Введение к работе
Актуальность темы. Эффективное решение проблемы обеспечения стабильного качества, снижения трудоемкости и повышения производительности связано с автоматизацией производства.
В нашей стране на предприятиях машиностроения автоматизировано лишь 5-7% сборочных операций, тогда как, например, в Японии 18-20%. Основными причинами низкого уровня автоматизации сборки являются: большое разнообразие конструкций изделий, их нетехнологичность с позиций автоматической сборки, малый опыт предприятий в области автоматизации сборки, нехватка специалистов и отсутствие необходимого сборочного оборудования.
В конструкциях современных машин около 40% от общего числа соединений приходится на соединения по цилиндрическим поверхностям с зазором. При этом год от года наблюдается тенденция постепенного повышения точности изготовления деталей. Поэтому вопрос реализации условий автоматической собираемости точных цилиндрических соединений, связанный с обеспечением совмещения осей сопрягаемых поверхностей, является актуальным. Также остро стоит проблема надежности и производительности, связанная с заклиниванием деталей при сборке из-за их взаимного перекоса. Таким образом, для обеспечения гарантированной автоматической сборки необходимо применение специальных устройств, осуществляющих относительную ориентацию деталей перед сопряжением.
Среди методов относительной ориентации и реализующих их устройств выделяются методы на основе направленного совмещения деталей с использованием вибраций. Их преимущества связаны с возможностью значительного первоначального рассогласования контуров сопрягаемых деталей; пригодностью к ориентированию деталей без фасок, в том числе из неферромагнитных материалов; возможностью применения для сборки точных соединений; отсутствием заклинивания собираемых деталей, высоким і
качеством и надежностью соединения; простотой конструктивной реализации
устройств и регулирования технологических режимов.
Вместе с тем недостаточная изученность динамики процессов совмещения деталей при вибрационном воздействии, отсутствие рекомендаций по назначению технологических режимов сборки с вибрацией сдерживают ее широкое применение при создании сборочных машин. Также практически неисследованным к настоящему времени остается вопрос о возможности совместного использования вибраций и промышленных роботов (ПР) с пассивной адаптацией для повышения эффективности автоматических сборочных операций, а именно - надежности осуществления сопряжения, производительности и качества сборки за счет направленного совмещения контуров собираемых деталей и исключения их заклинивания.
На основании изложенного можно утверждать, что разработка метода сборки точных цилиндрических соединений с зазором на основе использования вибраций в сочетании с пассивной адаптацией ПР является актуальной научно-технической задачей.
Цель работы - повышение эффективности роботизированной сборки точных цилиндрических соединений с зазором на основе совместного использования пассивной адаптации и вибрационных колебаний.
В соответствии с целью поставлены следующие задачи исследования:
-
Предложить кинематическую схему устройства, реализующего метод роботизированной сборки цилиндрических бесфасочных соединений с зазором, основанный на совместном использовании пассивной адаптации схвата промышленного робота и виброопоры базовой детали, осуществляющей ее колебания вокруг двух взаимно перпендикулярных осей;
-
Разработать математическую модель динамики движения центра масс (ЦМ) устанавливаемой детали, упруго закрепленной в адаптивном схвате, относительно неинерциальной системы координат, связанной с вибрирующей базовой деталью;
-
На основе полученных уравнений динамики разработать
компьютерную программу, позволяющую проводить моделирование движения
ЦМ устанавливаемой детали относительно оси базовой детали;
-
Провести имитационное моделирование динамики процесса с целью изучения влияния на него конструктивных и технологических параметров сборочного устройства;
-
Разработать математическую модель динамики сборочного вибрационного устройства в форме уравнений Лагранжа II рода для определения моментов приводов его звеньев, необходимых для обеспечения сборочного процесса;
-
Спроектировать и изготовить экспериментальные образцы вибрационного устройства и схвата робота с упругими связями;
-
Экспериментально проверить адекватность математической модели и справедливость предположения об исключении заклинивания деталей при сборке с применением разработанного метода;
-
Определить оптимальные технологические режимы и конструктивные параметры средств технологического оснащения.
Научная новизна работы:
-
Разработан метод роботизированной сборки цилиндрических бесфасочных соединений с зазором, основанный на совместном использовании пассивной адаптации схвата промышленного робота и виброопоры базовой детали, осуществляющей ее колебания вокруг двух взаимно перпендикулярных осей (по специальности 05.02.08);
-
Разработана математическая модель динамики движения ЦМ устанавливаемой детали, упруго закрепленной в адаптивном схвате, относительно неинерциальной системы координат, связанной с вибрирующей базовой деталью, на основе которой найдены законы движения звеньев сборочного вибрационного устройства, обеспечивающие условия автоматической собираемости деталей (по специальности 05.13.06);
-
Разработана математическая модель динамики сборочного вибрационного устройства, на основе которой найдены законы изменения во
времени моментов приводов его звеньев (по специальности 05.13.06);
4. Установлены экспериментальные зависимости производительности процесса сборки от технологических и конструктивных параметров виброустройства и адаптивного схвата, а также определены области оптимальных значений (по специальности 05.02.08).
Практическая ценность полученных результатов состоит в следующем:
-
Разработан образец экспериментального устройства для роботизированной сборки бесфасочных цилиндрических соединений с зазором;
-
Разработана компьютерная программа для моделирования процесса автоматической относительной ориентации собираемых деталей и определения оптимальных технологических и конструктивных параметров;
-
Разработана методика инженерного расчета основных элементов экспериментальной установки, реализующей предложенный метод сборки.
-
Отдельные результаты работы внедрены в учебный процесс (в лекционном курсе «Технология автоматизированной сборки», в студенческих НИР в курсовом и дипломном проектировании и магистерских диссертациях).
Новизна разработок подтверждена патентами: на полезную модель «Устройство для сборки деталей» (Патент РФ № RU 83958 U1) и на изобретение «Способ сборки соединений типа вал-втулка» (Патент РФ № RU 2381095 С1).
Методы исследования. При выполнении диссертационного
исследования использованы методы теоретической механики, робототехники,
аппарата матриц преобразования однородных координат, технологии
машиностроения, линейной алгебры и аналитической геометрии,
вычислительной математики, статистической обработки экспериментальных
данных и теории планирования многофакторного эксперимента. Исследование
выполнено экспериментально и методом математического моделирования с
применением разработанных автором программ. Эксперименты проведены с
применением статистической обработки результатов по одно и
многофакторным схемам планирования с использованием современных
регистрирующих и вычислительных средств.
Достоверность полученных результатов определяется корректным использованием математического аппарата и положений теоретической механики и робототехники и подтверждается согласованностью результатов, полученных аналитически, путём математического моделирования и в ходе физических экспериментов.
На защиту выносятся:
- новый метод роботизированной сборки с использованием пассивной
адаптации и вибрационных колебаний;
математическая модель динамики движения ЦМ устанавливаемой детали относительно подвижной неинерциальной системы координат, связанной с базовой деталью;
математическая модель динамики вибрационного устройства, на основе которой найдены законы изменения во времени моментов приводов его звеньев;
экспериментальный образец автоматического сборочного устройства с виброопорой базовой детали и выходным звеном манипулятора со схватом, имеющим упругие связи;
программа реализации на компьютере математической модели относительного движения ЦМ устанавливаемой детали и результаты анализа численного решения;
методика и результаты экспериментальных исследований величины зазора в сопряжении, влияния упругого закрепления детали в схвате и характера вибрационных колебаний базовой детали на выполнение сборочной операции;
методика выбора технологических режимов процесса сборки.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Научно-техническом семинаре «Применение низкочастотных колебаний в технологических целях» (Ростов-на-Дону, 2006 г.); Восемнадцатой Всероссийской научно-технической конференции «Экстремальная робототехника» (Санкт-Петербург, 10-11 апреля 2007 г.); на Международном
научно-техническом семинаре «Современные технологии сборки» (Москва,
МГТУ «МАМИ», 23-24 октября 2008 г.); на Международном научном симпозиуме «Автотракторостроение - 2009» (Москва, МГТУ «МАМИ», 25-26 марта 2009 г.); на Международном станкостроительном форуме «Современные тенденции в технологиях и конструкциях металлообрабатывающих машин и механизмов» (Москва, ЦВК «Экспоцентр», 25 мая 2010 г.).
Внедрение результатов исследования осуществлено в учебный процесс в МГТУ «МАМИ» по дисциплине «Технология автоматизированного сборочного производства».
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в шести печатных работах, в том числе три из них в изданиях, входящих в перечень рекомендуемых ВАК РФ, а также в двух патентах РФ.
Структура и объём работы. Диссертация общим объёмом 144 страницы состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 51 наименований и 6 приложений. Основной текст изложен на 137 страницах, включает 52 рисунка, 8 таблиц и математические формулы.
Результаты исследований были использованы при проведении работ по Государственному контракту № П879 по теме «Адаптивное оборудование и оснастка для автоматической сборки» в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы».
Похожие диссертации на Повышение эффективности роботизированной сборки цилиндрических соединений с зазором на основе применения пассивной адаптации и низкочастотных колебаний
