Материал: ВКР

Рисунок 14 – Диаграмма распределения времени процесса измерения

Из построенной диаграммы следует, что большинство времени при осуществлении измерения существующим способом уходит на перезакрепление изделий.

3 Оптимизация процесса измерения центра масс

3.1 Разработка плана оптимизации процесса измерения

В результате проведённых исследований и экспериментов на имеющемся текущем оборудовании было выяснено, что используемый метод, как и оснастка для его осуществления нуждается в оптимизации. А именно, время, затрачиваемое на переустановку изделия, занимает слишком много времени и уменьшает производительность. При этом точность измерения напрямую зависит от погрешности применяемых весов, а ввиду того что метод основан на уравновешивании моментов, при уменьшении массы изделия ниже определённого порогового значения погрешность растёт в геометрической зависимости.

На основании анализа и оценки используемых методов были выделены [5], [11] и [20], получившие наивысший бал. Рассмотрев их достоинства и оценив возможность применения данных наработок в текущем производстве, было принято решение что доработка не целесообразна и необходимо проектировать новое устройство, позволяющее совместить в себе лучшие известные полезные модели.

За основу принимаем изобретение [11], основанное на уравновешивании изделия относительно центральной опоры, наподобие коромысла. Устройство имеет поворотный стол для установки изделия в четыре положения через 90 градусов. В улучшении нуждается система уравновешивания, основанная на подборе противовеса набором грузов, что увеличивает время измерения.

План по его доработке включает:

1. Для уравновешивания изделия применить способ, описанный в техническом решении [5], основанный на изменении уравновешивающего момента перемещениями подвижной каретки известной массы на заданное расстояние.

2. Применить указанный в описании [20] метод крепления установочной площадки на балансировочной опоре с помощью вала и роликовых подшипников.

3. Применить аналог датчика поворота вала в опоре, описанном в устройстве [20], выполняющий функции концевого выключателя в двух положениях углов 0º и 45°. Это позволит измерять высотную координату без переустановки.

4. Применение привода с датчиком перемещения для отвода каретки на расстояние, необходимое для уравновешивания изделия.

5. Применение привода для вращения стола и датчиков положения для его контроля.

6. Применение на поворотном столе базирования в координатный угол для устранения необходимости пересчёта размеров относительно виртуальной оси вращения. Проработать вариант применения квадратного стала и упирать изделие в бурт стола.

7. Увязка приводов и датчиков в логическую систему, осуществляющую процесс измерения (уравновешивание, повороты и вычисления) без участия человека.

Результатом данной работы должно быть спроектировано устройство, обеспечивающее измерение и высчитывание координат центра масс в автоматическом режиме. Повышение точности и производительности обеспечится применением разработанного метода, аналогичного описанному в [23], когда из процесса измерения исключаются весоизмерительные устройства за счёт уравновешивания изделия в двух дополнительных положениях.

По сравнению с используемым сейчас оборудованием разрабатываемое устройство не требует дорогостоящих точных весов и их метрологической поверки и как следствие не требует нивелирования площадки весов перед взвешиванием.

Благодаря тому, что реакция приложена на том же плече, что и нагрузка от уравновешивающей каретки не возникает дополнительных погрешностей, что обеспечивает сохранение точности измерений.

При необходимости нахождения массы изделия на данном устройстве возможен метод, предложенный автором устройства [23] за счет двойного измерения горизонтальной координаты в положениях 90 и 180 градусов.

Ввиду отсутствия необходимости переворотов изделия в процессе измерения устройство позволит производить контроль изделий сложной формы, имеющих лишь одну плоскую установочную поверхность, а также изделий не переворачиваемых согласно технических требований или особенностей конструкции, без дополнительной оснастки.

Устройство должно отличается простотой и надёжностью конструкции, следовательно, приемлемой точностью определения массы и трех координат центра масс изделий. Для экономически затратного применения вычислительных устройств и приводов с датчиками возможна альтернатива применения ручных перемещений, отсчёта положения каретки по линейке и умственных расчётов.

У разрабатываемого устройства нет необходимости определения массы в двух положениях с изделием и без него, так как он балансируется перед использованием самой кареткой.

При необходимости аттестации, приспособление может быть проверено эталонным грузом.

Задачи, которое должно выполнять устройство и необходимо учесть при проектировании, исходя из текущих потребностей рассматриваемого предприятия:

– обеспечивать полноту контроля действительного положения центра масс изделий (три координаты);

– обеспечивать установку изделий габаритами 1000х1000х1000 мм;

– иметь возможность уравновешивания веса до 50 кг;

– иметь возможность нивелировки;

– обеспечивает взаимную увязку координатных осей изделия с соответствующими осями оснастки с погрешностью не более ±0,2 мм;

– осуществлять контроль изделий с погрешностью, не превышающей ±30% от наименьшего предельного отклонения положения ЦМ;

– масса стенда не должно превышает 30% от массы максимально возможного установленного изделия;

– приспособление должно оперативно проходить периодическую аттестацию;

– соответствовать требованиям ГОСТ 17265-80.

3.2 Требования к устройствам для измерения центра масс

Согласно ГОСТ 17265-80 [14] существуют обязательные правила контроля действительных значений масс и положений центров масс деталей, сборочных единиц типов узел, отсек и других изделий.

Основные положения ГОСТ 17265-80.

Контроль масс и положений ЦМ является операцией технологического процесса и проводится с целью обеспечения сохранения значений масс и положений ЦМ изделий, указанных в конструкторской документации (КД), и уточнения, при необходимости, этих значений в КД.

Контроль масс и положений ЦМ состоит из: определения действительных значений масс (ДЗМ) и положений центров масс (ДЗЦМ); сравнения ДЗМ и ДЗЦМ со значениями, указанными в КД; оформления документации по результатам контроля; анализа причин отклонения ДЗМ и ДЗЦМ от значений, указанных в КД; отбраковки деталей, узлов, отсеков и покупных изделий при несоответствии их ДЗМ и ДЗЦМ значениям, указанным в КД, после установления базовых значений масс и положений ЦМ.

Контроль масс, положений ЦМ проводит мастер цеха-изготовителя (цеха, проводившего доработку) в присутствии: представителя БТК цеха-изготовителя (цеха, проводившего доработку) и представителя заказчика - для деталей, узлов и покупных изделий.

Предприятие-изготовитель на основании требований ТУ или другой КД предприятия-разработчика для каждого изделия (или группы изделий) выпускает технологические инструкции по определению положения ЦМ, в которых приводят: схему определения ЦМ; перечень измеряемых параметров (реакций опор, линейных и угловых величин и т.п.); расчетные формулы; образцы форм записи результатов замеров и расчетов по принятым на данном предприятии-изготовителе схемам; расчет по определению погрешности приспособления (с учетом погрешности весов, если их применяют в составе приспособления) для определения положения ЦМ.

Весы и гири, применяемые для определения ДЗМ, должны отвечать следующим требованиям: максимальная допустимая погрешность весов не должна превышать ±0,1% от наибольшего предельного значения взвешивания (Ртах); быть исправными и иметь действующие поверительные клейма; на весы должны быть паспорта. Если при определении ДЗМ деталь, узел или отсек не устанавливаются на одних весах, то ДЗМ определяют на двух или трех весах, при этом нагрузка на каждые весы должна соответствовать указанным требованиям.

Приспособления для определения положения ЦМ должны обеспечивать: взаимную увязку координатных осей приспособления и детали (узла или отсека) при определении положения ЦМ; возможность нивелировки; возможность определения действительного положения ЦМ деталей, узлов или отсеков с погрешностью не хуже ±30% от наибольшего предельного отклонения положения ЦМ (с учетом погрешности весов), если она не оговорена в КД.

Максимальное значение ДЗМ приспособления не должно превышать 30% (но допускается) от массы контролируемой детали, узла или отсека.

На каждое приспособление должен быть паспорт, в котором указаны его действительные параметры (реакции опор, расстояния между опорами и т.д.).

Каждое приспособление должно пройти контрольную проверку в сроки, установленные предприятием-изготовителем, а также должно быть проверено после доработки и ремонта. При каждой проверке в паспорт должны быть записаны действительные параметры приспособления.

Представитель БТК (контрольный мастер, контролер) цеха- изготовителя проверяет: соответствие весов и гирь, применяемых при определении ДЗМ, требованиям, установленным в п.1.16; правильность работы весов после их установки на месте определения ДЗМ; установку грузовой площадки весов; установку весов по уровню или отвесу; тарирование весов; правильность работы весов под нагрузкой; наличие паспорта и исправность приспособления (если оно применяется).

ДЗМ и ДЗЦМ узлов, заправляемых газом, электролитом, гидросмесью и т.д., определяют в "сухом" и заправленном состоянии.

При определении ДЗМ (если ДЗМ определяли с помощью весов) по шкале отсчитывают показания весов с точностью не хуже половины цены деления шкалы и записывают их в соответствующие формы с тремя десятичными знаками.

Для деталей и узлов технологических, наземного оборудования, находящихся на изделиях и их составных частях в момент определения ДЗМ, но снимаемых с них при эксплуатации, определяют ДЗМ и наносят эти значения на них или на бирки, прикрепленные к ним, а также в контрольные талоны.

При определении ДЗМ и ДЗЦМ (если оно производилось с использованием весов) эти значения определяют три раза последовательной нагрузкой и разгрузкой весов, вычисляя при этом среднее арифметическое.

В КД изделий указывают теоретические значения масс и положений ЦМ с предельными отклонениями. ДЗМ и ДЗЦМ деталей, узлов и отсеков не должны отличаться от значений, указанных в КД больше, чем на значение величины предельных отклонений. Рекомендуемые предельные отклонения в зависимости от типа изделий и их массы приведены в ГОСТ 17265-80. Для узлов, состоящих из нескольких деталей, предельные отклонения устанавливают равными ±2,0% от значений массы, указанной в КД, или их определяет технолог цеха-изготовителя как среднеквадратическую величину предельных отклонений значений масс деталей, входящих в состав узла. Для изделий ДЗМ которых превышает заданные в КД значения с учетом верхнего предельного отклонения, доводят значения их масс до требуемых значений за счет верхнего предельного отклонения толщины.

Базовые значения масс и положений ЦМ деталей, узлов, отсеков устанавливают для изделий серийного производства. При установлении базовых значений массы и положения ЦМ устраняют неточности и доработки: конструкторского расчета, допущенные при определении теоретических значений масс и положений ЦМ деталей, узлов и отсеков; технологических процессов изготовления деталей, узлов и отсеков, приводящих к отклонениям ДЗМ и ДЗЦМ от значений, указанных в КД.

Статистическую обработку результатов определения ДЗМ и ДЗЦМ, необходимую для установки базовых значений, выполняют с применением методов математической статистики.

3.3 Разработка устройства и метода измерения

3.3.1 Описание принципа действия устройства

На проставленной ниже схеме представлена разработанная конструкция устройства, удовлетворяющая всем представленным требованиям.

Рисунок 15 – Конструкция разработанного устройства

Принцип работы устройства основан на уравновешивании изделия относительно центральной шарнирной опоры. Нахождении координат центра масс изделия осуществляется автоматическим способом (возможен ручной вариант) из решения уравнения статических моментов в состоянии равновесия.

Контролируемое изделие 1 устанавливается на квадратный поворотный стол 3 и базируется в координатный угол, образованный бортами установочной площадки 2. Коромысло 4 в этот момент не уравновешено грузом 10 и опирается датчиком нулевого состояния 6 на демпферную площадку 7, образуя угол крена β ≈ 10°. После осуществления начала измерения оператором начинается процесс балансировки. Для этого привод 11 посредством ШВП отодвигает каретку 10 известной массы на фиксируемое датчиком оборотов двигателя расстояние, необходимое для создания уравновешивающего момента. Датчик 13, закреплённый на опоре 9 имеет два концевых выключателя, сигнализирующих ЭВМ о повороте оси 12 (установочной площадки 4) в положение 0° и -5°. После получения вычислительным устройством данных о положении устройства в заданных углах, привод 11 совершает реверс и приводит каретку 10 в нулевое положение. Получив сигнал от датчика 6 ЭВМ при помощи привода 5 поворачивает изделие 1 на 90° относительно вертикальной оси.

Для осуществления нахождения трёх необходимых координат и массы (если требуется) необходимо повторить измерения ещё в положениях 180° и 270°.

3.3.2 Проектирование и проверка работоспособности конструкции в SolidWorks

Рисунок 16 – Приспособление в режиме ожидания

Рисунок 17 – Процесс замера центра масс

3.3.3 Теоретическое обоснование метода

В работе [16] проведён анализ задач по теме определения масово-геометрических характеристик (МГХ) по моментно-силовым характеристикам (МСХ) тел и выделены основные особенности решения таких задач:

1. Постоянные во времени МГХ тела определяются на основе заданных или измеренных МСХ и кинематическим характеристикам (КХ) в некоторый фиксированный момент времени.

2. Если количество определяемых постоянных во времени МГХ тела больше количества описывающих его движение уравнений динамики, то следует «набрать» необходимое количество уравнений, характеризующих движение тела в разные фиксированные моменты времени, но при этом необходимо показать существование и единственность решения полученной системы уравнений относительно неизвестных МГХ тела. В частности, для системы линейных алгебраических уравнений потребуется условие отличия от нуля её определителя в случае неоднородной системы с количеством уравнений, равным количеству неизвестных.

3. В реальных задачах, когда аналитические решения уравнений динамики тела получить не удаётся, следует составить алгоритм численного определения МГХ на основе уравнений динамики тела при заданных или измеренных МСХ и КХ путём интегрирования этих уравнений и затем решения полученных уравнений относительно МГХ тела для фиксированного момента времени с учётом п.2.

4. Указанную в п.2 процедуру определения постоянных во времени МГХ тела в разные моменты времени его движения можно использовать и для случая одноимённых МГХ в эти моменты времени, то есть для получения нескольких численных значений одних и тех же МГХ. Определив численными методами эти МГХ тела для нескольких моментов времени и получив в общем случае отличающиеся друг от друга значения одноимённых МГХ в силу имеющихся погрешностей численных методов, следует затем найти их средние арифметические значения, которые приять в качестве искомых МГХ.