Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Державний університет “Львівська політехніка”
ЮРЧИШИН ІГОР ІВАНОВИЧ
УДК 621.757.002.5-658.512.2
ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ПРОЦЕСУ СКЛАДАННЯ
З`ЄДНАНЬ ДЕТАЛЕЙ З ЦИЛІНДРИЧНИМИ ПОВЕРХНЯМИ
В УМОВАХ ГНУЧКОГО ВИРОБНИЦТВА
05.02.08 - технологія машинобудування
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Львів - 2000
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Державному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України
|
Науковий керівник: |
доктор технічних наук, доцент Гуліда Едуард Миколайович, професор кафедри “Технологія машинобудування”, Державний університет “Львівська політехніка”, м. Львів |
|
Офіційні опоненти: |
доктор технічних наук, професор Захаров Микола Володимирович, завідувач кафедри “Експлуатація та ремонт машин”, Сумський Державний аграрний університет, м. Суми; |
|
доктор технічних наук, професор Мазуренко Юлій Петрович, професор кафедри “Інженерна механіка”, Українська академія друкарства, м. Львів |
|
|
Провідна установа: |
Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, м. Київ, кафедра “Технологія машинобудування” |
Захист відбудеться 21 червня 2000р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.06 при Державному університеті “Львівська політехніка” за адресою: 79013, Львів-13, вул. С.Бандери, 12, ауд.226 гол. корп.
З дисертацією можна ознайомитись в науково-технічній бібліотеці Державного університету “Львівська політехніка” за адресою: 79013, Львів-13, вул. Професорська, 1
Автореферат розісланий 20 травня 2000 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради ______________ Форнальчик Є.Ю.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Промислові роботи (ПР) є ефективним засобом комплексної автоматизації технологічних процесів складання, який вирізняється високою адаптивністю до умов гнучкого виробництва. Швидке переналагодження ПР забезпечує максимальний ефект в умовах багатономенклатурного виробництва та при автоматизації ручної низькокваліфікованої праці.
За останні роки для зниження собівартості та скорочення термінів проектування, виготовлення та впровадження складальних ПР, підвищення їх ремонтопридатності та полегшення комплектування багато вітчизняних і закордонних фірм почали використовувати модульну структуру окремих моделей роботів. Це дало можливість на базі обмеженої групи нормалізованих вузлів створювати спеціалізовану конструкцію ПР, яка найповніше задовольняє вимоги розв’язання конкретної технологічної задачі. Перевагами такого підходу є можливість використання модульних складальних роботів (МСР), які є дешевшими порівняно з універсальними, скорочення часу розроблення та проектування, підвищення надійності та точності, здешевлення виробництва за рахунок зменшення номенклатури деталей і вузлів і збільшення об`ємів випуску.
Питаннями проектування модульних компоновок складального устаткування (включно з промисловими роботами) приділена значна увага в працях О.І. Авер`янова, П.Н. Бєляніна, Є.І. Воробйова, О.Й. Дащенка, Ю.М. Золотаревського, Ю.Г. Козирєва, В.І. Костюка, І.І. Ламіна, М.С. Лєбєдовського, К.В. Фролова, Є.І. Юревича та багатьох інших. Результати досліджень та рекомендації цих авторів дозволили вирішити багато питань, які пов`язані із забезпеченням необхідної точності, надійності, ефективності устаткування модульного типу, а також з впровадженням за його допомогою у виробництво нової прогресивної технології складання.
Одним з перспективних напрямів підвищення ефективності гнучкого устаткування є забезпечення мінімальної собівартості виготовлення модулів, компонування і вивірювання робота та загальне зниження собівартості складеного з`єднання в цілому за рахунок обґрунтованого вибору оптимальних конструктивно-технологічних параметрів складових модулів робота. Нерідко на технологічних операціях використовуються роботи із завищеною точністю позиціювання, тобто спостерігається необгрунтоване підвищення собівартості складання. Тому дослідження, пов’язані з вирішенням питань забезпечення заданої точності позиціювання МСР та пов`язаного з цим оптимального вибору конструктивно-технологічних параметрів їх складових модулів, є доцільними, актуальними і перспективними з точки зору підвищення ефективності їх функціонування.
Мета і задачі досліджень. Мета роботи - підвищення ефективності модульного складання з`єднань деталей з циліндричними поверхнями в умовах гнучкого автоматизованого виробництва шляхом оптимізації компоновок модульних складальних промислових роботів, які би забезпечили задану точність позиціювання за мінімальних витрат на їх проектування та виготовлення.
Для досягнення мети в роботі були поставлені такі задачі:
1. Дослідити вплив компоновочного рішення модульного складального робота на сумарну точність позиціювання.
2. Дослідити вплив кінематичних похибок відпрацьовування приводами програмних рухів, технологічних похибок виготовлення деталей робота та їх складання і статичних похибок, зумовлених податливістю елементів робота, на точність позиціювання.
3. Розробити методику визначення сумарної похибки позиціювання робочого органу робота як ланки просторового розімкненого багатоланкового механізму маніпуляційних систем на основі елементарних похибок.
4. Провести експериментальну перевірку основних результатів теоретичних досліджень.
5. Розробити алгоритм синтезу модульного складального робота на базі стандартних модулів з оптимальною похибкою позиціювання відносно допустимої похибки позиціювання для складання деталей з циліндричними поверхнями спряження.
6. Розробити методику проектування оптимальної компоновки, параметрів приводу та перерізів ланок модульного складального робота для забезпечення необхідної точності його позиціювання.
Наукова новизна одержаних результатів.
1. Вперше теоретично досліджено та експериментально підтверджено вплив кінематичних похибок відпрацьовування приводами програмних рухів, технологічних похибок виготовлення деталей робота та їх складання і статичних похибок, зумовлених податливістю елементів робота, на точність позиціювання МСР.
2. Вперше отримано універсальні залежності для визначення сумарної точності позиціювання схоплювача МСР, які працюють у різних системах координат.
3. Розроблено оптимізаційну математичну модель визначення конструктивно-технологічних параметрів механічної частини окремих модулів робота, які забезпечують задану точність позиціювання при мінімальній собівартості виготовлення та компонування робота в цілому.
4. На підставі аналізу та синтезу МСР вперше розроблено універсальну методику технологічного проектування роботів в умовах гнучкого автоматизованого виробництва та забезпечення їх оптимальних конструктивно-технологічних параметрів.
5. Розроблено прикладне програмне забезпечення для встановлення оптимальних конструктивно-технологічних параметрів МСР.
Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що вони дають змогу ще на етапі конструкторсько-технологічної підготовки виробництва синтезувати для розробленого з`єднання деталей такі компоновки МСР, які гарантовано забезпечують задану точність цього з`єднання і його якісні показники за мінімальної собівартості і максимально можливої продуктивності процесу складання, що значно підвищує ефективність функціонування таких роботів. Наведені у роботі математичні та оптимізаційні моделі, методики і програмно реалізовані алгоритми можуть бути впроваджені на підприємствах легкого та середнього машинобудування, непрецизійного приладобудування та інших галузей виробництва, а також в науково-дослідних та проектних організаціях в процесі розроблення і використання технологічних процесів складання з`єднань деталей машин. Такі роботи виконано і впроваджено на Самбірському (Львівська обл.) ремонтно-транспортному підприємстві “Агротехсервіс” з річним економічним ефектом 5120 грн. (у цінах 1996 р.).
Особистий внесок здобувача. Основні результати роботи отримано автором самостійно. У роботі [1] автор узагальнив існуючий досвід застосування агрегатно-модульного устаткування. Динаміка промислового робота транспортного типу розглянута автором у роботі [2]. У роботах [3, 12] досліджено вплив точності окремих елементів модульного складального промислового робота та кінематичної точності відпрацьовування приводами програмних рухів та вплив ваги переміщуваної деталі на загальну точність позиціювання складального робота. Математична модель процесу автоматизованого складання запропонована автором у роботі [11]. Модель вибору оптимального структурно-компоновочного рішення модульного складального робота та її подальший розвиток викладено автором у роботах [4, 6]. У роботі [10] автор запропонував методику системного підходу до розв’язання задачі побудови оптимальних алгоритмів роботизованих складальних операцій. Один з напрямів розроблення імовірнісних методів складання у роботизованому виробництві наведено у роботі [7]. У роботах [8, 9] автор розробив алгоритм проектування модульного складального робота. Варіант структури системи автоматизованого керування точністю процесу складання за допомогою модульного складального робота запропонований автором у роботі [5]. Постановка задач, аналіз та трактування результатів виконано спільно з науковим керівником та, частково, із співавторами публікацій.
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на Міжнародній науково-технічній конференції “Прогрессивная техника и технология машиностроения” (Севастополь, 1995), науково-технічній конференції “Новые компьютерные технологии АСУП и САПР в промышленности” (Алушта, 1995), Міжнародному науково-технічному симпозіумі “Modular technologies and konstructions” (Варшава - Жешув, Республіка Польща, 1996), Міжнародному науково-технічному симпозіумі “Technika i technologia montazu maszyn” (Жешув - Явор, Республіка Польща, 1997), Міжнародній науково-технічній конференції “Мechanika `98” (Жешув, Республіка Польща, 1998), науково-технічній конференції “Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль у машинобудуванні і приладобудуванні” (Львів, 1998).
Публікації за матеріалами дисертації викладені у дев’яти статтях та трьох тезах доповідей і висвітлюють усі основні положення роботи.
Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота викладена на 146 сторінках, складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку літератури з 138 назв, містить 55 рисунків і 11 таблиць, а також 5 додатків на 61 сторінках. Загальний обсяг роботи - 236 сторінок.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність проблеми забезпечення мінімально необхідної точності МСР, які працюють в умовах гнучкого виробництва, та оптимального вибору конструктивно-технологічних параметрів складових модулів для підвищення ефективності їх функціонування, мету та задачі досліджень, окреслено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів. Наведено основну інформацію про апробацію, структуру та обсяг роботи.
У першому розділі “Сучасний стан застосування технологій гнучкого роботизованого складання” проведено огляд літературних джерел стосовно шляхів підвищення ефективності технологічних процесів автоматизованого складання. Показано, що оптимізація точності позиціювання МСР є одним з методів підвищення ефективності їх застосування. Проаналізовано структуру сумарної похибки позиціювання МСР при автоматизованому складанні та методи її визначення. Показано, що більшість елементарних похибок позиціювання детально розглянуто та математично описано, а вплив кінематичних похибок відпрацьовування приводами програмних рухів, технологічних похибок виготовлення деталей робота та їх монтажу і статичних похибок, зумовлених податливістю елементів робота потребують додаткового вивчення й узагальнення. Сформульовано мету та задачі досліджень.
У другому розділі “Дослідження впливу конструкційних та технологічних параметрів МСР на точність позиціювання елементів спряження” розглянуто вплив кінематичних похибок відпрацьовування приводами робота програмних рухів, технологічних похибок виготовлення деталей робота та їх монтажу і статичних похибок, зумовлених податливістю елементів робота на сумарну похибку позиціювання МСР. Вказані задачі розв’язували стосовно до циліндричних з`єднань деталей з безпосереднім контактом по поверхнях спряження з зазором, масою до 5 кг та співвідношенням L / D = 0,8 – 4,2 як найбільш поширених з усіх типів зєднань. Для забезпечення умови складуваності таких з’єднань була прийнята умова неперевищення загального відносного зміщення осей складуваних деталей стосовно допустимого. Допустиме зміщення визначалося як допуск на замикаючу ланку розмірного ланцюга технологічної системи “Робот – Пристрій – Базова деталь – Приєднувана деталь”, яка характеризує її технологічні можливості і визначається геометричними, жорсткісними і динамічними параметрами процесу складання.
При розробленні МСР однією з основних задач є забезпечення такої точності складових модулів, щоб похибка позиціювання, приведена до схоплювача, з одного боку, не перевищувала деякого заданого значення, а з іншого - максимально до неї наближувалася. Для розв’язання цієї задачі на першому етапі встановлено зв`язок між похибками модулів і загальною похибкою МСР. У загальному випадку похибка позиціювання k-того модуля визначається двома векторами лінійної і кутової похибок, а повна лінійна похибка робота - як:
, (1)
де - радіус-вектор, який визначає положення початку системи координат вихідної ланки робота відносно початку системи координат вихідної ланки k-того модуля у номінальному положенні.
Для розрахунку похибки позиціювання використано аналітичний диференційний метод, запропонований академіком Н.Г.Бруєвичем, а також деякі положення методу планів малих переміщень, розробленого проф. В.А.Шишковим. При цьому приймалося допущення, згідно з яким похибки розмірів ланок настільки малі, що напрями ланок ідеального і реального механізмів співпадають. Завдяки цьому враховуються похибки тільки першого порядку малості.
Довжини ланок l визначаються, виходячи із заданого робочого об`єму, який забезпечується МСР: l=f(Vр)(за припущення, що довжини усіх ланок ln рівні між собою), а кількість ланок робота n, згідно з теорією розмірних ланцюгів, - на основі мінімальних допусків на орієнтування складуваних деталей TX, TY (при найбільш розповсюдженій вертикальній схемі складання) і максимальних відхилень довжин ланок ln:
. (2)
Для визначення статичних похибок, які виникають внаслідок податливості ланок МСР досліджено жорсткість механізму МСР, які забезпечують позиціювання у різних системах координат (СК). Для МСР, які працюють у декартовій і циліндричній СК статичні похибки по координатах X, Y та Z, а також сумарний кут повороту руки робота визначаться як:
(3)
де - сила, яка призводить до статичної деформації конструкції робота, Н; - кути повороту руки по координатних осях OX і OY відповідно.
Для МСР, які працюють у сферичній СК статичні похибки і сумарний кут повороту руки робота дорівнюватимуть:
(4)
де - кут повороту модуля гойдання.
Досліджено вплив кінематичних похибок відпрацьовування приводами МСР програмних рухів та технологічних похибок виготовлення і монтажу його деталей на сумарну похибку позиціювання робота.
Нехай положення захоплювача робота визначається вектор-функцією . У загальному випадку радіус-вектор буде залежати від двох змінних - від кінематичних та геометричних параметрів робота, тобто:
, (5)
де - кінематичні параметри системи як узагальнені координати, що відпрацьовуються приводами; - геометричні параметри ланок МСР.
Таким чином, для n-ланкового робота радіус-вектор є функцією 2n-змінних. При відпрацюванні приводами узагальнених координат виникають похибки . Природа цих похибок може бути різноманітною: це похибки, зумовлені параметрами привідних систем роботів, похибки, які виникають в результаті вимірювання і передавання інформації про положення схоплювача тощо. Геометричні параметри ланок у загальному випадку залежать від їх геометричних розмірів, а відхилення - від технології виготовлення та складання конструкційних елементів робота.
При набуванні незалежними змінними приростів отримується нове значення радіус-вектора , яке буде визначеним в евклідовому просторі V2n і яке з достатнім ступенем точності можна вважати реальним положенням схоплювача робота. Різниця між теоретичним положенням схоплювача (5) і його реальним положенням
(6)
і буде похибкою позиціювання . Оскільки похибка є величиною достатньо малою порівняно зі значеннями і , то функцію f можна розкласти у ряд Тейлора біля точки, що визначається вектором , в околі . Знехтувавши членами, які набувають значень диференціалів других і вищих порядків як величинами вищих порядків малості, залежність (6) набуде вигляду:
. (7)
Вид узагальненої координати qn обумовлюється типом кінематичної пари. Якщо пара обертова, то за узагальнену координату q приймають взаємний кут повороту ланок, якщо поступальна - то q визначає лінійне переміщення. Оскільки і представляють собою вектори, то їх можна задати трьома координатами X, Y і Z, величини яких є проекціями функції f на відповідні осі. Якщо градієнт функції f у проекціях на координатні осі OX, OY, OZ задати матрицею :
, (8)
а параметри системи , - вектор-стовпцем :
, (9)
то залежність для визначення матиме вигляд:
(10)
Для МСР, які працюють у найбільш розповсюджених СК, сумарні кінематичні похибки відпрацьовування приводами програмних рухів і технологічні похибки виготовлення і монтажу їх деталей по відповідних координатах визначаться таким чином:
- для МСР, який працює у декартовій СК і має три поступальні кінематичні пари (рис.1):
|
Рис.1. Схема МСР, який працює у декартовій СК |
(11) - для МСР, який працює у циліндричній СК і має одну обертову (привід колони) і дві поступові кінематичні пари (рис. 2) та МСР, який працює у сферичній СК і має дві обертові (приводи колони і модуля гойдання) й одну поступову кінематичні пари (рис. 3), відповідно: |
|
Рис.2. Схема МСР, який працює у циліндричній СК |
Рис.3. Схема МСР, який працює у сферичній СК |
(12)
(13)
Результати аналізу залежностей (12), (13) показали, що сумарні кінематичні похибки відпрацьовування приводами програмних рухів і технологічні похибки виготовлення та монтажу їх деталей залежать від поточної конфігурації МСР у зоні його сервісу. На рис. 4 та 5 показано залежність похибок позиціювання робота по осі ОХ від величин кута повороту колони та модуля гойдання МСР, який працює у сферичній СК.?
|
Рис. 4. Похибка позиціювання по осі OX залежно від величини кута повороту колони робота при фіксованих значеннях кута повороту модуля гойдання (сферична СК) |
Рис. 5. Похибка позиціювання по осі OY залежно від величини кута повороту модуля гойдання робота при фіксованих значеннях кута повороту колони (сферична СК) |
Як видно з наведених рисунків похибка позиціювання має синусоїдальний характер. Граничне значення цієї похибки залежить від співпадання її періодів. Так, наприклад (рис. 4), мінімальне значення знаходиться при куті повороту колони МСР -116,12 та +61,64, що може бути використано при виконанні складальних операцій. Використовуючи наведені залежності, можна забезпечити при роботі МСР гранично допустиму похибку позиціювання чи регулювати її при використанні МСР з різними характеристиками точності.
Сумарна кутова похибка схоплювача визначається у залежності від елементарних похибок схоплювача :
, (14)
де - коефіцієнт відносного розсіювання:
(15)
де - коефіцієнт розсіювання (для нормального закону розсіювання приймається = 1,15 ... 1,25).
Сумарні похибки по координатах X, Y, Z і сумарний кут несуміщення осей в найбільшій мірі будуть залежати від таких елементарних похибок: 1) кінематичних похибок відпрацьовування приводами програмних рухів ; 2) технологічних похибок виготовлення і монтажу деталей робота ; 3) статичних складових похибок, обумовлених податливістю елементів робота ; 4) сумарних динамічних складових похибок робота, які обумовлені динамічними характеристиками приводів робота, величинами люфтів і зазорів у спряженнях і кінематичних парах, силовими взаємодіями тощо .
Враховуючи, що елементарні похибки є незалежними і підпорядковуються нормальному закону розподілу, сумарні похибки по відповідних координатах , а також сумарний кут несуміщення осей визначаться як:
(16)
(17)
(18)
(19)
У залежностях (16) – (19) через коефіцієнт відносного розсіювання Кп враховується закон розподілу елементарних похибок у структурі сумарної похибки позиціювання робочого органа робота, в той час, коли у загальноприйнятих залежностях ці похибки додаються арифметично, що є несприйнятливим з огляду на можливість різнонапрямленості векторів елементарних похибок позиціювання.
Інші види похибок (наприклад, похибки розрахунку) у структурі загальної похибки позиціювання істотного впливу на останню не здійснюють або усуваються системою керування робота як, наприклад, похибки налагодження, температурні похибки, похибки від випадкових збурень, викликаних зовнішніми джерелами, власні похибки системи керування
Адекватність отриманих теоретичних залежностей реальному фізичному процесу позиціювання робочого органа робота розглянуто у третьому розділі “Експериментальні дослідження впливу конструктивно-технологічних параметрів МСР на точність позиціювання його робочого органа”. Дослідження виконувалися з використанням серійних промислових роботів моделей “ПР5-2”, “Robotron-HM5” і “Универсал-5”. Результати досліджень математично опрацьовувалися та порівнювалися з результатами розрахунків, які виконувалися на основі розроблених теоретичних залежностей. Встановлено, що на точність позиціювання МСР найбільший вплив з конструктивно-технологічних параметрів мають: величина вильоту руки, маса переносимої деталі, швидкість висування руки та кут повороту колони (для МСР, які працюють у циліндричній і сферичній СК). Проведення експериментів з використанням теорії математичного планування експериментів дозволило встановити адекватність теоретичних залежностей дійсним значенням сумарної похибки позиціювання.
Порівняльний аналіз похибок позиціювання, отриманих експериментальним та теоретичним методами показав досить високу для практики точність розрахунків, отриманих за запропонованою методикою. Похибка розрахункових значень відносно експериментальних становить 4,04 - 17,42% (рис. 6 - 8).
У четвертому розділі “Оптимізація вибору конструктивно-технологічних параметрів МСР” на основі системного підходу розроблено модель визначення оптимальних конструктивно-технологічних параметрів модульних складальних роботів.
У загальному випадку структурна і параметрична схема робота залежить від точності позиціювання, яку він повинен забезпечувати. За узагальнений критерій у роботі прийнято величину мінімальної собівартості виготовлення деталей і складання вузлів робота без втрати ним гарантованої точності взаємного орієнтування і спряження деталей. Цей критерій вміщує в собі технічні, організаційні й економічні показники роботи модульного робота.
Для того, щоб мінімізувати витрати на виготовлення, встановлення і вивірювання робота, його сумарні похибки позиціювання по координатних осях , а також сумарний кут перекосу повинні максимально наближуватися до допусків на взаємне орієнтування пари деталей . Кут перекосу викликає деяке зміщення по відповідних координатах. Тоді сумарні максимальні похибки позиціювання становитимуть:
|
Рис. 6. Похибка позиціювання робота мод. “ПР5-2”: 1 - 102,8 мкм, = 111,8 мкм (l=0,10 м, m=0,1 кг, vр. = 0,41 м/с); 2 - 206,0 мкм, = 228,4 мкм (l = 0,34 м, m = 8 кг, vр. = 0,41 м/с). |
Рис. 7. Похибка позиціювання робота мод. “Robotron-HM5”: 1 - 296,1 мкм, = 325,0 мкм (l=0,10 м, m=0,5 кг, vр. = 0,51 м/с, к .= -125°); 2 - 527,9 мкм, = 608,8 мкм (l = 0,50 м, m = 3 кг, vр. = 0,51 м/с, к .= +125°). |
|
|
(20) Положення деталі у просторі визначається векторами її позиціювання і координатами точки початку координат. Деталь, яка підлягає позиціюванню, повинна бути приведена у задане положення в системі координат XYZ. Координатами вектора позиціювання будуть косинуси кутів, які утворюються заданим напрямом з додатними напрямами осей координат (відповідно - по осі OX та - по осі OY). Для представлення точок тримірного простору поєднання такого обертання і переміщення описується методами матричної алгебри. |
||
|
Рис. 8. Похибка позиціювання робота мод. “Универсал-5”: 1 - 237,5 мкм, = 270,4 мкм (l=0,10 м, m=0,1 кг, vр. = 0,67 м/с, к .= -115°); 2 - 487,8 мкм, = 593,8 мкм (l = 0,70 м, m = 5 кг, vр. = 0,67 м/с, к .= +115°). |
Тоді лінійне зміщення деталі, яка підлягає позиціюванню, визначиться як:
(21)
Лінійним зміщенням деталі по координаті Z можна знехтувати, оскільки воно є значно меншим за монтажну висоту (),
Вибір оптимальних конструктивно-технологічних параметрів модульної компоновки робота розглядається залежно від похибок відпрацьовування i-тим приводом обертового руху , похибок відпрацьовування j-тим приводом поздовжньо-поступального руху , похибок відпрацьовування k-того приводу схоплювача і моменту інерції перерізу n-ної ланки механізму робота . У кінцевому вигляді функція мети формується таким чином:
(22)
за умов (обмежень):
(23)
де - границі обмежень, які визначаються на основі експериментальних даних.
Область допустимих рішень, яка визначається умовами (23), обмежена n-мірним паралелепіпедом.
Вихідними параметрами оптимізаційної задачі є: маса переміщуваної деталі m; робочий об`єм робота Vр ; модуль пружності матеріалу технологічної системи En ; мінімальні допуски на орієнтування і складання деталей TX, TY; допустиме значення точки позиціювання по осі Z, яке, в загальному випадку (при вертикальній схемі складання), залежить від допуску на довжину приєднуваної деталі TZ.
Ця задача є нелінійною. Для її розв’язання розроблено метод оптимізації, який є синтезом методу послідовної безумовної мінімізації, запропонованого Фіакко та Маккорміком, і методу Давідона-Флетчера-Пауелла у поєднанні з системою штрафних функцій. Для автоматизованого вибору оптимальної структури і технологічних параметрів модульних складальних ПР розроблено систему автоматизованого проектування (середовище VISUAL C++), яка охоплює всі найбільш поширені системи координат - декартову, циліндричну та сферичну. При необхідності переходу до інших видів систем координат необхідно лише змінити обмеження (23) таким чином, щоб алгоритм рішення задачі відображав їх у потрібній СК. Як показали проведені розрахунки з використанням розробленого пакету, рішення оптимізаційної моделі (22) дає можливість забезпечувати мінімально необхідну точність позиціювання модульного складального ПР при зменшенні собівартості його виготовлення та компонування в середньому в 1,24 - 1,32 рази. При цьому значно (у 2,12 - 2,71 рази) скорочується цикл технологічної підготовки виробництва та підвищується продуктивність оптимізованої компоновки складального устаткування, що підтверджено результатами впровадження запропонованої методики на Самбірському (Львівська обл.) ремонтно-транспортному підприємстві “Агротехсервіс”.
В И С Н О В К И
Більшість праць, присвячених розробленню МСР, мають недостатній функціональний зв'язок з конструкторсько-технологічними й експлуатаційними вимогами, які висуваються до ГВС. Ці дослідження відносяться до ТП механічного оброблення, тоді, коли розроблення такого устаткування для ГВС складання практично не проводилось.
В теорії проектування високоефективних технологічних процесів складання відсутня універсальна методика комплексного розрахунку оптимальних точнісних характеристик МСР. Методи сумування первинних похибок і визначення результуючої похибки позиціювання в теорії точності докладно розглянуті головним чином тільки для плоских замкнених механізмів, що не дає можливості розробити та застосовувати універсальні алгоритми для визначення точності позиціювання різних компоновок складальних систем, просторових у тому числі.
Показано, що важливим напрямом підвищення ефективності процесів автоматизованого складання в умовах гнучкого виробництва є оптимізація компоновок модульного складального устаткування для забезпечення заданої точності позиціювання при мінімальних витратах на його проектування та виготовлення.
На основі комплексного дослідження, теоретичних розробок та узагальнень з позицій системного підходу вирішена задача підвищення ефективності складання з`єднань деталей з циліндричними поверхнями в умовах гнучкого автоматизованого виробництва шляхом оптимізації компоновок модульних складальних роботів, які забезпечують задану точність позиціювання при мінімальних витратах на їх проектування та виготовлення.
Розроблена проста і надійна в експлуатації САПР оптимальної компоновки МСР, яка вирізняється високою ефективністю і гнучкістю, не вимагає висококваліфікованого персоналу. Застосування цієї САПР дозволяє підвищити ефективність процесу складання в 1.24 - 1.32 рази за рахунок досконалішого і економічно обгрунтованого вибору як конструктивно-технологічних параметрів окремих модулів, так і функціональних параметрів МСР.
Результати виробничих випробовувань свідчать, що розроблені за допомогою створеної САПР компоновки з невисокими характеристиками точності забезпечують якісне й ефективне складання виробів.
В результаті виконаного комплексного дослідження встановлено, що статичні похибки, зумовлені податливістю МСР, кінематичні похибки відпрацьовування приводами МСР програмних рухів, технологічні похибки виготовлення деталей робота та їх складання і загальні динамічні похибки мають найбільшу вагу в структурі сумарної похибки позиціювання.
Розроблена математична модель для визначення кількісної величини цих похибок дозволяє встановити сумарну похибку позиціювання робочого органа МСР та забезпечити точність взаємного з`єднання деталей при використанні роботів з невисокими точнісними характеристиками. Для вирішення цієї задачі створено новий метод оптимізації, який є синтезом методу послідовної безумовної оптимізації і методу Давідона-Флетчера-Пауелла у поєднанні з системою штрафних функцій.
На основі результатів досліджень з використанням багатофакторного експерименту встановлено, що основними регламентуючими факторами, які мають найбільший вплив на точність позиціювання є: величина вильоту руки, маса переносимої деталі та динамічні характеристики складових модулів робота.
Проведені експерименти дозволили встановити адекватність теоретичних результатів з дійсними значеннями сумарної похибки позиціювання. Порівняльний аналіз похибок позиціювання, отриманих експериментальним та розрахунковим шляхом показав високу для практики точність розрахунків, отриманих за запропонованою методикою. Похибка розрахункових значень від експериментальних складає 4,04 - 17,42%.
Встановлено, аналітично доведено і експериментально підтверджено, що точність позиціювання МСР залежить не тільки від конструктивно-технологічних параметрів, але й від конкретної області зони сервісу, де проходить процес складання. Це дозволяє вибирати такі області роботи МСР, в яких точність позиціювання робота і необхідна точність позиціювання приєднуваної деталі будуть максимально наближеними.
Методика вибору і САПР МСР впроваджена у Самбірському ВАТ “Агротехсервіс” для оптимізації конструктивно -технологічних параметрів переналагоджуваних складальних автоматів. Отриманий річний економічний ефект склав 5120 грн. (у цінах 1996 р.) на один дослідний зразок.
Основний зміст дисертаційної роботи викладений у таких публікаціях:
1. Юрчишин І.І., Винник В.В., Винник Т.В. Застосування агрегатно-модульного принципу побудови складального обладнання // Інформатизація та нові технології. - 1995, N 3-4. - С. 33 - 34.
2. Юрчишин І., Винник В., Винник Т. До математичного моделювання промислового робокара // Вісн. Держ. ун-ту “Львівська політехніка”. - 1996. - Вип. 303: Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль у машинобудуванні та приладобудуванні. - C. 146 - 151.
3. Юрчишин І.І., Махоркін Є.М. Залежність точності позиціювання модульного складального промислового робота від точності його окремих елементів і від кінематичної точності відпрацювання приводами програмних рухів // Вісн. Держ. ун-ту “Львівська політехніка”. - 1998. - Вип. 321: “Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль у машинобудуванні і приладобудуванні”. - С. 115 - 120.
4. Юрчишин І.І. Оптимізаційна модель вибору технологічних параметрів модульних складальних промислових роботів // Вісн. Держ. ун-ту “Львівська політехніка”. - 1998. - Вип. 321: “Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль у машинобудуванні і приладобудуванні”. - С. 121 - 127.
5. Юрчишин І.І. Система автоматизованого керування точністю процесу складання // Автоматизація виробничих процесів у машинобудуванні та приладобудуванні. Вип. 34. - Львів, Вид-во Держ. ун-ту “Львів. політехніка”, 1999. - С. 13 - 16.
6. Jurczyszyn I., Gulida E., Winnik T. Optymalizacyjny model struktury i parametrow technogicznych robota montazowego // Technologia i automatyzacja montazu. - 1998. - N 2. - S. 30 - 35.
7. Gricaj I., Pierepiczka J., Jurczyszyn I. Analiza probabilistyczna warunkow montowalnosci w montazu zrobotyzowanym / Technologia i automatyzacja montazu. - 1996. - N 2. - S. 5 - 6.
8. Jurczyszyn I., Machorkin J. Optymalizacja wyboru parametrow konstrukcyjno-technogicznych modulowych robotow montazowych // Technologia i automatyzacja montazu. - 1999. - N 2, S. 11 - 15.
9. Jurczyszyn I., Winnik W., Winnik T. Structuralno-kinematyczna synteza modulowego wyposazenia montazowego // Technologia i automatyzacja montazu. - 1996. - N 1, S. 26 - 29.
10. Юрчишин І.І. Формування математичної моделі автоматизованого складання / Новые компьютерные технологии АСУП и САПР в промышленности. Тез. докл. конференции. 26-28 сентября 1995 г., г. Алушта. - С. 17 - 18.
11. Юрчишин І.І., Франт П.М., Винник В.В. Вибір оптимальної форми математичної моделі процесу складання / Прогрессивная техника и технология в машиностроении. Тез. докл. Международной научно-технической конференции. 12-15 сентября 1995 г., г. Севастополь. - С. 270 - 271.
12. Юрчишин І., Махоркін Є., Жук О. Вплив ваги переміщуваної деталі на точність позиціювання складального робота // Mehanics '98. Доповіді Міжнар.наук.-техн.конф. 29-30 червня 1998 р., м. Жешув (Республіка Польща). - С. 315 - 322.
АНОТАЦІЯ
Юрчишин І.І. Підвищення ефективності процесу складання зєднань деталей з циліндричними поверхнями в умовах гнучкого виробництва. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.08 - технологія машинобудування. - Державний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2000.
Робота присвячена питанням підвищення ефективності гнучких технологічних процесів складання шляхом оптимізації компоновок модульних складальних роботів, які забезпечують задану точність позиціювання при мінімальних витратах на їх проектування та виготовлення. Встановлено аналітичні залежності для розрахунку елементарних похибок позиціювання. Запропоновано математичну модель сумарної похибки позиціювання модульних складальних роботів, які працюють у найбільш розповсюджених системах координат. Розроблено методику та систему автоматизованого проектування оптимальних конструктивно-технологічних параметрів та вибору складових модулів робота.
Ключові слова: модульний складальний робот, конструктивно-технологічні параметри, точність позиціювання, оптимізація, компоновка, похибка, модуль.
THE SUMMARY
Yurchishin I.I. Increase of effectiveness of details with cylindrical surfaces junctions’ assembly process of in flexible manufacture conditions. – The manuscript.
Thesis for a candidate degree by speciality 05.02.08 – machinebuilding technology. - State university “Lvivska polytechnika”, Lviv, 2000.
The work is devoted to problems on an increase of effectiveness of flexible technological assembly processes by optimization of modular assembly robots arrangements, which ensure the given exactitude of positioning at minimum expenditures on their projection and manufacture. The analytical associations for account of elementary errors of positioning are determined. The mathematical model of summarized errors of modular assembly robots positioning which work in the most spreaded frames is offered. The technique and system of an automated projection of optimum constructional and technological parameters and choice of composite modules of the robot is developed.
Key words: the modular assembly robot, constructional and technological parameters, exactitude of positioning, optimization, arrangement, error, module.
АННОТАЦИЯ
Юрчишин И.И. Повышение эффективности процесса сборки соединений деталей с цилиндрическими поверхностями в условиях гибкого производства. – Рукопись.
Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.02.08 - технология машиностроения. - Государственный университет “Львивська политехника”, Львов, 2000.
Работа посвящена вопросам повышения эффективности гибких технологических процессов сборки путем оптимизации компоновок модульных сборочных роботов, которые обеспечивают заданную точность позиционирования при минимальных затратах на их проектирование и изготовление.
Промышленные модульные сборочные роботы (МСР) являются эффективным средством комплексной автоматизации технологических процессов сборки, которое отличается высокой адаптивностью к условиям гибкого производства. Быстрая переналадка МСР обеспечивает максимальный эффект в условиях многономенклатурного производства и при автоматизации ручного низкоквалифицированного труда. Одним из наиболее перспективных методов повышения эффективности гибкого оборудования является обеспечение минимальной себестоимости изготовления модулей, компоновку и выверку робота и общее снижение себестоимости составленного соединения в целом за счет обоснованного выбора оптимальных конструктивно-технологических параметров составных модулей работа.
Диссертация состоит из введения, четырех разделов, выводов, списка использованной литературы и приложений.
Первый раздел посвящен анализу приведенных в литературе результатов исследований в направлении методов повышения эффективности технологических процессов автоматизированной сборки. Установлены взаимосвязи и взаимовлияния элементарных и суммарной погрешностей позиционирования. Сформулирована цель и задачи исследований.
Во втором разделе рассмотрено влияние кинематических погрешностей отработки приводами робота программных движений, технологических погрешностей изготовления деталей работа и их монтажа и статических погрешностей, обусловленных податливостью элементов робота на суммарную погрешность позиционирования МСР. Указанные задачи решали применительно к цилиндрическим соединениям деталей с непосредственным контактом по поверхностям сопряжения с зазором, весом до 5 кг и соотношением L / D = 0.8... 4.2. Рассмотрен механизм формирования указанных погрешностей. Раскрыта зависимость между точностью позиционирования и количеством звеньев передаточного механизма “привод - схват. Раскрыты механизмы формирования общей погрешности позиционирования робота и повышения эффективности процесса сборки в целом за счет оптимизации точности позиционирования рабочего органа. С принятыми допущениями получен ряд зависимостей для расчета погрешностей позиционирования сборочных роботов, которые работают в различных координатных системах. Проанализирован механизм их образования, приведены рекомендации по получению минимальных величин.
В третьем разделе рассмотрена адекватность полученных теоретических зависимостей реальному физическому процессу позиционирования рабочего органа робота. Исследования выполнялись с использованием серийных промышленных роботов моделей “ПР5-2”, “Robotron-HM5” и “Универсал-5”. Установлено, что из всех конструктивно-технологических параметров на точность позиционирования МСР наибольшее влияние имеют: величина вылета руки, масса переносимой детали, скорость выдвигания руки и угол поворота колонны (для МСР, которые работают в цилиндрической и сферической СК). Проведение экспериментов с использованием теории математического планирования экспериментов позволило установить адекватность теоретических зависимостей действительным значениям суммарной погрешности позиционирования. Сравнительный анализ погрешностей позиционирования, полученного экспериментальным и расчетным путем, показал высокую для практики точность расчетов, полученных по предложенной методике. Погрешность расчетных значений относительно экспериментальных составляет 4,04...17,42%.
В четвертом разделе на основании системного подхода разработана модель определения оптимальных конструктивно-технологических параметров модульных сборочных роботов. В качестве обобщенного критерия принята величина минимальной себестоимости изготовления деталей и сборки узлов робота без потери им гарантированной точности взаимного ориентирования и сопряжения деталей. Этот критерий содержит общие технические, организационные и экономические показатели работы модульного робота. В качестве целевой функции выбрано уравнение, в котором заложены линейные и угловые погрешности при заданных допусках на линейные и угловые предельные смещения. Для решения задачи оптимизации применен метод последовательной безусловной минимизации. Оптимальная скорость сходимости обеспечивается использованием в расчетах метода Давидона-Флетчера-Пауэлла и системой штрафных функций. Для автоматизированного выбора структуры и технологических параметров модульных сборочных роботов разработанный пакет прикладных программ в среде VISUAL C++, версия 4.0, который охватывает наиболее распространенные системы координат - декартовую, цилиндрическую и сферическую. При необходимости перехода к другим системам координат необходимо изменить ограничения функции цели таким образом, чтобы алгоритм решения задачи отображал их в нужной системе.
Ключевые слова: модульный сборочный робот, конструкционно-технологические параметры, точность позиционирования, оптимизация, компоновка, погрешность, модуль.