УДК 621.757
Автор: В.Г. Шуваев, В.А. Папшев
Источник: Ежемесячный научно-технический и производственный журнал «Сборка в машиностроении, приборостроении» 11-2009 (112)
В.Г. Шуваев, В.А. Папшев Устройство для пространственного ориентирования деталей при автоматизированной сборке путем формирования сложного колебательного движения.
В статье рассмотрены вопросы автоматизации сборочных операций на основе применения пассивных средств адаптации. Описано вибрационное устройство для позиционирования собираемых деталей путем формирования сложного колебательного движения рабочего органа.
The article deals with assembly automation by means of passive adapting. It gives the description of vibration device for assembling details set-in by compound oscillatory motion forming of movable operating element.
Ключевые слова: автоматизированная сборка, активная адаптация, пассивная адаптация, пространственное ориентирование.
Key words: automated assembling, active adapting, passiveadapting, space orientation.
В настоящее время широкое применение промышленных роботов при автоматизации сборочных операций сдерживается сложностью разработки и реализации алгоритмов пространственного ориентирования, начального контактирования и захода собираемых деталей, что в реальных условиях приводит к их «закусыванию» и необходимости повторного ориентирования и сопряжения деталей. В связи с этим находят применение методы активной и пассивной адаптации взаимного положения деталей. Известно, что активная адаптация устраняет ошибки позиционирования за счет систем обратной связи, для создания которых требуется сложное и дорогостоящее оборудование (датчики, аппаратура управления, двигатели). В то же время считается, что активную адаптацию труднее применять для массивных деталей [1, 2].
Вместе с тем существуют альтернативные методы пассивной адаптации, основанные на наличии в кинематической схеме процесса сборки элементов направленной жесткости. Деформация этих элементов приводит к возникновению упругих сил, компенсирующих погрешность взаимной ориентации собираемых деталей. Многие авторы [1, 2] считают, что методы пассивной адаптации по сравнению с активной более эффективны по показателям экономических затрат, простоты и надежности настройки и работы оборудования.
Одним из путей повышения производительности и расширения технологических возможностей за счет обеспечения пространственного относительного ориентирования собираемых деталей и увеличения скорости автоматизированной сборки является введение ультразвуковых колебаний в сборочный процесс. В работах [3, 4] используются возможности ультразвука для получения поискового движения при сборке прессовых соединений.
Для автоматизации процессов сборки деталей типа «вал – втулка» с помощью манипуляторов и промышленных роботов разработано устройство [4], осуществляющее автоматическое позиционирование собираемых деталей за счет формирования сложного колебательного движения рабочего органа. На рисунке представлено устройство для сообщения колебательных движений собираемым деталям, которое содержит генератор электрических колебаний (на рисунке не показан), рабочий орган 1 и соединенную с ним пружину 2, выполненную в виде спирали Архимеда. Второй конец пружины посредством пьезокерамического привода 4 колебательного движения закреплен на корпусе 3 устройства, а пьезокерамические пластины поджаты к концентратору 5 с помощью шпильки 6 и гайки 7 с мелкой резьбой.
При подаче напряжения питания на обкладки пьезокерамического привода 4 колебательного движения он вследствие обратного пьезоэффекта изменяет свои геометрические размеры и возбуждает механические колебания в спиральной пружине 2 с закрепленным рабочим органом 1. Траектория возбуждаемых в рабочем органе колебаний имеет сложный характер, что определяется особенностями взаимодействия привода 4 и пружины 2.
Так как привод установлен в плоскости спиральной пружины, в ней возбуждается, во-первых, упругая волна продольных колебаний, формирующая амплитуду колебаний рабочего органа 1 в направлении, совпадающем с касательной в точке крепления рабочего органа к спиральной пружине (по оси ординат), а во-вторых, в силу спирального выполнения пружины в ней формируется изгибная волна колебаний с пучностью в месте крепления к ней рабочего органа. Изгибная волна вызывает колебания рабочего органа в направлении, перпендикулярном обеспечиваемому продольной волной, т.е. по оси абсцисс.
Поскольку оба типа колебаний имеют одну частоту, а именно частоту колебательной системы, образованной рабочим органом, спиральной пружиной и приводом колебательного движения, сложение амплитуд этих колебаний с взаимно-перпендикулярными векторами обеспечивает в общем случае эллиптическую траекторию движения рабочего органа. Эллиптичность траектории движения обусловлена различием амплитуд колебаний (амплитуда изгибных колебаний в данном случае будет больше амплитуды колебаний, формируемых продольной волной).
В продольных волнах движение происходит симметрично оси стержня и преобладает осевая (продольная) компонента смещения. В изгибных волнах ось стержня претерпевает изгиб и преобладает поперечная компонента смещения.
Изгибные волны представляют собой деформации изгиба, распространяющиеся в стержнях и пластинах. В стержне направлением распространения волны является его ось. При распространении изгибных волн каждый элемент стержня смещается перпендикулярно оси стержня. Изгибные волны малых амплитуд в стержне описываются уравнением [5].
где ρ – плотность материала стержня; t – время;
z – координата вдоль оси стержня;
u – смещение элементов стержня;
E – модуль Юнга;
R – радиус инерции поперечного сечения стержня относительно оси, перпендикулярной плоскости изгиба и проходящей через нейтральную поверхность.
Фазовая скорость изгибной волны частотой в стержне равна:
Эта скорость много меньше фазовой скорости продольных волн в стержне, определяемой соотношением:
Колебания возбуждались пакетом, набранным из четырех–шести серийно выпускаемых пьезокерамических шайб осевой поляризации типа ЦТС19 диаметром 46 мм, толщиной 9 мм каждая, причем между собой они соединены механически последовательно, а электрически – параллельно с соблюдением соответствующей полярности. Амплитуда продольных колебаний после усиления концентратором достигала 60 мкм, а изгибные колебания при этом составляли от 50 до 500 мкм в зависимости от величины приложенного электрического напряжения с генератора колебаний.
Так как скорость распространения продольной волны в металлах почти в два раза выше скорости распространения изгибной волны, то возникающий фазовый сдвиг (набег) приводит к вращению эллиптической траектории движения рабочего органа, за счет чего осуществляется автоматическое перемещение сопрягаемых деталей. При выключении напряжения питания привода 4 колебательного движения колебания спиральной пружины будут экспоненциально затухать и траектория движения рабочего органа примет форму сходящейся спирали, что дает возможность автоматически осуществить центровку сопрягаемых деталей.
Применение дополнительных колебательных воздействий продольных и изгибных волн дает возможность автоматически осуществлять пространственное ориентирование собираемых деталей, что расширяет технологические возможности и повышает производительность сборочных операций при роботизированной сборке.
1. Макущенко Т.В., Малицкий И.Ф. Роботизация сборочных операций с применением пассивной коррекции деталей // Вестник машиностроения. – 1992. № 5. С. 38–39.
2. Божкова Л.В., Вартанов М.В., Кольчугин Е.И. Экспериментальная установка для роботизированной сборки на основе пассивной адаптации и низкочастотных колебаний // Сборка в машиностроении, приборостроении. – 2009. № 1. С. 5–7.
3. Бакшис Б.П., Повиленис А_Б.Б., Скучас И.Ю. Вибрационное перемещение и автоматическая сборка с помощью стоячей упругой волны // Автоматизация сборочных процессов. – Рига: 1988. № 15. С. 42–49.
4. А.с. № 1804994, 30.03.93. Бюл. № 12. Устройство для сообщения колебательного движения собираемым деталям / В.М. Колокольцев, В.Г. Шуваев.
5. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. ред. И.П. Голямина. – М.: Советская энциклопедия, 1979. 400 с.