Россия
УДК 621.757 (Сборка, монтаж в целом)
Сборка является важным этапом производства, оказывающим значительное влияние на качество изготовленных изделий. В связи с усложнением конструкций, повышением требований к качеству и повышением технико-экономических характеристик выпускаемых изделий, а также с постоянным научно-техническим прогрессом в машиностроении, задача гарантирования качества и достижения максимальной идентичности изделий становится все более актуальной. Успешность реализации проектов автоматизации сборочного производства связана с необходимостью параллельности геометрического и технологического проектирования. В статье излагается подход к решению данной проблемы на основе последовательного технологического совершенствования изделия с позиций сборки. В настоящее время проблема качества сборки является ключевой в машиностроении. В статье рассмотрены взаимосвязь сборки со всеми предшествующими этапами производства. Был произведен анализ проблем, связанных с сборочным производством в данной области. Уровень автоматизации сборки в России в области машиностроения не превышает 10 %. Повышение уровня автоматизации сборки может быть достигнуто только на основе создания и исследования новых методов автоматической и роботизированной сборки. В статье излагаются технологические возможности и области применения новых методов автоматической сборки. Анализируются возможности образцов экспериментального сборочного оборудования, созданного и исследованного в университетах России. Особой проблемой является отсутствие в России централизованного производителя автоматического сборочного оборудования. В статье обращается внимание на необходимость перехода к созданию и внедрению интеллектуального сборочного оборудования и технологий. В результате этого анализа выявлены вопросы, решение которых может быть реализовано на отраслевом и государственном уровнях.
сборочное производство, точность сборки, технологии сборки, эффективность производства, оборудование на агрегатно-модульной основе, технологичность изделий, системы CAD/CAM/CAPP, САПР
Введение
Сборка тесно связана со всеми предыдущими этапами производства, и качество сборки непосредственно зависит от качества этих этапов. Одной из причин проблем с качеством сборки является то, что часто на этом этапе работают сотрудники с низкой квалификацией, у которых отсутствуют необходимые контрольно-измерительные инструменты. В результате этого возникают дефекты, которые могут привести к низкой надежности и большому проценту отказов машин и приборов.
Проблемы сборочного производства, перечисленные [1], уже довольно известны. Проблемы автоматизации сборки включают недостаточный уровень развития теории и технологии, неэффективность конструкций, множество видов соединений и условий сборки, требование точного взаимного ориентирования деталей, а также наличие размерных, кинематических и динамических связей в машинах. В России отсутствует централизованный производитель модульного сборочного оборудования. Оборудование, как правило, создается под функционал неавтоматизированного производства. Кроме того, конструкторская и технологическая подготовка не всегда взаимосвязаны, что может приводить к потере информации, а также несовершенству нормативных документов, регулирующих качество сборки.
Совершенствование сборки ведется по следующим направлениям [2]:
– обеспечение технологичности конструкций изделий;
– обеспечение параллельности конструкторско-технологического проектирования на основе методов CAD\CAM\CAE;
– модульный принцип конструирования изделий;
– создание и освоение в производстве новых методов сборки;
– обеспечение стабильного качества сборки на основе автоматизации и роботизации сборочных процессов;
– разработка адаптивного сборочного оборудования, обеспечивающего широкие возможности переналадки;
– технологическое проектирование сборки на основе принципов технологической наследственности.
Для создания эффективного технологического оборудования важно использовать подход, основанный на агрегатно-модульной конструкции с использованием нормализованных узлов, называемых технологическими модулями. Этот подход позволяет создавать многоразово используемые модули для различных целей, что ускоряет процесс разработки и снижает издержки. Многие производители в мире используют подобный подход, среди которых фирмы Bosch, Renault, Sormel, Hitachi, Citizen Watch, Sortimat и НПО «Автопромсборка». Существуют также специализированные научно-технические журналы, посвященные сборке машин и приборов, которые издаются в России, Польше, Великобритании и США.
Для мелко- и среднесерийного производства эффективность сборочного процесса повышается благодаря использованию гибких сборочных систем, основанных на переналаживаемом технологическом оборудовании. Гибкость остается важным аспектом и при массовом производстве. Тем не менее, автоматизация и роботизация сборочного производства представляют собой особую проблему, которая требует особого внимания.
В условиях мелко- и среднесерийного производства достижение высокой эффективности сборочного производства связано с использованием гибких сборочных систем на базе переналаживаемого технологического оборудования. Важность гибкости подчеркивается также и в условиях массового производства. Следует отметить, что автоматизация и роботизация сборочного производства представляют особую сложность.
Анализ технологических требований к
изделию и выявление сборочных задач
При разработке технологии сборки необходимо провести анализ первичных данных, включающих конструкторскую документацию, программу выпуска, продолжительность выпуска изделия, имеющиеся производственные ресурсы, каталоги необходимого сборочного оборудования и оснастки, а также информацию о предыдущих технологических процессах и рекомендации по технологическим режимам и инструкции.
Основными технологическими задачами, которые должны учитываться и обеспечиваться технологическим процессом являются [3]: точность пространственного положения деталей в собранном изделии; точность кинематики в изделии; обеспечение герметичности изделий и соединений; температурные условия эксплуатации; точность фиксации деталей; обеспечение требуемого дисбаланса в изделии; точность момента затяжки.
В настоящее время проблемы методологии связаны с нарушением принципов передачи достоверной информации при технической подготовке производства. Одной из таких проблем, на которую обращает внимание компания ADEM [4], является отсутствие стандарта на формат 3D-модели, содержащей конструкторские данные, такие как геометрия детали, пространственные отклонения, шероховатость и т. д.
Технологичность конструкций изделий
при сборке
Для обеспечения технологичности изделий необходимо установить связь между конструкцией и технологией. Однако до настоящего времени это является менее формализованной задачей технической подготовки производства, решаемой эвристическим подходом и зависящей от квалификации специалистов. Подобное положение значительно осложняет возможности автоматизации сборки изделий. После завершение конструкторской подготовки производства внесение принципиальных изменений в конструкцию изделия становится невозможным. Это связано с возрастанием сроков подготовки производства и необходимостью проведения дополнительных экспериментов. Доступные САПР не решают эту проблему. Только интеграция CAD\CAM\CAPР-систем может решить данную проблему. Известно решение на основе объединения Solid Work и программного обеспечения DFMA от компании «Boothroyd and Dewhurst Inc.» (США) (рис. 1).
В работе [6] описан метод подготовки сборочного производства на основе параллельного конструкторско-технологического проектирования. Основная цель данного подхода – избежать необходимости переработки изделия, сократить время подготовки производства и уменьшить затраты. Однако для этого необходимо применять соответствующие методы и процедуры. Существует два возможных подхода для решения данной проблемы: использование технологических усовершенствований на прототипе или формирование множества технических решений и их последующая оптимизация (рис. 2).
В настоящее время существует два основных типа методов обеспечения качества сборки – пассивные и активные (рис. 3).
Выбор конкретного метода зависит от соотношения между конструкторским и технологическим допусками, а также от экономических факторов. Современные методы обеспечения точности сборки учитывают асимметричное распределение размеров сопрягаемых деталей.
Использование классической селективной сборки в случае асимметричного распределения размеров может привести к большому объему незавершенного производства, что является проблемой (рис. 4). Для снижения объема незавершенного производства успешно применяется метод межгрупповой взаимозаменяемости (рис. 5) [7, 8]. Современное производство горного оборудования успешно использует данный метод.
Группа методов, направленных на формирование точности изделия, называется «активными». Они основаны на применении активных метрик и включают в себя такие методы, как пригонка, регулирование, использование компенсирующих материалов, применение виртуальных моделей, индивидуальная селекция и ультразвуковые методы контроля качества.
В некоторых случаях при производстве авиационных двигателей или автомобилей представительского класса применяют методы пригонки деталей, что увеличивает трудоемкость сборки и может привести к неоднократным переборкам изделий.
Метод функциональной взаимозаменяемости является альтернативой применения метода пригонки [9]. Качество сборки оценивается не на основе размерного анализа изделия, а на основе обеспечения функционального параметра. Варьирование взаимного углового положения деталей позволяет добиться требуемых выходных параметров. Все шире при технологической подготовке производства применяется виртуальная сборка на основе CAD-моделей. Метод наиболее эффективен при сборке деталей сложного профиля.
В промышленной практике актуальны методы сборки, использующие компенсаторы, включая сборку с компенсирующими материалами (например, пластмассами и легкоплавкими металлами). Одним из новых методов, получивших название «injected metal», является заливка легкоплавким металлом из искусственно созданного большого зазора в цилиндрическом соединении.
Для серийного производства может быть эффективен метод индивидуального подбора деталей. В России были разработаны соответствующие теоретические и информационные ресурсы для его реализации в машиностроении.
При производстве изделий выбор метода сопряжения является важным фактором. В настоящее время разработаны новые методы, которые позволяют контролировать прочность прессовых соединений на основе заданных параметров качества при механической обработке сопрягаемых поверхностей [10]. Кроме того, для улучшения качества прессовых соединений и их нагрузочной способности можно использовать ультразвук [11]. Применение ультразвуковых колебаний позволяет повысить качество соединений благодаря эффекту УЗ-сварки.
Если условия собираемости, основанные на размерном анализе позиций, не выполнены, то применяют адаптивную сборку. Технические решения на основе адаптивной сборки описаны в технической литературе и могут быть реализованы с использованием пассивной или активной адаптаций [12]. Методы активной адаптации находятся на стадии исследований. В Ковровской государственной технологической академии давно и успешно занимаются исследованием и разработкой устройств пассивной адаптации для резьбовых соединений [13] (рис. 7). В основе метода заложена последовательная работа двух кинематических цепей устройства.
Компания AtlasCopco (США) предлагает инновационные решения для сборочных систем, включая интеллектуальные гайковерты. Эти решения могут быть как ручными, так и автоматическими. Использование виртуальных станций позволяет контролировать инструмент, обмениваться данными и проверять аксессуары. За счет применения интеллектуального модуля, можно хранить информацию обо всех выполненных операциях и легко настраивать электрические гайковерты.
Для проектирования автоматической сборочной операции необходимо выполнить ряд дополнительных шагов. Основные этапы автоматической сборки включают в себя проверку технологичности изделия для автоматизированной сборки, выбор способа и устройств для автоматической загрузки деталей, разработку технических решений для автоматического ориентирования деталей, проверку условий собираемости в автоматическом режиме, а также выбор методов и технических средств для автоматического контроля в процессе выполнения автоматической сборки.
Проблема автоматизации сборки широко освещена в специальной технической литературе [14]. Решение этой задачи достаточно сложно и требует определенного опыта, особенно учитывая ограниченность стандартного оборудования для автоматической сборки на рынке. В России отсутствует централизованный производитель сборочного оборудования, и заказчикам приходится проектировать нестандартное технологическое оборудование. Тем не менее, за последние годы были известны успешные примеры автоматизации сборочных процессов малыми научно-производственными компаниями.
Одной из серьезных проблем автоматической сборки является необходимость обеспечения точности соединений, которая постоянно возрастает. При роботизированной сборке деталей возможны осевые или угловые погрешности положения из-за неточности движений робота-манипулятора, недостаточной повторяемости и геометрических погрешностей деталей. Для корректировки их используется точное движение, которое называется адаптацией движения, и может быть выполнено путем активной или пассивной адаптации, или их комбинации. При сборке с высокой точностью и малыми зазорами наиболее эффективна активная адаптация, основанная на управлении с обратной связью с помощью силомоментных датчиков или технического зрения. Однако теоретические основы роботизированной сборки с активной адаптацией пока недостаточно разработаны. В работе [15] представлено исследование, удостоверяющее технологическую надежность процесса сборки на основе обратной связи и алгоритмов корректировки программных траекторий для соединений «вал ‒ втулка» (рис. 8).
Были разработаны математические модели контактных состояний для роботизированной сборки цилиндрических соединений. Использование идентификатора положения деталей позволяет установить их положение на основе контактных реакций в зоне соединения. Была доказана высокая эффективность модели Гауссовой смеси распределения на основе ожидания максимизации для идентификации контактных состояний деталей в процессе роботизированной сборки. Результаты экспериментальных исследований подтверждают, что алгоритм позиционно-силового управления при роботизированной сборке позволяет сократить величину сборочной силы с 120 до 40 Н для соединений с зазором 0,4 мм, а также увеличить глубину сопряжения с 10 до 50 мм [15] (рис. 9).
В России осуществляется процесс разработки специализированного технологического оборудования и автоматизированных линий для оборонной промышленности, в том числе для производства патронов. На текущий момент исследования и работы по разработке новых образцов технологического оборудования проводятся в ряде высших учебных заведениях РФ.
Заключение
В ближайшей перспективе ожидается значительная трансформация сборочного производства. Одним из первоочередных шагов должна стать автоматизация отдельных позиций. Следующим этапом станет автоматизация технологических систем. С учетом сложившейся многономенклатурности современного производства стоит задача переноса решений, оправдавших себя в массовом и крупносерийном производстве. Хорошие перспективы применения имеет адаптивная сборочная оснастка.
Поскольку четвертая промышленная революция в первую очередь означает автоматизацию производства, изделия должны быть спроектированы с учетом технологичности автоматической сборки. Для решения вызванных данной революцией проблем необходимо использовать модульное автоматическое сборочное оборудование. Расширение сферы применения аддитивных технологий также приведет к существенным трансформациям в производстве сборки. Это связано с тем, что аддитивные технологии не требуют ограничений для проектирования изделий в соответствии с методами их производства. Например, в перспективе возможно исключить разбиение корпуса агрегатов на несколько составных частей благодаря использованию аддитивных технологий, что приведет к значительному уменьшению объема сборочных работ.
Сборочное производство играет ключевую роль в обеспечении качества промышленной продукции. От того как правильно выбраны и реализованы технологические решения зависит успешность изделий на рынке.
1. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х томах. Том 2 / Под ред. А.С. Васильева, А.А. Кутина. 6-е изд., перераб. и доп. М., Инновационное машиностроение, 2018. 818 c. ISBN: 978-5-6040281-7-9
2. Безъязычный В.Ф., Семенов А.Н. Научные и методические основы сборки. Состояние теории // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2004. №4. C. 3-7.
3. Холодкова А.Г., Кристаль М.Г., Штриков Б.Л. и др. Технология автоматической сборки. М., Машиностроение, 2010. 560 с. ISBN: 978-5-217-03412-3
4. Зинченко Д. Особенности и преимущества системы ADEM области создания управляющих программ для станков с ЧПУ // «Станкоинструмент». 2019. №1 (014). С. 72-80. DOI:https://doi.org/10.22184/2499-9407.2019.14.01.72.80
5. Попов А.М. Повышение сборочной технологичности конструкций изделий в интегрированных системах автоматизированного проектирования // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2012. №1. С. 14-19. EDN: PGPJJP
6. Вартанов М.В. Методологическое обеспечение технологичности конструкций изделий машиностроения в процессе проектирования // Автоматизация и современные технологии. 2016. С. 33-36.
7. Набатников Ю.Ф. Метод селективной сборки в условиях мелкосерийного производства // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2012. №9. С. 19-32. EDN: PYRMJH
8. Сорокин М.Н., Ануров Ю.Н. Анализ собираемости изделий типа «вал-втулка» // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2012. №1. С. 23-26. EDN: PGPJKJ
9. Семенов А.Н., Сазанов А.А. Особенности обеспечения функционального качества авиационной топливной форсунки на этапе сборки // 2-й международный научно-технический семинар «Современные технологии сборки», М., МГТУ «МАМИ». 2011. С. 65-71.
10. Безъязычный В.Ф., Федулов В.М. К вопросу технологического обеспечения качества соединений деталей при сборке с гарантированных натягом // «Сборка в машиностроении, приборостроении». 2012. № 6. С. 33-41.
11. Шуваев В.Г. Обеспечение качества прессовых соединений методами вибрационной диагностики при ультразвуковой сборке \\ МНТС «Современные технологии сборки», Москва, МГТУ «МАМИ». 2013. С. 126-131.
12. Кузнецова С.В., Симаков А.Л., Вартанов М.В., Зинина И.Н. Синтез управления процессом адаптации детали при сборке методом обратной задачи динамики // Проблемы машиностроения и автоматизации. 2019. №3. С. 104-111. EDN: UGUHCZ
13. Житников Ю.З., Житников Б.Ю. Обоснование универсальной кинематической схемы многошпиндельных гайковертов с произвольным числом шпинделей на основе структурных схем управления процессом сборки // Современные технологии сборки: матер. VI междунар. науч.-техн. семинара; под ред. М.В. Вартанова. М.:Московский Политех. 2019. С. 40-45. EDN: EEPMLE
14. Машиностроение. Энциклопедия / Ред. совет: К.В. Фролов (пред.) и др. М.: Машиностроение. Технология сборки в машиностроении. Том III-5 // А.А. Гусев, В.В. Павлов; под ред. Ю.М. Соломенцева. М.: Машиностроение, 2001. 640 с. ISBN: 5-217-01959-Х
15. Нгуен Ван Зунг. Повышение технологической надежности роботизированной сборки на основе разработки алгоритма управления роботом \\ Известия ТулГУ. 2022. № 4. С. 518-528.
