Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обеспечения требуемой точности сборки приборов 8
1.1 Значимость сборки в процессе обеспечения требуемой точности 8
1.2 Селективная сборка или метод групповой взаимозаменяемости 10
1.3 Необходимость поиска и применения новых сборочных технологий для решения проблемы обеспечения требуемой точности изделий. 16
ГЛАВА II Теоретические основы адаптивно-селективной сборочнойтехнологии и их развитие 20
2.1 Основной принцип адаптивно-селективной сборочной технологии 20
2.2 Определение и оптимизация границ групп допусков 27
2.3 Реализация АСС 31
2.4 Моделирование селективного сборочного процесса 34
ГЛАВА III Разработка и анализ математической модели комплектования серийных микроскопов сменными микрообъективами 42
3.1 Операция комплектования: необходимость, цель, проблематика и поиск ее решения 42
3.2 Математическая модель операции комплектования 46
3.2.1 Построение математической модели 46
3.2.1.1. Система обозначений 47
3.2.1.2 Алгоритм построения математической модели 52
3.2.1.2.1 Анализ погрешностей объектива 52
3.2.1.2.2 Анализ ошибок револьвера 53
3.2.1.2.3 Суммарная ошибка 58
3.2.1.3. Расчет допусков на конструктивные элементы 61
3.2.1.4 Компенсация ошибок револьвера и объектива 63
3.3 Упрощение математической модели для условий реального производства 65
3.3.1. Величины влияния револьверного устройства 65
3.3.1.1 Юстируемые погрешности 66
3.3.1.2 Ошибки определяемые через юстируемые величины и зависящие от них 68
3.3.1.3 Величина Нк 70
3.3.2 Величины влияния объектива 71
3.4. Приближение преобразованной математической модели к модели допуска, используемой АСС 72
3.4.1. Деление области значений погрешностей а0ьи pbtf на квадранты 72
3.4.2 Представление погрешности а0ъ через погрешностьрыг, исходя из условий компенсации 74
3.5 Расчет допусков по упрощенной математической модели 76
ГЛАВА IV Определение и оптимизация границ групп допусков . 79
4.1 Общие сведения 79
4.2 Определение и оптимизация групп допусков на основании рассчитанных допусков на величины влияния . 82
4.3 Определение и оптимизация границ групп допусков для реальных кривых распределения действительных значений погрешностей. 86
ГЛАВА V Рекомендации по улучшению технологического процесса изготовления деталей и сборки револьверных устройств и создание структуры асс- сборочной ячейки 93
5.1. Рекомендации к изменению реализуемого технологического процесса сборки и изготовления деталей револьверных устройств 93
5.2 Разработка принципиальной структуры АСС- сборочной ячейки 98
5.2.1 Общая схема реализации селективной сборочной ячейки 98
5.2.2 Организация станции револьверов 102
5.2.3 Организация станции объективов 105
5.2.4 Организация станции комплектования 108
5.2.5. Проблемы и задачи, требующие решения при организации селективной сборочной ячейки с применением АСС 110
5.2.6. Моделирование процесса комплектования с помощью модуля имитационного моделирования ASM-SIM 200 111
Заключение 115
Литература 118
Приложения 131
- Селективная сборка или метод групповой взаимозаменяемости
- Определение и оптимизация границ групп допусков
- Математическая модель операции комплектования
- Определение и оптимизация групп допусков на основании рассчитанных допусков на величины влияния
Введение к работе
Обеспечение требуемой точности в приборостроении- одна из важнейших проблем. На всех этапах изготовления приборов обеспечение требуемой точности является обязательным, но особенно важным является обеспечение
В настоящее время получили распространение следующие методы обеспечения требуемой точности изделий в процессе сборки: метод полной взаимозаменяемости; метод неполной взаимозаменяемости (вероятностные методы); метод групповой взаимозаменяемости (селективная сборка); метод регулировки (сборка с использованием конструктивных компенсаторов); метод пригонки (сборка с использованием технологических компенсаторов).
Ни один из выше перечисленных методов достижения требуемой точности в рамках сборочного процесса не обеспечивает приемлемого сочетания производительности, экономичности и качества выпускаемой продукции. С общих позиций наиболее перспективным является метод селективной сборки. Однако реальная область его применения - это длительное массовое производство. Распространение данного метода на область серийного и мелкосерийного производства обеспечит рассматриваемая в данной работе адаптивно-селективная сборка (АСС). Эта новая сборочная технология, базирующаяся на принципах селективной сборки и адаптивном принципе, лишена недостатков селективной сборочной технологии.
Поэтому целью данной работы является исследование возможности применения АСС в условиях серийного и мелкосерийного производства приборов.
Основные задачи исследования: - анализ существующих методов обеспечения требуемой точности в процессе сборки. оценка перспективности применения метода АСС в условиях серийного изготовления приборов в сравнении со всеми существующими традиционными методами обеспечения требуемой точности приборов при сборке . анализ приборостроительного производства на примере серийного изготовления микроскопов с точки зрения поиска новой области применения АСС. анализ и исследование факторов влияющих на качество сборки и комплектования микроскопов для найденного примера применения АСС. разработка комплексной математической модели процесса комплектования микроскопов сменными микрообъективами на основании представления данного процесса с позиций теории АСС анализ и исследование характера влияющих факторов, оптимизация параметров комплексной математической модели. - исследование определения и оптимизации групп допусков для влияющих факторов комплексной математической модели. - выработка рекомендация по усовершенствованию и изменению суще ствующего серийного процесса изготовления микроскопов. - выработка рекомендаций по внедрению АСС в производство серий ных микроскопов.
Актуальность работы определяется важностью решения проблемы обеспечения требуемой точности в приборостроении. В этой связи исследование применимости адаптивно-селективной сборки (АСС) в мелкосерийном и серийном производствах, как одной из наиболее технологически и экономически перспективных сборочных технологий является актуальной задачей.
Актуальность темы диссертационной работы подтверждается Приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники Российской Федерации, (раздел «Производственные технологии»), утвержденными Президентом Российской Федерации Путиным В.В. 30 марта 2002г, Пр-577. Решаемые в диссертации задачи соответствуют разделу «Опто-, радио- и аку-стоэлектроника» Перечня критических технологий Российской Федерации, так же утвержденного Президентом Российской Федерации В.В. Путиным 30 марта 2002г., Пр-578.
Селективная сборка или метод групповой взаимозаменяемости
Исследованию метода селективной сборки и изучению ее теоретических основ был посвящен целый ряд работ отечественных ученых till,13,25,33-36,46,56-59,61,63-67,76,141]. Селективная сборка появилась вследствие несоответствия точности имеющегося оборудования требованиям, выдвигаемым теорией взаимозаменяемости, когда переход на новое, более точное оборудование при ограниченных масштабах производства приводит к значительному возрастанию себестоимости изделия.
Метод селективной сборки или иначе, метод групповой взаимозаменяемости заключается:- в изготовлении деталей узлов по технически выполнимым или экономически целесообразным производственным допускам;- в измерении партии входящих в соединение деталей, при этом измеряются действительные отклонения величин влияния от номинального размера, или иначе, отклонения характеристик, оказывающих непосредственное влияние на требуемую точность соединения;- предварительной сортировке партии входящих в соединение деталей на размерные группы в пределах фактических производственных допусков - непосредственной сборке соединений из деталей соответствующих групп.
Взаимозаменяемость достигается в пределах каждой сортировочной группы (метод групповой взаимозаменяемости), т.е. в пределах каждой группы допуск на целевую величину имеет функционально приемлемое значение ТПтр. Тогда для любой группы s допуска (s=l,...,m) справедливо выражение:где, Тук - групповой допуск s-ой сортировочной группы на целевую величину соединения.Тогда из выражения (1.3) вытекает следующее условие: где r№/wa,- реализуемый производственный допуск целевой величины,который в m раз превышает требуемый, s- номер группы допуска на целевую величину, s=l,...,m.
В пределах же каждой группы соблюдается следующее равенство:где, Г -групповые допуски величин влияния X;; П- ЧИСЛО величин влияния; s- номер группы допуска величины влияния, s=l,...,m.
Одним из основных факторов, определяющих точность процесса селективной сборки и границы полей допусков сопрягаемых групп, является число групп допусков s(s=l,...,m). Разбивку производственного поля допуска на селективные группы может производиться двумя способами[1-2,25,56]:1) от нижней границы поля допуска, т.е. от наименьшего размера к наибольшему- m=smax;2) симметрично координат середины поля допуска, при этом для нечетного числа групп m=smax-smin+l.
Таким образом, основным уравнением селективной сборочной технологии, с учетом равенств (1.3) и(1.5) является следующее равенство:где, TXipeai-производственный допуск і-ой величины влияния (i=l,...,n). Числогрупп допусков m для каждой величины влияния должны быть равны между собой, т.е. поля допусков величин влияния должны быть разбиты на равное количество групп. Кроме того, групповые допуски величины влияния должны быть равны между собой, т.е. должно соблюдаться условие:
Это условие обеспечивает соблюдение поля допуска ТПтр при соединении деталей, взятых из соответствующих групп.
Суть селективной сборки наглядно представлена на рис. 1.1 на примере трехзвенной размерной цепи, к которой можно свести любую размерную цепь, путем суммирования ее звеньев в каждой ветви.
На рис. 1.1 п - количество групп допусков; Smax Smin- максимальный и минимальный зазор в посадке, Sipmax; Srpmin- максимальный и минимальный групповой зазор посадки; ІТпос11 - групповой допуск на посадку," 1Т1ЮС- допуск на посадку.
С учетом равенств (1.5),(1.6) и (1.7) общее равенство и принцип селективной сборки можно выразить следующим образом:
Одной из основных проблем селективной сборки является избыток одних и нехватка других деталей в группах, т.е. «незавершенное производство». Наличие незавершенного производства обусловлено двумя причинами:а) не идентичностью формы и расположения кривых рассеяния действительных значений величин влияния;
Определение и оптимизация границ групп допусков
Оптимизация АСС подразумевает под собой определение и оптимизация границ групп допусков величин влияния и решение такой системы оптимизации означает решение задачи оптимизации АСС.
Для построения системы оптимизации предполагается исходным пунктом наличие любой модели допуска 5Y{ формула 2.4), производственных допусков 5Xt, лежащих в области сходимости К и требуемого функциональногодопуска 5Ymp. Система оптимизации будет являться зависимой от всех этихвыше перечисленных переменных [97,98,120,128,129]. Компоненты системы оптимизации условно можно подразделить на целевые функции, которые подлежат оптимизации и вспомогательные условия, которые отражают содержательные предпосылки согласованности технологических, практических и алгоритмических аспектов.
Первым главным целевым условием Г для реализации системы оптимизации становится максимизация минимального влияния признаков качества
Система равенств (2.5) или (2.6) и (2.7) представляют собой не линейную систему из 2п уравнений с количеством неизвестных 2п для определения границ групп допусков Л„ и TT1S .
Таким образом, с помощью вышеуказанных уравнений (2.5)-(2.7) может быть описана система оптимизации, используемая в случае АСС.
Система определения и оптимизации границ групп допусков АСС устраняет условия, которые выдвигает теория селективной сборочной технологии, в соответствии с которыми, кривые распределения действительных размеров величин влияния должны быть полностью идентичными (глава 1.2). Попытка минимизации количества не собираемых деталей при помощи уравнивания площадей групп допусков FiS была уже сделана [25,56], однако полной системы оптимизации, соединяющей воедино все основные требования и представленной в виде единой математической последовательности уравнений, до настоящего момента не существовало.
Алгоритм к решению системы оптимизации определяется итерационным характером самого определения системы. То есть производится последовательное определение границ групп допусков за (l+р) шагов [119]. Первым шагом устанавливают первую группу допусков Fn, с каждым следующим шагом г=1,2...,р- пару групп допусков [Fjs, F i)]. Обе группы до пусков Fis и F i) дополнительно упорядочены относительно центра распределения Me. Если величина влияния Xi принимается в качестве базовой, то тогда все четные группы допусков Fi(2r) (s=2r при г=1,2,... р) всегда будут расположены слева от центра распределения (рис. 2.3).
Для г-го шага определения пары групп допусков [Fi(2r), Fi(2r+i)] и при условии, что X]- принимается за базовую, является действительным:где, г=1,2,...,р; при а=1 для г=1 иа=2 для г 1
Для всех прочих величин влияния Xj (i=2,3,...,n) равнозначные группы допусков Fi(s+i) (s=2r; г=1,2,...,р) располагаются относительно центра распределения произвольным образом. Из этого следует, что существует v=2n" возможностей расположения групп допусков. Если модель допуска зависит от п переменных, то возникает 2" возможностей упорядочения групп допусков высшего порядка около, определенной на первом этапе, группы первого по рядка. С увеличением числа п величин влияния Xj (i=l,2,...,n) экспоненциально увеличивается количество возможностей упорядочения, которые должны вычисляться. Поэтому для упрощения вводится специфическое ограничение, которое предлагает в качестве подходящего решения рассматривать такое положение v, при котором площадь пары групп допусков является максимальной:
Система оптимизации, представленная выше были реализована в специализированной программе ASM-OPT 320 по средствам RAD- системы у Delphi (версия 2.0) для операционной системы Windows [128,129]. Данная программа предоставляет в распоряжение пользователя среду для проведения определения и оптимизации границ групп допусков для различных формулировок задач. Данная программа предусматривает следующие опции:- оптимизация групп допусков для любого числа целевых величин Yj одновременно;- оптимизация групп допусков относительно любого числа величин влияния X;;- возможность работы с любым видом гистограмм распределения величин влияния Xj;- проблемная спецификация весовых коэффициентов первого и второго порядка соответствующая использованию для расчетов квадратичной моделью допуска;
Математическая модель операции комплектования
Первым этапом на пути исследования по возможности применения адаптивно-селективной сборочной технологии в условиях серийного изготовления микроскопов МИКМЕД-1 становиться анализ конструкции данного серийного прибора, а так же построение передаточной функции между конструктивными параметрами прибора и его выходными характеристиками, а именно, расфокусировкой и смещением изображения при переходе от одного увеличения к другому. Говоря иначе, построение математической модели операции комплектования. В последующей части работы именно о построенной математической модели операции комплектования и пойдет речь.
Необходимость создания новой модели была обусловлена результатами анализа научных работ [14-23,26-30,80,137-138], посвященных исследованию и решению данной проблемы. Данный анализ показал, что ни одна из предыдущих моделей не может быть использована в качестве модели операции комплектования для применения АСС, т.к. ни одна из них не отражает влияние и векторный характер погрешностей конструктивных параметров сменных микрообъективов и револьверного устройства на результат операции комплектования.
Как уже было указано выше, к смене увеличений микроскопа предъявляются два основных требования (глава 3.1). Подробно разработка математической модели комплкетования представлена в работе [146].Первое требование будет выполнено при сохранении постоянства оптической оси микроскопа при смене объективов, второе - при расположении предметных точек различных объективов в одной плоскости.
Исходя из этих рассуждений, и строиться математическая модель операции комплектования
Данная математическая модель является трехмерной, поэтому каждая точка имеет три координаты. Система координат выбрана таким образом, что оси Y и Z составляют поперечную плоскость, а ось X расположена в продольном направлении от объекта (рис.3.1). Выбор именно трехмерной системы координат обусловлен там, что большинство ошибок имеют векторный характер. Двухмерная модель не позволит в полной мере описать рассматриваемую схему.
На рис. 3.1 обозначено: Pi(xj,yi,Z]) - координаты осевой точки предмета. Po(xo,yo,zo) - координаты эквивалентной узловой точки (ЭУТ) объектива. P/x0f,zj) - координаты центра отверстия револьвера. Ріі Уі і) - координаты изображения.
В идеальном случае, когда объектив не имеет смещения, осевая точка изображения располагается точно в центре полевой диафрагмы радиуса R. В случае смещения объектива осевая точка изображения уходит от центра диафрагмы.
Входными данными передаточной функции являются: V- увеличение объектива; fi - фокус объектива; da- диаметр полевой диафрагмы;Hd - расстояние между предметом и полевой диафрагмой (изображением); а] - расстояние между предметом и первой главной плоскостью Н; d - расстояние между главными плоскостями; h - расстояние между ЭУТ и плоскостью опорных торцов; hh - расстояние между предметом и плоскостью опорных торцов; Rob - угол между осью Y и направлением от базовой оси объектива,обусловленный неперпендикулярностыо опорных торцов объектива; &оЪ - угол децентрировки в плоскости XZ относительно выбранного начала координат.
Серийное револьверное устройство имеет четыре гнезда под сменные микрообъективы и с помощью конуса и штифтов. Конусное соединение осуществляется между оправой и барабаном. Фиксацию в рабочем положении производят с помощью запрессованных штифтов и специальной пружины. Сборочный чертеж револьверной головки серийного образца представлен в приложении 4. Для удобства пояснения обозначений на рис.3.3 изображен рабочий эскиз данной серийной револьверной головки с указанием основных обозначений.
Рис. 3.3 Эскиз серийного револьверного устройства с указанием основных обозначений, использованных при построении передаточной функции
На рис.3.3 1-4 - гнезда револьвера; Rj, R2, R3, R4 - радиальные расстояния от условного центра револьвера; R - расстояние от условного центра револьвера до центра отверстия № 1 в идеальном случае; щ, q 2, (рз, (РА - угловые расстояния от отверстий до начала координат; срп -угловое расстояние между началом координат и первым отверстием, соответствующее идеальному случаю. Разность между вектором R] и R„ и есть децентрировка первого отверстия. Конструктивными параметрами револьвера являются:R„ - радиус, на котором должно лежать отверстие (рис. 3.3, 3.5);Ri - радиус, на котором лежит первое отверстие (рис. 3.3, 3.5); (р„ - угол между условной линией отсчета (ось Z) и идеальным направлением на отверстие (рис. 3.3, 3.5); фі - угол между условной линией отсчета (ось Z) и реальным направлением на отверстие (рис. 3.3, 3.5); Hk - расстояние между точкой схождений механических осей отверстий и плоскостью опорных торцов (рис. 3.6); 7„ - угол между осью X и направлением на центр отверстия соответствующий деальному случаю (рис. 3.6); 7k - угол между осью X и направлением на центр отверстия соответствующий реальному случаю (рис. 3.6); ось - угол в плоскости ZY между осью Y и направлением от центра идеального отверстия на положение реального центра отверстия (рис. 3.6); аы/ - угол между осью X и направлением от центра реального отверстия, обусловленный неперпендикулярностью опорных торцов отверстия к механической оси отверстия (рис. 3.7);А// угол в плоскости ZY указывающий направление ошибки не перпендикулярности опорных торцов в этой плоскости (рис. 3.7); о?1 - угол между центром штифта и центром расположения фиксатора.
Помимо описанных конструктивных характеристик объектива и револьвера были заданы массивы, определяющие положение точки объекта и погрешности револьверного устройства, а так же объектива. Начальные координаты осевой точки объекта:изображения. Под механической осью объектива понимается базовая ось, которая получается в результате векторного сложения оси, определяемой опорными торцами объектива и осью резьбы. Наблюдение в поле зрения смещения марки с нулевого положения и есть величина децентриров-ки.
Определение и оптимизация групп допусков на основании рассчитанных допусков на величины влияния
Для проведения определения и оптимизации групп допусков за теоретические кривые распределения величин влияния были приняты равновероятностные и нормальные кривые распределения. Для величин Х} и Х9 - характеризующих величину вектора децентрировки объектива и отверстий револьверного устройства были приняты нормальные кривые распределения, для величины Хю- характеризз ющую направление вектора децентрировки, за теоретическое распределение было принято равновероятностное.
За абсолютные допуски величин влияния были приняты допуски рассчитанные по методу квадратичного суммирования, которые представлены в таблицах 3.13-3.16. Такой выбор обусловлен тем, что допуски на величины влияния, рассчитанные по методу квадратичного суммирования, являются наиболее широкими.
При этом определение и оптимизация групп допусков была осуществлена для каждого из четырех возможных номинальных значений величины влияния (для каждого из четырех квадрантов) X]0=Pbtf Входные данные и результаты оптимизации представлены в приложении 8.Сводные данные результатов проведенного определения и оптимизации границ групп допусков для значений допусков на величины влияния рассчитанных по методу квадратичного суммирования представлены в таблице 4.2 Обобщенные результаты определения и оптимизации границ групп допусков, приведенные в таблице 4.2, показывают, что при применении селективного компонента и наличии трех групп допусков возможно достижение собираемости 99,72-99.78% деталей.
Кроме того, постоянство соотношения Ч7 и количественное равенство групп допусков для различных номинальных значений величины влияния Р btf подтверждают правильность проведенного приближения разработанной математической модели к математической модели допуска АСС.
Следующим этапом исследования стало определение и оптимизация границ групп допусков для допусков на величины влияния, которые были получены с чертежей предприятия, а также исследование возможности придельного расширения допусков на величины влияния при условии применения селективного принципа.
В таблице 4.3. представлены абсолютные производственные допуски для величин влияния Rob=Xi и abtf=X9, а также расширенные допуски на них, которые были использованы при исследовании возможности расширения допусков на величины влияния при условии применения селективного принципа.
Для величины влияния Рыг=Хю производственные и расширенные абсолютные допуски принимаются из условия деления на сектора. Как было указано в гл. 3.3.4.1 производится деления зон значений на четыре квадранта, в каждом из которых величине влияния Рыг присваивается свое номинальное значение Р btf- Величина каждого квадранта составляет 90 и номинальное значение может колебаться в диапазоне ±45, следовательно, максимальные абсолютные допуски на величину влияния Pbtf также изменяются в зависимости от ее номинального значения. Данные максимальные абсолютные допуски и номинальные значения для величины влияния Pbtf представлены в таблице 4.4.
Таким образом, определение и оптимизация групп допусков производилась для расширенных и производственных допусков для каждого из четырех возможных номинальных значений р btf. Вводные данные и результаты определения и оптимизации групп допусков для производственных допусков на величины влияния, а также для одного из варианта расширенных допусков на них(вариант- А) приведены в приложении 8.
Сводные данные по результатам проведенной оптимизации для расширенных допусков на величины влияния (варианты А)-В)) и производственных допусков на них представлены в таблице 4.5.
Результаты оптимизации, представленный в таблице 4.5 наглядно демонстрируют, что проведение операции комплектования должно быть проведено на основании применения селективного сборочного принципа. Даже соблюдение требуемых (производственных) допусков на параметры револьверного устройства и микрообъективов не может обеспечить полной взаимозаменяемости сменных микрообъективов в рамках одного револьверного устройства.
Кроме того, таблица 4.5. наглядно доказывает, что при применении селективного принципа допуски требуемые условия, предъявляемые к операции комплектования могут быть выполнены даже значительно расширенных допусках( в 2-3 раза), на параметры револьверного устройства и сменных. При этом количество групп допусков будет равно 10-15 группам, а собираемость деталей, входящих в узел «револьвер- микрообъектив» будет приближаться к 100%. Таким образом, на основании выше проведенных оптимизаций и полученных результатов следует сделать вывод о необходимости дальнейшего исследования применимости адаптивно-селективной сборочной технологии для решения проблемы комплектования револьверов серийных микроскопов сменными микрообъективами.
Следующим этапом исследование становиться определение и оптимизация границ групп допусков для реальных кривых распределения действительных значений погрешностей.
Реальные кривые распределения действительных значений величин влияния для проведения определения и оптимизации групп допусков были построены с помощью статистических данных, полученных на основании проведения измерения партий серийных револьверов и сменных микрообъективов. Измерения были проведены с помощью стандартного цехового оборудования, используемого для контроля револьверных устройств и сменных микрообъективов после центрировки.
Результаты проведенных измерений револьверов представлены в приложении 9, в таблице 9.1. В данной таблице показаны значения величины аыги Pbtf для каждого из четырех отверстий револьверного устройства. Кроме того, из нее видно, что значение данных погрешностей различно от отверстия к отверстию, что связано с не корректной организацией выполнения технологического процесса обработки барабанов револьверного устройства. Достижения равного значения погрешностей otbtf и pbtf для каждого из отверстий серийного револьверного устройства может быть достигнуто, только при изменении существующего серийного технологического процесса изготовление барабанов револьверных устройств. Рекомендации по изменению и коррек
