Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние теории и практики автоматизации сборки электродвигателей 8
1.1 Современные электродвигатели и область их применения 8
1.2 Основные направления обеспечения эксплуатационных показателей шаговых электродвигателей 17
1.3 Методы и автоматизированные средства технологического оснащения для сборки электродвигателей 27
1.4 Цели и задачи исследования 50
ГЛАВА 2. Выявление конструкторско-технологической взаимосвязи между параметрами соединяемых деталей и сборочной оснастки посредством структурных сборочных схем 51
2.1 Аналитическое представление структурных сборочных схем . 52
2.2 Графическое представление структурных сборочных схем 56
2.3 Методика применения структурных схем при разработке сборочных систем и проектировании сборочной оснастки 59
2.4 Применение метода структурных схем для разработки структуры сборочной операции по установке ротора в статор шагового электродвигателя 60
ГЛАВА 3. Обеспечение универсальности сборочной оснастки на основе увеличения допусков исходных и составляющих звеньев технологической системы 71
3.1 Теоретические и экспериментальные исследования соединения деталей с фасонными заходными фасками 73
3.2 Методика определения параметров заходной фаски на направляющих элементах технологической оснастки 86
3.3 Применение методики определения параметров заходной фаскина направляющих элементах технологической оснастки 90
ГЛАВА 4. Методика проектирования средств технологического оснащения автоматизированной серийной сборки шаговых электродвигателей 99
4.1 Применение методики проектирования средств технологического оснащения для установки ротора в статор шагового электродвигателя 101
4.2 Разработка универсального приспособления для сборки роторов шаговых электродвигателей 111
ГЛАВА 5. Технико-экономическая эффективность автоматизированной системы сборки шаговых электродвигателей в серийном производстве 114
Заключение 120
Список литературы 122
Приложение 129
- Основные направления обеспечения эксплуатационных показателей шаговых электродвигателей
- Аналитическое представление структурных сборочных схем
- Теоретические и экспериментальные исследования соединения деталей с фасонными заходными фасками
- Применение методики проектирования средств технологического оснащения для установки ротора в статор шагового электродвигателя
Введение к работе
Современная мировая потребность в электродвигателях малой мощности (до 100 Вт) достигает 80 млрд. штук в год [5]. К таким двигателям относятся шаговые электродвигатели (ШД) - двигатели, преобразующие входной электрический импульсный сигнал в дискретные угловые или линейные перемещения ротора двигателя с возможной фиксацией его в определенных положениях. ПІД применяются в системах перемещения инструментов и деталей на станках с ЧПУ, в компьютерах и периферийных устройствах ЭВМ, в печатающих устройствах и графопостроителях, а также в других средствах автоматизации.
Трудоемкость изготовления шаговых электродвигателей на 60...80 % зависит от трудоемкости заключительных, сложных и наиболее ответственных сборочных операций, в значительной мере определяющих качество готовых изделий. Основным направлением снижения трудоемкости сборки является автоматизация.
Существующие методы и средства автоматизированной сборки шаговых электродвигателей являются малоэффективными в условиях серийного производства из-за больших временных и материальных затрат, связанных с переналадкой сборочных систем при переходе к сборке других, даже однотипных, изделий.
Рост потребности в электродвигателях малой мощности в отраслях машиностроения одновременно сопровождается обновлением их типоразмеров, поэтому актуальной является задача создания средств технологического оснащения, значительно снижающих сроки переналадки автоматизированных сборочных систем в условиях серийного многономенклатурного производства изделий.
Основы совершенствования и повышения эффективности сборочных работ на базе научных исследований были заложены и развиты в трудах выдающихся ученых д.т.н. проф. Б.С. Балакшина, д.т.н. проф. B.C. Корсакова, д.т.н. проф. М.П. Новикова и других. Научные исследования по выявлению рациональных путей автоматической сборки, по применению принципов адаптивного управления в сборочных автоматах с целью обеспечения точностных параметров сборочного процесса, необходимой производительности и эффективности систем, выполненные д.т.н. проф. А.А. Гусевым, позволили получить важные результаты, запатентованные в ведущих промышленно развитых странах мира.
Большой практический вклад в совершенствование сборочных работ и внедрение эффективных методов сборки в промышленности внесли отечественные научные и научно-производственные объединения: НИИТавтопром, НИИтрактосельхозмаш, ВНИТИприбор, ряд конструкторских бюро крупных заводов: ЗИЛа, ГАЗа, ВАЗа и др.
Существующие методики проектирования средств технологического оснащения автоматизированной многономенклатурной сборки изделий позволяют формализовать и решать задачи обеспечения точности, производительности и экономичности сборочных операций, в то же время, разработка структуры сборочной операции и принятие конструкторско-технологических решений сборочной системы разработчики выполняют, как правило, на основе собственного опыта и интуиции.
Актуальной является задача разработки такого морфологического описания (формализации) объектов сборки и взаимосвязей между объектами сборки и элементами технологической оснастки, которое позволило бы разработчику принимать научно-обоснованные и эффективные конструкторско-технологические решения на качественном и количественном уровне на этапах разработки технического задания и последующего проектирования сборочной системы. Это позволит сократить время и повысить эффективность проектирования, исключить создание неработоспособных и нерациональных автоматизированных сборочных систем.
Целью работы является повышение эффективности сборки шаговых электродвигателей в условиях серийного многономенклатурного производства путем выбора рациональной структуры автоматизированной сборочной системы.
Научной и методической базой для выполнения работы явились основополагающие разделы технологии машиностроения: теории точности, базирова- ния и размерных цепей, положения теории машин и механизмов, теоретической механики, математической логики и комбинаторики.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
Установлена и формализована технологическая взаимосвязь между геометрическими параметрами соединяемых деталей шаговых электродвигателей, схемами их базирования при сборке и конструктивными параметрами исполнительных поверхностей сборочной оснастки.
Разработан метод структурных сборочных схем как инструмент анализа и синтеза структуры сборочных систем для эффективного выявления рациональных конструкторско-технологических решений на этапах разработки структуры сборочной операции и проектирования средств технологического оснащения.
Установлена количественная зависимость числа звеньев в линейных и угловых размерных цепях от числа деталей, образующих сборочный контур, вида схем их базирования и соосности сопрягаемых поверхностей.
Обосновано применение заходных фасок с отрицательным начальным углом наклона их образующих на направляющих элементах сборочной оснастки с целью увеличения допусков исходных и составляющих звеньев технологической системы, предотвращения заклинивания при соединении деталей типа вал-втулка и обеспечения универсальности средств технологического оснащения.
Достоверность и обоснованность научных результатов подтверждены проверками их эффективности при разработке структуры и проектировании автоматизированных средств технологического оснащения операций сборки шаговых электродвигателей и экспериментальными исследованиями.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
Разработан метод анализа и синтеза структуры сборочных систем с целью выявления рациональных конструкторско-технологических решений - метод структурных сборочных схем, позволяющий сократить время и повысить эффективность их проектирования.
На основе разработанного метода предложена и апробирована методика целенаправленного проектирования автоматизированных средств технологиче- ского оснащения операций сборки электродвигателей в условиях серийного многономенклатурного производства.
Разработана и экспериментально подтверждена методика определения формы и значений геометрических параметров направляющих поверхностей сборочной оснастки с целью увеличения допусков исходных и составляющих звеньев технологической системы, предотвращения заклинивания соединяемых деталей типа вал-втулка и обеспечения универсальности средств технологического оснащения.
В соответствии с разработанными методиками спроектированы универсальные средства технологического оснащения для типовых операций сборки электродвигателей. Исследования, проведенные на экспериментальных образцах спроектированной оснастки, подтвердили их эффективность в условиях серийного многономенклатурного автоматизированного производства.
Основные направления обеспечения эксплуатационных показателей шаговых электродвигателей
Необходимым условием, определяющим возможность запуска изделий в производство, является их способность выполнять свое служебное назначение, которое характеризуется эксплуатационными показателями.
Эксплуатационные показатели изделия обеспечиваются уровнем проект-но-конструкторских работ, стабильностью характеристик используемых материалов, качеством изготовления отдельных деталей, качеством выполнения сборочных операций.
Совершенствование конструкции электродвигателей велось с момента их появления и, на сегодняшний день, практически не происходит существенных конструктивных нововведений, способных повысить их эксплуатационные характеристики.
Большинство конструкций электрических машин имеют много общего. В каждой электрической машине имеются статор и ротор, разделенные относительно малым воздушным зазором. У большинства электрических машин маг-нитопроводы ротора и статора имеют радиальную симметрию магнитных свойств, а их поверхности, образующие зазор, могут рассматриваться как гладкие цилиндрические поверхности [25]. В магнитопроводах ротора и статора имеются пазы, в которые уложены по заданному закону обмотки.
В соответствии с назначением такие двигатели выпускают с различным конструктивным и размерным оформлением выходной ступени вала (цилиндрическим или коническим, с внутренним резьбовым отверстием и без него, с коническими и цилиндрическими отверстиями, оси которых расположены со-осно относительно посадочной ступени или перпендикулярно оси вала), с широким диапазоном и различным соотношением размеров деталей и габаритными размерами (рис. 1.4).
В шаговых электродвигателях ротор приводится во вращение действием сил, создаваемых электромагнитным потоком, в момент прохождения тока по обмоткам статора. Большинство характеристик ШД зависит от величины намагничивающей силы и магнитной проводимости воздушного зазора между полюсами ротора и статора [54]. Величина намагничивающей силы пропорциональна количеству витков обмоток на полюсах статора и силе пропускаемого по ним тока. Определение магнитной проводимости воздушного зазора (МПВЗ) является чрезвычайно сложной задачей, для решения которой применяют аналитические и экспериментально-аналитические методы.
Среди аналитических методов следует выделить: - Метод прямого расчета [24], применяющийся при простейших конфигурациях магнитопроводов, и когда можно пренебречь явлениями выпучивания и рассеивания магнитного потока в зазоре. - Метод решения уравнений поля [28]. При использовании этого метода магнитное поле в воздушном зазоре описывается уравнением Лапласа. Для сложных конфигураций граничных поверхностей решение уравнения Лапласа встречает непреодолимые трудности математического характера, и задача во многих случаях оказывается неразрешимой. - Метод конформных преобразований [27] сводится к замене действительного зазора, имеющего достаточно сложную конфигурацию, другим более простым зазором, расчет которого известен или относительно легко может быть выполнен. Основная трудность в применении этого метода состоит в отыскании функциональной зависимости, которая бы правильно отображала замену зазора. - Метод приближенного аналитического расчета [24] заключается в том, что пространство между двумя магнитопроводами разбивается на элементарные объемы, имеющие простую геометрическую форму. Метод широко используется ввиду его простоты, но дает значительные погрешности. - Графический метод [17] основан на построении картины поля, которое заключается в изображении трубок индукции и эквипотенциальных поверхностей таким образом, чтобы весь объем воздушного зазора оказался разбитым на элементарные объемы, геометрическая проводимость которых была бы равна единице. Этот метод является очень трудоемким. - Метод потенциальной сетки [17] базируется на решении уравнения Лапласа в конечных разностях. Метод применим к полям с любой формой граничных поверхностей, однако результат расчета нельзя выразить в аналитической форме. Результаты аналитических расчетов электрических машин достаточно согласуются с опытом лишь при проектировании машин большой и средней мощности. В этом случае расчетные данные могут расходиться с соответствующими опытными значениями построенной машины в среднем на ±10%) [25]. Расхождение между расчетными и опытными данными машины вызывается в основном непостоянством свойств применяемых в ней магнитных материалов и неизбежными погрешностями ее изготовления. Менее точным оказывается расчет электрических машин малой мощности в диапазоне от долей ватта до нескольких сотен ватт, так как в этих машинах возрастают побочные явления (падения напряжения, отдельные потери и так далее), не поддающиеся прогнозированию и расчету. Достаточно указать, что потери мощных синхронных генераторов - турбогенераторов и гидрогенераторов - не превышают 2%, электрических машин средней мощности -10-20%), а для электродвигателей малой мощности потери составляют от 40 до 95% подводимой мощности [25]. Кроме того, в отличие от производства машин средней и большой мощности, влияние погрешностей, возникающих при производстве машин малой мощности, проявляется в значительно большей степени. Более точные результаты определения проводимости воздушного зазора дают экспериментально-аналитические методы, в которых на основании экспериментальных данных строятся графики зависимости МПВЗ от формы воздушного зазора и выводятся аналитические зависимости.
Аналитическое представление структурных сборочных схем
Формализация исходных данных и условий протекания технологического процесса сборки позволяет значительно сократить затраты на разработку процесса сборки и проектирование технологической сборочной оснастки, повысить эффективность принимаемых конструкторско-технологических решений. В настоящее время количественный анализ относительного положения осей соединяемых деталей ведется в соответствии с положениями теории размерных цепей [7, 42], решение которых осуществляется методом максимума-минимума или теоретико-вероятностным методом. Возможно представление звеньев размерной цепи в векторной или матричной форме [41] с использованием значений направляющих конусов между осями систем координат и заданием относительных положений начал систем координат соединяемых деталей. Этот метод представления и расчета размерных цепей связан с большим объемом вычислений вследствие необходимости увязки систем координат соединяемых деталей. Сборочные размерные цепи могут представляться также как графы размеров, вершинами которых являются поверхности, линии и точки, соединяемые размерами, а ребрами (дугами) - сами эти размеры.
Построение сборочных размерных цепей подразумевает наличие проработанных сборочных чертежей изделия и технологической оснастки. На сегодняшний день, проектируя новое соединение или сборочное оборудование, конструктор, как правило, руководствуется собственным опытом и интуицией, и, уже разработав конструкцию в виде эскизов или сборочных чертежей, проверяет рациональность принятых решений посредством построения и расчета сборочных размерных цепей.
Наличие морфологического описания (формализации) объектов сборочной системы и математических моделей описания взаимосвязей между объектами сборки и элементами технологической оснастки позволило бы разработчику принимать обоснованные конструктивные решения на качественном и количественном уровне на самых ранних (предварительных) этапах проектирования сборочной системы, что сократило бы время проектирования и исключило создание неэффективных и неработоспособных сборочных систем.
В трудах Лебедовского М.С., Павлова В.В., Соломенцева Ю.М. и других отечественных ученых изложены пути разработки математического, информационного и программного обеспечения автоматизированных систем обработки информации на основе единой системы моделирования, позволяющей создавать взаимосвязанные модели объектов и процессов, соответствующих различному уровню знаний и различной полноте представления данных. Перед разработкой модели объекта следует выявить параметры, от которых зависит его состояние. Структуру технологической сборочной системы, в которой предъявляются требования обеспечения соосности входящих в нее деталей, характеризуют следующие параметры: - параметры, учитывающие конструктивные особенности соединяемых деталей: соосность поверхностей, образующих основную и вспомогательную конструкторские базы; - параметры, учитывающие вид схемы базирования соединяемых деталей: комплект двойной направляющей, опорной и скрытой баз или комплект установочной, двойной опорной и скрытой баз; - параметры, характеризующие соосность сопрягаемых поверхностей соединяемых деталей. Вследствие ограниченного количества параметров, характеризующих структуру соосного соединения деталей, представляется возможным еще до проектирования средств оснащения осуществлять целенаправленное построение возможных сборочных связей для предварительной оценки и выбора эффективного варианта исполнения будущей сборочной системы. Существует необходимость разработки такого морфологического описания (формализации) объектов сборочной системы и математических моделей описания взаимосвязей между объектами сборки и элементами технологической оснастки, которое позволило бы разработчику принимать обоснованные конструктивные решения на качественном и количественном уровне на самых ранних (предварительных) этапах проектирования сборочной системы. Это позволит сократить время проектирования и исключить создание нерациональных и неработоспособных сборочных систем. Целью работы является повышение эффективности сборки шаговых электродвигателей в условиях серийного многономенклатурного производства путем выбора рациональной структуры автоматизированной сборочной системы. Исследование современного состояния теории и практики автоматизации сборки электродвигателей показывает, что для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1. Выявить конструкторско-технологические взаимосвязи между геометрическими и физико-механическими параметрами соединяемых деталей и параметрами сборочной оснастки и ее структурой, необходимые для обеспечения автоматизированной сборки электродвигателей в условиях серийного многономенклатурного производства; 2. Разработать метод анализа и синтеза структуры сборочных систем с целью выявления рациональных конструкторско-технологических решений при разработке структуры сборочной операции и проектировании средств технологического оснащения; 3. Разработать методику целенаправленного проектирования автоматизированных средств технологического оснащения операций сборки шаговых электродвигателей в условиях серийного многономенклатурного производства.
Теоретические и экспериментальные исследования соединения деталей с фасонными заходными фасками
Целью исследования соединения деталей с фасонными заходными фасками является определение влияния формы заходной фаски на положение границы заклинивания при соединении деталей по поверхностям вращения.
Теоретически положение границы заклинивания можно найти, определив, такое значение координаты h (рис. 3.2), при котором момент МБ суммы сил, действующих в системе на устанавливаемый вал, вокруг мгновенной оси вращения вала - точки Б - равен нулю: МБ(1г) = 0. (3.1) В табл. 3 приведены расчетные зависимости, полученные, полученные преобразованием известных уравнений статики [39, 47]. На рис. 3.2 и в табл. 3 использованы следующие обозначения: duL — соответственно диаметр и длина устанавливаемого вала, мм; G - сила тяжести устанавливаемого вала, Н. В расчетах принято, что сила тяжести действует концентрированно из геометрического центра тяжести вала. NAnNE- реакции, возникающие в местах контакта вала с поверхностью фаски в точках А и Б соответственно, Н; F- сборочная сила, Н; с - параметр, характеризующий место приложения сборочной силы, мм; у- параметр, характеризующий отклонение направления действия сборочной силы от вертикального (с учетом трения в точке контакта вала и сборочного устройства), ; D] - начальный диаметр фаски, мм; D3 - диаметр участка, где фаска переходит в отверстие во втулке, мм; Н- длина фаски, мм; - значения приведенных коэффициентов трения в местах контакта деталей; h - текущее значение координаты точки А при установке вала, мм. При МБ(1г) = 0, координата h определяет положение границы заклинивания: ZB = h. МБ - момент суммы сил, действующих на устанавливаемый вал, вокруг точки Б, Нмм. На рис. 3.6...3.8, 3.10, 3.11, 3.13, 3.14 показаны (выделены сплошной линией) зависимости положения границы заклинивания от значений параметров устанавливаемого вала и фаски, определенные по уравнениям (табл. 3). На рис. 3.3 показана экспериментальная установка, а на рис. 3.4 - ее схема. Установка состоит из: 1 - плита, 2 - опора, 3 - направляющая планка. Опора 2 и направляющая планка 3 позволяют моделировать форму заходной фаски в отверстии втулки в предположении, что устанавливаемый вал 4 и поверхность фаски в отверстии втулки в процессе соединения контактируют в двух точках: - в точке А, принадлежащей границе торцевой и цилиндрической поверхностей (кромке) вала 4 и перемещающейся вместе с валом по поверхности направляющей планки 3; - в точке Б, принадлежащей границе торцевой и цилиндрической поверхностей опоры и перемещающейся по поверхности вала при его движении относительно опоры 2. Точка Б совпадает с положением мгновенной оси вращения вала в процессе соединения. Установка позволяет изменять углы а2 или аз между рабочей поверхностью направляющей 3 и поверхностью / (II). Варьируемым параметром является также величина расстояния D от точки Б до рабочей поверхности направляющей планки в плоскости /. Определяемым параметром является расстояние ZB ОТ верхней торцевой поверхности / до границы заклинивания - такого положения точки А, ниже которого вал свободно устанавливается в отверстие под действием сборочной силы, выше которого вал заклинивает, т.е. сборочная сила является недостаточной для преодоления реакций со стороны опоры и направляющей планки и сил трения. В экспериментах использовался набор валов (табл. 4) без заходных фасок из стали 45 с параметрами поверхностного слоя HRC 38...42, Ra 3,2 мкм. Каждый выполненный эксперимент состоял из пяти повторов, в каждом из которых определялось положение границы заклинивания ZB при установке вала под действием силы тяжести. Результаты, полученные при повторах, усреднялись, и средние значения ZB отмечены на приведенных ниже графиках. В экспериментах использовались аттестованные средства измерений: штангенциркули ГОСТ 166-73, угломер с нониусом ГОСТ 5378-66. Дисперсия воспроизводимости в проведенных экспериментах составила 5=0,30 мм.
Применение методики проектирования средств технологического оснащения для установки ротора в статор шагового электродвигателя
Соотношение (11) справедливо и в том случае, когда каждая сборочная позиция изолирована с помощью у или более буферных накопителей и Приравнивая второй и третий члены равенства (5.3) и разрешая относительно Nj, получаем: Равенство (5.4) определяет критический размер серии собираемых изделий, при котором время переналадки становится сопоставимым с временем на устранение сбоев сборочной системы. Далее TVf, определенное по соотношению (5.4), обозначим N3. Приравнивая первый и третий члены равенства (5.3), и разрешая относительно N{, получаем: Это равенство определяет критический размер серии N2, при котором время, необходимое на сборку этой серии, равно времени, затраченному на переналадку сборочной системы (коэффициент загрузки сборочной системы Kf=0,5). Таким образом, чтобы применение спроектированной автоматизированной системы сборки шаговых электродвигателей в серийном производстве было эффективным необходимо, чтобы величина запускаемых в производство серий TV,- была больше TV; (TV,- TV;), и достаточно, чтобы значение TV,- было близко В таблице 8 приведены показатели автоматизированной системы сборки шаговых двигателей (рис. 5.2). В соответствии с приведенными данными для расчетов приняты следующие значения показателей [44]: К =\; / =0.001; Г 6с; 7 =120с; ГЛ=600с. Критические размеры серий собираемых изделий: TV;=6 шт, TV2=100 шт, TV5=550 шт. На рис. 5.3 показано влияние величины серии собираемых шаговых двигателей TV,- на время сборки одного изделия Т. 1. В диссертационной работе установлена и формализована конструкторско-технологическая взаимосвязь между геометрическими и физико-механическими параметрами соединяемых деталей шаговых электродвигателей, схемами их базирования при сборке и конструктивными параметрами исполнительных поверхностей технологической оснастки, и структурой сборочной системы. 2. Разработан метод структурных сборочных схем как инструмент анализа и синтеза структуры сборочных систем для эффективного выявления рациональных конструкторско-технологических решений при разработке структуры сборочной системы и проектировании средств технологического оснащения. 3. Установлена зависимость числа звеньев в линейных и угловых размерных цепях от количества деталей, образующих сборочный контур, вида схем их базирования и соосности сопрягаемых поверхностей соединяемых деталей. 4. Создана и экспериментально подтверждена методика определения параметров заходной фаски на направляющих элементах сборочной оснастки с целью увеличения допусков исходных и составляющих звеньев технологической системы, исключения заклинивания соединяемых деталей и обеспечения универсальности средств технологического оснащения. 5. Спроектированная посредством созданной методики технологическая оснастка позволяет устанавливать ротор диаметром от 21,8 до 28,963 мм и высотой рабочей поверхности от 11,7...36,7 мм в статор при автоматической сборке четырех типоразмеров шаговых электродвигателей посредством промышленного робота. 6. Применение созданной методики определения параметров заходной фаски на направляющих элементах сборочной оснастки позволило повысить эффективность работы сборочного автомата по установке поворотных втулок в гнезда электровыключателя ЭВК.211.0200.4 (см. ПРИЛОЖЕНИЕ). 7. Разработана методика целенаправленного проектирования автоматизированных средств технологического оснащения сборки шаговых электродвигателей в условиях серийного многономенклатурного производства путем установления и анализа конструкторско-технологических связей между элементами сборочного контура для обеспечения экономически обоснованных допусков размеров и расположения исполнительных поверхностей проектируемой оснастки. 8. Выбор рационального варианта структуры и компоновки сборочной системы ротор - направляющие элементы сборочного приспособления - статор позволил в 5 раз (с 0,006 до 0,030 мм) увеличить величину допуска на размер наиболее ответственного с точки зрения точности элемента сборочной оснастки для автоматической установки ротора в статор шагового электродвигателя. 9. В соответствии с разработанными методиками спроектированы универсальные средства технологического оснащения типовых операций сборки шаговых электродвигателей. Ю.Исследования, проведенные на спроектированной оснастке, показали, что производительность сборочной системы составляет 450...500 шт./ч. Затраты времени на переналадку при переходе на сборку нового изделия не превышают 6...10 мин - в связи с необходимостью переналадки транспортно-накопительных устройств.
Похожие диссертации на Выбор рациональной структуры автоматизированной системы для серийной сборки шаговых электродвигателей
