Введение к работе
Актуальность темы. Эффективность работы гибких автоматизированных сборочных производств (ГАСП) во многом определяется быстродействием транспортно-загрузочных, ориентирующих и подающих систем, выполняющих вспомогательные операции: манипуляторов, кантователей, питателей, устройств вторичной ориентации деталей и т. п. Затраты времени на выполнение вспомогательных операций в автоматизированных сборочных производствах составляет значительную часть цикла и могут достигать более 100 % от длительности процесса сборки. Сокращение вспомогательных операций особенно актуально при длительности цикла сборки менее 1 минуты, что характерно для сборки широкой номенклатуры деталей и узлов машиностроения, например, топливной и гидравлической аппаратуры автотракторной и мобильной грузоподъемной техники и т. д.
Производительность манипуляторов в автоматизированных сборочных производствах машиностроения не превышает 8-14 циклов в минуту, что значительно уступает производительности технологического оборудования при вальцовке, клепке и сборке прессовых соединений без термического воздействия при относительно небольших усилиях запрессовки (40-60 циклов/мин). Это значит, что производительность сборочного оборудования используется далеко не полностью.
Одним из наиболее перспективных направлений повышения быстродействия транспортно-загрузочного оборудования (ТЗО) является повышение быстродействия их приводов, в значительной степени определяемого законами движения передаточных механизмов. Механизмы ТЗО работают в напряженных динамических условиях и дальнейшее повышение их производительности связано с необходимостью исследования динамики и решения комплекса задач динамического синтеза. Насущными задачами в области автоматизированной сборки являются исследование и разработка научно обоснованных методов повышения быстродействия приводов ТЗО и поиск таких передаточных механизмов, которые обеспечат максимальное быстродействие при наличии ограничений на динамические, прочностные и точностные параметры.
Поставленным задачам в большей степени отвечают разработанные автором быстродействующие электро – и пневмомеханические приводы ТЗО, основой которых являются сферические и плоские планетарно-цевочные кулисные механизмы. Недостаточная изученность динамики рассматриваемых цикловых механизмов с учетом реальных физических свойств звеньев (упругости, диссипативности, зазоров и др.) и проработанность методологии их динамического анализа и синтеза с целью обеспечения максимального быстродействия и повышения производительности ГАСП за счет уменьшения вспомогательного времени выполнения транспортно-загрузочных и ориентирующих операций, обуславливают актуальность данной работы.
Настоящая диссертация выполнялась в рамках хозяйственных договоров и договоров о научно-техническом сотрудничестве. Работа соответствует «Приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники Российской Федерации» (2006 г.) по направлению «Транспортные, авиационные и космические системы», направлена на развитие технологий, входящих в «Перечень критических технологий Российской Федерации» (2006 г.) по направлениям «Технологии мехатроники и создания микросистемной техники», « Технологии создания и управления новыми видами транспортных систем».
Объектом исследования в данной работе являются транспортно-загрузочные и ориентирующие системы гибких автоматизированных сборочных производств в машиностроении.
Предметом исследования служат динамические и прочностные характеристики механизмов ТЗО автоматизированных сборочных производств и колебательные процессы в точках позиционирования исполнительных устройств манипуляторов с цикловыми сферическими и плоскими планетарно-цевочными кулисными механизмами.
Целью настоящей работы является развитие научно-технического направления, связанного с повышением производительности автоматизированной сборки в машиностроении на основе разработки быстродействующих цикловых механизмов безударного типа и методов их динамического анализа.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
1. Провести анализ современных направлений повышения быстродействия вспомогательного транспортно-загрузочного и ориентирующего оборудования ГАСП в машиностроении. Определить направления совершенствования и повышения эффективности применяемых приводов ТЗО на основе системного анализа кинематических и динамических моделей.
2. Обобщить основные классификационные признаки, отражающие особенности механизмов вспомогательного оборудования ГАСП, проанализировать и сформулировать пути их развития с точки зрения предельного быстродействия.
3. Теоретически обосновать возможность достижения предельного быстродействия транспортно-загрузочного оборудования автоматизированных сборочных производств за счет обеспечения безударных законов движения.
4. Разработать обобщенную методологию динамического анализа и синтеза семейства цикловых безударных пространственных и плоских планетарно-цевочных кулисных механизмов (ПЦКМ) с вращательным и поступательным движениями исполнительного звена. Исследовать влияние привода на динамику углового и линейного позиционирования безударных цикловых механизмов ТЗО. Разработать методику оценки качества работы ПЦКМ транспортно-загрузочного оборудования и методы их сравнения, доступные для практики исследования и проектирования.
5. Разработать методику и алгоритмы оптимизационного синтеза ПЦКМ по критерию максимального быстродействия с учетом ограничений на динамические и прочностные параметры. Выполнить экспериментальные исследования динамики промышленных образцов быстродействующих сборочных манипуляторов. Экспериментально подтвердить возможность существенного повышения быстродействия сборочных манипуляторов ПР при сохранении заданной точности позиционирования и ограничениях на динамические нагрузки.
6. Разработать конструкции быстродействующих цикловых приводов транспортно-загрузочного оборудования безударного типа с плавным регулированием выходных параметров. Разработать конструкции безударных захватывающих устройств для быстродействующих сборочных манипуляторов.
7. Разработать алгоритмы и пакеты прикладных программ для динамического анализа и синтеза группы безударных механизмов углового и линейного позиционирования ТЗО автоматизированного сборочного производства.
На защиту выносятся:
1. Научно обоснованные методы решения задач динамического анализа и синтеза быстродействующих цикловых механизмов ТЗО гибких автоматизированных сборочных производств, основанные на применении разработанных математических моделей, методов и алгоритмов расчета.
2. Направления совершенствования и повышения эффективности применяемых приводов вспомогательного оборудования ГАСП на основе системного анализа кинематических и динамических моделей безударных пространственных и плоских планетарно-цевочных кулисных механизмов.
3. Методология и алгоритмы оптимизационного синтеза безударных цикловых механизмов ТЗО, учитывающие геометрические, кинематические, динамические и прочностные условия связи.
4. Комплекс инструментальных средств для выполнения динамического анализа транспортно-загрузочных систем с цикловыми ПЦКМ безударного типа и решения задач их исследования, проектирования и оценки динамического состояния.
5. Рекомендации по проектированию семейства быстродействующих сверхлегких сборочных манипуляторов ПР номинальной грузоподъемностью 0,1 кг; 0,16 кг; 2,5 кг и захватывающих устройств безударного типа, а также оригинальные конструкции вспомогательных устройств ТЗО, позволяющие повысить на 20 – 40% производительность автоматизированной сборки узлов топливной аппаратуры для автотракторных дизельных двигателей и гидроаппаратуры мобильной грузоподъемной техники.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
1. Разработаны теоретические положения, обосновывающие возможность достижения предельного быстродействия транспортно-загрузочного оборудования автоматизированных сборочных производств за счет обеспечения безударных законов движения, реализуемых с помощью разработанного семейства цикловых пространственных и плоских механизмов углового и линейного позиционирования.
2. Разработана методология динамического анализа и синтеза семейства безударных цикловых пространственных и плоских планетарно-цевочных кулисных механизмов с вращательным и поступательным движением исполнительного звена.
3. Разработаны математические модели для силового и динамического анализа различных вариантов исполнения безударных цикловых механизмов с учетом привода, упругости звеньев, зазоров и диссипации энергии.
4. Разработаны алгоритмы оптимизационного синтеза безударных цикловых механизмов углового и линейного позиционирования ТЗО по динамическим и прочностным критериям.
5. Предложена методика оценки динамических свойств цикловых механизмов ТЗО автоматизированной сборки. Теоретически и экспериментально доказана возможность увеличения в 2 – 2,5 раза быстродействия механизмов ТЗО за счет безударных законов движения.
6. Разработаны и созданы экспериментальные стенды для исследования динамики механизмов транспортно-загрузочных систем ГАСП и методики оценки их динамического состояния, отличающиеся возможностью воспроизведения различных условий работы с учетом требуемой точности позиционирования.
Методы и средства исследования. Основные расчетные зависимости получены в результате аналитического исследования соответствующих геометрических, кинематических и динамических моделей. Численная реализация задачи осуществлялась на ЭВМ с помощью разработанного пакета прикладных программ. Проверка адекватности моделей произведена с помощью экспериментальных методов исследования с использованием аппарата математической статистики. При разработке критериев качественной оценки применялись методы теории подобия и анализа размерностей. В основу создания алгоритмов оптимизационного синтеза положены методы системного подхода, теории машин-автоматов, многокритериальной оптимизации.
Достоверность результатов обеспечивается обоснованностью использованных теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задачи, применением рациональных математических методов и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными как лично автором, так и другими исследователями, а также положительным опытом внедрения полученных результатов.
Практическая значимость и реализация работы.
На основе теоретических положений теории машин-автоматов разработаны методики автоматизации вспомогательных операций в автоматизированном сборочном производстве узлов топливной и гидравлической аппаратуры дизельных автотракторных двигателей и мобильной грузоподъемной техники. Разработаны алгоритмы и программные средства для проектирования пространственных и плоских ПЦКМ быстродействующих приводов ТЗО, реализующих безударные законы движения исполнительного органа. Совокупность спроектированных и внедренных модулей приводов манипуляторов ПР и транспортно-загрузочного и подающего оборудования позволила более чем в 2 раза повысить их быстродействие. Предложенные способы безударного позиционирования исполнительного органа позволяют сократить время позиционирования цикловых механизмов и исключить тормозные или демпфирующие устройства. Разработана гамма захватывающих устройств манипуляторов ПР.
Промышленная эксплуатация разработанных алгоритмов проектирования и технических решений для цикловых механизмов приводов ТЗО в течение более десяти лет на предприятиях дорожного, полиграфического и дизельного машиностроении показала практическую обоснованность разработанного в диссертационной работе направления.
На основе выполненных исследований издано два учебных пособия, одно из которых с грифом Министерства образования Российской Федерации. Теоретические и методические разработки используются в процессе преподавания дисциплины «Детали машин и основы конструирования», «Механика промышленных роботов и мехатронных систем», «Автоматизация технологических процессов» в РГАТА имени П.А. Соловьева и МГТУ СТАНКИН (г. Москва).
Апробация работы. Научные положения и результаты диссертационной работы докладывались автором и обсуждались на 29 научных конференциях, в т. ч. на Международных научно-технических конференциях: «Технология – 94» (г. С.–Петербург, 1994), «Информационно-измерительные и вычислительные системы специального назначения. Информатизация в моторостроении» (г. Москва, 1994), «Автоматизация и информатизация в машиностроении» (г. Тула, 2000), «Динамика систем, механизмов и машин» (г. Омск, 2004, 2007), «Проблемы исследования и проектирования машин» (г. Пенза, 2005), «Машиностроение и техносфера XXI века» (г. Севастополь, 2006), «Технологическое обеспечение и автоматизированное управление параметрами качества поверхностного слоя, точности обработки деталей и сборки газотурбинных двигателей» (г. Рыбинск, 2007); на Всесоюзных и Российских научно-технических конференциях: «Проблемы повышения производительности и качества продукции в условиях автоматизации машиностроительного производства» (г. Рыбинск, 1986), «Проблемы автоматизации проектирования и изготовления изделий в машино- и приборостроении» (г. Алушта, 1986), «Состояние, опыт и направления работ по комплексной автоматизации на основе ГАП, РТК и ПР» (г. Пенза, 1987, 1989, 1990), «Использование вычислительной техники и САПР в научно-исследовательских и опытных разработках» (г. Владимир, 1987), «Проблемы создания и внедрения гибких производственных и робототехнических комплексов на предприятиях машиностроения» (г. Одесса, 1989), «Ресурсо-энергосберегающие и наукоемкие технологии в машино- и приборостроении» (г. Нальчик, 1991), «Наукоемкие технологии в машиностроении и приборостроении» (г. Рыбинск, 1994), «Методы и средства измерения физических величин» (г. Н. Новгород, 1999), «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве» (г. Н. Новгород, 1999), «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» (г. Н. Новгород, 2003), «Механика и процессы управления» (г. Екатеринбург, 2003, 2004, 2005, 2007) и др.
В полном объеме содержание диссертационной работы доложено и обсуждено на расширенном заседании кафедр: «Технология авиационных двигателей и общего машиностроения», «Резание материалов, станки и инструменты», «Основы конструирования машин» РГАТА имени П. А. Соловьева (Рыбинск, 2007), «Технология машиностроения» Брянского государственного технического университета (Брянск, 2007), «Динамика и прочность машин» Орловского государственного технического университета (Орел, 2008), на научно-техническом совете РГАТА имени П.А. Соловьева (Рыбинск, 2007).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 60 научных работ, в том числе 1 монография, 12 статей в научных журналах, рекомендованных ВАК РФ, тезисы 18 докладов, получено 17 авторских свидетельств и патентов на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованных источников из 244 наименований, изложена на 400 страницах и содержит 121 рисунок и 43 таблицы.
