Введение к работе
Актуальность темы. Сборка является завершающим этапом выпуска машин и одним из наиболее трудоемких технологических процессов производства. От надежности сборочного процесса зависит производительность процессов, их качество и конкурентоспособность.
Конкурентоспособные современные машины требуют решения ряда задач повышения мощности, прочности и надежности конструкции изделий при одновременном уменьшении их габаритов и материалоемкости. Одним из путей решения поставленных задач является использование новых прогрессивных соединений деталей машин, имеющих, по сравнению с традиционными, ряд технологических, конструктивных и эксплуатационных преимуществ. Примером подобных конструкций являются профильные соединения. Их применение позволит снизить массу машин, улучшить их шумовые характеристики и увеличить несущую способность механических соединений.
Трудоемкость сборочных работ достигает 35 % от общей трудоемкости изготовления изделий в машиностроении. Это определяется в частности низким уровнем автоматизации сборки. Для решения данной задачи целесообразно использовать промышленные роботы. Однако высокая стоимость, невысокое быстродействие и точность позиционирования для сборки являются основными факторами, сдерживающими их внедрение.
Роботизированная сборка профильных соединений является сложной задачей, поскольку необходимо обеспечить выполнение следующих условий: необходимо достичь совпадения осей сопрягаемых посадочных поверхностей профильных валов по смещению и перекосу, а также обеспечить точность относительного углового положения в сечении, перпендикулярном оси базовой детали. Таким образом, оборудование на основе средств адаптации, а именно комбинации адаптивного захватного устройства и вибраций должно иметь широкие технологические возможности. Средства адаптации являются одним из вариантов технических решений названной задачи.
Научные и практические вопросы этого направления автоматизации сборки
исследованы в работах таких ученых, как: А.А. Гусева, АГ. Холодковой, В.И. Бабицкого, Б.П. Бакшиса, И.И. Блехмана, Л.В. Божковой, В.Л. Вейца, М.В. Вартанова, И.И. Вульфсона, Р.Ф. Ганиева, А.А. Кобринского, М.З. Коловского, Э.Э. Лавендела, П.С. Ланды, С.Л. Мурашкина, Л.С. Мурашкина, Р.Ф. Нагаева.
Гусев А.А. установил, что при выборе адаптивных средств исходят из того, что при автоматической сборке необходимо обеспечить соединение деталей при сохранении их качества и минимальные затраты на выполнение сборочных работ либо соединение деталей с увеличением производительности при выполнении работ.
Адаптивные захватные устройства обеспечивают компенсацию погрешностей положения руки робота: вибрационные колебания угловых погрешностей положения деталей, а упругих элементы захватного устройства - линейных погрешностей.
В настоящее время перспективными признаны вибрационные методы автоматической сборки. Однако недостаточная изученность динамики вибрационного метода сборки профильных соединений приводит к отсутствию научно обоснованных рекомендаций по проектированию вибрационных адаптивных устройств, а также рекомендаций по технологическим режимам.
Основные преимущества вибрационных методов ориентации сопрягаемых деталей заключаются в следующем:
возможность совмещения деталей имеющих значительные линейные и угловые погрешности;
возможность манипулирования неферромагнитными деталями;
возможность совмещения бесфасочных деталей;
устранение заклиниваний собираемых деталей в процессе сопряжения;
простота конструктивной реализации и регулирования технологических режимов.
На основе изложенного можно утверждать, что совершенствование технологии роботизированной сборки профильных соединений с зазором с использованием средств адаптации является актуальной и перспективной научно-технической задачей.
Целью работы является повышение безотказности процесса роботизированной сборки профильных соединений с зазором на основе средств адаптации.
Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:
Предложен метод роботизированной сборки профильных соединений с применением средств адаптации.
Разработана математическая модель динамики движения центра масс устанавливаемой детали по отношению к неинерциальной системе координат, жёстко связанной с вращающейся и вибрирующей базовой деталью.
На основе предложенной математической модели разработана программа, позволяющая задавать различные значения конструктивных и динамических параметров модели, исследовать их влияние на время протекания процесса совмещения осей деталей и траекторию их относительного движения.
Проведено компьютерное моделирование с целью установления взаимосвязей между конструктивными и динамическими параметрами сборочного устройства и протеканием процесса сборки.
Усовершенствована экспериментальная установка для роботизированной сборки профильных соединений с малым зазором с использованием управляемого преобразователя и электропривода постоянного тока с постоянными магнитами и разработан приближенный аналитический способ определения моментов приводов сборочного устройства.
Проведены физические эксперименты метода роботизированной сборки профильных соединений с зазором.
Разработана инженерная методика проектирования технологического оснащения для сборки профильных соединений, позволяющая по заданным характеристикам соединений выбрать оптимальную по структуре процесса компоновку сборочного комплекса, рассчитать требуемую точность и другие параметры оснастки для промышленных роботов и выбрать технологические
режимы для безотказной сборки изделий. Научная новизна работы:
Разработан метод роботизированной сборки профильных соединений, отличающийся использованием средств адаптации, а именно комбинации упругого закрепления устанавливаемой профильной детали, а также вращающейся и вибрирующей базовой детали в целях повышения безотказности сборки деталей.
Разработана математическая модель динамики процесса относительного ориентирования устанавливаемой профильной детали по отношению к базовой, жёстко связанной с вращающимся и вибрирующим диском.
Экспериментально выявлены условия реализации метода роботизированной сборки профильных соединений, включающие зависимости безотказности процесса от конструктивных и динамических параметров устройства и собираемых деталей.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
Разработана программа моделирования процесса относительного ориентирования профильных валов. Программа зарегистрирована в Российском объединенном фонде электронных ресурсов "НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ" № 16726, 11 февраля 2011г.
Усовершенствована экспериментальная установка для роботизированной сборки профильных соединений с малым зазором с использованием управляемого преобразователя и электропривода постоянного тока с постоянными магнитами.
Разработана методика проектирования автоматического сборочного устройства для профильных соединений, позволяющая по заданным характеристикам соединений выбирать оптимальную по структуре процесса компоновку сборочного комплекса, рассчитать требуемую точность и другие параметры оснастки для роботов и выбрать технологические режимы для безотказной сборки изделий.
Определены оптимальные значения конструктивных и технологических параметров процесса, обеспечивающие его безотказную реализацию.
Результаты диссертации внедрены в учебный процесс в лекционном курсе "Технология автоматизированной сборки".
Новизна разработки подтверждена положительным решением о выдаче патента на изобретение «Способ сборки профильных соединений с зазором» (Заявка № 2010120425/02(028990)).
Методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертационной работе использовались следующие методы: технологии машиностроения; теоретической и аналитической механики; робототехники; аппарата матриц преобразования однородных координат; линейной алгебры и аналитической геометрии; электротехники и электромеханики; физического моделирования и статистической обработки экспериментальных данных.
Достоверность полученных результатов основывается на корректном использовании в исследованиях математического аппарата, методов теоретической механики и механики промышленных роботов и подтверждается согласованностью результатов полученных методом математического моделирования и физических экспериментов.
На защиту выносятся следующие положения:
Метод роботизированной сборки профильных соединений на основе средств адаптации;
Математическая модель динамики движения центра масс устанавливаемой детали по отношению к неинерциальной системе координат, жёстко связанной с вращающейся и вибрирующей базовой деталью;
Результаты экспериментальных исследований, позволившие установить взаимосвязь конструкторско-технологических параметров процесса сборки;
4. Программа моделирования процесса роботизированной сборки
профильных соединений, позволяющая пользователю задавать различные
значения конструктивных и динамических параметров процесса и исследовать их влияние на безотказность совмещения профилей собираемых деталей;
5. Инженерная методика проектирования технологического оснащения для сборки профильных соединений, позволяющая по заданным характеристикам соединений выбирать оптимальную компоновку сборочного комплекса, рассчитывать требуемую точность и другие параметры оснастки для промышленных роботов, и технологические режимы для сборки изделий.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на
международном научном симпозиуме «Автотракторостроение - 2009» 65-я
международная научно-техническая конференция Ассоциации автомобильных
инженеров (ААИ) "Приоритеты развития отечественного автотракторостроения
и подготовки инженерных и научных кадров"(Москва, МГТУ «МАМИ», 25-26
марта 2009г); на 2-ой научно-технической конференции с участием
заграничных гостей «СБОРОЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ» «РМ-2010» (Rzeszow-
Bukowiec, Польша, 25-28 май 20 Юг); на международной научно-технической
конференции ААИ «Автомобиле - и тракторостроение в России: "Приоритеты
развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию МГТУ «МАМИ» (17
ноября 2010 г); на 12-ой международной специализированной выставке
«Оборудование, приборы и инструменты для металлообрабатывающей
промышленности», международном станкостроительном форуме
«Современные тенденции в технологиях и конструкциях
металлообрабатывающего оборудования» (Москва, «Экспоцентр», 24-25 мая 2011г.); на международном научно-техническом семинаре «Современные технологии сборки» (Москва, МГТУ «МАМИ», 20-21 октября 2011г.).
Внедрение результатов исследования осуществлено в учебный процесс МГТУ «МАМИ» в лекционном курсе "Технология автоматизированной сборки".
Личный вклад автора в получение результатов, изложенных в диссертации. Основные научные положения диссертации самостоятельно разработаны автором. Бакена Мбуа Ж.К. разработал математическую модель
процесса относительного ориентирования устанавливаемой профильной детали по отношению к базовой, жёстко связанной с вращающимся и вибрирующим диском. Диссертант также провёл физические эксперименты и разработал методику проектирования автоматического сборочного устройства для профильных соединений. Обсуждение отдельных результатов и подготовка совместных публикаций проводилась вместе с соавторами, указанными в списке опубликованных работ.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в десяти печатных работах, в том числе в четырех изданиях, входящих в перечень рекомендуемых ВАК РФ.
Структура и объём работы. Диссертация общим объёмом 186 страниц состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 121 наименования и 7 приложений. Основной текст изложен на 131 странице, включает 49 рисунков, 3 фотографии, 6 таблиц.
Результаты исследований были получены при проведении работ по Государственному контракту на выполнение научно-исследовательских работ № П879 по теме «Адаптивное оборудование и оснастка для автоматической сборки» в рамках ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы".
