close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Повышение гибкости роботизированных сборочных линий многономенклатурного производства оптических приборов

код для вставкиСкачать
Н а правах р укописи
Николаев Вячеслав Викторович
ПОВЫШЕНИЕ ГИБКОСТИ
РОБОТИЗИРОВАННЫХ СБОРОЧНЫХ ЛИНИЙ
МНОГОНОМЕНКЛАТУРНОГО ПРОИЗВОДСТВА
ОПТИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ
Специальность 05.11.14 - Технология приборостроения
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
С анкт-П етербург - 2018
2
Работа
выполнена
в
Санкт-Петербургском
национальном
исследовательском университете информационных технологий, механики и
оптики.
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Медунецкий Виктор Михайлович
Официальные оппоненты: Симаков Александр Леонидович
доктор технических наук, профессор
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего
профессионального образования «Ковровская
государственная технологическая академия им.
В. А. Дегтярёва»,
заведующий кафедрой приборостроения
Соленый Сергей Валентинович
кандидат технических наук, доцент
Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического приборостроения
«Институт инновационных технологий в
электромеханике и робототехнике»,
заместитель директора по научной деятельности
Ведущая организация:
АО ПО "УОМЗ" - "Урал-ГОИ"
Защита состоится 24 декабря 2018 г. в 17.00 на заседании диссертационного
совета Д 212.227.04 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском
университете информационных технологий, механики и оптики по адресу:
197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49, ауд.359.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского
национального исследовательского университета информационных технологий,
механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49
и на сайте http://fppo.ifmo.ru/?pagel=16&page2=52&page_d=l&page_d2= 184848
Автореферат разослан «
»
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.227.04
кандидат технических наук, доцент
2018 года.
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследования. В настоящее время гибкость сборочных линий
повышается преимущественно путем внедрения методов унификации конструкций
изделий, типизации элементов гибких роботизированных технологических систем
и автоматизации технологического оборудования. Гибкость производственных
систем обеспечивает переход от выпуска одного вида продукции к выпуску
другого путем изменения только управляющей программы. При этом унификация
технологических решений и гибкая роботизация обеспечивают ряд конкурентных
преимуществ: повышение качества продукции; повышение производительности
при серийном, мелкосерийном или единичном производстве; повышение гибкости
технологической системы; сокращение издержек и эксплуатационных расходов;
улучшение условий труда персонала и многое другое. Требование унификации и
роботизации является определяющим для создания технологических
киберфизических систем на производстве.
Развитию приборостроительных производственных систем способствуют:
расширение номенклатуры выпускаемых изделий при уменьшении размеров
партии выпускаемых изделий; сокращение времени перехода от выпуска одного
вида продукции к выпуску другого; ужесточение требований к качеству,
себестоимости, срокам производства продукции вне зависимости от размера
партии; повышение требований к управляемости производства для более глубокой
интеграции с проектными системами. Указанные тенденции определяют
потребность в роботизации предприятий с широкой номенклатурой изделий
(многономенклатурное производство) и малой серийностью производства.
Традиционно требуемая гибкость на таких производствах обеспечивается за счет
ручного труда. При этом существенными сдерживающими факторами
распространения роботов на предприятиях являются относительная техническая
сложность таких технологических систем, высокая стоимость введения в
эксплуатацию и значительные сроки окупаемости.
Особую сложность представляют сборочные операции, определяющие в
значительной мере технико-экономические показатели изделий и являющиеся в
большинстве случаев завершающими процессами по обеспечению качества
изделий на этапах производства. Необходимость автоматизации сборочных
операций обусловлена высокой трудоемкостью сборки, влиянием на качество
сборки и производительность человеческого фактора, требованием быстрой
переналадки при переходе к выпуску нового изделия. Одним из элементов
автоматизации технологических процессов сборки являются промышленные
роботы, которые в значительной мере разрешают задачи пространственного
положения (ориентации) деталей относительно друг друга и технологического
оборудования при выполнении технологических операций. Таким образом,
повышение гибкости роботизированных сборочных линий приборостроительных
предприятий с широкой номенклатурой продукции, выпускаемой небольшими
партиями, является актуальной научной и производственной задачей.
4
Объектом исследования являются роботизированные сборочные линии
приборостроительных производств, в частности автоматизированная линия сборки
микрообъективов.
Предметом исследования являются методы и способы модификации
механических
компонентов,
которые
позволяют
повысить
гибкость
технологических линий.
Целью исследования является повышение гибкости роботизированных
сборочных линий за счет разработки методов модификации механических
компонентов, которые позволят расширять номенклатуру выпускаемых
малогабаритных изделий приборостроения на ограниченном количестве
технологического оборудования.
Задачи исследований:
1. проанализировать факторы, влияющие на гибкость автоматизированных и
роботизированных линий;
2. определить параметры технологического оборудования, оказывающие
основное влияние на гибкость роботизированных линий;
3. разработать методы и методики повышения гибкости роботизированных
сборочных линий производства малогабаритных оптических приборов.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем.
1. Определены параметры технологического оборудования, влияющие на
гибкость производственной системы.
2. Разработан метод повышения гибкости за счет блочно-модульной
организации технологической линии.
3. Разработан метод повышения гибкости технологической линии за счет
расширения рабочей зоны манипулятора путем перестановки его на базовые
поверхности.
4. Разработан метод расширения рабочего диапазона захватного устройства за
счет переменного усилия схватывания.
5. Разработана методика проектирования энергоэффективного механизма
подъема устройства перестановки манипулятора на базовые поверхности.
6. Разработана методика проектирования универсального захвата с переменным
усилием схватывания.
7. Исследовано влияние конструктивных параметров универсального захвата на
его сцепные характеристики.
8. Разработана методика сравнения технических решений на этапах
проектирования.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Метод блочно-модульной организации сборочной линии.
2. Метод расширения рабочей зоны манипулятора за счет перестановки на
базовые поверхности.
3. Метод расширения рабочего диапазона универсального захватного
устройства технологической линии сборки микрообъективов за счет
переменного усилия схватывания.
5
4. Методика проектирования энергоэффективного механизма подъема
устройства перестановки манипулятора на базовые поверхности.
5. Методика проектирования универсального захвата с переменным усилием
схватывания.
6. Методика сравнения и выбора технических решений на стадии
проектирования.
Теоретическая значимость работы заключается в следующем:
- определены параметры технологического оборудования, влияющие на
гибкость производственной системы;
- предложен метод расширения рабочей зоны манипулятора промышленных
роботов;
- предложен метод блочно-модульной организации технологической линии;
- предложен метод расширения рабочего диапазона захватного устройства за
счет переменного усилия схватывания;
- исследовано влияние конструктивных параметров универсального захвата
на его сцепные характеристики.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
- предложена методика проектирования универсального захвата с
переменным усилием схватывания,
- предложена методика проектирования энергоэффективного механизма
подъема устройства перестановки манипулятора на базовые поверхности,
- предложена методика сравнения и выбора технических решений на стадии
проектирования.
- разработан вариант конструкции универсального захвата роботизированной
технологической линии сборки микрообъективов.
Методы исследования. Проводились теоретические и экспериментальные
исследования,
базирующиеся
на
теоретических
основах технологии
приборостроения, методологических основах теории принятия решений,
математической
обработки
результатов
экспериментов.
Определение
характеристик функциональных поверхностей проводилось на современном
высокоточном оборудовании с развитой системой математической обработки
результатов, полученные результаты обрабатывались при помощи методов
математической статистики в специализированных программных средах, включая
программу построения кривых плотностей распределения ординат профилей
поверхностей «Лемминг».
Достоверность полученных результатов и выводов основывается на
корректном применении теоретических положений фундаментальных наук
(математики, теоретической механики, теории принятия решений и др.), известных
технических и технологических зависимостей, уровня техники, закономерностей
развития производственных систем.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы
обсуждались на XLIII, XLIV, XLV, XLVII Научной и учебно-методической
конференции Университета ИТМО (Санкт-Петербург, 2014–2016, 2018); на IV, VII
Всероссийском конгрессе молодых ученых Университета ИТМО (Санкт-
6
Петербург, 2015, 2018); XIII Молодежной научно-технической конференции
«Взгляд в будущее – 2015» ЦКБ МТ «Рубин» (Санкт-Петербург, 2015).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 статей в научных
журналах и сборниках конференций, из них 5 входят в перечень рецензируемых
научных изданий ВАК.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех
глав, заключения, списка литературы. Общий объем диссертации 123 страницы,
включая 7 таблиц, 60 рисунков и схем. Список использованной литературы
содержит 147 источников.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы
цели и задачи работы, показаны научная новизна и практическая значимость
результатов. Изложены основные положения, выносимые на защиту, приводятся
список публикаций и сведения об апробации работы.
В главе 1 выполнен анализ современных концепций построения гибких
автоматизированных производств и трендов их развития. Приведена
классификация технологических линий, представлены виды технологических
модулей, варианты взаимодействия промышленных роботов с основным и
вспомогательным оборудованием, проанализированы варианты построения
технологических линий.
Выполнен анализ факторов, влияющих на гибкость автоматических
роботизированных технологических линий. Рассмотрены зависимость гибкости
различных производственных систем от номенклатуры и объемов производства,
уровни автоматизации и гибкости приборостроительных производств. Отмечено,
что в общем случае, производственная система базируется на: информационноуправляющей подсистеме, отвечающей за информационные потоки, и
производственно-технологической подсистеме, обеспечивающей материальные
потоки. Производственно-технологическая подсистема – это совокупность
основного технологического оборудования, гибких производственных модулей,
вспомогательных систем и т.п. Гибкость типовой производственной системы
может быть описана через внешнюю и внутреннюю гибкость. Внешняя гибкость
определяется номенклатурно-объемными показателями и характеризует
способность технологической системы выпускать конкретный ассортимент
продукции в определенных объемах; внутренняя – технологическими
возможностями производственной системы и может быть технологической,
структурной, машинной. Приведены основные методы численной оценки гибкости
через показатели обновления номенклатуры, себестоимости перехода на выпуск
нового изделия, времени перехода на выпуск нового изделия, представлен общий
показатель гибкости, характеризующий изменение материально-технической базы
производственной системы при переходе на выпуск нового изделия.
Проанализировано влияние механических компонентов производственнотехнологической подсистемы на технологическую, структурную, машинную
гибкость технологических линий. Показано, что основное влияние на внутреннюю
7
гибкость
производственной
системы
оказывают:
перенастраиваемость
технологических параметров оборудования, возможность изменения положения в
пространстве технологического оборудования (реконфигурация), возможность
изменения положения в пространстве объектов производства технологической
системы (заготовки, детали, узла, изделия). Автоматизация этих характеристик
производственной системы позволяет изменять внутреннюю и как следствие –
внешнюю гибкость производственной системы. Развитие и совершенствование
указанных характеристик в основном может быть достигнуто путем
совершенствования механических компонентов технологического оборудования.
Отмечено что удельный вес (по трудоемкости) сборочных операций в
приборостроительном производстве составляет 40–42 %; при этом уровень их
автоматизации – 10–12 %. Есть два основных подхода к автоматизации сборки: (1)
создание специализированных средств автоматизации, выполняющих отдельные
операции – это позволит относительно простыми техническими средствами
получить требуемую технологическую повторяемость за счет снижения влияния
различных конструктивно-технологических параметров оборудования, которые
характерны для многофункциональных устройств; (2) использование
универсальных средств автоматизации, позволяющих в наибольшем объеме
воспроизводить функции сборщика, включая функции пространственной
ориентации объекта относительно технологического окружения. Отмечено, что с
точки зрения повышения гибкости производственной системы наиболее
перспективен подход, в котором универсальными средствами достигается
манипуляционная составляющая сборочных операций, а специализированными –
взаимодействующая (контактирующая) составляющая сборочных операций.
Сформулированы задачи, которые необходимо решить для поиска и определения
методов и способов модификации механических компонентов, которые позволяют
повысить гибкость сборочных линий.
Выводы по главе 1. Анализ влияния параметров технологического
оборудования на гибкость технологической системы, характеристик и путей
развития гибких производственных систем позволяет определить направления
модификации технологического оборудования с целью повышения гибкости
роботизированных сборочных линий:
- расширение возможностей перенастраиваемости технологических
параметров оборудования,
- расширение возможностей изменения положения в пространстве
(перестраиваемость) оборудования,
- расширение возможностей изменения положения в пространстве объектов
производства (заготовки, детали, узла, изделия),
- улучшение характеристик технологического оснащения, непосредственно
взаимодействующего с объектами производства, а именно захватных устройств
манипуляторов роботов.
В главе 2 на примере автоматизации сборки линзовых микрообъективов
проанализированы
методы
повышения
гибкости
автоматизированных
технологических линий путем модификации механических компонентов
оборудования. Рассмотрены особенности построения автоматизированной линии
8
сборки
микрообъективов
и
характеристики
конструкции
базового
микрообъектива.
Проанализированы основные этапы сборки и систематизированы габаритновесовые параметры основных узлов базового микрообъектива. Отмечена
взаимосвязь между диаметром элемента и его массой
r
 = ℎp( − ) )***,
Масса детали, гр
где, D – наружный диаметр детали, мм, h – высота детали, мм, t – толщина стенки
детали, мм, r – плотность материала детали, кг/м³. Определена обобщенная
зависимость массы (стальной) детали от ее наружного диаметра (рисунок 1). Из
характера изменения зависимости можно определить необходимую передаточную
функцию в механизме преобразования движения захвата.
50
40
30
20
10
0
0
5
10
15
20
25
30
Наружный диаметр D, мм
Рисунок 1. Обобщённая зависимость массы детали от ее наружного диаметра
В работе отмечено, что существенное влияние на номенклатуру выпускаемой
продукции автоматизированной линии и ее технологическую гибкость оказывает
конструкция универсальных захватов манипуляторов, взаимодействующих в
процессе сборки с деталями и узлами микрообъективов, позволяющая охватывать
номенклатуру микрообъективов и при этом минимизировать количество
специализированных автоматизированных приспособлений (поворотные столы,
кантователи и т.д.).
Рассмотрены конструкции промышленных захватов, проанализирована
возможность их применения для автоматизированной линии сборки
микрообъективов. Выявлено, что использование в качестве универсального
захватного устройства манипулятора автоматизированной линии сборки
микрообъективов стандартных промышленных захватов нерационально ввиду
того, что развиваемое усилие не зависит от диаметра и массы захватываемого
элемента микрообъектива. Для увеличения усилия схватывания с раскрытием
лапок захватного устройства необходимо использовать специальный механизм
преобразования движения с переменной передаточной функцией. Такой механизм
позволит надежно удерживать детали и узлы микрообъективов с различными
массогабаритными характеристиками без приложения чрезмерных усилий
схватывания, это особенно важно для деталей, не обладающих высокой
механической прочностью.
9
Рассмотрен метод разбиения захватного устройства на ряд конструктивнофункциональных частей, рассмотрена общая последовательность синтеза
захватных устройств. На основании анализа технической реализации захватов,
требований к универсальному захватному устройству манипулятора
роботизированной технологической линии сборки микрообъективов и общей
последовательности синтеза захватных устройств предложены две альтернативные
схемы построения универсального захвата.
Отмечено, что малогабаритные промышленные роботы являются одним из
основных универсальных исполнительных элементов автоматизированных линий.
Повышение гибкости производства в общем случае возможно за счет увеличения
количества или типов промышленных роботов, что далеко не всегда экономически
целесообразно. Одним из наиболее сложных в реализации, но обладающим рядом
преимуществ с точки зрения повышения технологической гибкости
роботизированных линий, является подход к расширению рабочих зон
манипуляторов малогабаритных промышленных роботов. Расширение рабочей
зоны манипулятора возможно, например, за счет увеличения линейных размеров
звеньев, использования дополнительной степени свободы – введения
самодвижущегося основания или установки манипулятора на рельсовый путь.
Однако одним из существенных недостатков рассмотренных решений является
высокая стоимость.
Предложен способ расширения рабочей зоны манипулятора, при котором
осуществляется перестановка манипулятора на фиксированные базовые
поверхности (рисунок 2). Проанализированы требования к механизму
перестановки манипулятора. Предложена механическая часть привода механизма
перестановки с учетом особенностей функционирования, в частности, обеспечения
силового прижима к базовым поверхностям для их надежного сопряжения.
Предложен вариант реализации автоматизированной технологической линии
сборки микрообъективов с применением метода перестановки манипулятора на
базовые поверхности.
Предложен метод повышения гибкости сборочных линий путем создания
блочно-модульного перестраиваемого технологического участка, включающего
рабочее поле и набор технологических модулей (рисунок 3).
Рабочее поле представляет собой набор размещенных с заданным шагом
базирующих групп, определенным образом зафиксированных в пространстве.
Модули установлены в унифицированный конструктив, обеспечивающий
механическое и коммутационное сопряжение с соседними технологическими
модулями.
10
Рисунок 2. Радиальная схема установки основания манипулятора на
базовые поверхности
основание
портал
подъемно-поворотный механизм
перестановки
технологический модуль
Рисунок 3. Блочно-модульный способ организации технологической
линии
11
базирующая группа
контактная группа
Рисунок 4. Базирующие и контактные группы
Управляющие и служебные сигналы на технологические модули передаются
через контактные группы, выполняющие роль базовых поверхностей (рис. 4). Для
надежного удержания модуля базовые поверхности могут оснащаться
механическими захватами. Технологические модули перемещаются на
базирующие основания с помощью специального механизма перестановки с
прямоугольной системой координат. Каждый модуль имеет свой стыковочный и
передаточный узлы и может быть повернут на 90°. Размер технологических
модулей может быть кратен шагу размещения контактных групп. Блочномодульная организация позволяет обеспечить быструю перекомпоновку
сборочной линии, что в совокупности с возможностью внутренней переналадки
технологических модулей позволит получить высокий уровень внутренней
гибкости. Предложенный метод блочно-модульной организации сборочной линии
позволяет существенно повысить перестраиваемость, т.е. возможность изменения
пространственного положения, технологического оборудования, что обеспечивает
повышение технологической и структурной гибкости линии.
Выводы по главе 2. Предложенные методы позволяют повысить гибкость
технологических линий за счет:
- совершенствования технологического оснащения, непосредственно
взаимодействующего с объектами производства,
- улучшения перенастраиваемости параметров технологического
оборудования, входящего в состав технологической системы,
- обеспечения перестраиваемости оборудования технологической системы,
- улучшения возможностей пространственной ориентации объектов
производства технологической системы (заготовки, детали, узла, изделия).
12
Передаточная функция, i
В главе 3 два предложенных варианта сравниваются с помощью методики
качественно-количественной
оценки
технических
решений.
Методика
предназначена для разработчиков механических систем, выбирающих техническое
решение из ряда альтернативных. Основанная на модифицированном варианте
метода экспертных оценок методика позволяет повысить качество проектируемых
технических изделий на этапах проектирования. Качественно-количественная
оценка двух предложенных вариантов захватов позволила разработать третий
вариант построения универсального захвата, свободный от основных недостатков
предыдущих схем. Предложена конструктивная схема универсального захвата для
автоматизированной линии сборки микрообъективов, обладающая переменной
передаточной функцией (рисунок 5).
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Диаметр P захватываемой детали, мм
Рисунок 5. Общий вид универсального захвата и передаточная функция
механизма
Получены геометрические и силовые характеристики универсального
захвата. Предложен предпочтительный вариант конструктивной реализации
универсального захватного устройства, рассмотрены его преимущества и
недостатки.
На основе предложенного метода расширения рабочей зоны манипулятора
путем перестановки последнего на базовые поверхности, а также требований к
механизму перестановки представлен оригинальный механизм, обеспечивающий
подъем и перемещение основания манипулятора (рисунок 6). Отличительной
особенностью механизма является рычажная передача между электродвигателем и
рычагами механизма перестановки. В отличие от механических преобразователей
движения, применяемых в известных решениях, например, речного или винтового,
предложенный четырехзвенный механизм обладает переменной передаточной
функцией (рисунок 7), позволяющей обеспечить силовое прижатие без
развиваемого момента со стороны электродвигателя:
β(α) = arccos λ + arccos φ в диапазоне 0 <α ≤ 180˚;
β(α) = arccos φ – arccos λ, в диапазоне 180 <α ≤ 360˚, где:
l =
d -a×cos a
a 2 + d 2 -2×a×d ×cos a
,
j =
a 2 + c 2 + d 2 -b 2 - 2×a×d ×cos a
2×c× a 2 + d 2 - 2×a×d ×cos a
.
13
Рисунок 6. Механизм перестановки основания манипулятора
на базовые поверхности
Рисунок 7. Зависимость передаточного отношения i четырехзвенного
механизма от угла поворота выходного рычага
Предложенный механизм перестановки подвижного основания манипулятора
робота позволяет получить: высокое прижимающее усилие, высокий КПД, малый
требуемый момент для начала движения (страгивания) из положения 0 в
положение 10°, высокий ресурс, простоту конструкции.
14
Выводы по главе 3. Предложенные методы повышения гибкости
автоматизированной технологической линии сборки микрообъективов позволяют
получить требуемые механические компоненты.
Отмечено, что обеспечить надежный безопасный захват и удержание деталей и
узлов микрообъектива можно, в том числе, за счет улучшения сцепных
характеристик (коэффициента сухого трения покоя) функциональных
поверхностей захвата и поверхностей объекта, с которым он взаимодействует.
Глава 4 содержит результаты экспериментального определения влияния
основных конструктивных параметров универсального захвата и микрорельефа
функциональных поверхностей на сцепные характеристики. Рассмотрены
основные зависимости коэффициента сухого трения покоя от различных факторов.
С
целью
экспериментального
исследования
разработана
установка,
предназначенная для определения зависимости между силой схватывания и силой,
необходимой для начала движения (страгивания) испытываемого образца (рисунок
8). В установке сила сжатия задается массой груза через соотношение плеч
рычагов. Сила, возникающая при страгивании испытательного образца
относительно тестовых поверхностей, определяется с помощью цифрового
динамометра.
Рисунок 8. Общая схема испытательной установки
Исследовались комплекты (по три экземпляра) тестовых поверхностей с
идентичными характеристиками шероховатости. Тестовые поверхности
размещались
равномерно
относительно
охватываемой
поверхности
испытательного образца (рисунок 9).
Рисунок 9. Расположение испытательного образца относительно тестовых
поверхностей
15
Испытательный образец выполнен (сталь 40Х13) в виде цилиндра с
равномерно размещенными на наружной поверхности шестью лысками (рисунок
10), за счет чего может быть обеспечен контакт как по поверхности (с
определенной степенью приближения), так и по линии.
Рисунок 10. Тестовые поверхности и испытательный образец
К испытательному образцу через гибкую связь (тросик) присоединялся
цифровой динамометр МЕГЕОН 03005 с пределом измерения 5Н и разрешением
0,001Н, позволяющий фиксировать максимальное значение возникающего усилия
в момент начала движения образца. В качестве груза использовались мерные грузы
Г-2-210 ГОСТ7328-73, размещаемые на нагрузочной платформе.
Получена серия профилограмм микропрофиля тестовых поверхностей и
испытательных образцов на профилометре HommelTester T8000 фирмы
Hommelwerke. Профилограммы содержат всю необходимую информацию для
получения параметров исследуемых поверхностей, включая параметрические
критерии шероховатости.
С целью сокращения числа опытов при исследовании, по методике В.И.
Романовского, проведено 25 предварительных измерений на одном из образцов и
комплекте тестовых поверхностей. В результате определено необходимое число
опытов: с надежностью 95 % – 6, с 90 % – 4. Результирующим значением
исследуемой величины в исследовании принималось среднее арифметическое
четырех измерений.
Проведена серия испытаний, в которых для различной силы сжатия
определялись сцепные характеристики тестовых поверхностей с различными
параметрами шероховатости при контакте по линии и контакте по плоскости
захватывающих элементов. В результате выявлено: тип контактирования образца
с тестовыми поверхностями не имеет четко выраженного влияния на силу
страгивания и может варьироваться в зависимости от различных фактов, включая
характеристики микропрофиля. При этом со стороны универсального захватного
устройства контакт захватывающих элементов с элементами микрообъективов
возможен только по линии вследствие разнообразия вариантов конструкций
микрообъектива, а также конструктивных особенностей его элементов, которые
являются телами вращения различного диаметра.
При различных значениях силы сжатия проведена серия испытаний сцепных
характеристик вариантов тестовых поверхностей с различными параметрическими
критериями шероховатости. Основные зависимости проведенных измерений
представлены на рисунке 11.
16
Сила страгивания, Н
6
5
4
Ra=6,52 Rz=39,3
3
Ra=4,43 Rz=24,34
2
Ra=1,13 Rz=4,4
1
Ra=0,95 Rz=4,85
0
0
1
2
3
4
5
Сила сжатия, Н
Рисунок 11. Зависимость силы страгивания образца от силы сжатия
захватывающих элементов
Определено, что параметры шероховатости оказывают влияние на сцепные
характеристики, причем с ростом значений параметрических критериев сила
страгивания увеличивается. Для тестовых поверхностей с различными
параметрическими критериями при малых значениях силы сжатия разница в силе
страгивания относительно невелика, но она увеличивается с ростом силы сжатия.
Эта закономерность объясняется увеличением зон пластического взаимодействия
между поверхностями образцов. При этом для наиболее используемого в
микрообъективах диапазона Ra = 0,8–3,2 мкм наблюдаются незначительные
различия в создаваемой силе страгивания, что обусловлено несколькими
причинами. Основная причина связана со случайной (вероятностной) картиной
распределения микропрофиля на сопрягаемых поверхностях, на характеристики
которой влияет множество факторов, основные из которых определяются
текущими технологическими параметрами – режимами обработки, особенностями
взаимодействия поверхностного слоя с инструментом, свойствами материала и др.
Вторая причина вытекает из первой – в паре трения поверхности всегда имеют
различные параметры микропрофиля.
В процессе исследований выявлено: сцепные характеристики выполненных
по технологии 3D-печати тестовых поверхностей значительно меньше, чем у
других
испытуемых
образцов;
сочетание
различающихся
значений
параметрических критериев шероховатости дает несколько большую величину
силы начала движения, чем комбинация идентичных, при этом наблюдается
тенденция к увеличению силы страгивания с ростом величины параметров
шероховатости.
Существенное увеличение сцепных характеристик было получено в серии
испытаний тестовых поверхностей с регулярным микрорельефом: две пластины с
нанесенным ориентированным регулярным микрорельефом сжимались с помощью
мерных грузов, после чего сдвигались друг относительно друга с измерением
возникающей силы с помощью динамометра (рисунок 12, рисунок 13).
Ra=1,13
Rz=4,4/Ra=4,
43 Rz=24,34
0,4
0,2
0
0
0,5
Ra=4,43
Rz=24,34/Ra=
4,43 Rz=24,34
1
Сила сжатия, Н
Сила
страгивания, Н
Сила
страгивания, Н
0,6
1
Ra=0,92
Rz=7,55/Ra=1
4,48 Rz=66,5
0,5
0
0
0,5
Ra=14,48
Rz=66,5/Ra=1
4,48 Rz=66,5
1
Сила сжатия, Н
0,6
Ra=0,95
Rz=4,85/Ra=6,
52 Rz=39,3
0,4
0,2
0
0
0,5
1
Сила сжатия, Н
Сила
страгивания, Н
Сила
страгивания, Н
17
1
Ra=6,52
Rz=39,3/Ra=6,
52 Rz=39,3
Ra=1,15
Rz=7,04/Ra=5
2,25 Rz=200
0,5
0
0
0,5
1
Сила сжатия, Н
Ra=52,25
Rz=200/Ra=52
,25 Rz=200
Рисунок 12. Зависимости силы страгивания тестовых пластин от силы
сжатия для комбинаций микрорельефа нерегулярный/регулярный и
регулярный/регулярный
Сила страгивания, Н
1
0,8
0,6
Ra=27,95 Rz=107,53
0,4
Ra=6,52 Rz=39,3/Ra=6,52 Rz=39,3
0,2
Ra=52,25 Rz=200/Ra=52,25 Rz=200
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
Сила сжатия, Н
Рисунок 13. Зависимость силы страгивания тестовых пластин от силы
сжатия для разных значений параметрических критериев регулярного
микрорельефа функциональных поверхностей
Выводы по главе 4. В результате исследования влияния основных
конструктивных параметров универсального захвата на его сцепные
характеристики выяснено:
- тип контактирования (по линии, по плоскости) не оказывает существенного
влияния на коэффициент сухого трения покоя;
- сила сжатия захватных элементов не оказывает существенного влияния на
коэффициент сухого трения покоя;
- коэффициент сухого трения покоя незначительно увеличивается с ростом
значений параметров шероховатости (Ra, Rz);
18
- для контактирующих поверхностей с различными параметрами
шероховатости коэффициент сухого трения покоя более высок, чем для
поверхностей с одинаковыми параметрами;
- для контактирующих поверхностей, имеющих ориентированный
регулярный микрорельеф с одинаковыми параметрическими критериями
шероховатости, коэффициент сухого трения покоя более высок, чем для
поверхностей без регулярного микрорельефа;
- с ростом значений параметрических критериев ориентированного
регулярного микрорельефа поверхностей контактирования увеличивается
коэффициент сухого трения покоя.
Заключение. В ходе выполнения диссертационной работы получены
следующие результаты.
1. Проанализирована гибкость технологических линий приборостроительных
производств. Определены параметры технологического оборудования, влияющие
на гибкость производственной системы.
2. Для повышения технологической гибкости технологических линий
предложены:
- метод блочно-модульной организации роботизированной сборочной линии;
- метод расширения рабочей зоны манипулятора промышленного робота за
счет перестановки на базовые поверхности;
- метод расширения рабочего диапазона захватного устройства за счет
переменного усилия схватывания;
3. Разработана методика проектирования энергоэффективного механизма
подъема устройства перестановки манипулятора на базовые поверхности.
4. Разработана методика проектирования универсального захвата с
переменным усилием схватывания.
5. Разработана методика сравнения технических решений на этапах
проектирования.
6. Исследовано влияние на параметры сцепления конструктивных
характеристик универсального захватного устройства.
7. Предложены рекомендации по оптимизации конструкции и параметров
универсального захвата автоматизированной технологической линии сборки
микрообъективов.
Список публикаций по теме диссертации
Из перечня ВАК
1. Медунецкий В.М., Николаев В.В. Функциональный анализ и выбор технических
решений механических систем // Изв. вузов. Приборостроение. 2015. Т. 58, № 8.
С. 659–663.
2. Медунецкий В.М., Николаев В.В. Методика сопоставления технических решений
для обеспечения качественных показателей механических систем //
Металлообработка. 2015. № 6(90). С. 54–59.
3. Медунецкий В.М., Николаев В.В. Методика оценки уровня качества
механических изделий в процессе их проектирования // Научно-технический
19
вестник информационных технологий, механики и оптики. 2016. Т. 16. №
6(106). С. 1128–1132.
4. Медунецкий В.М., Падун Б.С., Николаев В.В. Особенности проектирования
захватных устройств для повышения гибкости автоматизированных и
роботизированных технологических линий приборостроительных производств
// Научно-технический вестник информационных технологий, механики и
оптики. 2017. Т. 17. № 6(112). С. 1123–1132. DOI: 10.17586/2226-1494-2017-176-1123-1132
5. Медунецкий В.М., Николаев В.В. Метод расширения рабочей зоны манипулятора
робота и повышения гибкости технологических линий // Изв. вузов.
Приборостроение. 2018. Т. 61. № 4. С. 377–379. DOI 10.17586/0021-3454-201861-4-377-379
Прочие публикации
6. Николаев В.В. Влияние конструктивных особенностей захвата кластера
перегрузочной машины АЭС на его эксплуатационные характеристики //
Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание.
СПб: Университет ИТМО, 2014. С. 70–71.
7. Николаев В.В. Анализ технических решений на примере автоматического
захвата для перегрузки элементов системы управления и защиты ядерного
реактора // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное
издание. СПб: Университет ИТМО, 2015.
8. Николаев В.В., Медунецкий В.М. Методика оценки уровня качества
механических изделий // Евразийский союз ученых (ЕСУ). 2015. № 7-2(16). С.
128–131.
9. Медунецкий В.М., Николаев В.В. Анализ конструктивных особенностей
захватных устройств манипуляторов роботов. СПб: Университет ИТМО, 2017.
142 с.
10. Николаев В.В., Медунецкий В.М. Исследование влияния микрорельефа
функциональных поверхностей универсальных захватных устройств
манипуляторов роботов на их сцепные характеристики // Сборник тезисов
докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание. СПб: Университет
ИТМО, 2018.
11. Медунецкий В.М., Николаев В.В. Повышение гибкости технологических линий
за счет расширения рабочей зоны манипуляторов роботов // Проблемы
эффективности функционирования технических и информационных систем.
Сборник статей X международной научно-практической конференции. СПб:
Научно-издательский центр «Litalliance», 2018. С. 74-88.
20
Подписано в печать 00.00.18. Формат 60x84.
Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Изд. № 74.
Университет ИТМО
Отпечатано в типографии
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа