1.9. Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследований по определению областей значений геометрических, кинематических и силовых параметров технологического процесса сборки, гарантирующих собираемость деталей типа «вал-втулка» в автоматизированном режиме.

2. Методические рекомендации по выбору геометрических, кинематических и силовых параметров технологического процесса автоматизированной сборки деталей типа «вал-втулка.

3. Методика и программа расчета погрешностей базирования сопрягаемых деталей для типовых схем их относительной ориентации.

4. Результаты разработки требований, предъявляемых к конструкциям сопрягаемых деталей, а также погрешностям взаимного расположения деталей на основе предложенных интегральных оценок.

1.10. Публикации

По материалам работы опубликовано 18 научных работ, в том числе 4 в опубликованных тезисах и докладах Международных конференций и 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Раздел справочника для ВУЗов - Технология и оснащение сборочного производства машиноприборостроения: Справочник – М.: Машиностроение, 1995. – 608 с.

1.11. Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, _5_ глав, заключения, списка литературы и приложения. Она содержит ____162_____страницы машинописного текста, включая __35__ рисунков, __96__ формул, _134_ наименований цитируемой литературы и приложения на 9 страницах.

2. Содержание работы

Во введении показана актуальность выбранной темы исследований, определены цели и задачи исследований, сформулирована научная новизна, практическая значимость полученных результатов и научные положения, выносимые на защиту.

Представлены сведения об апробации и реализации результатов работы, а также основные положения и результаты, выносимые на защиту.

Первая глава диссертационной работы посвящена анализу состояния технологии и автоматизации сборки в настоящий момент.

Основным вопросом автоматизированной сборки является обеспечение собираемости деталей, то есть определение условий, при которых погрешности относительного расположения сопрягаемых поверхностей деталей не превышают своих допустимых значений. В результате этого обеспечивается такое совмещение пространственного относительного положения собираемых деталей, при котором происходит их соединение без нарушения заданного качества поверхностей.

Относительные смещения и перекосы осей сопрягаемых поверхностей деталей на позициях сборки могут приводить к возникновению больших усилий на поверхностях сопряжения, что нередко вызывает повреждение посадочных поверхностей из-за того, что сборочные усилия воспринимаются на небольших площадках контакта. Такие повреждения происходят в тех случаях, когда возникающие контакты давления на поверхностях сопряжения превышают свои допустимые значения. Поэтому важной задачей является определение областей значений параметров процесса сборки, при которых не вызываются недопустимые пластические деформации сопрягаемых поверхностей и стыков технологической системы. Для решения этой задачи необходима разработка математических моделей и интегральных оценок параметров автоматизированного сборочного процесса.

Структура и содержание автоматизированного технологического процесса сборки зависят от конструкции собираемого изделия, предъявляемых к нему технических требований, массы, размеров, геометрической формы и количества собираемых компонентов, программы и длительности выпуска изделий и др.

Несмотря на существующее многообразие операций автоматизированной сборки, в их структуре можно выделить повторяющиеся этапы и элементы, осуществляемые в процессе сборки. В общем виде технологический процесс автоматизированной сборки состоит из следующих этапов и элементов: 1 – автоматизированная загрузка деталей в сборочное оборудование (ориентирование положения в пространстве, перемещение от загрузочных устройств на позиции сборки, базирование на сборочных позициях); 2 – автоматизированное относительное ориентирование собираемых деталей на позиции сборки с точностью, обеспечивающей их собираемость; 3 –сопряжение собираемых деталей; 4 –закрепление собираемых деталей; 5 –контроль качества сборки; 6 –съем собранного изделия (узла).

Выбор наиболее эффективных способов сборки конкретного изделия зависит от правильности учета влияния комплекса взаимосвязанных производственных, технологических, метрологических и организационных факторов, которые обеспечивают сборку необходимого количества и качества изделий с минимальными затратами труда и издержками производства.

В связи с этим необходима разработка требований, предъявляемых к параметрам автоматизированных сборочных процессов и методических рекомендации по обеспечению условий собираемости деталей в автоматизированном режиме.

Во второй главе диссертационной работы определены геометрические условия собираемости деталей на основе комплексного анализа влияющих параметров.

Одним из необходимых условий обеспечения автоматизированной сборки деталей является выполнение геометрического условия собираемости

- (1)

где и Е– соответственно суммарное действительное и допустимое значения относительного смещения осей сопрягаемых поверхностей собираемых деталей в плоскости, перпендикулярной их оси сопряжения (сборки). Под допустимым смещением осей понимается предельное значение смещения, при котором возможно соединение деталей в автоматизированном режиме.

Во время выполнения соединения деталей происходит непрерывное изменение их относительного положения, а также жесткостных, силовых и динамических параметров процесса сборки, что приводит к изменению значений величины относительного смещения осей. Поэтому для обеспечения собираемости деталей необходимо, чтобы условие (1) было выполнено на всех этапах соединения деталей с учетом влияния динамики процесса сборки.

При использовании исполнительных сборочных механизмов, предназначенных для автоматизированной сборки цилиндрических соединений с зазором, к параметрам, оказывающим влияние на значение допустимого и действительного относительного смещения осей Е, относятся (рис.1):

- диаметральный минимальный зазор в соединении собираемых деталей;

- форма и отклонение размеров направляющих элементов базовой и присоединяемой деталей;

- диаметр сопряжения D_0;

- длина присоединяемой детали Н;

- наличие и размеры фаски базовой и присоединяемой деталей – а и а^* соответственно;

- расстояние l_t между началом сопрягаемой поверхности базовой детали и торцем ориентирующей поверхности базирующего устройства присоединяемой детали;

- механические свойства материала базовой и присоединяемой деталей;

- угол перекоса осей ориентирующих поверхностей базирующих устройств базовой и присоединяемой деталей;

- угол наклона оси сопряжения (сборки) к горизонтальной плоскости;

- жесткость технологических систем: присоединяемая деталь – базирующее устройства – оборудование (J_п) и базовая деталь – базирующее устройство – оборудование (J_б);

- сила сборки Р_сб ;

- скорость сборки V_сб;

- силы закрепления базовой Р_з и присоединяемой Р_з^* деталей к ориентирующим поверхностям базирующих устройств.

Схема сборки вала и втулки с обозначением основных параметров процесса сборки представлена на рис. 1.

Рисунок 1 - Схема сборки вала и втулки.

Собираемость деталей зависит от величины относительного смещения осей вала и втулки. В связи с этим, суммарное относительное смещение , обусловленное влиянием многих параметров, является их интегральной оценкой.

Для упрощения расчета суммарного относительного смещения целесообразно одну из координатных осей совмещать с направлением, совпадающим с направлением большинства составляющих или превалирующих по величине погрешностей. Если все составляющие суммарного смещения проектируются без искажения на одну координатную ось в плоскости, перпендикулярной оси сопряжения, то при методе сборки с полной взаимозаменяемостью предельное суммарное смещение , можно определить по формуле:

=| |+| |+| |+| |+| | , (2)

где | | - предел погрешности, вызываемой геометрическими неточностями сборочного автомата; | | и | | - пределы погрешностей установки соответственно базовой и присоединяемой деталей на сборочной позиции, зависящие, главным образом, от погрешности базирования деталей; | | - предел погрешности, обусловливаемой износом; | | - предел погрешности, вызываемой тепловыми воздействиями.

Анализ технологических процессов сборки, различных по конструкции собираемых деталей, позволили выявить этапы сборочного процесса и параметры, влияющие на собираемость деталей, а также установить, что условия собираемости деталей после подачи и установки их на сборочных позициях автоматов зависят от конструкций и параметров собираемых деталей, средств автоматической сборки, пространственного относительного положения осей сопрягаемых поверхностей деталей на позициях сборки и режимов сборочного процесса.

Установлено, что процесс соединения деталей после подачи их и установки на сборочной позиции и до окончания выполнения соединения целесообразно для многих видов соединений (цилиндрических, конических, плоских и др.) разбить условно на три характерных этапа (рис.2).

Первый этап характеризуется перемещением присоединяемых деталей толкателем или захватным органом и возможным образованием дополнительных инерционных погрешностей относительной ориентации собираемых деталей, связанных с перемещением присоединяемой детали до момента контактирования его с базовым компонентом.

Второй этап характеризуется процессом соединения (относительного скольжения) собираемых деталей по поверхностям их направляющих элементов и относительно быстрой компенсацией относительного смещения осей Δ_∑ сопрягаемых поверхностей компонентов до допустимых переделов.

Третий этап характеризуется процессом непосредственного соединения (относительного скольжения) собираемых деталей по сопрягаемым поверхностям и дальнейшей компенсацией Δ_∑ до допустимых пределов.

Рисунок 2.- Этапы процесса автоматического соединения деталей:

1 – базовая деталь (вал); 2 – присоединяемая деталь (втулка); 3 – толкатель; 4 – базирующая призма

Поэтапная разбивка технологического процесса автоматического соединения деталей условно на этапы позволяет дифференцированно рассматривать влияние отдельных факторов на собираемость деталей.

Наряду с определением влияния взаимного положения деталей на их собираемость в автоматизированном режиме, также необходимо учитывать кинематические и силовые параметры процесса сборки, которые во многих случаях могут оказывать существенное влияние на допустимое значение относительного смещения осей сопрягаемых поверхностей в процессе соединения деталей.

В связи с этим в качестве дополнительных интегральных оценок параметров автоматизированного технологического процесса, выбрана максимальная скорость перемещения присоединяемой детали относительно базовой, а также сила закрепления.

Третья глава диссертационной работы посвящена определению погрешностей базирования деталей для типовых схем их относительной ориентации и разработке рекомендаций по выбору устройств базирования.

В формуле (2) основное влияние на суммарное смещение чаще всего оказывает погрешность установки базовой и присоединяемой деталей.

При выборе технологических баз для установки собираемых деталей следует использовать принцип совмещения баз (технологических, измерительных и конструкторских) с целью уменьшения погрешностей их установки в приспособлениях.

Погрешность установки собираемых деталей в приспособлениях включает погрешность базирования и погрешность закрепления .

Погрешность базирования представляет собой разность предельных расстояний от измерительной базы базовой детали до поверхности присоединяемой детали, положение которой задано выполняемым при сборке размером.

Выбор способа базирования основан на учете технологии и специфики построения сборочного процесса: конструкции, массы, габаритов и точностных параметров собираемых деталей; конструкции и точности сборочного оборудования; необходимого усилия зажима собираемых компонентов: вида и точности соединения и других факторов.

Рисунок 3.- Характерные схемы относительной ориентации автоматически собираемых цилиндрических деталей: 1 – базовая деталь (вал); 2 – присоединяемая деталь (втулка); 3, 7 – подпружиненные прижимы; 4 – толкатель; 5 – упор; 6, 8 – базирующие и установочные призмы; 9 – подвижный центр; 10 – неподвижный центр; 11 – ловитель; 12 – пружина; 13 – трубчатый ловитель.

Выбор устройств базирования осуществляется с учетом погрешностей базирования собираемых деталей на позициях сборки и обеспечения выполнения условий собираемости деталей. Для определения погрешностей базирования собираемых деталей в работе рассмотрены девять характерных схем относительной ориентации, автоматически собираемых цилиндрических деталей (рис. 3), в которых базирование вала при использовании схем I, IV и VII происходит по наружной поверхности в призме, при схемах II, V и VIII – по наружной поверхности в призме и центровому отверстию центром, а при схемах III, VI и IX - по двум центровым отверстиям в центрах. Базирование втулки при схемах I - III осуществляется по наружной поверхности в призме, при схемах IV – VI – на ловителе по поверхности отверстия, при схемах VII – IX – по наружной поверхности в трубчатом ловителе.

Для каждой схемы определены формулы для расчета погрешностей базирования в плоскости, перпендикулярной к оси сопряжения:

(3)

где и - поля допусков на диаметры наружных установочных поверхностей соответственно вала и втулки;

- эксцентриситет осей наружной установочной и сопрягаемой поверхности вала;

- эксцентриситет осей центровых отверстий и сопрягаемой поверхности вала;

- эксцентриситет осей отверстия и наружной установочной поверхности втулки;

- максимальный диаметральный зазор в соединении втулка-ловитель;

H- длина втулки;

L- расстояние от торца вала, находящегося в зоне сборки, до ближайшего торца его призмы;

- максимальный диаметральный зазор в соединении: наружная поверхность втулки – трубчатый ловитель;

- угол базирующих призм.

Расчет погрешностей базирования различных по конструкции собираемых деталей для других схем их относительной ориентации также основан на выявлении и учете всех составляющих погрешности базирования.

Относительная ориентация собираемых деталей перед началом и в процессе их непосредственного соединения выполняется в случаях, когда относительное смещение осей сопрягаемых поверхностей превышает допустимое значение.

На основе проведенных исследований разработаны конструкции базирующих устройств, которые могут быть использованы при разработке технологических процессов и средств автоматизированной сборки.

Разработаны алгоритм (рис. 4) и программа определения погрешностей базирования собираемых деталей на сборочной позиции.

Рисунок 4.- Алгоритм определения погрешности базирования для различных схем относительной ориентации собираемых деталей

Четвертая глава диссертационной работы посвящена математическому моделированию кинематики автоматизированных сборочных процессов деталей типа «вал-втулка», а также исследованию влияния сборочных усилий и жесткости узлов на обеспечение собираемости деталей.



V_y

V_ V_

Y 



A

М

N



B

О

X

x_b

Рисунок 5. -Схема расположения вала и втулки в плоской системе координат

В схеме сборки втулка-вал (рис. 5) принята система базирования, обеспечивающая плоско – параллельное движение втулки и вала (в призмах), когда оси вала и втулки всегда находятся в одной плоскости.

Для этого введем неподвижную систему координат XYZ в точке О – опоре вала.

Подвижная система координат  введена в центре тяжести втулки – в точке А.

Ось  направим по оси втулки, ось  - в плоскости XY, ось  так, чтобы система координат  была правой.

На рис. 5 обозначены:

 - угол отклонения оси вала от горизонтальной оси;

 - угол отклонения оси втулки от оси вала.

Задача кинематического исследования состоит в нахождении координат характерной точки втулки (например, М), скоростей этой точки и получении кинематических условий стыковки и сборки узла вал-втулка, накладываемых на скорости и координаты точек контакта.

Для этого использованы следующие формулы движения:

а) для определения координат характерной точки

(4)

,

где xyz – координаты характерной точки движущегося тела (втулки), например координаты точки М в системе неподвижных координат;

x _аy _аz _а – координаты точки А в системе неподвижных координат;

 – координаты точки А в системе подвижных координат;

a_ij – косинусы углов, образуемых осями.

б) для определения скоростей в неподвижной системе координат

(5)

где V_i – проекции скоростей характерной точки движущегося тела на оси неподвижной системы координат;

X_А, y_А, z_А – координаты центра тяжести движущегося тела – точки А в системе координат xyz;

_I – угловые скорости вращения относительно соответствующих осей;

б) для определения скоростей в подвижной системе координат

(6)

где V_i – проекции скоростей характерной точки движущегося тела на оси подвижной системы координат.

Система уравнений (4-6) дополняется, приведенной в работе, системой уравнений сил, возникающих при взаимодействии собираемых деталей друг с другом и с элементами оснастки.

Полученная полная система дифференциальных уравнений является замкнутой, т. е. достаточной для решения задачи Коши, в результате решения этой системы можно определить области значений параметров, при которых произойдет гарантированная сборка.

В пятой главе диссертационной работы представлены методика и результаты экспериментальных исследований по определению зависимости допустимого смещения осей собираемых деталей от значений параметров автоматизированного сборочного процесса.

Экспериментальное исследование процессов автоматической сборки проводилось на специальной переналаживаемой установке, имитирующей сборочный исполнительный механизм.

Установка была оснащена тензометрической аппаратурой, устройствами и приборами для измерения параметров относительной ориентации собираемых деталей, сборочных усилий и скорости сборки.

Конструкция установки позволяет легко производить переналадку и настройку, связанную с исследованием сборочных процессов. Общий вид установки показан на рис. 6.

Рисунок 6 - Общий вид экспериментальной установки

График влияния расстояния l_t между началом цилиндрической поверхности вала и торцом ориентирующего устройства, размера фаски втулки а на допустимое смещение осей Е показан на рис. 7.

Эксперименты проводились с валами, имеющими фаски 1*45^о и втулками без фаски и с фасками в отверстиях 1*45^о и 2*45^о на сборочном механизме без ловителя

При проведении исследований задавались следующие значения параметров сборочного процесса:

_с=0,1 мм,

размеры втулки диаметр - D_c=12 и 20 мм, длина Н=32 мм,

угол перекоса =0, 10, 30,50, 70, 90^о, Р_з=50Н, Р_сб=50 Н, V_сб=0,9 м/с,

расстояние l_t принималось равным 2, 5, 15, 25, и 30,2 мм.

График зависимости допустимого смещения Е от расстояния l_t показан на рис. 7.

Рисунок 7. - График зависимости допустимого смещения от расстояния l_t и размера фаски втулки:

1. а=0; 2) а=1мм; 3) а=2 мм; 4) а=1 мм (Р_з=50 Н); 5) а=2 мм (Р_з=50 Н).

Из полученных графиков следует:

1. При высокой жесткости систем J_п, J_б и использовании механизма без компенсатора размер фаски втулки не оказывает существенного влияния на величину допустимого смещения Е. Незначительный рост величины Е с увеличением размера фаски втулки вызывается только за счет уменьшения глубины сборки h=H-l_t, что приводит к увеличению угла . При расстоянии l_t=30,2 значение Е увеличивается пропорционально размеру фаски втулки.

2. При использовании механизма без компенсатора с пневмозажимом вала, а также механизма с упругим компенсатором величина допустимого смещения Е увеличивается пропорционально размеру фаски при всех условиях протекания процесса. Незначительное снижение величины Е при l_t =2 и 5 мм обусловлено ограничением динамической составляющей сборочного усилия Р_сб.

На Рис 8 и 9 показаны графики влияния на условия собираемости: диаметрального зазора _с в соединении вал-втулка и размеров фасок вала и втулки.

Рисунок 8. - График зависимости допустимого смещения от диаметрального зазора _с и размера фаски втулки без закрепления при а^*=1 мм, Н=32 мм:

1,2) а= 0-4 мм, l_t=15 мм; 3) а=0; 4) а=1 мм.

Полученные графики показывают:

1. При уменьшении жесткости систем J_п, J_б до значения 25-50 * 10⁴Н/м значение допустимого смещения Е возрастает.

2. Значение допустимого смещения Е возрастает пропорционально увеличению размера фаски втулки при всех условиях протекания процесса

3. С увеличением зазора _с допустимое смещение возрастает.

Рисунок 9. - График зависимости допустимого смещения от диаметрального зазора _с и размера фаски втулки и вала без закрепления при l_t=30,2, Н=30 мм:

1) а=а*=0; 2) а*=0, а=1 мм; 3) а=а*= 1 мм;4) а*=1 мм, а=2 мм; 5) а=а*= 2 мм; 6) а*=1 мм, а=4 мм

По результатам исследований была подтверждена адекватность предложенных расчетных формул реальным значениям параметров сборочного процесса.

Для ограничения погрешности _п., связанной с перемещением присоединяемой детали до минимума, необходимо в сборочных механизмах обеспечивать поджим присоединяемой детали к установочным поверхностям призмы с силой не менее 30 Н.

Для исключения ударных нагрузок, приводящим к пластическим деформациям сопрягаемых поверхностей и стыков технологической системы, рекомендуется принимать скорость досылателя V_сб не более 0,9 м/с. При необходимости дальнейшее увеличение скорости целесообразно проводить за счет уменьшения жесткости технологической системы и расстояния l_т.

Результаты экспериментальных исследований показали, что при высокой жесткости технологической системы с уменьшением длины цилиндрического отверстия Н и увеличения расстояния l_т и зазора _л величина допустимого смещения возрастает.

С увеличением зазора в соединении  величина допустимого смещения возрастает при всех условиях протекания процесса.

Величина допустимого смещения возрастает пропорционально размерам фасок собираемых деталей, размер фасок вала и втулки не оказывают существенного влияния на условия собираемости при высокой жесткости систем J_п, J_б; при сборке деталей без фасок величина допустимого смещения _г незначительна.

Важным фактором, влияющим на величину допустимого смещения оказывает угол перекоса .

В заключении обобщены результаты исследований автора.