Содержание к диссертации
Введение
1. Современный уровень теории и практики автоматической сборки деталей и обоснование метода сборки смещением центра тяжести 13
1.1 Существующие методы автоматической сборки 13
1.2 Проблема заклинивания и гипотеза его исключения .22
1.3 Морфологическая матрица способов и устройств 26
1.4 Область применения метода искусственного смещения центра тяже-сти .31
1.5 Выводы 34
2. Исследования поведения комплекта ПДПО с измененным центром тяжести в случае взаимодействия сопрягаемых деталей по фаскам .35
2.1 Фазы положений комплекта ПДПО в процессе сопряжения его с от-верстием 35
2.2 Динамика скольжения комплекта ПДПО по фаске 37
2.3 Поведение комплекта ПДПО как физического маятника 40
2.3.1 Границы применения эффекта наклона комплекта .42
2.3.2 Наклон комплекта ПДПО относительно базовой втулки .45
2.4 Поведение комплекта ПДПО при двухточечном контакте 51
2.5 Выводы 56
3. Поведение комплекта ПДПО при наложении осевых колебаний 57
3.1 Эффект опускания центра тяжести комплекта ПДПО .57
3.2 Наложение на наклонный комплект ПДПО осевых колебаний 58
3.3 Алгоритм расчета параметров комплекта ПДПО 63
3.4 Поведение комплекта ПДПО в отсутствии фасок 64
3.4.1 Расширение границ применения метода изменения центра тяжести комплекта ПДПО для случая отсутствия фасок 64
3.4.2 Эффект заклинивания вала на отверстии при трехточечном контак-те 65
3.4.3 Применение колебаний комплекта ПДПО вдоль его оси .67
3.4.4 Алгоритм расчета параметров процесса сборки комплекта ПДПО с применением колебаний 72
3.5 Блок-схем выбора типа комплекта ПДПО для цилиндрических соединений с вертикальным расположением оси отверстия .75
3.6 Выводы 77
4. Экспериментальные исследования процесса соединения деталей методом искусственного смещения центра тяжести .78
4.1 Задачи эксперимента и требования к экспериментальной установ-ке 78
4.2 Методика экспериментальных исследований, оборудование и аппаратура 80
4.2.1 Сборочное устройство 80
4.2.2 Экспериментальная модель комплекта ПДПО .80
4.2.3 Информационно-фиксирующая система 83
4.3 Методика эксперимента .83
4.4 Результаты качественных серий экспериментов .85
4.5 Сравнение экспериментальных результатов с теоретическими выводами 90
4.6 Эксперименты с регистрацией количественных данных движения комплекта ПДПО .92
4.7 Эксперименты по выявлению круговой анизотропии движений комплекта ПДПО .100
4.8 Чувствительность процесса сборки к наклону оси отверстия .102
4.9 Выводы 102
5. Практическое применение способа сборки методом смещения центра тяжести подвижной детали 104
5.1 Описание собираемого узла .104
5.2 Описание РТК для сборки реле стартера .104
5.3 Описание сборочной головки, основанной на способе смещения ЦТ 110
5.4 Использование способа сборки смещением ЦТ на других предприяти-ях 113
5.5 Экономический и иной эффект .113
5.6 Перспективы применения метода сборки управлением положения ЦТ подвижной детали .114
5.7 Универсальная сборочная головка .114
5.8 Гибкий сборочный центр .118
5.9 Выводы 120
Общие выводы и результаты 121
Список литературы .124
- Проблема заклинивания и гипотеза его исключения
- Поведение комплекта ПДПО как физического маятника
- Поведение комплекта ПДПО в отсутствии фасок
- Методика экспериментальных исследований, оборудование и аппаратура
Проблема заклинивания и гипотеза его исключения
Необходимость автоматизации сборки предъявляет повышенные требования к производительности сборочных автоматов, которая зависит от частоты отказов.Причины отказов разнообразны. Часть из них может быть решена ужесточением допусков собираемых деталей, точностью базовых приспособлений и транспортных систем.
Проблеме разработки технологии сборочных процессов и создания автоматизированного оборудования посвящены труды Б. М. Базрова, Б. С. Балакшина, Ю. М. Будникова, А. Г. Герасимова, А. А. Гусева, Ю. З. Житникова, И. М. Колесова, В. С. Корсакова, М. П. Новикова, А. Н. Рабиновича, Л. Б. Черняховской, В. Г. Шуваева, В. А. Яхимовича.
Проблема автоматизации сборки освещена в работах [1, 2, 3, 22, 23, 24, 58, 61, 63, 67, 68, 70, 71, 75, 84, 86, 90, 92].
Главной причиной недостаточной эффективности существующих методов автоматической сборки является заклинивание, то есть резкий рост силы трения с уменьшением угла между осями собираемых деталей.
Сначала эту проблему решали с чисто геометрических позиций (А. С. Храбров).
Большинство исследователей считало достаточным для собираемости угла скрещивания осей , меньшего угла min, то есть min = arccos d D, который зависит только от диаметров деталей.
Подобный подход предъявляет неоправданно завышенные требования к точности изготовления сборочных автоматов при сборке на неподвижных базах. Поэтому в дальнейшем стали развиваться поисковые методы. По В. А. Яхимовичу [106] все известные методы автоматической сборки можно разделить на две большие группы. Первая — сборка на неподвижных базах, вторая — сборка при подвижном базировании деталей. Сборка на неподвижных базах предполагает высокую точность установки сопрягяемых деталей за счет предварительной их ориентации. Это удорожает сборочную операцию, эффективно лишь для некоторых случаев. Преимущественно используют автоматическую сборку при подвижном базировании. При этом методы делят на три основных: - использующие самоцентрирование по сопрягаемым поверхностям, использующие общую центрирующую оправку [26, 27, 47, 78, 85, 115, 119], - использующие метод поиска или сканирования без контроля положения собираемых деталей (Ю. М. Будников, Д. М. Левчук, К. Я. Муценек, А. А. Сталидзан): вихревой метод, вибрационный метод, метод вращающейся трубки, метод использования упругого элемента; - с контролем положения собираемых деталей и соответствующей компенсацией погрешностей, классификация В. А. Яхимовича, исследования по гибкой технологии при сборке в движении [112].
В первом случае не исключается заклинивание деталей при перекосе осей. Недостаток метода сканирования в вероятностном характере поиска до совпадения собираемых деталей. Метод третьего типа (с обратной связью по рассогласованию) требует сложного аппаратурного обеспечения для замера действительной погрешности, возникающей в процессе сопряжения, преобразования ее в компенсирующее движение исполнительного механизма.
Проблеме технологичности деталей при автоматической сборке, применению адаптивных базирующих приспособлений, а также расширению технологических возможностей за счет увеличения допустимой погрешности при сборке посвящены работы [12, 17, 21, 25, 74, 77, 79, 81, 83, 87, 88, 89, 97, 111, 115, 117].
Метод наложения колебанийна одну или обе собираемые детали представлен в работах [6, 8, 13, 65, 66, 69, 82, 94, 102, 103, 104, 105, 107]. Развитием способа с вращающейся трубкой Сталидзана [91] является изобретение [72]. Известен метод сборки через упругий элемент Ю. М. Будникова [11]. Для выявления уровня новизны ниже анализируются исвестные способы сборки.
Вибрационный способ [80] иллюстрируется на рис. 1.1. Этот способ соединения деталей заключается в том, что одной из собираемых деталей сообщают колебания по траектории, близкой к круговой, амплитуда которых первоначально превышает величину ошибки в ориентации деталей, и затем уменьшается при постепенном увеличении сборочного усилия, сообщаемого другой детали. Экспериментальная проверка способа производилась при сборке деталей типа осей и втулок с номиналом диаметра посадки 5 мм. Ошибка взаимной ориентации достигала 0,18 мм при минимально допустимом отклонении — 0,027 мм. Сообщая базовой детали (втулке) колебания по траектории, близкой и круговой, с амплитудой 0.56мм и прикладывая сборочное усилие со скоростью нарастания 10 кг/с, обеспечивали сборку всех испытуемых деталей. Следует отметить необходимость нарастающего значительного усилия, прикладываемого к верхнему торцу вала.
Вихревой способ сборки. Сама идея использования воздушной струи для возбуждения колебаний деталей окончательно сформулирована в способе сборки [66], рис. 1.2. Для создания вращающегося воздушного потока применена втулка 1, в сопла которой подают воздух, направленный по касательной к собираемой детали 2 для осуществления ее сборки с деталью 3. На рисунках 1.3, 1.4 показаны схемы сборочных устройств,
Поведение комплекта ПДПО как физического маятника
Метод может быть применен самостоятельно или совместно с известными способами с помощью искусственной трансформации подвижной детали с изменением ее формы, аэродинамических, электродинамических и других параметров; при невозможности воздействия на подвижную деталь переносят воздействие на присоединяемый ориентатор, которому можно придать требуемую форму и свойства.
Применение сборки искусственным смещением ЦТ уменьшает вероятность заклинивания, а при определенных параметрах исключает трехточечный контакт, характеризуемый наибольшими усилиями; в зоне двухточечного контакта процесс сопряжения идет под действием только момента вращения, который всегда направлен в сторону расклинивания. Это позволяет собирать хрупкие и с пониженной жесткостью детали, а также пары с минимальным зазором.
Использование эффекта наклонного зависания комплекта ПДПО позволяет в несколько раз расширить допустимую зону отклонения от соосности, что существенно расширяет технологические возможности способа, снижая требования к точности оснастки, оборудования и транспорта, а, следовательно, и стоимости средств автоматизации.
Сборочные головки, изготавливаемые по предлагаемому методу, являются автономными микророботами, действующими в зоне локальных перемещений при сопряжении самостоятельно. Это позволяет специальному манипулятору [10, 35, 40, 44] или универсальному роботу [16, 18, 36, 109] собственным захватом [55, 56, 57, 95] забирать ту или иную сборочную головку из магазина, составлять комплект ПДПО, захватывая подвижную деталь, и устанавливать его на ответную деталь на транспортном органе [48, 49, 50, 51]. Собираемые детали могут поставляться либо в кассетах [43, 53, 54], либо выдаваться поштучно из ориентирующих механизмов [15, 41, 52, 93]. В случае необходимости свинчивания используют гайковерты для наживления [8]. Таким образом, роботизированный технологический комплекс (РТК) [1, 14, 34, 37, 42, 64, 99, 112, 113, 116, 118, 120, 121] превращается в гибкий сборочный центр (ГСЦ), в котором традиционные приемы построения РТК, дополненные возможностями метода сборки управлением ЦТ, позволят производить программируемые переналадки с перебором сборочных головок в зависимости от конфигурации собираемого узла, что приравнивает ГСЦ по возможностям к обрабатывающим центрам в металлообработке.
Применение метода имеет как расширительные, так и ограничительные факторы. Например, он охватывает класс плоских деталей, переводя их присоединением ориентатора в объемные, однако ограничен при сборке длинных деталей. Ограничением метода является также невертикальная сборка. В этом случае нужна иная конфигурация поля сил, отличная от гравитации, например, упругое воздействие [46].
В диссертационной работе рассматривается процесс сборки в гравитационном поле цилиндрических деталей и резьбовых соединений в части их взаимодействия по фаскам.
Обладая свойствами адаптации сопрягаемых поверхностей, метод в реализациидешевле на два порядка [20] адаптивных систем с техническим зрением, локацией и иным СОФТом, которые тем не менее не решают проблему заклинивания при сопряжении в зоне локальных перемещений [112].
Анализ рабочих мест, произведенный в сборочно-кузовном производстве ВАЗА [99], выявил около 100 мест сборки пластин с метизами перед Рис. 1.12 Сборочные узлы для применения метода сборки смещением ЦТ по анализу рабочих мест СКП и МСП ВАЗа точечной или рельефной сваркой, где возможно применение метода. На рис. 1.12 показаны типовые представители таких пар. 1.5. Выводы 1. Рассмотрение современного уровня автоматизации сборки показало актуальность применения сборочных головок в серийном производстве и недостаточность проработки методов и способов сборки и соответственно универсальных сборочных головок для мелкосерийного производства. 2. Анализ теоретических работ и практических применений показывает, что известные способы имеют общее ограничение по эффективности реализации сопряжения собираемых деталей: допускают перекосы, приводящие к возможному заклиниванию, уменьшают надежность и ограничивают разнообразие собираемых деталей. 3. Для обеспечения условий авторегулированного устранения перекосов и заклиниваний деталей в процессе сопряжения предложен принцип искусственного смещения центра тяжести подвижной детали, будь то вал, втулка, винт или гайка. 4. Решение задачи расширения технологических возможностей автоматической сборки, увеличение надежности и эффективности сборочного процесса, а также расширение спектра собираемых изделий в широком допуске предварительного рассогласования с помощью способа смещения центра тяжести требует проведения теоретических и экспериментальных исследований.
Поведение комплекта ПДПО в отсутствии фасок
Пренебрегая энергией движения комплекта, рассматриваются условия его равновесия как физического маятника в нейтральном положении, при котором сила тяжести Р комплекта находится на вертикали, проходящей через точку В (рис. 2.8).
На рис. 2.8 показано положение комплекта в момент, когда его соскальзывание по фаске втулки 1 точкой В ограничивается точкой контакта А между образующей вала 2 и кромкой отверстия втулки. Смещение центра тяжести комплекта, точку G, ниже кромок вала и втулки ориентатором 3 создает момент силы тяжести комплекта ПДПО, который при определенных углах между осями у является некомпенсированным и доворачивает комплект, совмещая оси вала и отверстия. Введены обозначения:
В случае наличия сил трения можно определить критический коэффициент трения fkp, при котором еще возможен поворот комплекта. Для комплекта ПДПО, находящегося в статическом равновесии, должна быть равна 0 сумма векторов всех приложенных сил и моментов сил, например, относительно т. В [7, 108], то есть
При достаточной длине ориентатора вал, скользя по фаске, не соприкасается с кромкой отверстия в т. А, а сразу оказывается в последней фазе двухточечного контакта кромки вала с образующей отверстия; в этом смысле такая длина оптимальна.
Необходимая для этого длина ориентатора, например, при d = 20 мм, и S = 0,5 мм составляет 202 Найдено выражение для расчета длины ориентатора, при которой процесс сопряжения идет, минуя фазу трехточечного контакта Применение круговых колебаний, способствующих процессу сборки, показано в работах [8, 13, 65, 69, 80, 102, 104, 114].
Эффект наклонного зависания комплекта ПДПО на точках , В2, рис. 2.3, происходит как при отсутствии, так и наличии фасок при углах между осями вала и втулки y)ymjn.
Наклон позволяет выводить комплект из состояния равновесия, воздействуя на него осевыми колебаниями для перемещения в сторону совмещения осей собираемых деталей.
Величина амплитуды колебаний не должна превышать минимальную величину погружения вала при у = ymin
Чтобы использовать наклон комплекта для сопряжения деталей с отклонением от соосности на сборочной позиции сосп, значительно большей суммы фасок, предложен способ [39] наложения осевых колебаний на комплект включением в состав ориентатора возбудителя колебаний. При этом комплект ПДПО перемещается в направлении оси отверстия в зону наименьшего гравитационного потенциала, преодолевая шероховатость и волнистость поверхностей контактирующих кромок при увеличении плеча Ъ и уменьшении отклонения от со-осностиол
На рис. 2.3 изображена схема комплекта ПДПО в положении зависания на точках (Bj и В2), точки Oj и 02 - центры отверстия и вала, С - фаски, со - межосевое расстояние, Ъ - плечо силы веса комплекта, G - положение центра тяжести при первоначальной установке комплекта в вертикальном положении, Gr центр тяжести в положении равновесия комплекта ПДПО как физического маятника, L = 02G - его длина. Из ABQ2Gr видно, что
Наложение на наклонный комплект ПДПО осевых колебаний К ориентатору (рис. 2.6) присоединяют возбудитель осевых колебаний 3 так, чтобы центр тяжести оставался на оси комплекта. При этом колебания наклонного комплекта всегда будут направлять его в сторону совмещения осей собираемых деталей.
Мощность колебаний N задается массой комплекта т, частотой колебаний ц и амплитудой h, которая должна быть больше максимальной величины шероховатости Rz и меньше минимальной глубины погружения
Частоту колебаний ц задают из расчета необходимой производительности для обеспечения суммарного времени tKI, которое необходимо, чтобы колеблющийся комплект ПДПО мог пройти кромкой вала по кромке отверстия расстояние S от максимально возможногоотклонения от соосности до зоны фасок (рис. 3.1). Траектория этого движения вдоль оси х есть цепь парабол под меняющимся углом у у этой оси. Весь путь S комплект проходит некоторым количеством этих парабол п. Величина начальной скорости v0 каждой параболы одна и та же и зависит от амплитуды h. Эту скорость определяют из условия подъема комплекта на высоту h при вертикальном подъеме. Как известно
Методика экспериментальных исследований, оборудование и аппаратура
Качественные серии проводили по 100 попыток для каждого значения wcn. Количественные серии: по 1 попытке с реальным отображением траектории горизонтальных перемещений нижнего торца комплекта с синхронизированной визуализацией его перемещения по вертикали.
Регулирование межосевого расстояния wcn производили вращением ходового винта маховичком 11 (рис. 4.4). В случае, если комплект не доходит до нижнего положения, останавливаясь в фазе двухточечного контакта, применяли подпрограммное воздействие на вал одним вторичным срабатыванием схвата (условное обозначение «Правка») подобно описанному в работе [60].
На основании результатов серий 5 - 8 построены графики, рис. 4.6, аналогичные графики на рис. 4.5. Их сравнение показывает, что время сборки мало зависит от величины фасок. Был также проведен эксперимент для случая, когда межосевое расстояние wcn 5,5 мм; Рис. 4.5 Графики зависимостей t = /(wcn) Рис. 4.6 Графики зависимостей t = /(wcn) в той ситуации ориентатор начинает касаться кромки отверстия и при увеличении wcn принимает наклонное положение. Результаты приведены в таблице 4.9.
Сравнение экспериментальных результатов с теоретическими выводами Наиболее эффективным оказывается процесс сборки с наложением осевых колебаний на комплект ПДПО при отпускании его с некоторой высоты h (графики 4,6 рис. 4.6). В этом случае допустима величина wcn 4,5 мм. В случае, когда wcn не превышает, 2,5 мм то есть wcn 2,5 мм, возможна сборка без вибратора.
Связь между максимальной величиной отклонения от соосности на сборочной позиции wcn и высотой падения h показана на графиках, рис. 4.7, как для случая без вибратора - график 1, так и с вибратором 0 график 2.
Рост возможного отклонения wcn с увеличением высоты падения можно объяснить превращением потенциальной энергии комплекта Р в энергию его качаний, увеличивающих угол наклона. Удар генерирует осевые колебания и возникает эффектквазиотсутствия трения, Рис. 4.7 Графики зависимостей wcn = f(h) позволяющий комплекту достичь зоны фасок. Эффект соударения требует отдельного изучения [59].
При нулевой высоте падения потенциальная энергия равна нулю и соответственно удара нет. Однако наклон комплекта при зависании на точках В1, В2 и раскачивание при достаточно малой величине отрезка В1 В 2 приводит к его соскальзыванию в более устойчивое положение и сближению этих точек.
В тоже время, расчетная величина наклона wmax равна Wmax = Vd(Cl + С2) = V20 X 1 = 4,5 ММ , и она полностью реализуется при применении генератора осевых колебаний. Падение добавляет еще 1,5 мм возможного отклонения от соосности. Падение с небольшой высоты конструктивно вполне оправдано, так как при доставке комплекта ПДПО на сборочную позицию между втулкой и валом должен быть зазор.
Таким образом, дополнительный эффект от падения расширяет зону wcn в 1,3 раза при отсутствии колебаний и на 20% в случае применения колебаний. Это еще больше расширяет технологические возможности и надежность метода.
Данные таблицы 4.9 описывают частный случай взаимодействия ориента-тора с кромкой отверстия втулки, при котором комплект ПДПО отклоняют перед отпусканием, и он, определяя главную плоскость сборки (между точками В 1 иВ2), ведет себя, как маятник с подвесом в этих точках, то есть раскачивается до контакта с противоположной точкой. Это уже другая разновидность метода для частного случая, когда ориентатор устанавливают сквозь отверстие с последующим наклоном.
Эксперименты с регистрацией количественных данных движения комплекта ПДПО Процесс перемещения комплекта ПДПО при сопряжении вала с отверстием зафиксирован с помощью видеосъемки в реальном времени с частотой 25 кадров в секунду. Съемка производилась согласно построенной информационно-фиксирующей системе, рис. 4.4. Серии аналогичны сериям 1 - 4 и проводились по одной съемке каждого значения wcn с величинами 2,0 мм, 2,5 мм, 3 мм, 3,5 мм, 4,0 мм, 4,5 мм, 5,0 мм, 5,5 мм, фасками
Все серии проводились с включенным генератором колебаний. Горизонтальные колебания нижней точки комплекта отслеживались по двум горизонтальным шкалам, вертикальное перемещение нижнего среза комплекта - относительно вертикальной шкалы. И горизонтальные колебания ориентатора и его вертикальное перемещение фиксировались одновременно (on-line).
Таким образом, было получено 16 кино диаграмм: 8 с высотой падения h = 2 мм и 8 с нулевой высотой. Образцы фотодиаграмм представлены на рисунках: 4.8, 4.9, 4.10, 4.11. При этом на каждом рисунке показаны положения комплекта ПДПО в начале и в конце процесса, а также промежуточные с интервалом 0,1 с. Анализ фото диаграмм позволил получить числовую зависимость для обеих серий. Начало процесса соответствует верхнему уровню комплекта по вертикальной шкале.
Похожие диссертации на Повышение эффективности автоматической сборки цилиндрических соединений изменением положения центра тяжести подвижной детали
