Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ существующих способов работы вспомогательных органов сборочного оборудования. Цели и задачи 10
1.1 Анализ способов подачи и удаления собираемого узла с позиции сборки 13
1.2 Анализ способов подачи присоединяемых деталей на позицию сборки
1.3 Анализ способов подвода, подстыковки и доорентации исполнительного органа сборочного оборудования к собираемому узлу и отвод от него 29
1.4 Цели и задачи 40
Глава 2. Обоснование оптимального управления движением подающих устройств для обеспечения предельного их быстродействия 41
2.1. Оптимальное управление вращением подающего устройства при торможении внешними силами 41
2.2 Оптимальное управление вращением подающего устройства при торможении силой трения 50
2.3 Оптимальное управление поступательным движением подающего устройства при торможении внешними силами 59
2.4 Оптимальное управление поступательным движением подающего устройства при торможении силой трения 61
2.5 Выводы по главе 63
Глава 3. Обоснование предельных режимов движения элементов сборочного оборудования при выполнении операций 64
3.1 Предельная скорость поворота стола при торможении его ударом упора о штырь 64
3.2 Предельная скорость движения шагового конвейера при торможении ударом упора о штырь 69
3.3 Предельно допустимое ускорение движения шагового конвейера с незакреплённым узлом 72
3.4 Обеспечение максимальной скорости безударного перемещения элементов сборочного оборудования с использованием демпферов 73
3.5 Обоснование предельной скорости подвода к узлу исполнительного органа сборочного оборудования 78
3.6 Обоснование предельной скорости отвода от узла исполнительного органа сборочного оборудования 89
3.7 Обоснование режимов движения элементов сборочного оборудования при снятии патронов с завинченных резьбовых деталей 92
3.8 Выводы по главе 97
Глава 4. Экспериментальное подтверждение теоретических обоснований оптимального управления движением и предельных режимов работы элементов сборочного оборудования 98
4.1 Экспериментальное подтверждение оптимального управления движением шагового конвейера при торможении внешними силами 98
4.2 Экспериментальное подтверждение предельной скорости шагового конвейера при торможении ударом об упор 101
4.3 Экспериментальное подтверждение предельной скорости подвода без удара шагового конвейера при торможении внешними силами 105
4.4 Подтверждение результатов исследования быстродействия работы устройств на действующем сборочном оборудовании... 108
4.5 Выводы по главе 114
Глава 5. Методика практического расчёта предельных режимов работы сборочного оборудования при выполнении вспомогательных операций .. 116
5.1 Методика проектирования элементов сборочного оборудования для обеспечения предельного быстродействия . 116
5.2 Пример расчёта предельной скорости поворота стола при торможении ударом о штырь 121
5.3 Пример расчёта предельной скорости перемещения шагового конвейера при торможении ударом о штырь 124
5.4 Пример определения минимальной жёсткости пружины при торможении движущегося робота 126
5.5 Пример практического расчёта параметров системы и регулировки 127
5.6 Выводы по главе 128
Заключение 129
Список используемой литературы 130
- Анализ способов подачи присоединяемых деталей на позицию сборки
- Оптимальное управление вращением подающего устройства при торможении силой трения
- Предельная скорость движения шагового конвейера при торможении ударом упора о штырь
- Экспериментальное подтверждение предельной скорости шагового конвейера при торможении ударом об упор
Введение к работе
Важнейшим направлением развития промышленности является автоматизация производственных процессов.
Автоматизация позволяет: снизить трудоемкость, а следовательно, увеличить производительность труда; повысить качество и надёжность изделий; исключить травматизм, тяжёлый, однообразный физический труд, вредное воздействие на человека вибрации, шума, пыли, токсичных и других факторов. Главным итогом её является повышение роли человека в производственном процессе.
В настоящее время уровень автоматизации обрабатывающих операций значительно превосходит уровень автоматизации сборочных работ. В промышленности 90 - 95 % всех сборочных работ выполняется вручную и только 5 - 12 % - на автоматических линиях с применением роботизированных систем [39]. Трудоёмкость сборочных работ в структуре машиностроительного производства достигает 25 - 40 % общей трудоёмкости изготовления объекта производства, приближаясь к трудоёмкости механической обработки и превышая затраты труда на всех других этапах производства [11].
По данным отрасли тракторного и сельскохозяйственного машиностроения при сборке резьбовых соединений на такие переходы, как наживление, завинчивание, подвод и отвод инструмента, требуется 0,25 мин. рабочего времени, что по отрасли составляет 1 млн. часов в год [10] . Подвод и
7 отвод инструмента, собираемых узлов и деталей - это работа вспомогательного
оборудования. В производстве согласно [45] вспомогательное время может
даже превышать время сборки. Таким образом, повышение быстродействия
вспомогательного оборудования является резервом повышения
производительности труда процесса сборки изделия и в целом всего процесса
изготовления объекта производства.
Исследованию проблем автоматизации сборки изделий посвящены работы профессоров, докторов технических наук: Балакшина Б.С, Вейца В.Л., Гусева А.А., Дальского A.M., Житникова Ю.З., Иванова А.А., Иосилевича Б.Г., Корсакова B.C., Малова А.Н., Новикова М.П., Рабиновича А.Н., Федотова А.И. и кандидатов технических наук Замятина В.К., Косилова В.В., Лебедовского М.С., Муценика К.Я., Оболенского В.Н. и многих других.
При автоматизированной сборке оборудование, кроме основной операции, выполняет дополнительные функции:
подачу в ориентированном положении узла на позицию сборки и его удаление после выполнения операции;
подачу в ориентированном положении соединяемых деталей в зону сборки;
подвод исполнительного органа сборочного оборудования к собираемому узлу и отвод от него;
и ряд других.
8 Каждая из функций сборки имеет свои особенности. Так подача
собираемых узлов и деталей на позицию сборки осуществляется подающими
устройствами, которые могут совершать как поступательное, так и
вращательное движение. Подвод к узлу исполнительного органа сборочного
оборудования не должен допускать удара, в результате которого возможна
деформация элементов оборудования или соединяемой детали. Отвод от
собираемого узла исполнительного органа сборочного оборудования допускает
удар в момент остановки системы в верхнем положении. И другие особенности.
Быстродействие подающих устройств зависит от модуля, начала и
продолжительности действия активных сил и сил торможения при движении.
Быстродействие и согласованность выполнения основных и
вспомогательных операций обеспечивает надёжную и производительную
сборку.
Эффективность работы автоматизированного сборочного оборудования
определяется производительностью и экономической целесообразностью.
Следовательно, необходимо найти такие методы и средства для: подачи в
ориентированном положении узла на позицию сборки и его удаление после
выполнения операции; подачи в ориентированном положении соединяемых
деталей в зону сборки; подвод исполнительного органа сборочного
оборудования к собираемому узлу и отвод от него, при которых время будет
минимальным.
9 При автоматизированной сборке в большинстве случаев вспомогательное
время может в несколько раз превосходить время сборки. Сам процесс
автоматизированной сборки как различных соединений так узлов и деталей
достаточно хорошо изучен и описан в технической литературе [5], [22], [26],
[27], [28], [29], [52], [64]. А вопросу исследования быстродействия
вспомогательных органов сборочного оборудования не уделялось должного
внимания.
На основе изложенного можно утверждать, что существует актуальная
научно-техническая задача создания высокоэффективного сборочного
оборудования, которое позволит значительно сократить вспомогательное время
на этапах:
подачи и удаления узлов с позиции сборки;
подачи в ориентированном положении соединяемых деталей и уплотнений;
безударного подвода к узлу и отвода от него исполнительного органа сборочного оборудования.
Анализ способов подачи присоединяемых деталей на позицию сборки
Согласно общей схемы технологического процесса автоматизированной сборки, одной из вспомогательных операций является подача присоединяемых деталей. В технической литературе [4], [14], [26], [28], [30], [32], [33], [61] эта операция достаточно подробно рассмотрена.
В настоящее время подача скрепляемых деталей в зону сборки осуществляется различными способами: - при помощи роботов; - по наклонным лоткам; - шиберными устройствами. В работах [46], [47] рассмотрены вопросы кинематики, динамики, расчёта и проектирования механизмов промышленных роботов. Не рассмотрен вопрос предельных скоростей движения робота при подаче скрепляемых деталей. Решение этой задачи позволит уменьшить время выполнения вспомогательных операций. В процессе сборки лотки выполняют следующие функции: — накопление определённого количества деталей; - перемещение деталей.
В процессе перемещения по лотку скрепляемая деталь должна сохранять заданное ей положение и двигаться к его выходу с такой скоростью, чтобы обеспечить работу технологической системы с заданной производительностью. Детали при этом не должны соударяться и деформироваться.
В работах [9], [40], [67] изложена теория и методика проектирования лотков для направленного движения деталей, поэтому нет необходимости в рассмотрении вопроса быстродействия этих устройств.
Подача деталей шиберными устройствами осуществляется поступательным движением. А сброс осуществляется в момент начала движения и в момент торможения. Рассмотрим пример шиберного устройства.
Устройство автоматизированной установки металлизированных уплотнений и сопрягаемых деталей
Устройство включает питатель 2 Рис. 1.4 закреплённый на верхней плите 1 рамы автоматического комплекса, вручную заполняемый металлизированными уплотнениями 3. В нижней части питателя расположен шибер 6, который приводится в движение штоком пневмоцилиндра 4, установленном на полке 7. Спутник, предназначенный для установки детали, состоит из основания 13 со штифтами для базирования детали 8. Он поворачивается вокруг оси 12, связанной с шестипозиционным поворотным столом 10. К основанию крепится кондуктор 15 с направляющими втулками 16 для шпилек, который может поворачиваться вокруг оси 14. Для удержания детали 8 в спутнике кондуктор 15 соединён с основанием 13 пружиной 9. Горизонтальное положение кондуктора 15 регулируется винтом. В кондукторе 15 имеются выфрезерованные полости под размер металлизированных уплотнений 3. Устройство работает следующим образом. При повороте стола 10 вокруг оси деталь 8 подаётся на рабочую позицию и спутник нижним концом основания 13 замыкает конечный выключатель. Сжатый воздух подаётся в правую полость пневмоцилиндра 4. Шток поршня пневмоцилиндра 4 в направляющих 5 перемещает шибер 6, который выталкивает два уплотнения 3 в полости кондуктора 15, точно устанавливая их в требуемом положении. Затем сжатый воздух поступает в левую полость пневмоцилиндра 4 и шибер 6 возвращается в исходное положение. Уплотнения 3 в питателе 2 под собственным весом опускаются на расстояние, равное толщине одного уплотнения. Шестипозиционныи стол поворачивается и процесс установки уплотнений повторяется. На рассмотренном примере видно, что работа шиберных устройств соответствует работе подающих устройств при подводе и удалении Рис. 1.4 29 собираемого узла, который был рассмотрен выше. Остаётся актуальным вопрос быстродействия. То есть, минимизация времени подачи и определение предельной скорости подачи. Поэтому объединим рассмотрение вопросов быстродействия таких устройств.
Оптимальное управление вращением подающего устройства при торможении силой трения
Автоматизация позволяет: снизить трудоемкость, а следовательно, увеличить производительность труда; повысить качество и надёжность изделий; исключить травматизм, тяжёлый, однообразный физический труд, вредное воздействие на человека вибрации, шума, пыли, токсичных и других факторов. Главным итогом её является повышение роли человека в производственном процессе.
В настоящее время уровень автоматизации обрабатывающих операций значительно превосходит уровень автоматизации сборочных работ. В промышленности 90 - 95 % всех сборочных работ выполняется вручную и только 5 - 12 % - на автоматических линиях с применением роботизированных систем [39]. Трудоёмкость сборочных работ в структуре машиностроительного производства достигает 25 - 40 % общей трудоёмкости изготовления объекта производства, приближаясь к трудоёмкости механической обработки и превышая затраты труда на всех других этапах производства [11].
По данным отрасли тракторного и сельскохозяйственного машиностроения при сборке резьбовых соединений на такие переходы, как наживление, завинчивание, подвод и отвод инструмента, требуется 0,25 мин. рабочего времени, что по отрасли составляет 1 млн. часов в год [10] . Подвод и отвод инструмента, собираемых узлов и деталей - это работа вспомогательного оборудования. В производстве согласно [45] вспомогательное время может даже превышать время сборки. Таким образом, повышение быстродействия вспомогательного оборудования является резервом повышения производительности труда процесса сборки изделия и в целом всего процесса изготовления объекта производства.
Исследованию проблем автоматизации сборки изделий посвящены работы профессоров, докторов технических наук: Балакшина Б.С, Вейца В.Л., Гусева А.А., Дальского A.M., Житникова Ю.З., Иванова А.А., Иосилевича Б.Г., Корсакова B.C., Малова А.Н., Новикова М.П., Рабиновича А.Н., Федотова А.И. и кандидатов технических наук Замятина В.К., Косилова В.В., Лебедовского М.С., Муценика К.Я., Оболенского В.Н. и многих других.
При автоматизированной сборке оборудование, кроме основной операции, выполняет дополнительные функции: - подачу в ориентированном положении узла на позицию сборки и его удаление после выполнения операции; - подачу в ориентированном положении соединяемых деталей в зону сборки; - подвод исполнительного органа сборочного оборудования к собираемому узлу и отвод от него; и ряд других. Каждая из функций сборки имеет свои особенности. Так подача собираемых узлов и деталей на позицию сборки осуществляется подающими устройствами, которые могут совершать как поступательное, так и вращательное движение. Подвод к узлу исполнительного органа сборочного оборудования не должен допускать удара, в результате которого возможна деформация элементов оборудования или соединяемой детали. Отвод от собираемого узла исполнительного органа сборочного оборудования допускает удар в момент остановки системы в верхнем положении. И другие особенности. Быстродействие подающих устройств зависит от модуля, начала и продолжительности действия активных сил и сил торможения при движении. Быстродействие и согласованность выполнения основных и вспомогательных операций обеспечивает надёжную и производительную сборку. Эффективность работы автоматизированного сборочного оборудования определяется производительностью и экономической целесообразностью. Следовательно, необходимо найти такие методы и средства для: подачи в ориентированном положении узла на позицию сборки и его удаление после выполнения операции; подачи в ориентированном положении соединяемых деталей в зону сборки; подвод исполнительного органа сборочного оборудования к собираемому узлу и отвод от него, при которых время будет минимальным. При автоматизированной сборке в большинстве случаев вспомогательное время может в несколько раз превосходить время сборки. Сам процесс автоматизированной сборки как различных соединений так узлов и деталей достаточно хорошо изучен и описан в технической литературе [5], [22], [26], [27], [28], [29], [52], [64]. А вопросу исследования быстродействия вспомогательных органов сборочного оборудования не уделялось должного внимания.
Предельная скорость движения шагового конвейера при торможении ударом упора о штырь
Пусть при подаче узла I Рис. 3.2 на позицию сборки шаговым конвейером 2 его положение фиксируется прижатием жёсткого упора 3, закреплённого на конвейере, к неподвижному штырю 4. Найдём зависимость предельной скорости поступательного движения шагового конвейера от его параметров и физико-механических свойств штыря. Вывод построен по аналогии с предыдущим параграфом. Будем считать удар упругим.
Погрешность позиционирования незакреплённого узла или детали на подающем устройстве (шаговом конвейере, шибере и т. д.) может увеличиться, если в процессе резкого торможения узел отрывается от собачек подающего устройства и опережает движение шагового конвейера, а, следовательно, увеличивается смещение узла относительно собачек конвейера.
Применяя принцип Даламбера, определим предельно допустимое ускорение в момент торможения, при котором исключается опережение движения собираемого узла. В институте «Машиноведения» академии наук РФ разработан метод перемещения элементов сборочного оборудования с помощью демпферов. Конструктивное решение приведено на рисунке 3.3.
Шток 3 главного пневмоцилиндра 2 жёстко связан с элементом сборочного оборудования 1 (роботом). В крайних положениях робот прижат к упорам 4, 5, в которых расположены пружины демпферов 6, 7. В системе имеется два вспомогательных пневмоцилиндра 8, 9, штоки, которых связаны с собачками 10, 11. В основании робота имеются две полости А и Б.
Система работает следующим образом. При подаче сжатого воздуха в левую полость главного пневмоцилиндра, когда собачка 10 ослаблена, робот с большой скоростью движется к правому упору 5, но, упираясь в пружину демпфера, тормозится до остановки, не ударяясь об упор. В это время собачка 11 попадает в полость Б, срабатывает пневмоцилиндр 9 и с относительно малой скоростью прижимает робот к упору 5. Таким образом, обеспечивается высокая скорость перемещения робота до упора без удара. Задача проектирования устройства сводится к определению минимальной жёсткости пружины демпфера в функции от параметров системы и требуемой предельной скорости перемещения "пр .
При подводе к узлу исполнительного органа сборочного оборудования недопустим удар, в результате которого возможна деформация элементов оборудования или соединяемых деталей. Безударный подвод исполнительного органа сборочного оборудования можно обеспечить тремя способами.
Конструктивное решение устройства, реализующего первый способ, показано на Рис. 3.5. Пневмоцилиндр 1, жёстко связан с основанием 2 устройства. Поршень 3 штоком 4 соединён с исполнительным органом 5 сборочного оборудования. Для регулирования скорости опускания исполнительного органа на выходной воздушной магистрали 6 установлен дроссель 7. Расчётная схема устройства представлена на Рис. 3.6.
Из уравнений определяем предельную скорость перемещения исполнительного органа, при которой при ударе не нарушается работа сборочного оборудования, не деформируются соударяемые элементы. Зная скорость перемещения системы, найдём площадь сечения дросселя, при которой обеспечивается требуемый режим движения системы Mk0JW При первом способе управления, требуемая скорость движения исполнительного органа обеспечивается быстротой впускания в верхнюю и выпускания из нижней, полостей пневмоцилиндра сжатого воздуха. При втором - из нижней полости пневмоцилиндра быстро выпускается сжатый воздух и система с возрастанием скорости опускается под действием своего веса и верхней пружины до момента, когда верхняя пружина не деформирована, а нижняя пружина ещё не начала деформироваться. Затем начнёт сжиматься нижняя пружина, тормозя движение системы практически до нуля. При этом, из-за непостоянства трения в подвижных частях и жёсткости пружины, система будет иметь незначительный удар, который вполне допустим, но не будет гарантированно обеспечивать требуемого перемещения до касания с узлом и возникнут колебания системы. Для исключения второго фактора, в момент касания исполнительного органа узла, в верхнюю полость пневмоцилиндра подаётся сжатый воздух, что позволяет обеспечить плотное прижатие плиты исполнительного органа к узлу и исключит некоторый отскок системы от узла после удара. На первом этапе движения Рис.3.7а на систему действуют следующие силы: т, - сила веса подвижных частей системы; 72 - сила веса соединяемой детали; F„pX=Cx(ax—xx) - сила упругости верхней пружины; Fc=bxx - сила сопротивления движению; где С\ - коэффициент упругости; ах - величина предварительной деформации верхней пружины; Ъх - коэффициент вязкого трения.
Экспериментальное подтверждение предельной скорости шагового конвейера при торможении ударом об упор
Для экспериментального подтверждения предельной скорости шагового конвейера при торможении ударом об упор будем использовать экспериментальную установку. Схема дана на Рис. 4.2, где 1 - параллелепипед массы 2,4 кг, 2 - наклонный желоб длины 89 см с углом наклона а", 3 - штырь (будем использовать медный штырь длины 20 мм, диаметра 1,4 мм, с модулем упругости 13000 кгс/мм , и предельным напряжением на изгиб 43 кгс/мм ). Эксперимент осуществляется следующим образом: параллелепипед спускается по наклонному лотку и ударяется об упор. При этом замеряется угол наклона а".
Исходя из теоретических обоснований, предельная скорость движения шагового конвейера, вычисленная по формуле (4.2), равна 55 мм/с. Экспериментальным путём установленная предельная скорость движения шагового конвейера, вычисленная по формуле (4.3), равна 61 мм/с. Отклонение скоростей не превышает 10% ,что является допустимым. (В приложении 3 даны необходимые расчеты.) Согласно теоретических обоснований глав 2 и 3, предельная скорость подвода без удара шагового конвейера определяется через параметры системы. Для экспериментального подтверждения предельной скорости на перемещение шагового конвейера при торможении внешними силами будем использовать экспериментальную установку. Схема дана на Рис. 4.3, где 1 цилиндр массы 2,2 кг, 2 - наклонный желоб длины 89 см с углом наклона (Х, 3 - пружина жёсткости 0,96 кг/см, 4 - горизонтальный жёлоб длины 89 см.
Эксперимент осуществляется следующим образом: цилиндр катится по наклонному желобу, затем по горизонтальному жёлобу и ударяется в пружину.
Для подтверждения результатов исследования проводилась проверка оптимального управления движением и предельные скорости безударного подвода на действующем сборочном оборудовании. На рисунках 4.4, 4.5, 4.6 даны фотографии таких сборочных устройств. Это оборудование ОАО ВТЗ г. Владимира. На Рис. 4.4 дана фотография автомата сборки головки двигателя трактора. На Рис. 4.5 и 4.6 даны фотографии автомата сборки корпуса топливного насоса.
Автомат сборки головки двигателя трактора выполняет вспомогательную операцию подвода с помощью поворотного стола, движение которого осуществляется пневмоцилиндром. Для оптимального управления процессом было предложено отключать подачу сжатого воздуха в полость пневмоцилиндра, после чего поворотный стол по инерции устанавливался в рабочее положение. Торможение стола происходило за счет силы трения. Теоретическое время отключения управления совпало с практическим, отклонение составляло не более 15%. Автомат сборки корпуса топливного насоса выполняет вспомогательную операцию подвода без удара так, как описано в разделе 3.5 главы 3 способ 3. Предельная скорость подвода, вычисленная по формулам главы 3, отличалась от практической не более чем на 15%. Проведём сравнительный анализ работы действующего сборочного оборудования
Цикл работы автомата сборки головки двигателя трактора на действующем оборудовании составлял 28,1 с. После того, как была увеличена скорость поворота стола за счёт оптимизации управления, а также увеличены скорости подвода и отвода исполнительного органа сборочного оборудования, цикл работы автомата составил 21,21 с. В таблице 4.5 даны значения времени выполнения отдельных видов операций при сборке.
