Состояние и перспективы автоматизации сборочных работ

Тру­доемкость сборочных работ в машиностроении составляет 25-30% от общей трудоемкости изготовления изделий и они занимают по трудоемкости второе место после механиче­ской обработки. В индивидуальном и мелкосерийном производстве трудоемкость сборки нередко возрастает до 40% из-за большого объема пригоночных работ. Трудоемкость сборочных работ непрерывно возрастает, а численность рабочих в сборочных цехах растет быстрее, чем в обрабатываю­щих. Это обусловлено тем, что механизация и автоматизация сборочного производства проводится недостаточно полно и эф­фективно.

Сейчас механи­зировано около 35% и автоматизировано около 15% сборочных работ. Уровень автоматизации в сборочных цехах ниже уровня автоматизации заготовительных и обрабатывающих цехов. Себестоимость выполнения сборки нередко достигает себестоимости механической обработки деталей изделия.

Автоматизация сборки обеспечивает: повышение качества изде­лий; увеличение производительности труда; уменьшение себестоимости сборочных работ; высвобождение рабочих; облегчение и оздоровление условий труда; уменьшение производственных площадей. Автоматизация расширяет технологические возможности сборки. На автоматах можно собирать такие изделия, сборка которых вручную невозможна (сборка в вакууме и в опасных условиях). Автоматическая сборка снижает производственный травматизм рабочих. Несмотря на эти преимущества, автоматическую сборку внедряют медленно.

Препятствием на пути автоматизации сборочных работ являются технологическая неотработанность конструкций собираемых изделий, недостаточная унификация и малая серийность выпуска изделий, недостаток или отсутствие типового автоматического сбо­рочного специализированного оборудования, недостаточно высокое качество деталей собираемых изделий, необеспеченность конструкторов сборочного оборудования необходимыми расчетными и справочными материалами, а также ограниченное количество проверенных на производстве решений.

Технологичность конструкции собираемых изделий имеет важное значение для условий автоматизации. Требования по тех­нологичности конструкции предъявляются как к отдельным деталям, так и к изделию в целом. Конструкция изделия и его элементов должна быть удобной для выполнения всех элементов авто­матической сборки.

Недостаточная серийность выпуска и необоснованно широкая номенклатура отдельных изделий также создает трудности при автоматизации сборочных работ. Проводимая в промышленности нормализация и унификация изделий существенно увеличивает выпуск и создает предпосылки для организации централизованных производств с достаточно полной автоматизацией всех этапов технологического процесса их изготовления. Это мероприятие позволяет широко осуществлять конструктивную преемственность при переходе к производству новой конструкции и сократить сроки подготовки производства.

Технологический процесс автоматической сборки существенно отличается от технологического процесса ручной и механизированной сборки. Если при ручной сборке небольших изделий часто требуются только простейшие инструменты, то при автоматиче­ской сборке тех же изделий необходим сложный комплекс автоматически действующих устройств, надежно выполняющих все переходы сборки. Так, для выполнения сборки изделия на автоматической сборочной установке нужно иметь: 1)бункерно-ориентирующие устройства для деталей изделия, кассеты или магазины, загружаемые более сложными, по своей конфигурации деталями в предварительно ориентированном виде, 2)накопители, соединяемые с загрузочными устройствами лотками; 3)отсекатели – устройства для поштучной выдачи деталей из накопителя на сборочную позицию автомата; 4)питатели — устройства для передачи детали из накопителя на сборочную позицию автомата; 5)устройства для скрепления соединяемых деталей путем запрессовки, склеивания и дру­гими методами; 6)устройства, выполняющие специальные функции; 7)устройства, контролирующие правильность выполняемых соединений; 8)механизмы для удаления собранного изделия.

Сложные базовые детали собираемого изделия устанавливают в сборочное приспособление вручную или механической рукой из магазина с последую­щим ее закреплением и откреплением в конце сборки.

Большое препятствие для автоматизации сборочных работ - сложившаяся практика индивидуального конструирования и изготовления сборочного оборудования. Каждая сборочная машина в большинстве случаев это специальная машина. Из экономиче­ских соображений все расходы на конструирование, изготовление и отладку машины должны быть погашены за срок меньший, чем намечаемая продолжительность выпуска продукции. В обычных условиях эта продолжительность составляет пять лет; в условиях технического прогресса она имеет тенденцию к сокращению. Сборочное оборудование обычно изготовляют силами заводов-потребителей, а не специализированными предприятиями. Это приводит к удлинению сроков и увели­чению стоимости изготовления оборудования. Во многих случаях сроки его окупаемости превышают допустимые, что сужает в дан­ных условиях экономическую целесообразность автоматизации сборки. Радикальный путь устранения этого недостатка — орга­низация централизованного производства нормализованных типовых исполнительных устройств, из которых по принципу агрегатирования можно быстро компоновать необходимые автоматиче­ские сборочные установки. При данной системе можно вторично использовать типовые устройства для новых компоновок. В этих условиях резко снижается себестоимость изготовления автомати­ческого сборочного оборудования, а сроки окупаемости его сокра­щаются. Перспективна разработка и использование переналажи­ваемого многоцелевого сборочного оборудования. К нему следует отнести сборочные роботы.

Автоматическая сборка обусловливает необходимость точного и качественного изготовления сопрягаемых деталей, ее выполня­ют по принципу полной и частичной взаимозаменяемости. Она исключает пригонку и подбор деталей, что допускается при ручной сборке. Неточно изготовленные и некачественно очищен­ные детали вызывают остановку сборочной машины. Если коли­чество деталей в изделии велико, то машина может останавли­ваться настолько часто, что это существенно снижает производи­тельность автоматической сборки. Некачественно изготовленные детали — одна из основных причин отказов сборочного оборудования. Отказы самого оборудования по причинам его разрегулирования, износа и конструктивного несовершенства более редки.

Проектированию автоматический сборки изделий предшеству­ет выявление ее технико-экономической целесообразности, если она не диктуется только необходимостью облегчения и оздоров­ления труда сборщиков. Вначале собирают конструктивные и тех­нологические сведения об изделии и данные об экономике его производства; выясняют перспективный объем выпуска изделий и предполагаемую продолжительность их производства до пере­хода на новую продукцию. Отличные условия для автоматической сборки представляются при большой программе выпуска трудо­емких изделий и высокой технологичности их конструкции, весьма плохие — при незначительной программе выпуска, малой тру­доемкости и недостаточной технологичности конструкции изделий.

В основу проектируемой автоматической сборки должна быть положена хорошо отработанная и проверенная технология. Недопустимо простое копирование ручной сборки. Вместе с тем при­нятый вариант должен быть по своим технико-экономическим показателям лучше существующего и возможного технологиче­ского процесса ручной сборки.

Во многих случаях целесообразна частичная автоматизация сборки. Полная автоматизация более целесообразна на узловой сборке. На общей сборке изделий обычно применяют частичную автоматизацию, осуществляя на остальных участках механизиро­ванную сборку. Вопрос о степени автоматизации сборки решается на основе анализа собранного исходного материала и технико-экономических обоснований.

В условиях автоматизации выбор технологического варианта должен базироваться на точных расчетах. Весьма нежелательны последующие изменения принятых и осуществленных решений, так как это увеличивает сроки подготовки и издержки производ­ства. В этих условиях особую значимость приобретают научные основы автоматизации сборочных процессов. Их разработка тесно связана с глубоким и всесторонним изучением физической сущности сборочных процессов в целях выявления основных закономерностей их протекания и эффективного управления ими. Они должны содержать рекомендации для построения технологических процессов автоматической сборки с подробным изложением таких вопросов, как установление содержания и последователь­ности выполнения сборочных и вспомогательных операций, выбор методов автоматизации сборки, выяв­ление целесообразной степени концентрации технологических переходов, обеспечение заданной точности и производительности, ориентация и базирование деталей на сборочных позициях, выбор типа оборудования, установле­ние режима работы сборочного оборудования, а также технологи­ческое обеспечение собираемости элементов изделия и стабильного протекания технологического процесса сборки.

Научные основы должны содержать расчетные и справочные данные в виде математических зависимостей, таблиц, графиков и конкретных рекомендаций для решения перечисленных вопросов. Имея математические и логические связи этапов решаемой задачи, можно эффективно использовать ЭВМ для проектирования технологических про­цессов автоматической сборки.

Внедрению типовых и групповых процессов автоматической сборки должна предшествовать большая и трудоемкая работа по нормализации и унификации объектов производства. На базе научных основ автоматизации сборочных процессов решают важную задачу по разработке технологических основ проектирования сборочного автоматического оборудования. В ос­нову проектирования средств автоматизации должна быть поло­жена типизация технологических процессов сборки и создание типовых исполнительных устройств целевого на­значения. Задача создания технологических основ проектирования сборочного автоматического оборудования включает в себя раз­работку общей методики и решения ряда частных специфических вопросов: обеспечение заданной точности и производительности оборудования; вопросы кинематики и динамики; выбор общей компоновки, структуры системы управления и блокировки автоматов; вопросы нормализации, подготовка расчетных и справочных материалов. Работа по автоматизации сборки должна вестись не только по исследованию существующих процессов, но и в направ­лении поиска новых прогрессивных решений в области техноло­гии и средств автоматизации.

ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИИ ИЗДЕЛИЙ ПРИ

АВТОМАТИЧЕСКОЙ СБОРКЕ

При анализе вопросов технологичности конструкции целесо­образно выделять вопросы технологичности деталей и изделия в целом, а также вопросы технологичности выполнения соедине­ний элементов изделия. Общие тре­бования, предъявляемые к деталям изделия.

1.При автоматической сборке деталям изделия целесообразно придавать простые и симметричные формы. Это упрощает ориентацию деталей при выдаче их из бункерно-ориентирующих уст­ройств на рабочую позицию автомата.

Главные факторы, определяющие сложность процесса автома­тического ориентирования деталей – количество осей и плоско­стей симметрии, которые имеет деталь и соотношение ее габаритных размеров.

Детали, подлежащие ориентации, можно разбить на три основные группы: к первой относятся детали, имеющие ось вращения; ко второй — детали, имеющие плоскости симметрии; к третьей — детали, не имеющие плоскости симметрии.

Детали второй группы можно разбить на три класса. Детали первого класса имеют три плоскости симметрии второго класса — две плоскости симметрии, третьего класса — одну плоскость симметрии.

С возрастанием порядкового номера класса увеличивается количество возможных положений детали на лотке ориентирующего устройства, а следовательно, усложняется и процесс ее ориентации.

Задача автоматической ориентации часто затрудняется или становится практически невозможной в тех случаях, когда несимметричность детали выражается слабо различимыми внешними признаками.

2.Конструкция деталей должна быть такой, чтобы при выдаче их из бункерно-ориентирующих устройств они взаимно не сцеплялись в виде двух или многозвенных цепочек, образование которых приводит к прекращению выдачи деталей из бункеров и остановке автоматических сборочных устройств. При наличии приспособления, сбрасывающего сцепленные детали обратно в чашу бункера, указанный недостаток не устраняется. Сцепленные детали не разъединяются, а напротив из них могут образоваться более сложные соединения, затрудняющие выдачу деталей из бункера.

3.Детали, сопрягающиеся с зазором или натягом, целесообразно выполнять с фасками или направляющими элементами. Наличие фасок обеспечивает лучшее направление сопрягаемых поверхностей на сборочной позиции автомата. В этом случае точность взаимного положения соединяемых деталей в исходном положении перед началом сопряжения, а также требова­ния к точности изготовления сборочного автомата и установочно­го приспособления в целом могут быть снижены. Особенно полезны фаски при сборке сопряжений в углублениях. Для лучшего сопряжения соединяемых деталей их острые углы следует закруглять. При соединении деталей с гарантированным натягом фаски или галтели способствуют более качественному сопряжению.

4.Базовые детали изделий при автоматической оборке долж­ны просто и надежно устанавливаться и закрепляться на рабо­чих позициях автоматов и автоматических линий. Их базовые поверхности следует выбирать так, чтобы по возможности соблю­дались принципы совмещения и постоянства баз. Первый принцип обеспечивает большую точность сборки. Второй позволяет осуществлять сборку на всех позициях автоматической линии без изменения положения базовой детали или при одном закреплении в однотипных приспособлениях-спутниках. В качестве базовых элементов желательно выбирать достаточно протяженные поверхности, обеспечивающие собираемому узлу хорошую устойчивость ври воздействии сил, возникающих в процессе сборки.

5.При корректировке конструкций изделий следует стремиться в максимальной степени к использованию унифицированных стандартных и нормализованных деталей, а также к унификации элементов оригинальных деталей. Это дает значительное снижение трудоемкости процессов производства и сокращает номенкла­туру технологической оснастки, необходимой для изготовления деталей. Применительно к условиям автоматической сборки это мероприятие позволяет в большей мере использовать однотипные исполнительные и вспомогательные устройства автоматов, что весьма положительно влияет на их упрощение конструкции, со­кращение сроков и себестоимости изготовления. Сокращение номенклатуры деталей изделий создает выгодные предпосылки для разработки типовых исполнительных нормализованных узлов, из которых по принципу агрегатирования можно компоновать различные типы сборочных автоматов.

6.Для предупреждения заедания и торможения деталей в лотках их поверхность должна быть достаточно гладкой, на ней не должно быть заусенцев, которые могут препятствовать движению деталей в лотках и направляющих устройствах, создавать затруд­нения при выполнении сопряжений и искажать взаимное поло­жение соединяемых деталей в изделии.

К деталям, поступающим на автоматическую сборку, часто предъявляют более высокие требования по точности изготовле­ния. Это обусловлено не только необходимостью получения заданного качества сопряжений в условиях автоматизации, но и условиями обеспечения стабильной работы всего комплекса устройств автоматического сборочного оборудования. Перед загрузкой деталей в бункерные устройства или в мага­зинные питатели их тщательно очищают от возможных загрязне­ний. Детали тонкие и малых размеров должны быть сухими, в противном случае они могут прилипать к направляющим по­верхностям лотков, что приводит к остановке системы питания автомата. Если детали выполнены из неметаллических материалов, то при известных обстоятельствах могут возникнуть электростатические, силы, тормозящие движение в лотках.

Рассмотрим теперь общие требования, предъявляемые к изделиям с точки зрения автоматизации их сборки.

1.Конструкция изделий должна быть оформлена так, чтобы при сборке детали подавались по простым прямолинейным траек­ториям, так как при этом упрощается конструкция исполнитель­ных механизмов автомата. Удобны такие конструкции, при сборке которых монтируемые детали последовательно поступают в одном и том же направлении на базовую деталь.

Во многих случаях подача де­талей по вертикали предпочти­тельнее, чем подача по горизонта­ли или по наклонной линии, так как при этом процессу сборки спо­собствуют силы тяжести. Весьма неудобны для автоматической сборки такие конструкции изделий, подачу деталей в которые приходится производить по сложным криволинейным траекториям или по траекториям, представляющим собой ломаные линии.

2.Конструкция изделия должна быть удобной для подвода и отвода сборочных инструментов. Подводить и отводить сбороч­ные инструменты наиболее выгодно по прямолинейным траектори­ям; конфигурация изделия и его общая компоновка поэтому долж­ны быть такими, чтобы обеспечивался свободный доступ инстру­ментов к местам выполнения соединений. Важно также предусматривать возможность использования многоинструментальных блоков. Местоположение сборочного соединения должно быть доступным для размещения наиболее производительных сборочных инструментов, а размеры рабочего пространства — достаточно большими для их свободной работы.

3.Конструкцию изделия в целом желательно оформлять так, чтобы сборку можно было, производить без изменения положения базовой детали. Наиболее благоприятный вариант мы имеем в том случае, когда элементы изделия и сборочный инстру­мент подводятся с одной стороны. Менее удобна подача собираемых элементов и подвод инструмен­тов с разных сторон, так как это увеличивает габариты рабочего пространства сборочных позиций автомата, усложняет его компо­новочные схемы и вызывает необходимость увеличивать расстоя­ние между сборочными позициями. Ещё менее удобна та конструкция изделия, при которой сборку производят с изменением положения базовой детали. При сборке на автома­тах карусельного типа необходимость переориентации базовой детали изделия приводит к использованию более сложных пово­ротных или кантуемых приспособлений.

4.Изделия, предназначенные для автоматической сборки, при большом количестве входящих в них деталей, должны расчленять­ся на предварительно собираемые элементы. Это позволяет выде­лить и более легко автоматизировать узловую сборку, объекты которой после контроля и проверки подают на общую сборку. Средства автоматизации в этом случае получаются сравнительно простыми. Если изделие не расчленяется на предварительно со­бранные и проверенные элементы, то при большом количестве входящих в него деталей автоматическая линия получается слож­ной, многопозиционной и, как следствие этого, малонадежной, в работе.

Общая автоматическая сборка изделий, однако, нередко усложняется в связи с затруднениями по выдаче, ориентирова­нию, захвату и переносу объектов сборки на место их присоединения к базовой детали изделия. В большинстве случаев их нельзя выдавать из бункерных ориентирующих устройств. Их приходится ставить вручную в строго ориентированном положении на лотки, в магазины, гнезда и приспособления поворотных устройств и круглых столов.

Наиболее распространена полуавтомати­ческая и автоматическая узловая сборка. Общую автоматическую сборку сложных изделий применяют значительно реже. Такие изделия чаще собирают на полуавтоматических ли­ниях с использованием на отдельных позициях ручного труда.

Одно из существенных требований, предъявляемых к элементам, поступающим на общую автоматическую сборку, заключается в том, чтобы не возникала необходимость даже частичной и не­большой по объему разборки перед их постановкой на базовую деталь изделия. Такая разборка весьма усложняет автоматизацию общей сборки изделия и во многих случаях ставит ее целе­сообразность под сомнение. С другой стороны, эффективность автоматизации общей сбор­ки возрастает в том случае, когда изделие комплектуют без частичной разборки его частей и с минимальным количеством крепежных и соединительных деталей.

Наиболее простые решения при автоматизации сборочных работ мы имеем, если сборку выполняют по принципу полной взаимозаменяемости. Этот принцип легче выдержать при коротких, малозвенных размерных цепях.

В большинстве случаев автоматическую сборку ведут по методу полной взаимозаменяемости. При установленных допусках на размеры сопряженных деталей обеспечивается выполнение технических условий сборки на все собираемые изделия. Этот метод позволяет получить относительно простые конструкции автоматических устройств. Для обеспечения их бесперебойной работы часто идут на стопроцентный контроль деталей, который осуществляют вручную или при помощи контрольных автоматов. Применение выборочного контроля деталей не гарантирует беспе­ребойную работу сборочного оборудования. Эта система контроля может быть, однако, принята, если вероятное время простоев автоматической линии будет небольшим.

Сборка по методу групповой взаимозаменяемости с предвари­тельной сортировкой деталей на размерные группы встречается в автоматизированном производстве значи­тельно реже. Ее применяют при повышенных требованиях к точ­ности замыкающих звеньев размерных цепей, а также при узких допусках на зазоры или натяги выполняемых сопряжений. Сбо­рочные машины в этом случае получаются более сложными, так как для каждой размерной группы деталей необходимы отдельные бункеры или магазины. Схема работы автоматических сборочных машин и система их управления также усложняются. Обслуживающий персонал должен быть более квалифицированным.

Сборку по методу подбору применяют при автоматическом производстве подшипников качения. Наружные и внутренние кольца подшипника поступают из отдельных бункеров, куда их загружают без предварительной сортировки. На одной из позиций автоматической линии у них измеряются диаметры беговых дорожек. По результатам измерения выдается необходимое количество тел, качения соответствующей размерной группы. Комплектовочное устройство должно иметь несколько бункеров для тел качения, которые загружают туда после сортировки на установ­ленные размерные группы.

Принципиально возможна также сборка по методу регулирования с использованием жестких или подвижных компенсаторов. Ее применение целесообразно при наличии сложных многозвенных размерных цепей. Сборочная машина несколько усложняется за счет устройства для проверки выдерживаемого размера замыкающего звена размерной цепи и устройства для соответствующей установки регулируемого компенсатора.

Сборка с выполнением пригонок на сборочной машине нецеле­сообразна. Пригоночные работы на автоматизированной сборке нарушают темп работы, усложняют исполнительные устройства и должны исключаться. Если по характеру работы соединения сопрягаемые детали должны быть притерты, то пригонку следует делать отдельно, вне автоматической линии. На сборку детали должны подаваться в спаренном виде.

5.Улучшение условий автоматической сборки может быть достигнуто переходом к моноблочным конструкциям, т. е. к та­ким конструкциям, в которых отдельные детали объединены в од­ну и при том не, обязательно в более сложную деталь. Анализ конструкции изделия и условий его эксплуатации часто выявляет возможность такого объединения или исключения отдельных деталей. Это уменьшает объем механической обработки, узловой и общей сборки. С уменьшением количества деталей в изделии упрощается конструкция сборочного автомата. Он будет иметь меньшее коли­чество рабочих позиций и исполнительных устройств, схемы его работы и управления будут более простыми. Сокращаются сроки изготовления и стоимость средств автоматизации сборки.

Современные методы технологии получения заготовок позво­ляют приблизить конфигурацию заготовок к конфигурации гото­вой детали, а это в свою очередь облегчает объединение несколь­ких деталей в одну, более сложную. Такому объединению благо­приятствуют современные тенденции в массовом производстве по созданию конструкций, разборка которых в процессе эксплуата­ции или для целей ремонта не предусматривается. Развитие этих тенденций стало возможным в результате значительного сниже­ния себестоимости изготовления изделий в массовом и автомати­зированном производствах. Поэтому при ремонте машин экономичнее не ремонтировать подобные конструкции, а заменять их новыми. С развитием автоматизированного производства номен­клатура не подлежащих ремонту изделий будет все более возрастать.

Перспективны комбинированные методы получения заготовок. На их основе можно, в частности, получать: штампосварные конструкции, отличающиеся сложностью форм и малым весом; литые заготовки с залитыми штампованными или механи­ческими обработанными деталями; заготовки из пластмасс с ме­таллическими вставками. Применение комбинированных методов получения загото­вок облегчает объединение нескольких простых деталей в одну более сложную, процесс получения которых в из­вестном смысле представ­ляет собой процесс сборки, осуществляемый при высокой степени механизации и автоматизации.

6.Автоматизация сборки в ряде случаев может быть облегче­на путем перехода к более удобным видам соединения деталей частей изделия. Сборка резьбовых соединений, например, менее удобна для условий автоматизации, чем сборка склепыванием. Задача автоматизации соединений при использовании некоторых видов сварки и пайки решается часто более просто, чем соеди­нение склепыванием.

Крепежные детали в изделиях обычно выполняют вспомога­тельную роль. Уменьшение их количества и в некоторых случаях полный отказ от них имеет большое значение для сокращения трудоемкости механической обработки и создания предпосылок для автоматической сборки. Конструкции изделий в целом и ме­тоды соединения их элементов должны быть переосмыслены под углом зрения автоматизации.

Традиционные методы выполнения соединений, ориентирован­ные на ручную и часто даже на не механизированную сборку, должны критически анализироваться, и заменяться новыми, более эффективными в автоматизированном производстве. Обычные заклепочные соединения выполняют после подготов­ки отверстий в деталях. Если соединению подлежат детали из листового материала, то при автоматической сборке возможна пробивка отверстия самой заклепкой. Известны также способы клепки без вставных заклепок. В этом случае в нижнем листе соединения делается просечка отверстия, а в верхнем выдав­ливается углубление, образующее в отверстии головку за­клепки. При автоматической узловой сборке валов нежелательны шпо­ночные соединения. Их заменяют шлицевыми или соединениями с гарантированным натягом — запрессовкой.

Неразъемные соединения при автоматической оборке выпол­няются проще, чем разъемные. Для изделий, не подвергаемых ремонту и разборке в процессе эксплуатации, лучше применять этот вид соединений. Поэтому во многих конструкциях полезно на деталях предусматривать специальные элементы, позволяющие осуществлять местное пластическое деформирование для их соединения.

Автоматическая сборка упрощается при использовании разрезных пружинных колец для фиксации подшипников качения в осевом направлении на шейках валов и в расточках корпусных деталей вместо установки шайб с винтами или фиксирующих гаек.

Автоматическую сборку осуществляют на поточных линиях с достаточно жестким темпом работы. Поэтому технология выполнения соединений не должна быть связана с длительными естественными процессами. Несоблюдение этого условия нарушает синхронизацию переходов сборки и приводит к необходимости включать в поток более или менее длинные участки конвейеров, на которых эти процессы протекают положенное время.