства ЗУ а и ЗУ 3 формируют программные управляющие воздействия по напряжениям - Ua np и Ufinp от сигналов системы технического зрения (ст.З) или датчиков обратной связи, определяющих угло вые координаты резьбового отверстия, связанные с корпусом собираемого узла. Программное напряжение поступает на приводы позиционной следящей сис
темы. Разность сигналов сравнения напряжений СТЗ с сигналами чувствитель ф, ных элементов Д, расположенных на осях приводов аг и ft (ЧЭа и И7 ), по ступает на усилители Wy корректирующих звеньев WK3. Усиленный сигнал подаётся на двигатель WD3a, и WDB$ вращательные моменты от которых через механизм преобразования (редуктор) Wm обеспечивает поворот подвеса контура самонаведения VC Р1 и у, Р2 на требуемые углы а и fi. При повороте подвеса возникают моменты противодействия от вязкого трения ЫР и ЫР и от статической неуравновешенности системы mqrsma и mgr sin/?.
Программные напряжения поступают на приводы позиционной следящей системы. Разность сигналов сравнения напряжений СТЗ с сигналами чувствительных элементов Д U, расположенных на осях приводов Utt и Up (W43a и №чэр), поступает на усилитель Wy корректирующих звеньев WK3.
Усиленный сигнал подается на двигатель 1№дв х и \Удвр, вращательные моменты от которых через механизм преобразования (редуктор) WMn обеспечивает поворот подвеса контура самонаведения и на требуемые углы аир. При повороте подвеса возникают моменты противодействия от вязкого трения BjP и В2? и от статической неуравновешенности системы mgrsin а и mgrsin р.
Метод кинематического наведения при нулевой несогласованности углов поворота, когда Да = 0, Др = О существуют перекрестные связи, определяемые так называемой погрешностью карданных подвесов, которые учитываются передаточными функциями W КП] и W кп2 Величины изменения углов аир являются входными сигналами для контура стабилизации - нижняя часть структурной схемы управления (рис, 2.1). Сигналы от чувствительных элементов W43a и Wn3p поступают на контур стабилизации WB И далее на его чувствительные элементы W3y а иЛУзур , которые формируют программные напряжения Unp а1 и Unp р1. Эти напряжения отрабатываются контурными следящими приводами, включающими корректирующие звенья WK3, усилитель Wy, двигатели WflBa\ АУдвр з механизмы преобразования движения WMn, объекты управления и . Объекты управления связаны обратными связями по вязкому трению взР( ВцР, На их входах учтены внешние воздействия Мвоз.м. На входы двигателей приведены сигналы помех в усилителях н корректирующих звеньях Un. Поворот детали в контуре стабилизации учитывается по суммарному углу поворота через передаточную функцию суммирования Wc [Wc » 1].
В результате окончательно получаем требуемые углы поворота а , р На основании структурной схемы (рис, 2.1) можно создать ряд кинематических схем устройств автоматизированной доориентации деталей, сопрягаемых по резьбовым поверхностям, которые бы обеспечивали доориентацию в широком диапазоне.
Одна из кинематических схем приведена на (рис. 2.2.). Верхний карданный подвес с системой управления выполняет функции контура самонаведения соединяемой детали и включает чувствительные элементы ЧЭа,, ЧЭр поворота платформы с двигателем вертикального перемещения ДВг посредством двигателей ДВо, ДВр на углы а, /?. Нижний карданный подвес с системой управления выполняет функции контура стабилизации соединяемой детали и включает ЧЭа,,ЧЭр завинчивающего устройства ДВа с помощью двигателей ДВа.,ДВр.
Информация на управление кинематической схемой поступает с системы технического зрения (СТЗ).
Можно разработать структурную схему управления доориентацией соединительных деталей, в которой контур самонаведения будет обеспечивать доориентацию по координатам х9у, а контур стабилизации - по углам a\fi\
Теоретическое обоснование доориентации соединяемых деталей
Исследуем каждый из этих этапов движения.
Рассмотрим движение нижнего конца шпильки I (рис. 3.1)э захваченной вращающимся патроном 2? поджатым пружиной 3, по плоскости детали 8, на которой имеется резьбовое отверстие. Патрон 2 на пшинделе 7 завинчивающего устройства 6 закреплён шарнирно. Завинчивающее устройство имеет податливое крепление, снабжённое пружиной 5 и болтами 4, вставленными в плиту 13 с зазором и снабжённое пружинами 14.
Для исследования процесса сборки составим дифференциальное уравнение движения механической системы (завинчивающего устройства с податливым креплением). Воспользуемся уравнением Лагранжа второго рода
Патрон 2 с резьбовой деталью 1 вращается вокруг оси OZj под действием пары сил Ма Равнодействующая давления резьбовой детали на поверхность узла 8 равна Р. Вес завинчивающего устройства равен стэ и приложен в центре масс на расстоянии 1г от плиты 13, на которой оно закреплено.
Вес патрона a2j длина которого согласно рис. равна /2. 4 Вес шпильки - о\г длина /х ш Расстояние от плиты 13 до нижнего конца шпильки - Ь. На завинчивающее устройство действуют два восстанавливаю их момента, пропорциональных углу нутации 9 (Mi — KiG и Мг— Кг9), где Кь Кг- коэффициенты пропорциональности или угловые жесткости пружин- Патрон имеет пружину 3 с жёсткостью Сь а податливое крепление имеет пружи _ ну 5 с жёсткостью с%. Скользящий по плоскости узла конец шпильки и повора чивающееся крепление завинчивающегося устройства создают сопротивление вращению Мс вокруг оси Z. Сила давления на болт крепления — Р1# Пружина 14 болта 4 имеет жёсткость сз и предварительное поджатие аз. 8 пружине 5 создаётся предварительное поджатие 0 за счёт затяжки болтов 4.
Механическая система совершает сложное движение. Она движется вместе с центром масс завинчивающего устройства и вокруг оси, проходящей через его центр. Исследуемая механическая система имеет шесть степеней свободы. В качестве обобщённых координат примем углы Эйлера ф, у5 9 и координату центра масс Z, где: Ф - угол собственного вращения шпинделя завинчивающего устройства вокруг оси Z; \/ - угол прецессии - поворот корпуса завинчивающего устройства или OCHZ] вокруг оси Z; 9 - угол нутации - поворот корпуса вокруг линии узлов ON, т.е. вокруг ли нии пересечения плоскостей неподвижной системы отсчёта OXY и подвижной OiX,Y, Углы Эйлера определяют положение системы в её вращательном движении, а координаты - положение центра тяжести завинчивающего устройства (фланца) при движении в пространстве. Найдём обобщённые силы.
Экспериментальный способ для исследования процесса автоматизированного совмещения соединяемых деталей и их сборки
Для проверки работоспособности устройств автоматизированной сборки деталей, сопрягаемых по резьбовым поверхностям, разработанных на основе предложенного в работе способа пассивной адаптации деталей при наличии податливого крепления завинчивающего устройства к плите исполнительного органа сборочного оборудования и неустойчивом движении корпуса устройства в процессе совмещения осей деталей, проведены экспериментальные исследования. Экспериментом подтверждены следующие теоретические положения;
- предельные углы перекоса осей соединяемых деталей, при которых гарантируется надёжное автоматизированное совмещение и сборки резьбовых соединений;
- предельные режимы работы сборочного оборудования на этапах автопоиска отверстия, попадания и невыхода конца соединяемой детали из зоны отверстия, автоматизированного наживления и сборки резьбовых соединений;
- обеспечение автопоиска соединяемой деталью положения резьбового отверстия на поверхности собираемого узла.
Экспериментальный стенд для исследования процесса автоматизированного совмещения соединяемых деталей и их сборки Для проведения экспериментальных исследований на кафедре ТНС Ковров-ской государственной технологической академии был разработан стенд (рис. 4.1), полностью имитирующий работу сборочного автомата для завинчивания резьбовых деталей. Фотографии стенда в момент наживления и завинчивания приведены на рис.(4,2).
Стенд состоит из основания 21, в которое запрессованы направляющие стойки 4 в верхней части жёстко скреплённые плитой 2. На плите расположен пнев-моцнлиндр 1, шток 3 которого скреплён с рамой 5, установленной на подвижной подпружиненной плите 12. На плите находится завинчивающее устройство 8, между фланцем 10 которого и плитой 12 в пазах расположена витая цилиндри . ческая пружина 11, обеспечивающая податливость устройства при работе. Через плиту 12 и фланец 10 с зазором проходят винты 9, на которые надеты пружины 7, упирающиеся в гайки 6.
На шпинделе 17 завинчивающего устройства при помощи штифта 13 с зазором установлен подпружиненный патрон 10, удерживающий резьбовую деталь 18.
На основании в направляющих расположен стол, перемещение которого осуществляется винтовой передачей при помощи маховика 22 с лимбом (ценой деления 0.01 мм) для отсчёта величины перемещения узла 19, закреплённого на столе.
Стенд работает следующим образом. Запускается электродвигателем постоянного тока, в котором обеспечивается регулирование числа оборотов шпинделя в диапазоне от О..Л50об./мин- При помощи пневмоцилиндра 1, регулируя ско рость перемещения штока при помощи дросселей, опускается рама 5 с завинчи вающим устройством. Вращающаяся резьбовая деталь при взаимодействии с поверхностью узла начинает перекатываться по его поверхности, сообщая завинчивающему устройству сферическое движение с учётом опускания плиты, конец резьбовой детали движется по траектории спирали Архимеда, сканируя поверхность, и попадает в зону резьбового отверстия, наживляясь и завинчиваясь в отверстие узла.
В исходном положении относительное смещение осей резьбовой детали и отверстия не превышает 0,1 мм (погрешность не более 0.02 мм).
Затем при помощи маховика увеличивается относительное смещение осей соединяемых деталей- Производится сборки резьбового соединения. Вновь увеличивается рассогласование осей, осуществляется наживление резьбовой детали и т.д., до тех пор, пока наживление и сборка деталей не будет стабильно обеспечиваться.
Это и будет предельным отклонением осей соединяемых деталей- при котором гарантируется надёжная сборка. Точность отсчёта перемещения стола 0,005 мм.
Проверка скорости опускания завинчивающего устройства, при которой конец резьбовой детали, двигаясь по спирали Архимеда, попадёт и не выйдет из зоны отверстия, обеспечивалась за счёт регулирования скорости выпускания воздуха из полостей пневмоцилиндра при помощи дросселей.
Проверка режима наживления резьбовых деталей осуществлялась изменением частоты вращения электродвигателя.
Для каждого значения относительного смещения осей соединяемых деталей производилось не менее 20 сборок резьбовых соединений. Если, хотя бы один раз сборка не осуществилась, то эксперимент повторился бы ещё 20 раз. Если вновь был случай ненаживления, то это значение относительного смещения осей считалось предельным.
