Глава 1
Обзор конструкций, построенных на модульном принципе
Одна из передовых немецких компаний «ALUFIX» проектирует и создаёт модульные системы для сборки и контроля сложных узлов автопромышленности. Их разработка Alufix Classic — это модульная сборочная система креплений, изготовленная из высокопрочного алюминия для измерения деталей и узлов с помощью контрольно-измерительных приборов, которые так же устанавливаются в этой системе рис.1.1.1.
Рис. 1.1.1 Модульная сборочная система креплений Alufix Classic
Так же в этой системе возможна установка сборочных или сварочных приспособлений. Модульная система доступна в шести исполнениях. Различные исполнения системы могут комбинироваться друг с другом. После срока службы система может быть разобрана, а отдельные компоненты могут быть использованы для новых сборочных систем. Существенным недостатком такой системы являются невозможность использования крупногабаритных, тяжёлых узлов.
Еще один продукт этой компании сборочная система Silver H (рис.1.1.2) Основным элементом сборочной системы является модульная рама, которая собирается с помощью крепежных деталей и монтируется в подготовленный приямок заподлицо с полом. Модульная система рамы позволяет легко собирать один или несколько узлов необходимых размеров. Сборочная система имеет огромное множество различных комплектующих. Основным недостатком такой системы является её невозможность закрепления и выполнения технологических операции на высоте.
Рис. 1.1.2 Сборочная система Silver H
Перспективное конструкторское решение использования модульного принципа представила австрийская компания “The Cool Tool”. Проект «Unimat 1» (рис.1.1.3) - это конструктор модульных станков. В Unimat 1 входят совместимые друг с другом модули и детали. Благодаря этому отпадает необходимость приобретать дорогостоящие отдельные станки и находить место для их установки и хранения.
Рис. 1.1.3 Конструктор модульный станков Unimat 1
Недостатками такого «конструктора» являются низкая точность изготовления деталей и возможность обработки только мелкогабаритных деталей.
Анализ собираемых узлов.
В зависимости от собираемых узлов конструкция стапельной оснастки всегда состоит из основной рамы и вспомогательных элементов крепления. В некоторых случаях в стапель добавляется внешних контур собираемого узла. При изготовлении стапеля основная часть работы — это фрезерные и сварочные операции. Рассмотрим различные узлы, которые собираются в стапельной оснастке.
Шпангоут №16 (рис 1.2.1) — основной поперечный элемент силового набора летательного аппарата; обеспечивает форму и жёсткость сечения и передаёт местные сосредоточенные нагрузки на оболочку или др. силовые элементы. Шпангоут должен плотно прилегать к соответствующим деталям оболочки и в сочетании с последними воспроизводить заданную аэродинамическую форму летательного аппарата и обеспечивать правильное взаимное пространственное расположение его частей.
Рис.1.2.1 Шпангоут №16
Сборка Шпангоута производится в стапеле с обязательной фиксацией внешнего контура. Внешний контур по отверстиям закрепляется в раме стапеля при помощи вилок. Вилки устанавливается в раме по шаблону, после чего привариваются. Детали узла соединяются между собой с помощью болтов. Большинство отверстий исполняются по месту.
Шпангоут №41 (рис 1.2.2) - является деталью каркаса самолета, стыкуется с соседними узлами по периметру болтами и заклепками. Основной вид соединений – клепка. Требуемая точность по наружному обводу шпангоута ±3 мм на сторону. По внутреннему контуру шпангоут усилен гнутым уголковым профилем. Сборка осуществлялся таким же образом, как и у шпангоута №16.
Рис.1.2.2 Шпангоут №41
Нервюра (рис.1.2.3) - представляет собой плоскую конструкцию, состоящую из листов обшивки, подкрепленных силовым набором, продольными стрингерами. Соединение деталей выполняется клепкой. Приспособление состоит из каркаса сварной конструкции, ложементов, обеспечивающих задание обвода образующего контура прижимных и фиксирующих элементов. Приспособление выполнено в стационарном напольном исполнении.
Рис.1.2.3 Нервюра
Верхняя панель (Рис.1.2.4) - представляет собой плоскую конструкцию, состоящую из листов обшивки подкрепленных силовым набором, продольными стрингерами и поперечными элементами шпангоута. Соединение деталей выполняется клепкой. Приспособление для сборки верхней панели выполнено в стационарном напольном варианте. Оно состоит из каркаса, ложементов и установленных на них упоров и фиксаторов.
Рис.1.2.4 Верхняя панель
Сиденье (Рис.1.2.5) - имеет типовую конструкцию, и состоит из боковых и центральных диафрагм обшивок, клепаемых к нему. На сиденье имеются кронштейны для их крепления к элементам фюзеляжа самолета. Для сборки сиденья используется стационарная напольная конструкция для приспособления. Приспособление состоит из каркаса сварной конструкции, ложементов и упорных и фиксирующих элементов. Для фиксации диафрагм сиденья в приспособлении установлены на ложементы откидные упоры. Для фиксации кронштейнов навески на каркасе приспособления смонтированы выдвижные фиксаторы кронштейнов. Профиля прижимаются к ложементам пружинными прижимами с г-образными болтами. Для задания базы нижнего профиля сидения в приспособлении введен выдвижной упор, установленный на ложементах.
Рис.1.2.5 - Сиденье
Проведя обзор конструкций в пункте 1.1, а также проанализировав собираемые узлы в стапельной оснастке, можно сделать следующие выводы:
Конструкции сборочных систем имеют платформы для установки и закрепления различных элементов. Оптимальным вариантом будет использование 2-ух платформ, образующих геометрию угольника.
Рама и вспомогательные элементы схожи по своей конструкции, но ложементы и контуры уникальны для каждого узла, поэтому в качестве вспомогательных элементов будут использоваться модули.
Ложементы, контуры узлов, вспомогательные элементы устанавливаются и базируются в стапеле при помощи отверстий.
Среднее количество деталей узла от 5-10 штук.
Анализ модульного принципа построения сборочных систем.
Анализ современных конструкторско-технологических решений сборки изделий позволяет сделать следующие выводы:
- известные теоретические наработки отдельных вопросов сборки достаточно обобщены и фрагментарны, сводятся к анализу реализующих конструкций, принципов действия и носят описательный характер;
- практически отсутствуют теоретические наработки вопросов переналадки, которые были заимствованы и механически перенесены еще из серийного производства, когда сборка лишь только зарождалась, а потому описанные решения требуют анализа, систематизации, обобщения и унификации;
- известны фактически начала основ модульных технологических процессов и то в основном для механической обработки деталей, а теоретические наработки по модульным процессам сборки полностью отсутствуют, единичные же описания таких процессов весьма общи, фрагментарны и могут рассматриваться лишь как начальные;
- применение модульного принципа при сборочных технологий, изделий, переналаживаемых конструкций технологического оборудования, оснастки явно недостаточны и требуют значительной проработки.
Принципы модульности технологий и конструкций сборке изделий обеспечивают наибольший дополнительный технико-экономический эффект за счет формирования гибких технологических процессов из взаимосвязанных технологических модулей, а переналаживаемого сборочного оборудования и оснастки - из конструкционных модулей. Технологические и конструкционные модули имеют ограниченную номенклатуру, что дает возможность при системном подходе и стандартизации создания единой элементной базы на модульном уровне для всего гибкого сборочного производства. Такое построение технологического обеспечения значительно расширяет его возможности, увеличивает эффективность гибкой модульной сборки, повышает качество собираемых изделий, уменьшает расходы и существенно сокращает техническую подготовку производства, что кардинально изменяет сущность гибкой сборки.
Модуль является хорошо отработанной оптимизированной сборочной единицей многократного использования с характерными чертами автономности, стыкуемости, связанности, гибкости и избыточности. Под технологическим модулем понимается комплекс элементарных сборочных движений, которые выполняются в заданной последовательности и имеют законченный объем, а конструкционным - функциональная конструкционная его реализация. Технологические модули формируются на основании конструкции сборочных соединений изделия (лучше модульного) и являются тесно связанными с конструкционными модулями переналаживаемого сборочного оборудования и оснастки. Они представляют собой элементарную технологическую единицу с определенным объемом сборочных движений, вытекающих из его гибкости и особенностей модульной автоматической сборки. Модули могут образовывать комплекты и комплексы, в зависимости от степени объединения выполняемых сборочных функций. Опишем технологический модуль при помощи матрицы:
где: doi, dbj – соответственно, основные и вспомогательные сборочные движения;
а, b – их количество.
Технологический модульный сборочный процесс можно записать некоторой совокупностью стыкуемых модулей:
где: ТМПi – i-й технологический модульный сборочный процесс;
a, b, c – оптимальное количество модульных технологических комплектов (МТК), комплектов (МК), технологических модулей (ТМ).
В таком модульном сборочном процессе каждый технологический модуль связан с предыдущим и последующим, а также модулями управления конструкционными техническими параметрами. Поскольку в основе технологических и конструкционных модулей лежат сборочные движения, то определение закономерности их формирования нуждается в моделировании таких модульных сборочных процессов.
Оптимизационная модель гибкой модульной автоматической сборки разнотипных изделий отличается от других модульным принципом ее построения, корректностью математического описания, широкой универсальностью, оптимизационной сущностью, особенностями и отличиями процессов совмещений при модульной сборке, возможностью достыковки новых модулей и программируемостью. Модель гибкой автоматической сборки состоит из отдельных состыкованных модулей: определения занимаемого положения деталей, формирования оптимальных траекторий их перемещения во время модульной сборки, построения функции цели, ее градиента, выбора метода минимизации функции цели, ограничения фор-мы собираемых деталей и элементов технологического оборудования и оснастки, программной реализации модульного сборочного процесса. Процесс гибкой модульной сборки базовых и присоединяемых различных деталей изделий рассматривается, как совмещение в пространстве двух пар векторов, которые определяют их положение, одного осевого (l,r) и второго - углового (k, t). Построенная из позиций системного анализа программа оптимизации на модели отображает пространственно-временные связи и раскрывает сущность всех элементов гибкой модульной сборки.
Положения базовых и присоединяемых деталей (Рис. 1.3.1) определяются координатами и тремя числами, пропорциональными направляющим косинусам в неподвижной системе координат:
где: Xa, Ya, Za – координаты вектора;
Axa, Aya, Aza – числа, которые полностью определяют положение детали в принятой системе.
Рис.1.3.1. Система координат определяющая положение базовых и присоединяемых деталей
Подобно определяются перемещаемые собираемые детали в подвижной системе координат X’, Y’, Z’ со своими координатами центра сопряжения деталей x’b, y’b, z’b и тремя числами Ax’b, Ay’b, Az’b. Текущее расстояние между заданными точками составляет ?(А, В). Процесс гибкой модульной сборки в общем заключается в том, что точка В деталей, которые перемещаются в сборочном пространстве, должны быть совмещенными с точкой А неподвижных базовых деталей. Направления векторов, на которых лежат указанные точки, должны быть противоположными. Сборочная траектория подвижной детали будет определяться движением начала координат системы X’ Y’ Z’, то есть точки O’. Потому перемещение точки В собираемой детали учитывается как изменение положения точки O’. Для однозначной связи ориентации точки O’ с осями подвижной системы X’ Y’ Z’ предполагается, что углы прямой O’n, что проходит через точку O’, равны, а сos ? = 0,577.
Функция цели представляется в нормируемом виде по отношению к метрике пространства, в котором определяется расстояние между собираемыми разнотипными деталями. В этом случае в качестве оптимальной функции цели целесообразно использовать распространенное квадратичное выражение от метрики пространства – расстояние между элементами и углами отрезков, которые соединяют эти элементы. Если считать элементами пространства функции цели, которые определяют сборочное перемещение деталей по отношению к базовым, то в общем случае это будет отвечать пространству ?_a^b-|x(t)|dt и существует в смысле Лебега (р = 1, 2, ….), а функция цели определяется как:
где расстояние между координатами векторов определяется метрикой пространства
а угол между этими векторами описывается cos (A,B).
Запрещённые пространства могут быть заданы размерами геометрически фигур, например шара, то есть на функцию цели налагается ограничение
где R, r – радиусы шаров запрещённых пространств. Поскольку расстояние между точками определяется как функция времени изменения координат, то, имея дифференциальные уравнения движения, можно оптимизировать функцию цели и в динамическом процессе. На основании веденных теоретических исследований получены аналитические зависимости оптимизационной модели гибкой модульной сборки разнотипных деталей, которые позволили сформулировать принципиальные положения, подходы, связи и закономерности для разработки гибких модульных технологий и переналаживаемого модульного сборочного оборудования с оснасткой.
При рассмотрении модульных сборочных систем как объекта с определенными взаимосвязями и совокупностью необходимых функций и реализующих целевых модулей, их взаимодействия, для выбранных критериев разработана их классификация. Классификация имеет возможность расширения по новым критериям и углубления за счет ее детализации. Классификация описана с помощью матриц и может быть запрограммированной.
На основании установленных взаимосвязей гибкой модульной автоматической сборки получены типовые схемы структур гибких модульных сборочных систем, которые могут быть представлены комплексным орграфом. Выявленные закономерности развития структур дают возможность осуществлять целенаправленный переход от нужных требований, предъявляемых собираемым деталям к оптимальной структуре гибких модульных сборочных систем, модульных технологий, компоновок переналаживаемого модульного сборочного оборудования и оснастки.
Рис.1.3.2. Схема формирования объёмной матрицы параметров сборочных модулей.
Основными элементами модульной сборочной технологии являются технологические и конструкционные модули, которые математически записываются объемной матрицей, скомпонованной из обычных составляющих матриц (Рис. 1.3.2, составляющие матрицы показаны прямоугольниками). Объемная матрица Mijk описывает общую классификацию сборочных модулей по выбранным критериям в трех направлениях. Передняя вертикальная матрица Mjk описывает разновидности модулей по типу сборочного соединения (направление j) и формой соединяемых поверхностей (k). Любой элемент этой матрицы, например соединение с цилиндрическими поверхностями, уточняется по двум другим критериям, размеру и точности, образуя верхнюю горизонтальную матрицу Mij, а ее элемент является началом боковой вертикальной матрицы Mik, которая конкретизирует способ сборки и производительность. Таким образом, каждый элемент объемной матрицы может быть сколь угодно расширенным. Объемная матрица записывается как:
где: Mij, Mik, Mjk - составляющие объемной матрицы, что является ее пересечением; ? - логическое произведение «i».
В зависимости от глубины конкретизации можно в дальнейшем оперировать операциями над множествами, достигая конкретных оптимальных решений.
Вначале модули следует классифицировать по функциональным элементам сборочной операции. Это модули загрузки, подачи, базирования, установки, пространственного и взаимного ориентирования, сопряжения, фиксации, снятия собранных изделий, транспортировки, контроля, диагностирования и управления. Определены конструкторские и технологические факторы, обусловливающие структуру сборочных модулей: рабочие и базовые поверхности, характер соединения, точность сборки, закрепления, базирования, сборочные движения и тому подобное.
Рис.1.3.3. Схема способа описания технологического модуля сборочного узла.
С использованием разработанного подхода методика описания технологического модуля сборочного узла (Рис. 1.3.3.) предусматривает использование матрицы соединяемых поверхностей деталей М1k, которая описывает сопряжение поверхностей, разновидность соединения и предъявляемые к нему требования. Уточняя соединение поверхностей, следующая матрица макрогеометрии сборочного соединения М2к конкретизирует вид функциональных перемещений, размеры и жесткость собранного узла. Матрица точности М3к Р раскрывает метод достижения точности соединения, отклонения формы и взаимных перемещений. На этом описание конструкторских параметров заканчивается, хотя при необходимости может быть продолжено. Технологические параметры описывают матрицы структур М1t (производительность, способ сборки, структуру процесса), сборочных движений М2t (основные, вспомогательные, разновидности), базирования М3t (способ базирования, технологические базы, число одновременно собираемых деталей), ориентирование М4t (пространственное, взаимное, способ ориентирования), сопряжения M5t (характер сопряжения, фиксации, контроля), сборочной оснастки M6t (оборудование, инструмент, приспособление) и режимов сборки М7t (сила, способ приложения, подача). Матрица организации сборки Мlo имеет те же три направления расширения что и в предыдущих случаях: организационную форму сборки, межоперацион- ные перемещения, транспортное оборудование. Предложено подобное описание собираемых деталей изделий.
С учетом взаимосвязей и закономерностей между сборочными переходами на основе теории структур предложен новый подход к формированию типовых структур модулей и гибких технологических процессов модульной сборки изделий, которые оцениваются оперативным временем и производительностью. В зависимости от степени совмещения основных и вспомогательных переходов получено по три класса и групп с подгруппами вспомогательных модульных процессов. Сформирована 51 типовая структура модулей и технологических модульных процессов. Методика выбора конкурирующих вариантов труктуры проводится вычисления ее производительности и последующего сравнения с требуемой дальнейшей оптимизацией. Выявлено также по три класса и групп структур, шесть подгрупп, которые образуют 18 типовых структур переналадки. Далее варианты структур модулей или модульных сборочных процессов сравниваются по критериям технологической себестоимости, устанавливается рациональная, которая уточняется и оптимизируется. Оптимизация технологических модульных процессов гибкой сборки решается в многоцелевой постановке за комплексным критерием, сущность которого состоит в определении характеристики распределительной функции, стратегии и режимов управления с точки зрения минимизации принятого показателя эффективности. Более просто, но менее точно установить оптимальную структуру процесса гибкой модульной сборки можно с применением теории графов, отображая орграф структур или других элементов гибкой сборки, который в общем случае описывается системой матричных уравнений. Решение находится с помощью известных алгоритмов и программ, как определение минимального или максимального пути в таком графе.
Глава 2
2.1. Проектирование основной платформы сборочной системы.
Проектирование сборочных приспособлений состоит из следующих основных этапов:
Анализ конструкции сборочной единицы (СЕ).
Поиск и анализ уже созданных сборочных приспособлений (СП).
Задание положения СЕ при сборке.
Определение схемы базирования и проектирование базовых элементов.
Задание установочных элементов.
Проектирование каркаса СП.
Определение стандартных и типовых элементов.
Но такой метод проектирования направлен на сборку определенного типа узлов. При проектирование сборочной системы согласно модульному принципу следует начинать с каркаса сборочной системы. Каркас должен позволять устанавливать модули на разной высоте и по всей ширине рабочей плоскости. Необходимо создать платформу с возможностью установки на ней как можно большего количества модулей. Согласно сделанному выводу в главе 1 оптимальным конструкторским решением будет использование угольника. Для удобного перемещения тяжёлых узлов правильнее всего в основание угольника будет использование направляющих в виде ласточкиного хвоста (Рис 2.1.1). На охватывающей детали выполняется один или несколькопазов трапециевиднойформы, а на охватываемой — шипы соответствующей формы и количества.
Такое соединение широко распространено на высоконагруженных прецизионных узлах линейных перемещений. Охватывающие детали изготавливаются из стали. Поверхности фрезеруются специальными профильными фрезами с последующей доводкойшабрениеми полированием.
