Повышение гибкости роботизированных сборочных линий многономенклатурного производства оптических приборов Николаев Вячеслав Викторович

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Состояние вопроса. Направления развития автоматизации приборостроительных производств . 12

1.1 Основные характеристики производственных систем . 14

1.2. Гибкость производственных технологических систем. 22

Задачи работы 33

Глава 2. Методы повышения гибкости роботизированных производственных ячеек (компонентов) 33

2.1 Анализ конструкций и технологии сборки микрообъективов 35

2.2 Анализ промышленных захватных устройств манипуляторов роботов 41

2.3. Способы расширения рабочей зоны манипуляторов 47

2.4. Метод перестановки манипулятора на базовые поверхности 53

2.5 Блочно-модульный метод организации технологической линии 58

Глава 3. Решения по реализации методов, направленных на повышения гибкости роботизированных сборочных линий 65

3.1 Методика выбора и сравнения технических решений применительно к созданию механических компонентов роботизированной сборочной линии 67

3.2 Оценка и сравнение вариантов универсального захватного устройства для роботизированной технологической линии сборки микрообъективов. 73

3.3 Анализ кинематических и силовых характеристик универсального захвата . 75

3.4 Реализация метода перестановки манипулятора на базовые поверхности 82

Выводы по главе 3 86

Глава 4. Определение влияние основных конструктивных параметров универсального захвата и параметров микрорельефа функциональных поверхностей на сцепные характеристики 87

4.1 Зависимость коэффициента сухого трения покоя от различных факторов 88

4.2 Определение числа необходимых опытов 93

4.3 Исследование влияния основных конструктивных параметров универсального захвата 96

Заключение 108

Список использованных источников 109

Приложение 123

• Основные характеристики производственных систем
• Метод перестановки манипулятора на базовые поверхности
• Анализ кинематических и силовых характеристик универсального захвата
• Исследование влияния основных конструктивных параметров универсального захвата

Введение к работе

Актуальность исследования. В настоящее время гибкость сборочных линий повышается преимущественно путем внедрения методов унификации конструкций изделий, типизации элементов гибких роботизированных технологических систем и автоматизации технологического оборудования. Гибкость производственных систем обеспечивает переход от выпуска одного вида продукции к выпуску другого путем изменения только управляющей программы. При этом унификация технологических решений и гибкая роботизация обеспечивают ряд конкурентных преимуществ: повышение качества продукции; повышение производительности при серийном, мелкосерийном или единичном производстве; повышение гибкости технологической системы; сокращение издержек и эксплуатационных расходов; улучшение условий труда персонала и многое другое. Требование унификации и роботизации является определяющим для создания технологических киберфизических систем на производстве.

Развитию приборостроительных производственных систем способствуют: расширение номенклатуры выпускаемых изделий при уменьшении размеров партии выпускаемых изделий; сокращение времени перехода от выпуска одного вида продукции к выпуску другого; ужесточение требований к качеству, себестоимости, срокам производства продукции вне зависимости от размера партии; повышение требований к управляемости производства для более глубокой интеграции с проектными системами. Указанные тенденции определяют потребность в роботизации предприятий с широкой номенклатурой изделий (многономенклатурное производство) и малой серийностью производства. Традиционно требуемая гибкость на таких производствах обеспечивается за счет ручного труда. При этом существенными сдерживающими факторами распространения роботов на предприятиях являются относительная техническая сложность таких технологических систем, высокая стоимость введения в эксплуатацию и значительные сроки окупаемости.

Особую сложность представляют сборочные операции, определяющие в значительной мере технико-экономические показатели изделий и являющиеся в большинстве случаев завершающими процессами по обеспечению качества изделий на этапах производства. Необходимость автоматизации сборочных операций обусловлена высокой трудоемкостью сборки, влиянием на качество сборки и производительность человеческого фактора, требованием быстрой переналадки при переходе к выпуску нового и зделия. Одним из элементов автоматизации технологических процессов сборки являются промышленные роботы, которые в значительной мере разрешают задачи пространственного положения (ориентации) деталей относительно друг друга и технологического оборудования при выполнении технологических операций. Таким образом, повышение гибкости роботизированных сборочных линий приборостроительных предприятий с широкой номенклатурой продукции, выпускаемой небольшими партиями, является актуальной научной и производственной задачей.

Объектом исследования являются роботизированные сборочные линии приборостроительных производств, в частности автоматизированная линия сборки микрообъективов.

Предметом исследования являются методы и способы модификации механических компонентов, которые позволяют повысить гибкость технологических линий.

Целью исследования является повышение гибкости роботизированных сборочных линий за счет разработки методов модификации механических компонентов, которые позволят расширять номенклатуру выпускаемых малогабаритных изделий приборостроения на ограниченном количестве технологического оборудования.

Задачи исследований:

1. проанализировать факторы, влияющие на гибкость автоматизированных и роботизированных линий;

2. определить параметры технологического оборудования, оказывающие основное влияние на гибкость роботизированных линий;

3. разработать методы и методики повышения гибкости роботизированных сборочных линий производства малогабаритных оптических приборов. Научная новизна результатов работы заключается в следующем.

4. Определены параметры технологического оборудования, влияющие на гибкость производственной системы.

5. Разработан метод повышения гибкости за счет блочно-модульной организации технологической линии.

6. Разработан метод повышения гибкости технологической линии за счет расширения рабочей зоны манипулятора путем перестановки его на базовые поверхности.

7. Разработан метод расширения рабочего диапазона захватного устройства за счет переменного усилия схватывания.

8. Разработана методика проектирования энергоэффективного механизма подъема устройства перестановки манипулятора на базовые поверхности.

9. Разработана методика проектирования универсального захвата с переменным усилием схватывания.

10. Исследовано влияние конструктивных параметров универсального захвата на его сцепные характеристики.

11. Разработана методика сравнения технических решений на этапах проектирования.

Основные положения, выносимые на защиту

12. Метод блочно-модульной организации сборочной линии.

13. Метод расширения рабочей зоны манипулятора за счет перестановки на базовые поверхности.

14. Метод расширения рабочего диапазона универсального захватного устройства технологической линии сборки микрообъективов за счет переменного усилия схватывания.

4. Методика проектирования энергоэффективного механизма подъема устройства перестановки манипулятора на базовые поверхности.

5. Методика проектирования универсального захвата с переменным усилием схватывания.

6. Методика сравнения и выбора технических решений на стадии проектирования. Теоретическая значимость работы заключается в следующем:

определены параметры технологического оборудования, влияющие на гибкость производственной системы;

предложен метод расширения рабочей зоны манипулятора промышленных роботов;

предложен метод блочно-модульной организации технологической линии;

предложен метод расширения рабочего диапазона захватного устройства за счет переменного усилия схватывания;

исследовано влияние конструктивных параметров универсального захвата на его сцепные характеристики.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

предложена методика проектирования универсального захвата с переменным усилием схватывания,

предложена методика проектирования энергоэффективного механизма подъема устройства перестановки манипулятора на базовые поверхности,

предложена методика сравнения и выбора технических решений на стадии проектирования.

разработан вариант конструкции универсального захвата роботизированной технологической линии сборки микрообъективов.

Методы исследования. Проводились теоретические и экспериментальные исследования, базирующиеся на теоретических основах технологии приборостроения, методологических основах теории принятия решений, математической обработки результатов экспериментов. Определение характеристик функциональных поверхностей проводилось на современном высокоточном оборудовании с развитой системой математической обработки результатов, полученные результаты обрабатывались при помощи методов математической статистики в специализированных программных средах, включая программу построения кривых плотностей ра спределения ординат профилей поверхностей «Лемминг».

Достоверность полученных результатов и выводов основывается на корректном применении теоретических положений фундаментальных наук (математики, теоретической механики, теории принятия решений и др.), известных технических и технологических зависимостей, уровня техники, закономерностей развития производственных систем.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на XLIII, XLIV, XLV, XLVII Научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО (Санкт-Петербург, 2014–2016, 2018); на IV, VII Всероссийском конгрессе молодых ученых Университета ИТМО (Санкт-

Петербург, 2015, 2018); XIII Молодежной научно-технической конференции «Взгляд в будущее – 2015» ЦКБ МТ «Рубин» (Санкт-Петербург, 2015).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 статей в научных журналах и сборниках конференций, из них 5 входят в перечень рецензируемых научных изданий ВАК.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Общий объем диссертации 123 страницы, включая 7 таблиц, 60 рисунков и схем. Список использованной литературы содержит 147 источников.

Основные характеристики производственных систем

Автоматизация производственных процессов — это комплексная инженерно-технологическая задача по разработке и внедрению новой техники и методов организации, на основе развития существующих или внедрения новых технологических процессов, для обеспечения обработки, контроля и сборки изделий [10]. При автоматизации достигается ряд важных целей: увеличение производительности, повышение качества, снижение влияния человеческого фактора и издержек.

Производственные системы, с учетом объема и номенклатуры производимой продукции, могут иметь две противоположные технологические реализации (Рисунок 1.1): универсальное оборудование с ручным управлением, имеющее, как известно, наибольшую гибкость - например, универсальное оборудование и станки, которые могут оперативно перейти к выпуску любой продукции, но имеющие, при этом, самую низкую производительность и способные функционировать только под управлением оператора-станочника; непереналаживаемые автоматические линии (АЛ) с жестко определенным технологическим алгоритмом, при этом обеспечивающие самую высокую производительность, не требующие участия человека в непосредственно в выполнении технологических операций и постоянство качества, но практике не обеспечивающие быструю смену производимых изделий и сложно перестраиваемые даже при несущественных измене ниях в выпускаемой продукции [9].

Принято различать и классифицировать несколько уровней автоматизации производственных систем (Рисунок 1.2). Первый уровень — автоматизация цикла обработки. Этот уровень характеризуется обеспечением автоматического управления последовательностью и траекторией движения рабочего инструмента для получения заданных размеров, формы и качества поверхностей обрабатываемой детали. Автоматизация первого уровня реализована в станках и оборудовании с ЧПУ. Второй уровень — автоматизация установки и съема заготовок, деталей, обрабатываемых узлов, и т.д. в технологическом оборудовании. Установка и съем, обычно, выполняется специализированным вспомогательным оборудованием или приспособлениями, которое относят к манипулирующей оснастке. Однако, наибольшую универсальность, быстроту переналадки можно получить при использовании промышленных роботов, используемых в качестве загрузочных или манипуляционных систем. Третий уровень — автоматизация контрольных операций, которые ранее выполнялись человеком. Контрольные операции могут иметь выборочный или сплошной характер, что определяется, прежде всего, особенностями технологического процесса производства изделий, скорости изменения технологических параметров рабочих инструментов и объема партии. Четвертый уровень — автоматическая переналадка технологического оборудования. Оборудование с автоматической переналадкой позволяет сделать экономически выгодной производство продукции любыми партиями. Данный вид автоматизации позволяет качественно изменить технические, технологические и экономические характеристики производственной системы. Пятый уровень — гибкая производственная система, обеспечивающая автоматическое производство изделий различными партиями в пределах фиксированной номенклатуры, при этом себестоимость продукции должна приближаться к себестоимости, достигаемой в массовом производстве. Каждый последующий уровень автоматизации включает в себя предшествующий уровень. В соответствии с ГОСТ 26228-90 под гибкой производственной системой (ГПС) понимается -управляемая средствами вычислительной техники совокупность технологического оборудования, состоящего из разных сочетаний гибких производственных модулей и (или) гибких производственных ячеек, автоматизированной системы технологической подготовки производства и системы обеспечения функционирования, обладающая свойством автоматизированной переналадки при изменении программы производства изделий, разновидности которых ограничены тех нологическими возможностями оборудования.

Производственные системы могут быть классифицированы по нескольким группа гибкости (Рисунок 1.3). Первая группа - жесткая технология производства, технологическое оборудование предназначено для производства фиксированного вида продукции и не может быть переведено без кардинального изменения на выпуск другого вида продукции. Вторая группа - перестраиваемая технология производства. Технологическое оборудование такой группы за счет соответствующей замены отдельных компонентов, перекомпоновки, переоснащения, может задействоваться для изготовления нового вида изделий или фиксированного ряда изделий. Третья группа - переналаживаемая технология производства, включает соответствующее технологическое оборудование, предназначенное для одновременного производства определенной номенклатуры деталей. Четвертая группа - гибкая технология производства, включающее специальное технологическое оборудование, которое позволяет осуществлять переход на новый вид продукции и имеющее, как минимум, четвертый уровень автоматизации (Рисунок 1.3). Автоматическая технологическая линия — это совокупность основного и вспомогательного оборудования, предназначенного для автоматического выполнения в определённой технологической последовательности, с заданным временным темпом цикл изготовления изделия или его части.

Технологические линии, в которых для выполнения процесса производства требуется участие человека, например, для смены инструмента, введение в цикл функционирования определённых агрегатов или оборудования, называются полуавтоматическими. Современные автоматические технологические линии, как правило, обеспечивают автоматизацию и вспомогательных функций – контроль качества, смена рабочих органов, удаление отходов производства и т.д., а также контроль технологических параметров оборудования и его переналадку [10]. Объект производства – изделия, сборочные единицы и детали. Выделяют три степени автоматизации: высокая – автономное функционирование и непрерывный режим работы; средняя – непрерывное автоматизированное управление и обеспечение многостаночного обслуживании; малая - в случаях низкого коэффициента многостаночности (Км 2), когда для функционирования требуется обслуживание и управление персоналом.

Наибольшей эффективностью обладают технологические линии, предназначенные на выпуск определенного вида продукции в фиксированном диапазоне параметров, что характерно для средне и крупносерийного производства. Как правило, с уменьшением серийности продукции, выпускаемой на технологических линиях, существенно возрастают требования по обеспечению быстрой переналадка для выполнения оперативного перехода на новую продукцию при сохранении её типа.

Структура технологических линий зависит от многих факторов, включая: объём производства, вида производимой продукции, особенностей технологических процессов и т.д. [3, 9, 10]. В основном технологические линии имеют последовательную (а), параллельную (б), однопоточную (а, б), многопоточную (в), смешанную (г) схему построения (Рисунок1.4).

Метод перестановки манипулятора на базовые поверхности

Одним из вариантов расширения рабочей зоны манипулятора, в котором отсутствуют основные недостатки двух рассмотренных ранее способов, является метод перестановки манипулятора на фиксированные базовые поверхности [68, 69]. Данный метод предусматривает следующее. Манипулятор размещается на переставляемом основании (рисунок 2.19), которое устанавливается на специально подготовленные жесткие базовые поверхности и которые обеспечивают определенное и постоянное пространственное положение манипулятора. Механизм, обеспечивающий перестановку манипулятора, может быть выполнен относительно простым, и не требующей сложной системы позиционирования. Таким образом манипулятор может достаточно быстро оперативно переставляться для размещения непосредственной близости с рабочей станцией.

Необходимо учитывать, что кроме функции перестановки основания манипулятора в требуемую пространственную зону, механизм должен надежно фиксировать основание на базовых точках, путем приложения постоянного прижимающего усилия для того, чтобы устранить возможное влияние динамических нагрузок, возникающих при работе манипулятора. Кроме этого, надежный силовой прижим необходим для точного и имеющего высокую степень повторяемости сопряжения с базовыми поверхностями. Перестановка манипулятора с помощью специального механизма может производиться как по радиальной схеме, относительно простой в реализации, как показано на рисунок 2.19, так и, при различных конструктивных исполнениях механизма перестановки, по другим схемам. При радиальной схеме реализации для механизма перестановки необходимо реализовать механизм подъема, имеющий два функциональных состояния (поднятое – прижатое), и привод поворота, имеющий механизм позиционирования с фиксированным набором положений. Механизм перестановки должен иметь жесткое крепление, на пример к полу. Базовые поверхности целесообразно размещать на едином основании, которое может быть жестко закреплено как полу, так и промежуточным технологическим конструктивам-основаниям. Программа управления манипулятора имеет однократно настроенные данные о пространственном положении относительно ключевых точек рабочих станций для каждого рабочего положения. Учитывая, что базирующие поверхности жёстко закреплены и не изменят свое пространственное положение, то при смене рабочей позиции дополнительная или какая-либо другая калибровка не требуется т.к. пространственное положение строго определенное. При этом погрешность позиционирования, за счет надежного прижатия к базовым поверхностям, а также требуемой точности их выполнения, даже при самой грубой оценке не должна превысить 0,1мм, что в целом является достаточным для обеспечения сборочных операций. Еще одним не очевидным преимуществом данного метода является потенциальное упрощение систем определения пространственного положения объекта производства. Наличие множества различных манипуляторов в технологической линии предполагает решение задач захвата объекта при поступлении в рабочую зону (к рабочей станции), например после технологического транспорта. В некоторых случаях эти задачи возможно решить с помощью специальных ложементов (ориентирующих ячеек) в технологической таре, причем захват и установка осуществляется по координатам, то есть без какой-либо обратной связи. Эта особенность значительно снижает устойчивость к различным отклонениям в исходном (в момент захвата) положении объекта. В наиболее сложных случаях определения пространственного положения объекта, требуется введение систем специальных датчиков или элементов машинного зрения. Предложенный метод расширения рабочей зоны манипулятора путем перестановки на базовые поверхности уменьшает количество операции по захвату объекта т.к. объект производства в общем случае сразу попадает на последующую станцию минуя технологический транспорт и другой манипулятор. Данное решение не только сокращает количество технических систем в линии, но и существенно упрощает ее управление. Пример изменения компоновки оборудования фрагмента автоматизированной технологической линии сборки микрообъективов показан на рисунок 2.20.

Рабочие станции оснащаются индивидуальными манипуляторами, обеспечивающие обращение с объектами производства в пределах рабочей стации, передача на технологический транспорт, изменение пространственного положения также осуществляется специализированными механизмами и системами. Применение стандартных промышленных роботов для обслуживания рабочих станций с одной стороны упрощает создание и обслуживания технологической линии, с другой стороны может существенно снижать ее конечную себестоимость. Учитывая, что при функционировании линии, на которой размещаются рабочие станции индивидуальными манипуляторами, их коэффициент использования будет находится на низком уровне. Таким образом, можно предположить, что подавляющее большинство времени манипуляторы будут простаивать в ожидании своего технологического окна. При этом даже находясь в режиме ожидания ро 57

боты и в особенности их системы управления будут вырабатывать свой назначенный ресурс. В случае замены группы манипуляторов одним стандартным универсальным манипулятором, размещенным в оптимальной точке между рабочими станциями и переставляемый механизмом перестановки, можно обеспечить обслуживание нескольких станций без существенного снижения производительности. Кроме этого, коэффициент задействования данного манипулятора будет повышен в несколько раз. Таким образом, применяя метод перестановки манипулятора на базовые поверхности, в рассмотренном примере высвобождаются три манипулятора, технологический транспорт, обслуживающий рабочие станции и дополнительное манипулирующее оборудование, необходимое для технологического транспорта. Для оценки повышения гибкости технологической линии сборки микрообъективов с использованием метода перестановки манипулятора на базовые поверхности можно использовать, рассмотренный ранее, общий показатель гибкости

При этом необходимо отметить, что адекватная оценка и сравнение гибкости возможна при учете множества переменных, определяющих фактическую совокупность технических характеристик различных (существующей и изменённой) реализаций технологической линии сборки микрообъективов. Исходя из этого, ввиду того, что в рамках данной работы таких данных получить не представляется возможным, предложена следующая (консервативная) экспертная оценка изменения интегральных показателей гибкости линии сборки микрообъективов: показатель обновления номенклатуры N - увеличение на 30%, показатель времени перехода на выпуск нового изделия Т - уменьшение на 50%, показатель себестоимости перехода на выпуск нового изделия S - уменьшение на 10%, исходя из этого - общий показатель гибкости повышается в 2,8 раза.

Таким образом, рассмотренный метод увеличения рабочей зоны манипулятора путем перестановки на базовые поверхности имеет следующие преимущества:

- относительно простой и не требующий высокой точности позиционирования механизм перестановки;

- не изменяется исходная точность позиционирования переставляемого манипулятора;

- не требуется калибровка манипулятора после его перестановки;

- не требуется сложная перемещаемая система подвода питания;

- повышение технологической гибкости при сокращении технологического оснащения автоматизированной сборочной линии.

Анализ кинематических и силовых характеристик универсального захвата

Конструкция универсального захватного устройства показана на рисунке 3.7.

Кинематические зависимости: х-текущее положение оси каретки по вертикали, которое изменяется в пределах от одо к, зависимость силы Fp (результирующая сила) от силы F [43-45]:

Положение b горизонтальной каретки будет определяться по следующей формуле:

Разработанная конструкция универсального захвата имеет следующие конструктивные параметры: a = 29 мм, c = 4 мм, d = 6.5 мм, L = 26 мм, k = 10 мм. Параметр e = 13 мм (Рисунок 3.9) определяет величину смещения плоскости внутреннего зажима (внутренней части лапок) и оси подшипника скольжения тяги (L), это смещение необходимо для смещения силовой характеристики механизма захвата относительно рабочего диапазона раскрытия лапок. Зависимость положения оси тяга-каретка от положения оси тяга-тройник представлена на Рисунок 3.10.

С учетом величины смещения е = 13 мм, получаем максимальное значение охватываемых диаметров (32-13) 2 = 38 мм, откуда рабочий диапазон Р захватываемых деталей по наружному диаметру: 1-38 мм (РисунокЗ.П). Учитывая толщину лапки z = 3.5 мм получаем рабочий диапазон R деталей, захватываемых на разжим по внутреннему диаметру: 7-45 мм (Рисунок 3.12).

Таким образом, с учетом предложенных конструктивных параметров универсального захвата обеспечивается охват основных диаметров компонентов базового микрообъектива (см. Таблица 2.1). Зависимость изменения передаточной функции i=Aa/Ab механизма универсального захвата показана на рисунок 3.13.

Из графика видно, что при положении тройника а 22 мм сила схватывания меньше силы развиваемой пневмоцилиндром, при а = 22 мм (тяга расположена под углом 45) развиваемое усилие будет соответствовать усилию, развиваемому пневмоцилиндром (если потери на трение условно не учитывать), при а 22 мм передаточная функция нелинейно возрастает и при максимально захватываемом диаметре может возрастать до 4. Передаточная функция механизма универсального захвата от диаметра і3 захватываемой детали приведена на рисунок 3.14. Из графика видно, что при диаметре компонента микрообъектива свыше 35мм передаточная функция резко возрастает, поэтому предложенную конструкцию целесообразно использовать при диаметрах меньше 35мм.

Применение промышленного подшипника в качестве направляющих для лапок имеет ряд важных преимуществ - высокий ресурс и беззазорность соединения каретки, на которой крепятся лапки захвата и направляющей, закрепленной на корпусе захвата. Важным элементом захвата являются подшипники тяги, по средством которых, тяга соединятся с кареткой и тройником. Подшипники могут быть выполнены как с телами качения, так и в виде подшипников трения. При этом ресурс захвата будет определяться ресурсом подшипников и ресурсом пневмоцилиндра, а также режимом работы. При этом, он должен исчисляться сотнями миллионов циклов срабатывания (схватывания) до замены и при условии требуемого периодического обслуживания.

Важным аспектом применения предложенного универсального захвата является режим управления. В конструкции целесообразно применять пневмоци-линдр сверхнизкого трения с уплотнением металл-металл, например типа SMC MQQT10-10D с диапазоном рабочих давлений 0,005-0,5 МРа, гарантированным ресурсом 100 миллионов циклов срабатываний и с управлением усилием не хуже 0.05N [123]. Типовые выходные характеристики пневмоцилиндра показаны в Таблице 3.3.

Изменения рабочего диапазона усилий схватывания универсального захвата достаточно изменить рабочее давление в пневмолинии питающей контур управления захватом, например с шагом рабочих значений 0,05-0,1-0,2 MПa, что позволит получать не только зависимость усилия схватывания от диаметра захватываемого объекта, но и широкий диапазон управления общей силовой характеристикой.

Исследование влияния основных конструктивных параметров универсального захвата

Для исследования влияния основных конструктивных параметров универсального захвата и параметров микрорельефа функциональных поверхностей на сцепные характеристики путем получения экспериментальных данных использовалась специальная испытательная установка, предназначенная для определения зависимости между силой сжатия (усилием захвата) и силой необходимой для начала движения (усилие страгивания) испытуемого образца под действием внешнего усилия. Установка состоит из корпуса 1 (рисунок 4.7), соединенного с опорным стержнем, рычагом 2, прижимом 3, испытуемым образцом 4 (рисунок 4.5) и тестовыми поверхностями 5 (рисунок 4.4). Для минимизации потерь в шарнирах, рычаг 2 с корпусом 1, прижим 3 с рычагом 2 соединены через подшипники качения. Сила прижима определяется массой груза 6 и через соотношение плеч рычага 2. Сила, возникающая при страгивании (начальном движении, т.е. начала движения) испытуемого образца относительно тестовых поверхностей, определяется с помощью цифрового динамометра 7.

Тестовые поверхности были изготовлены комплектами по три экземпляра с идентичными характеристиками шероховатости. В установке тестовые поверхности размещаются равномерно относительно охватываемой поверхности испытуемого образца - т.е. под углом 120 относительно друг друга в случае трех тестовых поверхностей и под углом 180 в случае двух (рисунок 4.8).

Испытуемый образец выполнен из стали 40Х13 в виде цилиндра с равномерно размещенными на наружной поверхности шестью лысками (Рисунок 4.5), за счет чего может быть обеспечен как контакт по поверхности, так и контакт по линии. К испытуемому образцу через гибкую связь (тросик) крепится цифровой динамометр 7 типа МЕГЕОН 03005 с пределом измерения 5Н и разрешением 0.001Н, позволяющий фиксировать максимальное значение возникающего усилия в момент начала движения испытуемого образца. В качестве груза 6 выступают мерные груза Г-2-210 ГОСТ 7328-73, размещаемые на нагрузочной платформе, связанной с плечом рычага 2 посредством гибкой связи.

Исследования образцов проводились в несколько этапов. Первый этап включал в себя получение профилограмм образцов на профилометре Hommel Tester T8000 фирмы Hommelwerke рисунок 4.10, 4.11, (основные характеристиками указаны в таблице 4.1).

Полученные профилограммы содержат всю необходимую информации для получения параметров исследуемых поверхностей, включая параметрические и непараметрические критерии шероховатости исследуемых поверхностей.

Проведена серия испытаний, при которых варианты тестовых поверхностей с различными параметрами шероховатости испытывались на сцепные характеристики при контакте по линии и контакте по плоскости при различных значениях силы сжатия. Для получения “общей” картины зависимости испытания проводились без рассмотрения конкретных параметров шероховатости. Полученные зависимости серии испытаний представлены на рисунке 4.11.

По результатам исследования можно сделать вывод, что тип контактирования образца с тестовыми поверхностями не имеет четко выраженного влияния на силу страгивания и может варьироваться в зависимости от различных фактов, включая характеристики микропрофиля. При этом можно отметить, что применительно к взаимодействию с элементами микрообъективов, учитывая потенциальное множество вариантов конструкций и исполнений микрообъективов, а также конструктивные особенности элементов, которые является телами вращения с различными диаметрами, контакт захватывающих элементов со стороны универсального захватного устройства возможен, в основном, только по линии.

Проведена серия испытаний, при которых варианты тестовых поверхностей с различными параметрическими критериями шероховатости испытывались на сцепные характеристики при различных значениях усилия сжатия. Основные зависимости проведенных измерений представлены на рисунке 4.12

По результатам исследования можно сделать вывод, что параметры шероховатости оказывает влияние на сцепные характеристики параметрические критерии, при чем с ростом значений параметрических критериев отмечается некоторое увеличение силы страгивания, кроме этого, необходимо отметить, что при малых значениях силы сжатия разница между тестовыми поверхностями с разными значениями параметрических критериев, по возникающей силы страгива-ния, несущественная, но увеличиваться с ростом силы сжатия. Эту закономерность можно объяснить ростом зон пластического взаимодействия между поверхностями образцов. При этом, в номинальном конструкторско-технологиче-ским диапазоне значений параметрических критериев, наиболее широко используемом при проектировании – Ra = 0,8…3,2 мкм, наблюдается незначительные различия в значениях создаваемой силы страгивания, что обуславливаться несколькими причинами. Основная причина связана с случайной (вероятностной) картиной распределения микропрофиля на сопрягаемых поверхностях, на характеристики которой влияют множества факторов, основные из которых определяются текущими технологическими параметрами при их изготовлении – режимы обработки, особенностями процессов взаимодействия поверхностного слоя с инструментом, свойствами материала и много другого. Вторая причина вытекает из первой, а именно то, что пара трения всегда будет иметь поверхности с различными параметрами микропрофиля.

Необходимо дополнительно отметить, что тестовые поверхности, выполненные по технологии 3D печати, имеют значительно меньшие сцепные характеристики, относительно других испытуемых образцов, что вероятно обусловлено существенно иными свойствами поверхности, получаемыми по этой технологии, соответственно технические решения на основе 3D печати для рассматриваемых решений являются нерациональными.

Следующая группа экспериментов была направления на изучения вопроса влияния различий в параметрах сопрягаемых поверхностей на сцепные характеристики. Для этого брались две пластины из одного комплекта пластин, которые имеют идентичные параметры шероховатости на тестовых гранях, но при этом имеют существенную разницу в параметрах шероховатости между двумя гранями так как на этих гранях технологически обеспечивались различные параметры микропрофиля. Пластины сжимались друг с другом с помощью мерных грузов и после чего сдвигались друг относительно друга с измерением возникающего усилия с помощью динамометра. Серия испытаний представлены на рисунке 4.13

По результатам испытаний можно констатировать, что сочетание отличающихся значений параметрических критериев шероховатости дает несколько большую величину силы начала движения чем комбинация идентичных. Отсюда можно сделать следующие выводы – ввиду того, что шероховатость имеет случайную величину профиля микронеровностей то комбинация сопрягаемых поверхностей с идентичными параметрами микропрофиля не оказывает увеличение силы страгивания. При этом сохраняется тенденция к увеличению силы сцепления с ростом величины параметров шероховатости. Исходя из высказанного основной причиной отсутствия влияния изменения параметров микрорельефа на сцепные характеристики это не упорядоченная (нерегулярная) природа шероховатости. Для подтверждения данного вывода была изготовлена группа с тестовыми поверхностями имеющие регулярный микрорельеф.

Группа экспериментов была направления на изучения вопроса влияния ориентированного регулярного микрорельефа, нанесенного на сопрягаемых поверхностей на сцепные характеристики. Для этого брались две пластины с нанесенным ориентированным регулярным микрорельефом. Пластины сжимались друг с другом с помощью мерных грузов и после чего сдвигались друг относительно друга с измерением возникающего усилия с помощью динамометра. Основные зависимости серии проведенных измерений представлены на рисунке 4.15. Приведенные графики измерений однозначно указывают на значительное преимущество регулярного микрорельефа по сцепным характеристикам, причем, чем параметрические критерии микрорельефа, тем выше сила страгивания при одинаковом усилии сжатия (рисунок 4.16).

Таким образом, рассмотренный ориентированный регулярный микрорельеф позволит значительно повысить надежность захвата элементов микрообъектов при минимизированной силе сжатия (захвата), что в совокупности с использованием механизма с нелинейной передаточной функцией позволит обеспечивать надежное удержание широкой номенклатуры изделий, обладающей различными весовыми и прочностными характеристиками.