2
СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ................................. 7
ВВЕДЕНИЕ..................................................... 8
Глава 1. Обзор существующих технологических процессов автоматизированной сборки в машиностроении и анализ путей повышения производительности транспортно-загрузочною и ориентирующего оборудования...................................... 20
1.1. Обзор типовых схем автоматизированных сборочных систем, классификация механизмов транспортно - загрузочного и ориентирующего оборудования и основные требования, предъявляемые к сборочным манипуляторам.......................... 20
1.1.1. Классификация и структура транспортно-загрузочного оборудования автоматизированного сборочного производства 36
1.1.2. Основные требования, предъявляемые к транспортнозагрузочным манипуляторам ПР автоматизированных сборочных производств...................................................... 46
1.2. Анализ путей повышения быстро действия сборочных ПР ... 51
1.2.1. Увеличение скоростей перемещения звеньев сборочных манипуляторов ПР................................................. 51
1.2.2. Уменьшение колебаний ИУ манипуляторов ПР в точках позиционирования................................................. 65
1.2.3. Оптимизация циклограммы ПР........................... 69
1.2.4. Оптимизация компоновочных решений.................... 71
1.3. Анализ исполнительных устройств манипуляторов ПР и
передаточных механизмов ТЗО по критериям быстродействия и быстроходности................................................... 73
3
1.4. Выводы из обзора литературы, уточнение цели и основные задачи исследования ...................................... 80
Глава 2. Теоретические основы проектирования и динамический анализ безударных цикловых механизмов транспортно-загрузочного оборудования.............................. 83
2.1. Обобщенная пространственная модель планетарноцевочных кулисных механизмов с угловым и линейным позиционированием исполнительного звена............................ 83
2.1.1. Условия осуществления безударных законов движения пространственных планетарно-цевочных кулисных механизмов 95
2.2. Исследование плоских безударных планетарно-цевочных кулисных механизмов углового и линейного позиционирования ТЗО.. 107
2.2.1. Плоские безударные планетарно-цевочные кулисные механизмы углового и линейного позиционирования с
вращательным движением ведущего звена .......................... 107
2.2.2. Обобщенная кинематическая модель плоских планетарноцевочных кулисных механизмов возвратно-вращательного
движения с поступательным движением ведомого звена................. 128
2.2.3. Обобщенная кинематическая модель полуоборотных плоских планетарно-цевочных кулисных механизмов с возвратновращательным движением ведомого звена........................... 156
2.3. Синтез и исследование безударных последовательно соединенных мальтийских механизмов................................ 164
2.4. Критерии качественной оценки законов движения квазибезударных механизмов приводов ТЗО........................... 181
2.5. Выводы по главе 2.................................... 191
4
Глава 3. Динамический анализ и синтез безударных планетарно-цевочных кулисных механизмов транспортнозагрузочного оборудования..................................... 192
3.1. Кинстостатический анализ планетарно-цевочных кулисных механизмов возвратно-вращательного периодического движения........................................................ 192
3.2. Динамические модели цикловых механизмов ТЗО автоматизированных сборочных производств........................ 205
3.3. Динамика планетарно-цевочных кулисных механизмов с учетом зазоров, контактной жесткости и упругости элементов механизма....................................................... 215
3.4. Выводы по главе 3.................................... 223
Глава 4. Динамика безударных планетарно-цевочных
кулисных механизмов с учетом пневмопривода...................... 225
4.1. Разработка динамической модели планетарно-цевочных кулисных механизмов с учетом пневмопривода...................... 225
4.2. Описание алгоритма программы динамического анализа планетарно-цевочных кулисных механизмов с учетом пневмопривода 232
4.3. Результаты моделирования динамики планетарно-
цевочных кулисных механизмов с учетом пневмопривода............. 235
4.4. Синтез параметров пневмопривода для осуществления равномерного движения поршня.................................... 239
4.5. Выводы по главе 4.................................... 241
Глава 5. Общие задачи оптимизационного синтеза
цикловых механизмов транспортно-загрузочного оборудования по критериям прочности.......................................... 242
5
5.1. Условия прочности характерных кинематических пар безударных планетарно-цевочных кулисных механизмов............... 242
5.2. Задачи оптимизационного синтеза безударных цикловых механизмов ТЗО по критериям прочности............................ 260
5.3. Выводы по главе 5..................................... 264
Глава 6. Экспериментальные исследования динамики и
быстродействия манипуляторов ПР с безударными цикловыми механизмами...................................................... 265
6.1. Задачи экспериментальных исследований................. 265
6.2. Методика проведения экспериментальных исследований ... 268
6.2.1. Условия проведения экспериментов, средства
измерений и регистрации параметров.............................. 268
6.2.2. Методика измерения параметров...................... 271
6.3. Результаты экспериментальных исследований............. 276
6.3.1. Анализ динамики углового перемещения исполнительного устройства манипулятора ПР при раздельной
работе приводов................................................. 276
6.3.2. Анализ динамики манипулятора ПР при совмещении движений по степеням подвижности................................. 292
6.4. Выводы по главе 6.................................... 296
Глава 7. Практическая реализация результатов
диссертационной работы.......................................... 297
7.1. Разработка технологической линии и ее компонентов для автоматизированной сборки узлов топливной и гидравлической аппаратуры дизельных автотракторных двигателей................... 297
7.2. Разработка конструкций быстродействующих транспортнозагрузочных манипуляторов для автоматизированной сборки.......... 306
6
7.3. Разработка конструкций захватывающих устройств ПР с высокой жесткостью и точностью позиционирования.......... 312
7.4. Разработка конструкций быстродействующих приводов транспортно-загрузочного оборудования безударного типа с
плавным регулированием выходных параметров............... 318
7.5. Разработка алгоритмов и прикладных программ синтеза квазибезударных цикловых механизмов ТЗО по критериям быстродействия и прочности............................... 324
7.6. Пример расчетов параметров приводов транспоргно-загрузочного оборудования с ПЦКМ ........................ 325
7.7. Выводы по главе 7.............................. 333
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.............................. 334
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 338
ПРИЛОЖЕНИЯ.......................................... 367
7
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ
АЛ - автоматическая линия;
АРЛ - автоматическая роторная линия;
БЗОУ - бункерное загрузочно-ориеитирующес устройство;
БП - базирующее приспособление;
ГАСП - гибкое автоматизированное сборочное производство; ГПСС - гибкая производственная сборочная система;
ЗУ - захватное устройство;
ИУ - исполнительное устройство;
КПД - коэффициент полезного действия;
МЛП - модуль линейного позиционирования;
ММЛМЧ - мальтийский механизм с приводом от лямбдообразного шарнирного четырехзвенного механизма П. Л. Чебышева; МУЛ - модуль углового позиционирования;
ОС - объект сборки;
ПП - пневматический привод;
ПР - промышленный робот;
ПЦКМ - планетарно-цевочный кулисный механизм;
РЛ - роторная линия;
РТК - роботизированный технологический комплекс;
СА - сборочный автомат;
САЛ - сборочная автоматическая линия;
СУ - система управления;
ТЗО - транспортно-загрузочное оборудование;
ЦПУ - цикловое программное управление;
ЭВМ - электронная вычислительная машина.
8
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Завершающим этапом выпуска изделий машиностроения является операция сборки, от производительности и качества которой в значительной степени зависят их себестоимость, надежность и долговечность. Автоматизированная сборка позволяет повысить производительность труда, исключить воздействие на человека таких отрицательных факторов как шум, вибрации, грязь, пыль, токсичные вещества, а главное - обеспечить стабильно высокое качество изделий.
Доля трудоемкости сборки в общей трудоемкости изделий во многих производствах довольно велика. В промышленном производстве многих экономически развитых стран на долю сборки приходится от 40 до 50 % общей трудоемкости изготовления изделия, более 50% всей себестоимости продукции и свыше 40 % фонда заработной платы. Операции обработки деталей автоматизированы на 90 - 95 %, тогда как сборочные - на 5 - 7 %. Это объясняется тем, что процессы сборки наиболее сложны для автоматизации. Недаром академик И. И. Артоболевский отмечал: «Процессы сборки до сих пор в большинстве своем представляют собой такую область технологии, которая при любой попытке что-то автоматизировать оказывается полна неясностей и неожиданных сложностей. Неспроста так низок уровень автоматизации этих процессов».
В машиностроительном производстве объем сборочных операций велик. Например, при сборке легкового автомобиля среднего класса только крепежных деталей используют от 2,5 до 3 тысяч. По всему миру ежедневно в автомобильной промышленности собирают 6-Ю10 резьбовых, шпоночных и прессовых соединений.
9
Главным фактором, сдерживающим автоматизацию сборки, является исключительная сложность обеспечения точного совмещения сопрягаемых поверхностей соединяемых деталей. Кроме того, имеется целый ряд других причин.
1. Конструктивные:
• большое многообразие и существенное различие деталей по форме, размерам, массе.
2. Технологические:
• низкая технологичность конструкций узлов и деталей с точки зрения автоматизации сборки; перед конструкторами не ставят задачу обеспечения механизированной или автоматизированной сборки;
• необходимость выполнения пригоночных и регулировочных работ;
• применение узкой специачизации при сборке изделий;
• отсутствие научно обоснованных руководящих материалов и требований к изделиям, собираемым в автоматизированном производстве;
3. Экономические:
• высокая стоимость средств и автоматизированной сборки;
• низкая производительность средств автоматизации сборочных операций и вспомогательных транспортно-загрузочных и ориентирующих устройств;
• необходимость подготовки специалистов высокой квалификации для обслуживания и ремонта автоматизированного сборочного оборудования.
В настоящее время проблему автоматизации сборки пытаются решить не на базе разработки технически обоснованных методов и средств, а путем создания набора конструктивных решений, либо на основе применения
10
адаптивных и следящих систем, что часто приводит к значительному удорожанию и, как правило, низкой надежности данных систем в реальных производственных условиях.
В связи с тенденцией уменьшения серийности производства в промышленно развитых странах робототехника становится одним из основных резервов повышения производительности труда, особенно для сборочного производства, как наиболее трудоемкого но сравнению с механической обработкой.
Эффективность работы гибких производственных сборочных систем (ГПСС) во многом определяется быстродействием транспортно-загрузочного оборудования (ТЗО): манипуляторов, промышленных роботов (11Р),
кантователей, питателей, устройств вторичной ориентации дет&чей и т. п. Как правило, производительность манипуляторов ПР на транспортнозагрузочных и сборочных операциях не превышает 8-14 циклов в минуту, что уступает производительности человека на тех же операциях. Производительность оборудования при вальцовке, клепке и сборке прессовых соединений без термического воздействия при относительно небольших усилиях запрессовки, в зависимости от типа, может достигать от 40 до 60 ходов в минуту. Это значит, что производительность сборочного оборудования используется далеко не полностью. Вместе с тем, для сборки небольших по габаритам и массе изделий (весом до 2Н) экономически целесообразно использовать манипуляторы производительностью не менее 60 циклов в минуту, а средних (весом до 10 Н) - не менее 20 - 30 циклов в минуту.
Задача повышения быстродействия ТЗО относится к классу оптимизационных. Например, увеличение мощности приводов вспомогательных устройств приводит к увеличению массы последних и
11
ухудшению инерционных характеристик. Кроме того, при увеличении быстродействия резко возрастают амплитуды колебаний исполнительного устройства при остановке манипулятора ПР. Чтобы избежать этого, приходится резко уменьшать скорости перемещения звеньев до подхода к заданной точке и подходить плавно, что вновь уменьшает быстродействие.
Одним из наиболее перспективных направлений повышения быстродействия транспортно-загрузочного оборудования является повышение быстродействия их приводов, в значительной степени определяемого законами движения передаточных механизмов. Механизмы ТЗО работают в напряженных динамических условиях и дальнейшее повышение их производительности связано с необходимостью исследования динамики и решения комплекса задач динамического синтеза. Насущными задачами в области автоматизированной сборки являются исследование и разработка научно обоснованных методов повышения быстродействия приводов ТЗО и поиск таких передаточных механизмов, которые обеспечат максимальное быстродействие при наличии ограничений на динамические, прочностные и точностные параметры.
Поставленным задачам в большей степени отвечают разработанные автором быстродействующие электро - и пневмомеханические приводы ТЗО, основой которых являются сферические и плоские планетарно-цевочные кулисные механизмы. Недостаточная изученность динамики рассматриваемых цикловых механизмов с учетом реальных физических свойств звеньев (упругости, диссипативности, зазоров и др.) и проработанность методологии их динамического анализа и синтеза с целью обеспечения максимального быстродействия и повышения производительности ГАСП за счет уменьшения вспомогательного времени
12
выполнения транспортно-загрузочных и ориентирующих операций, обуславливают актуальность данной работы.
Настоящая диссертация выполнялась в рамках хозяйственных договоров и договоров о научно-техническом сотрудничестве. Работа соответствует «Приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники Российской Федерации» (2006 г.) по направлению «Транспортные, авиационные и космические системы», направлена на развитие технологий, входящих в «Перечень критических технологий Российской Федерации» (2006 г.) по направлениям «Технологии мехатроники и создания
микросистемной техники», « Технологии создания и управления новыми видами транспортных систем».
Объектом исследования в данной работе являются транспортнозагрузочные и ориентирующие системы гибких автоматизированных сборочных производств в машиностроении.
Предметом исследования служат динамические и прочностные
характеристики механизмов ТЗО автоматизированных сборочных
производств и колебательные процессы в точках позиционирования исполнительных устройств манипуляторов с цикловыми сферическими и плоскими планетарно-цевочными кулисными механизмами.
Целью настоящей работы является развитие научно-технического направления, связанного с разработкой методов проектирования и динамического анализа быстродействующих цикловых механизмов
транспортно-загрузочных и ориентирующих систем гибких автоматизированных сборочных производств в машиностроении.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
1. Провести анализ современных направлений повышения
13
быстродействия вспомогательного транспортно-загрузочного и ориентирующего оборудования Г'АСП в машиностроении. Определить направления совершенствования и повышения эффективности применяемых приводов ТЗО на основе системного анализа кинематических и динамических моделей.
2. Обобщить основные классификационные признаки, отражающие особенности механизмов вспомогательного оборудования ГАСП, проанализировать и сформулировать пути их развития с точки зрения предельного быстродействия.
3. Теоретически обосновать возможность достижения предельного быстродействия ТЗО автоматизированных сборочных производств за счет обеспечения безударных законов движения.
4. Разработать обобщенную методологию динамического анализа и синтеза семейства цикловых безударных пространственных и плоских планетарно-цевочных кулисных механизмов (ПЦКМ) с вращательным и поступательным движениями исполнительного звена. Исследовать влияние привода на динамику углового и линейного позиционирования безударных цикловых механизмов ТЗО. Разработать методику оценки качества работы 11ЦКМ транспортно-загрузочного оборудования и методы их сравнения, доступные для практики исследования и проектирования.
5. Разработать методику оптимизационного синтеза параметров ПЦКМ по критерию максиматьного быстродействия с учетом ограничений на динамические и прочностные параметры. Выполнить экспериментальные исследования динамики промышленных образцов быстродействующих сборочных манипуляторов. Экспериментально подтвердить возможность существенного повышения быстродействия сборочных манипуляторов ПР при сохранении заданной точности позиционирования и ограничениях на
14
динамические нагрузки.
6. Разработать конструкции быстродействующих цикловых приводов ТЗО и захватывающих устройств безударного типа с плавным регулированием выходных параметров.
7. Разработать алгоритмы и пакеты прикладных программ для динамического анализа и синтеза группы безударных механизмов углового и линейного позиционирования 'ПО автоматизированного сборочного производства.
Общая методика исследований. Основные расчетные зависимости получены в результате аналитического исследования соответствующих геометрических, кинематических и динамических моделей. Численная реализация задачи осуществлялась на ЭВМ с помощью разработанного пакета прикладных программ. Проверка адекватности моделей произведена с помощью экспериментальных методов исследования с использованием аппарата математической статистики. При разработке критериев качественной оценки применялись методы теории подобия и анализа размерностей. В основу создания алгоритмов оптимизационного синтеза положены методы системного подхода, теории машин-автоматов, многокритериальной оптимизации.
Достоверность результатов обеспечивается обоснованностью использованных теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задачи, применением рациональных математических методов и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными как лично автором, так и другими исследователями, а также положительным опытом внедрения полученных результатов.
15
Научная новизна работы состоит в получении новых теоретических результатов в области повышения эффективности вспомогательных операций ГАСП в машиностроении и сконцентрирована в следующем:
1. Разработаны теоретические положения, обосновывающие возможность достижения предельного быстродействия ТЗО автоматизированных сборочных производств за счет обеспечения безударных законов движения, реализуемых с помощью разработанного семейства цикловых пространственных и плоских механизмов углового и линейного позиционирования.
2. Разработана методология динамического анализа и синтеза семейства безударных цикловых пространственных и плоских планетарноцевочных кулисных механизмов с вращательным и поступательным движением исполнительного звена.
3. Разработаны математические модели для силового и динамического анализа различных вариантов исполнения безударных механизмов с учетом привода, упругости звеньев, зазоров и диссипации энергии.
4. Разработаны алгоритмы оптимизационного синтеза безударных цикловых механизмов углового и линейного позиционирования 130 по динамическим и прочностным критериям.
5. Предложена методика оценки динамических свойств цикловых механизмов ТЗО автоматизированной сборки. Теоретически и экспериментально доказана возможность увеличения в 2-2,5 раза быстродействия механизмов ТЗО.
6. Разработаны и созданы экспериментальные стенды для исследования динамики цикловых механизмов транспортно-загрузочных систем ГАСП и методики оценки их динамического состояния с учетом требуемой точности позиционирования.
16
На защиту выносятся:
1. Научно обоснованные методы решения задач динамического анализа и синтеза быстродействующих цикловых механизмов ТЗО гибких автоматизированных сборочных производств, основанные на применении разработанных математических моделей, методов и алгоритмов расчета.
2. Направления совершенствования и повышения эффективности применяемых приводов вспомогательного оборудования ГАСП на основе системного анализа кинематических и динамических моделей квазибезудариых пространственных и плоских планетарно-цевочных кулисных механизмов.
3. Методология и алгоритмы оптимизационного синтеза безударных цикловых механизмов ТЗО, учитывающие геометрические, кинематические, динамические и прочностные условия связи.
4. Комплекс инструментальных средств для выполнения динамического анализа транспортно-загрузочных систем с безударными цикловыми ПЦКМ и решения задач их исследования, проектирования и оценки динамического состояния.
5. Рекомендации по проектированию семейства быстродействующих сверхлегких сборочных манипуляторов ПР номинальной г рузоподъемностью 0,1 кг; 0,16 кг; 2,5 кг и захватывающих устройств безударного типа, а также оригинальные конструкции устройств ТЗО, позволяющие повысить на 20 -40% производительность автоматизированной сборки узлов топливной аппаратуры для автотракторных дизельных двигателей и гидроаппаратуры мобильной грузоподъемной техники.
Практическая значимость и реализация работы.
Па основе теоретических положений теории машин-автоматов разработаны методики автоматизации вспомогательных операций в
17
автоматизированном сборочном производстве узлов топливной и гидравлической аппаратуры дизельных автотракторных двигателей и мобильной грузоподъемной техники. Разработаны алгоритмы и программные средства для проектирования пространственных и плоских ПЦКМ быстродействующих приводов ТЗО, реализующих безударные законы движения исполнительного органа. Совокупность спроектированных и внедренных модулей приводов манипуляторов ПР и транспортнозагрузочного и подающего оборудования позволила более чем в 2 раза повысить их быстродействие. Предложенные способы безударного позиционирования исполнительного органа позволяют сократить время позиционирования цикловых механизмов и исключить тормозные или демпфирующие устройства. Разработана гамма захватывающих устройств для сборочных манипуляторов ПР.
Промышленная эксплуатация разработанных алгоритмов проектирования и технических решений для цикловых механизмов приводов ТЗО в течение более десяти лет на предприятиях дорожного, полиграфического и дизельного машиностроении показала практическую обоснованность разработанного в диссертационной работе направления.
11а основе выполненных исследований издано два учебных пособия, одно из которых имеет гриф Министерства образования Российской Федерации. Теоретические и методические разработки используются в процессе преподавания дисциплин «Детали машин и основы конструирования», «Механика промышленных роботов и мехатронных систем», «Автоматизация технологических процессов» в РГАТА имени П.А. Соловьева и МГТУ «СТЛНКИН» (г. Москва).
Апробация работы. Научные положения и результаты диссертационной работы докладываюсь автором и обсуждаюсь на 29
18
научных конференциях, в т. ч. на Международных научно-технических конференциях: «Технология - 94» (г. С.-Петербург, 1994), «Информационноизмерительные и вычислительные системы специального назначения. Информатизация в моторостроении» (г. Москва, 1994), «Автоматизация и информатизация в машиностроении» (г. Тула, 2000), «Динамика систем, механизмов и машин» (г. Омск, 2004, 2007), «Проблемы исследования и проектирования машин» (г. Пенза, 2005), «Машиностроение и техносфера XXI века» (г. Севастополь, 2006), «Технологическое обеспечение и автоматизированное управление параметрами качества поверхностного слоя, точности обработки деталей и сборки газотурбинных двигателей» (г. Рыбинск, 2007); на Всесоюзных и Российских научно-технических конференциях: «Проблемы повышения производительности и качества продукции в условиях автоматизации машиностроительного производства» (г. Рыбинск, 1986), «Проблемы автоматизации проектирования и изготовления изделий в машино- и приборостроении» (г. Алушта, 1986), «Состояние, опыт и направления работ по комплексной автоматизации на основе ГАП, РТК и ПР» (г. Пенза, 1987, 1989, 1990), «Использование вычислительной техники и САПР в научно-исследовательских и опытных разработках» (г. Владимир, 1987), «Проблемы создания и внедрения гибких производственных и робототехнических комплексов на предприятиях машиностроения» (г. Одесса, 1989), «Ресурсо-энергосберегающие и наукоемкие технологии в машино- и приборостроении» (г. Нальчик, 1991), «Наукоемкие технологии в машиностроении и приборостроении» (г. Рыбинск, 1994), «Методы и средства измерения физических величин» (г. Н. Новгород, 1999), «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве» (г. Н. Новгород, 1999), «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» (г. Н. Новгород, 2003), «Механика и
19
процессы управления» (г. Екатеринбург, 2003, 2004, 2005, 2007) и др.
В полном объеме содержание диссертационной работы доложено и обсуждено на расширенном заседании кафедр: «Технология авиационных двигателей и общего машиностроения», «Резание материалов, станки и инструменты», «Основы конструирования машин» РГАТА имени П. А. Соловьева (Рыбинск, 2007), «Технология машиностроения» Брянского государственного технического университета (Брянск, 2007), «Динамика и прочность машин» Орловского государственного технического университета (Орел, 2008), на научно-техническом совете РГАТА (Рыбинск, 2007).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 60 научных работ, в том числе 1 монография, 12 статей в научных журналах, рекомендованных ВАК РФ, тезисы 29 докладов, получено 17 авторских свидетельств и патентов на изобретения.
Структура и объем. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованных источников из 244 наименований, изложена на 400 страницах и содержит 121 рисунок и 43 таблицы. В приложениях размещены справочные результаты теоретических и экспериментальных исследований, копии актов о внедрении результатов работы в учебный процесс и народное хозяйство.
Приведенная в диссертационной работе терминология в области робототехники регламентируется государственными стандартами Российской Федерации: ГОСТ 25204-98, ГОСТ 25686-98, ГОСТ 26228-98, ГОСТ 27312-87 и ГОСТ 14.323-89. Определения основных элементов сборочных автоматизированных систем базируются на общепринятых понятиях. Определение стадий сборочного процесса, гибкого сборочного производства и некоторые сопутствующие понятия приведены в наиболее часто встречающихся в научно-технической литературе формулировках.
20
ГЛАВА 1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СБОРКИ В МАШИНОСТРОЕНИИ И АНАЛИЗ ПУТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ТРАНСПОРТНО-ЗАГРУЗОЧНОГО И ОРИЕНТИРУЮЩЕГО ОБОРУДОВАН ИЯ
1.1. Обзор типовых схем автоматизированных сборочных систем, классификация механизмов трапспортно загрузочного и ориентирующего оборудования и основные требования, предъявляемые к сборочным манипуляторам
Вопросы автоматизации процессов сборки в условиях массового и крупносерийного производства решаются в большинстве случаев с помощью автоматических линий (АЛ), позволяющих обеспечить необходимую производительность технологического оборудования при наименьшей себестоимости изготавливаемой продукции. Сборочные АЛ с периодическим транспортированием собираемого объекта нашли широкое применение при сборке узлов автомобильных и тракторных двигателей (дизелестроение), подшипников, электронной аппаратуры, элекгротехничсских изделий, приборов и других изделий [31, 43, 45, 53, 63, 64, 74, 75, 78, 91, 101, 102, 106, 107, 110, 170, 180, 188, 189, 193, 194, 202, 212, 216-218, 226, 229, 233, 234, 236]. Цикловая производительность таких линий может составлять менее 1 секунды при годовой производительности до 6 млн. изделий в год.
Для сборки относительно мелких изделий с малым числом деталей в массовом и серийном производствах наиболее высокую производительность обеспечивают сборочные роторные линии (РЛ) квазинепрерывного действия, широко применяемые в машиностроении, например, при сборке толкателя
21
топливных насосов, изготовлении подшипников, втулочно-роликовых цепей и других изделий [74, 75, 92, 93, 174].
Сборочные АЛ и РЛ имеют существенный недостаток - малую гибкость. Переналадка возможна в узких пределах одной размерной группы изделий. Кроме того, размещение собранных изделий навалом в таре, которое, как правило, имеет место на выходе данного оборудования, приводит к необходимости иметь специальные разгрузочные механизмы.
Для хмелкосерийного и частично серийного сборочных производств, характерных для многих предприятий различных отраслей, манипуляторы и ПР являются тем универсальным средством автоматизации, которое позволяет создавать высокоэффективные гибкие переналаживаемые автоматические сборочные ячейки, участки, линии, цеха [37, 38, 45, 59, 71, 74, 78, 87-89, 95, 125, 127, 131, 144, 153, 154, 156, 158-163, 172, 173, 175-179, 185-187, 198, 208, 229, 232, 234, 237, 240, 241]. Эффективность применения ПР в сборочных производствах наиболее актуальна при автоматизации монотонных, не требующих высокой квалификации, однообразных работ но загрузке-разгрузке сборочных полуавтоматов и другого технологического оборудования, упаковке, контрольно-измерительных операций и т. п.
Па рис. 1.1 приведены стадии и обобщенная технологическая схема автоматизированного сборочного процесса на примере установки контактных пистонов в плату из неметаллического материала [168]. Собираемые детали 4 доставляются к месту их сопряжения в межоперационной таре навалом в бункерное загрузочное устройство (БЗУ) 3 или упорядоченно в виде кассеты. Из навала детали захватываются различными средствами и способами, ориентируются в пространстве с поворотом относительно своих осей поштучно или партиями. Затем происходит контроль наличия и положения деталей перед сопряжением, а
22
затем подача и координирование детали. Наиболее сложный и трудно поддающийся автоматизации процесс - относительное ориентирование сопрягаемых деталей перед совмещением их поверхностей. При координировании совмещаются проекции осей сопрягаемых деталей, а при относительном ориентировании путем вращения, в общем случае, вокруг трех взаимно перпендикулярных осей - полное совпадение в пространстве осей симметрии этих деталей.
Подача Контроль
2
Коордширобание
Ось сборки ■
Подача | Сопряжение Контроль
Фиксация Котроль
ш
в
5)
Рис. 1.1. Стадии сборочного процесса {а) и технологическая схема сборки (б):
Д - деталь; П - подача и установка присоединяемой детали в приспособление или на базовую деталь; К - контроль; О - обработка; 3- фиксация; В - выдача сборочной единицы; С - сборочная единица
23
Сопряжение поверхностей пистона и отверстия в плате происходит вдоль оси сборки. Базовая деталь 1 подается из стопы магазинного устройства шахтною типа захватным устройством манипулятора 2 (или другим устройством) на сборочную позицию. После установки очередного пистона в плату происходят процессы фиксации, сборки с помощью инструмента 5 и послеоперационного контроля качества. Удалением собранных узлов 6, складированием их и упорядоченной передачей по технологической цепочке сборочный процесс завершается.
Данный процесс сборки включает следующие основные и вспомогательные операции:
1. Подача и установка базовой детали в приспособление или в рабочую зону пресса.
2. Контроль положения базовой детали в приспособлении.
3. Захват, ориентирование и подача присоединяемой детали в зону сборки.
4. Контроль наличия и положения присоединяемой детали.
5. Выполнение сборочной операции.
6. Послеоперационный контроль.
7. Удаление собранного узла с позиции сборки.
8. Складирование или передача собранного узла на общую сборку.
Операции 1, 2, 3, 4, 6, 7, 8 являются вспомогательными, причем к
транспортно - загрузочным и ориентирующим относятся операции 1, 3, 7 и 8. Следует отметить, что кажущаяся простота сборки несложных узлов, подобных рассмотренному выше примеру, естественна лишь для ручной или механизированной сборки, когда наиболее сложные операции легко и быстро выполняет человек. Такие операции, как выборка деталей из навала, их ориентирование и координирование, а также контроль на всех этапах сборки
24
достаточно сложно автоматизировать при соизмеримых с ручной сборкой затратах. В массовом производстве автоматизация сборки подобных узлов обеспечивается высокопроизводительными многопозиционными сборочными автоматами [37, 45, 55, 189, 212, 234, 236]. Однако при необходимости быстрой переналадки на другие виды изделий сборочные автоматы с жесткой циклограммой работы практически неприменимы.
Конструктивные особенности собираемых изделий и технологии их сборки, большое разнообразие действий и приемов по соединению и закреплению деталей обуславливают и большое число разновидностей конструктивных решений и компоновок сборочного автоматического оборудования.
Наиболее распространенные схемы компоновок автоматизированного сборочного оборудования и соответствующие им траектории перемещения заготовок в рабочем пространстве, приведены на рис. 1.2. Рассмотрим отличительные особенности вышеприведенных структур автоматического сборочного оборудования.
Па рис. 1.2, а изображена структурная схема многопозиционного сборочного полуавтомата, имеющего в своем составе: станину 1, поворотный стол 2 со сборочными позициями 3, привод 4, рабочие органы 5 с бункерными загрузочно-ориентирующими устройствами (БЗОУ) 8, питателями 6 и магазинами 7 для создания промежуточного задела ориентированных в пространстве деталей, транспоргные устройства 9 для подачи детачей к рабочему месту оператора 10. Функция последнего заключается в установке базовой детали в сборочное приспособление 3 поворотного стола 2, снятие собранного изделия и его укладка в приемную тару или на транспортер в ориентированном состоянии или наватом.
25
Рис. 1.2. Классификация и структура сборочного автоматического оборудования
26
Сборочные автоматы (рис. 1.2, б) реализуют рабочий цикл сборки без участия человека, функции которого заключаются в техническом обслуживании (например, наладка) и периодическом заполнении загрузочных устройств 8. Контроль сборки может осуществляться с помощью встроенных контрольных устройств 12. Собранные изделия размещаются навалом в таре 11. Для упорядоченного размещения собранных изделий в таре с целью их последующей досборки на другом автоматическом сборочном оборудовании на выходе автомата можно поставить ПР (на рис. 1.2, б не показан), который может быть использован для связи автоматов между собой с целыо образования АЛ.
Отдельную группу составляют сборочные машины роторного типа, относящиеся к машинам квазинеирерывного типа. В ее состав входят роторные полуавтоматы (рис. 1.2, в) и автоматы (рис. 1.2, г), являющиеся основой для создания роторных сборочных АЛ. В роторных сборочных машинах в процессе сборки перемещаются и объекты сборки и рабочие органы (толкатели, винтоверты, клепальные устройства и др.), однако скорость транспортирования независима от технологической скорости. Загрузку и разгрузку сборочной позиции 3 рабочего ротора полуавтомата (рис. 1.2, в) осуществляет оператор 10, берущий расположенные навалом детали 21 и размещающий собранные изделия упорядоченно в тару 11. Загрузка и разгрузка сборочной позиции 3 рабочего ротора 14 автомата (рис. 1.2, г) осуществляется с помощью транспортных роторов 13. Собранные изделия обычно размещаются навалом в таре 11.
Автоматическое сборочное оборудование, выполненное по рис. 1.2, схемы а - г, характеризуются весьма малой гибкостью. Переналадка возможна в узких пределах одной размерной группы изделий. Кроме того, размещение собранных изделий навалом в таре существенно затрудняет
27
образование на его основе АЛ и приводит к необходимости иметь специальные разгрузочные механизмы и дополнительные загрузочно-ориентирующие устройства.
Существенное увеличение гибкости сборочного автоматического оборудования обеспечивают робототехнические сборочные комплексы, представляющие собой совокупность основного сборочного оборудования и сборочных Г1Р, способных быстро перестраиваться на сборку новых видов продукции.
На рис. 1.2, д, е представлены сборочные РТК, работающие в условиях соответственно упорядоченной с помощью БЗОУ 8 среды и неупорядоченной, характеризующейся расположением собираемых объектов навалом в таре 21. В первом случае (рис. 1.2, <)) сборочный ПР снабжен захватно-удерживающим устройством 16, которое может быть сменным и храниться в специальных магазинах в зоне обслуживания ПР. Комплектация изделия осуществляется ПР 15 на сборочное приспособление 3, после чего рабочий орган 5 осуществляет фиксацию полученного соединения. После сборки изделия упорядоченно размещаются в таре 11.
Преимущества сборочных РТК по рис. 1.2, е заключаются в уменьшении числа загрузочно-ориентируюхцих устройств (например, БЗОУ), что уменьшает энергозатраты и металлоемкость и увеличивает гибкость сборочного комплекса. Следует отметить, что ПР 15, используемый в составе РТК, должен быть адаптивным, с возможностью поштучного отделения сборочных деталей, а затем их пространственного и относительного ориентирования.
Объединение автоматов и сборочных РТК единой транспортной и общей системой управления с целью обеспечения заданной
28
последовательности сборочных операций без участия человека, приводит к образованию сборочных АЛ.
На рис. 1.2, ж изображена структура сборочной АЛ на базе сборочных автоматов 18, связанных между собой транспортной системой 9 периодического или непрерывного движения. Переналадка таких линий весьма затруднительна по причине трудоемкости переналадки самих сборочных автоматов.
На рис. 1.2, з представлена структурная схема сборочной РЛ, представляющая собой комплекс двух и более роторных автоматов 14, установленных на общей станине в технологической последовательности и объединенных системами транспортирования, привода и управления. На входе сборочной РЛ размещено БЗОУ 8, а на выходе - тара 11 для принятия собранных изделий навалом. Возможна установка на входе и выходе транспортного ПР, что позволит осуществлять упорядоченную укладку изделий в тару. Жесткость передачи объектов сборки, сохранение ориентации и сравнительная простота синхронизации производительности на отдельных операциях сборки позволяют создавать компактные конструкции высокопроизводительных сборочных РЛ. Однако их переналадка требует больших временных и материальных затрат. Другой недостаток РЛ -относительно высокая металлоемкость и энергозатраты из-за необходимости иметь общую жесткую станину и мощный общий привод. Наиболее рационально сборочные РЛ применять на операциях сборки мелких изделий, например, на операциях монтажа, запрессовки, упаковки и т. п.
На рис. 1.2, и представлена сборочная АЛ, построенная на основе единой транспортной системы шагового перемещения 9 и включающая сборочные ПР 15 и транспортные ПР 22. Сборочные приспособления 3 могут выполняться в виде паллет или кассет. Захват объектов сборки
29
осуществляется как из навала, так и с помощью БЗОУ 8, где детали предварительно ориентируются. Для сложных и точных сборочных операций возможно встраивание в сборочную АЛ ручных сборочных позиций.
Более высокой гибкостью обладает сборочная АЛ, структура которой приведена на рис. 1.2, к. Эта АЛ характеризуется отсутствием специальных транспортирующих устройств, функции которых выполняют двурукие сборочные ПР 15. Кроме этого, Г1Р выполняют функции захвата деталей из навала и ориентирование объектов сборки, контроля и комплектации, для чего предусмотрены захватно-комплсктующис устройства 19. Наличие двух рук расширяет функциональные возможности ГГР. Передача подсобранных узлов осуществляется через промежуточную позицию 20, где возможно и их промежуточное накопление. Такие линии, снабженные магазинами для сменных захватывающих устройств и унифицированными технологическими устройствами, позволяют осуществлять переход на выпуск новой продукции с минимальными временными и материальными затратами. Существенное преимущество данного типа сборочных АЛ перед остальными - высокая гибкость, низкая металлоемкость и малые энергозатраты.
При сборке неразъемных соединений деталей с натягом механическая запрессовка осуществляется с помощью прессового оборудования. Прессы выбирают исходя из расчетной силы запрессовки, габаритов собираемых изделий и экономичности. Наибольшее применение при сборке изделий небольших размеров получили пневматические прессы прямого или рычажного действия. При большой силе запрессовки применяют одностоечные гидравлические прессы, как правило, вертикального исполнения [74, 75, 180, 189].
На рис. 1.3 показаны примеры компоновочных схем сборочных РТК, включающие технологическое оборудование для выполнения операций
30
запрессовки, клепки, вальцевания и т. п. и соответствующие им траектории перемещения деталей в рабочем пространстве манипуляторов ПР.
Рис. 1.3. Примеры компоновочных схем сборочных РТК с технологическим оборудованием и траектории перемещения деталей в зоне обслуживания ПР
31
Они включают базирующее приспособление (БП) 1, пресс 2, приемное (разгрузочное) устройство З, ПР 4 и накопитель деталей 5. Рассмотрим отличительные особенности вышеприведенных структур сборочных РТК. Во всех схемах на траекториях перемещения ИУ исходное состояние ПР отмечено точкой О; ось руки при этом совпадает с осью БП (для одноруких ПР), рука втянута, колонна поднята вверх.
На рис. 1.3, а рука ГІР 4 из исходного положения осуществляет захват и перенос БП 1 с деталями, расположенного на одной линии с траекторией движения руки и вертикальной осью рабочего пространства, в рабочую позицию пресса 2. После раскрытия захвата осуществляется подъем и втягивание руки в исходное положение. Пресс 2 одновременно с втягиванием руки ПР совершает рабочий ход. Запрессованные детали удаляются автоматически выталкивателем или снимаются вручную. При необходимости собранный узел возвращается для завершения сборки деталей в БП.
В схеме РТК (рис. 1.3, 6) рука ПР 4 из исходного положения опускается и захватывает деталь из БП 1, расположенного под углом к вертикальной плоскости, проходящей через ось рабочей позиции пресса 2. Затем рука поднимается, поворачивается на угол расположения БП 1 и опускает его в рабочую позицию пресса. БП 1 располагается па дуге поворота руки ПР 4. Собранная деталь удаляется автоматически выталкивателем или передается на другую сборочную операцию.
Рука ПР 4 (рис. 1.3, в) из исходного положения выдвигается, опускается и захватывает деталь из БП I. Затем она поднимается, втягивается, поворачивается на угол расположения БІІ к рабочей зоне пресса. Далее рука ГІР выдвигается в рабочую зону и устанавливает БП в рабочую зону пресса. После раскрытия захвата осуществляется подъем и вывод руки ПР из рабочей зоны пресса и перемещение ее в позицию ожидания. После завершения
32
рабочего хода пресса рука ПР из позиции ожидания выдвигается в рабочую зону пресса, опускается к собранной детали, захватывает ее, поднимается с деталью, втягивается с остановкой над тарой или приемным устройством 3 и раскрывает захват. Если приемное устройство не удается разместить перед прессом и ПР, то рука после втягивания поворачивается на угол расположения приемного устройства, выдвигается, опускается в зону разгрузки, раскрывает захват и сбрасывает или укладывает собранную деталь. Затем рука ПР поднимается, втягивается и поворачивается в исходное положение для осуществления очередного цикла. Производительность данного сборочного РТК значительно ниже рассмотренных выше схем в случае применения одной руки Г1Р.
С целью повышения производительности сборочных комплексов устанавливают два 11Р 4 к одному прессу 2 с последовательной их работой (рис.1.3, <)) или применяют двурукие ПР (рис. 1.3, г). При этом загрузочное 1 и приемное 3 устройства находятся по разные стороны пресса. Однорукие ПР располагают также по разные стороны пресса 2; двурукие 11Р - перед фронтом пресса по его оси. Рассмотрим более подробно схему РТК с двуруким ПР (рис. 1.3, г). Рука I ПР 4 из исходного положения (точка О,) выдвигается, опускается и захватывает БП 1, расположенное под углом к вертикальной плоскости, проходящей через ось пресса. Рука II ПР 4, расположенная вдоль оси пресса 2, из исходного положения (точка 02) выдвигается, опускается, и захватывает собранную летать вместе с приспособлением. Затем обе руки одновременно поднимаются и втягиваются в целях вывода из рабочей зоны пресса, осуществляют поворот на угол расположения загрузочно-разгрузочных устройств. После этого рука I выдвигается и опускается в рабочую зону пресса, а рука И - в зону разгрузки.
33
Осуществляется разжим захвата, далее подъем обеих рук, втягивание и поворот на заданный угол.
Для двух одноруких ПР (рис. 1.3, д), расположенных с двух сторон пресса 2, рука первого ПР захватывает БП 1, а рука второго ПР - собранную деталь из пресса. Затем руки обоих ПР поднимаются, поворачиваются на угол 90 градусов: рука первого ПР опускается в рабочую зону пресса и устанавливает БП в рабочую зону пресса, рука второго ПР сбрасывает или укладывает собранную деталь, в приемное устройство 3. Далее осуществляется подъем и поворот рук обоих ПР в исходное положение.
Аналогичным образом строятся компоновки сборочных РТК, включающих две и более единицы технологического оборудования, например, пресс и печь для нагрева деталей при запрессовке с термическим воздействием (рис. 1.3, е). Однако в этом случае предварительная сборка деталей осуществляется в БП 1, причем один ПР 4 берет из накопителя 5 базовую деталь, а второй ПР 4 - присоединяемую деталь. Затем происходит подъем, поворот рук обоих ПР на угол 90 градусов и установка деталей в базовое приспособление 1. Следующим этапом является передача БП с деталями в рабочую зону пресса 2, где выполняется технологическая операция и затем осуществляется возврат БП из рабочей зоны пресса на исходную позицию. Далее БП передается на 2-ую сборочную операцию в ТО 2', после чего собранный узел возвращается в исходную позицию.
Характерной особенностью манипуляторов 1ІР для сборки, отличающей их от ПР, применяемых в других технологических процессах, является выполнение ими трех видов функций:
• подача и манипулирование деталями;
• определение относительного расположения деталей;
• выполнение собственно сборочных операций.
34
В качестве другой особенности ПР для сборки следует отметить необходимость приложения силы или вращающего момента для осуществления сборочной операции. С этой точки зрения сборочные операции можно классифицировать следующим образом:
1. Не требуется силы для проведения сборочной операции (сварка, окраска и т. п.).
2. Требуется только давление (тугая посадка, заклепочные соединения).
3. Требуется давление при сохранении ориентации деталей (установка штифтов, тугая посадка валов).
4. Требуется вращающий момент (закручивание винтов, болтов, гаек).
5. Операционное усилие невелико, но операция сложная (установка пружин, стопорных колец и т. п.).
При выполнении сборочных операций существуют несколько подходов к организации процесса сборки с помощью ПР:
1. Использование дополнительного технологического оборудования (например, прессов для сборки соединений с натягом, вальцевания, клепки, печей для нагрева охватывающих деталей, холодильников для охлаждения охватываемых деталей и т. д.).
2. Использование нескольких узкоспециализированных Г1Р (дифференцированная сборка).
3. Разделение ПР на транспортно - загрузочные и сборочные (стационарно-дифференцированная сборка).
4. Использование центрального адаптивного ПР (стационарная сборка).
Достоинством дифференцированной сборки, когда сборочная операция расчленяется на элементарные операции, каждая из которых выполняется
35
отдельным узкоспециализированным манипулятором, является упрощенная кинематика и дешевизна последних, отсутствие средств адаптации ПР, а также простота загрузочно-ориентирующего оборудования для подачи деталей (рис. 1.2, <)). Данный вид сборки широко применяется в массовом производстве, характеризующемся стабильностью последовательности операций, например, в дизельном моторостроении при автоматизированной сборке узлов топливных насосов, гидроаппаратуры и т. п. В существенном повышении быстродействия узкоспециализированных манипуляторов заключается серьезная проблема.
Стационарная сборка (рис. 1.2, с) предполагает использование центрального ИР, обладающего системой адаптивного управления и обеспечивающего необходимую гибкость. Вокруг сборочного ПР создается необходимый запас деталей, причем ПР может с помощью системы технического зрения идентифицировать, извлекать детали и осуществлять сборку на одном рабочем месте, используя стационарные сборочные приспособления и оснастку [156, 202].
Примером стационарной сборки является процесс сборки колодки тормоза трактора К-701, осуществляемая ПР «Ка\уа5акл-ишта1е-5030», имеющим семь степеней подвижности. Тормозная колодка состоит из корпуса и двух накладок, которые крепятся к корпусу 12 винтами и гайками. Автоматизированный процесс сборки состоит из следующих переходов: ПР последовательно раскладывает 12 гаек в специальные гнезда приспособления, затем помещает в приспособление корпус коробки, на который устанавливает накладки, далее вставляет 12 винтов, после чего затягивает при помощи гайковерта резьбовые соединения и вынимает собранную колодку из приспособления [188]. Таким образом, стационарная сборка в машиностроении легко реализуема при малом числе деталей в
36
собираемом узле. В противном случае она требует использования сложного и дорогостоящего робототсхнического оборудования: ИР с большим числом степеней подвижности, сложной кинематикой и адаптивным управлением, сложных захватов, специализированной оснастки.
При стационарной дифференцированной сборке к ИР предъявляются менее жесткие требования (рис. 1.2, и, к) , так как при сборке используется несколько ПР, каждый из которых ориентирован на выполнение ряда сборочных операций. Примером такой формы организации сборочного процесса является автоматизированный участок сборки двухвальной коробки передач на моторостроительной фирме в г. Тяикиба (Япония) [234].
В отечественном машиностроении наибольшее применение получила дифференцированная сборка, при которой узкоспециализированные сборочные и транспортно-загрузочные манипуляторы Г1Р включаются в технологические процессы для выполнения как простейших сборочных операций, так и операций, связанных с тяжелым физическим трудом.
1.1.1. Классификация и структура транспортно-загрузочного оборудования автоматизированного сборочного производства
Из анализа компоновочных схем сборочного автоматизированного оборудования (рис. 1.2 - 1.3) следует, что основные технологические сборочные операции требуют вспомогательных переходов, а именно:
• загрузку - перевод предмета сборки из хаотического положения в пространстве в требуемое;
• питание - доставку предмета сборки в требуемом положении на рабочую позицию;
37
• фиксацию - наложение на предмет сборки удерживающих связей в соответствии с требованиями технологического сборочного процесса (закрепление базовой детали в сборочном приспособлении, фиксация собранного узла и т. п.);
• расфиксацию - снятие удерживающих связей с предмета сборки, наложенных до технологического процесса;
• удаление предмета сборки с рабочей позиции и укладка в транспортную тару.
Каждый из вышеперечисленных вспомогательных переходов может выполняться вручную или с использованием механизмов и машин, которые образуют группу транспортно-загрузочного оборудования (130). Согласно классификации ТЗО автоматизированного сборочного производства, изображенной на рис. 1.4, можно выделить 4 основные группы:
1. Загрузочные устройства.
2. Устройства относительного ориентирования.
3. Транспортные устройства.
4. Захватывающие устройства (ЗУ).
Загрузочные устройства предназначены для подачи ориентированных деталей непосредственно в зону выполнения технологической сборочной операции. К ним относятся: манипуляторы и питатели. В зависимости от характера движения рабочих органов питатели подразделяют на: шиберные, револьверные, грейферные, комбинированные, магазинные, кассетные. По виду привода: на механические, пневматические, электромеханические и комбинированные.
По виду движения рабочего органа питатели различают: с возвратно-поступательным движением подающего звена; с возвратно - вращательным движением; вращательным и сложным перемещением рабочего органа. При
- Київ+380960830922