CC BY
54УДК 004.9:621
В.В. Непомилуев, А.Н. Семенов
Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева,
Рыбинск, 152934 e-mail: vvvvnn@yandex.ru
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СБОРКИ КАК СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕГО КАЧЕСТВА
Рассмотрены возможности повышения качества сборки изделий машиностроения на основе метода индивидуального подбора деталей и компьютерного моделирования технологического процесса сборки.
Ключевые слова: сборка, процесс, подбор деталей, качество, технология, компьютерное моделирование.
V.V. Nepomiluev, A.N. Semenov
P.A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University, Rybinsk, 152934 e-mail: vvvvnn@yandex.ru
COMPUTER SIMULATION OF THE ASSEMBLY PROCESS AS A WAY TO ENSURE ITS QUALITY
The possibilities of improving the quality of assembling engineering products based on the method of individual selection of parts and computer simulation of the assembly process are considered.
Key words: assembly, process, selection of parts, quality, technology, computer simulation..
Сборка является заключительным этапом технологического процесса изготовления, именно при сборке окончательно формируется качество любого изделия.
Себестоимость машины в значительной мере зависит от себестоимости сборочных работ: в машиностроении она может доходить до половины общей себестоимости изготовления изделия, что обусловлено преимущественным использованием на сборке ручного труда рабочих высокой квалификации. Относительная трудоемкость сборочных работ за последние полвека неуклонно растет в связи с тем, что технологии изготовления деталей совершенствуются значительно более быстрыми темпами, чем технология сборки изделий.
При создании машины возникает задача трансформации требований к качеству машины в требования к качеству деталей. При этом учитываются следующие факторы:
- эксплуатационные показатели обычно не могут напрямую задаваться как требования к качеству деталей, поскольку они проявляются только в процессе работы готовой машины, а при изготовлении деталей их невозможно ни обеспечить, ни проконтролировать. Например, вибрационные характеристики гибкого ротора газотурбинного двигателя (ГТД) определяют действительная форма его оси, распределение локальных дисбалансов, расположение главных центральных осей инерции деталей относительно оси ротора и другие параметры. Однако конструктор, формулируя требования к выходным параметрам качества сборки, и технолог, разрабатывая технологический процесс сборки спроектированного конструктором ротора, вынуждены задавать традиционные, в достаточной степени обеспеченные технологически и метрологически параметры качества, например, величины биений контрольных поверхностей или суммарного технологического дисбаланса. Эти параметры не характеризуют однозначно качества собираемого гибкого ротора, но широко применяются в производстве, поскольку использование конструкторских показателей в технологическом процессе неудобно, а часто и вообще невозможно из-за практически непреодолимых трудностей при их достижении и контроле с помощью существующих технологий;
- показателями качества деталей назначаются параметры, которые достаточно легко проконтролировать и которые более-менее тесно связаны с требуемыми эксплуатационными показателями. Так, вместо требуемой при эксплуатации износостойкости поверхности задаются параметры ее шероховатости и твердости. Используемые для оценки параметры обычно неоднозначны и не характеризуют требуемое свойство полностью, допуская различные неравноценные варианты;
- на показатели качества деталей задаются независимые допуски, поскольку отсутствуют информационные связи между технологическими процессами изготовления деталей, соединяемых в процессе сборки в одном узле;
- используемые в настоящее время технологии сборки являются, как правило, неуправляемыми в отношении процесса суммирования погрешностей и не учитывают индивидуальных особенностей каждой конкретной детали.
Отмеченные выше факторы приводят к тому, что для обеспечения эксплуатационных показателей машины требования к качеству деталей существенно, иногда до предела завышаются. В большинстве случаев современные технологические процессы и оборудование позволяют изготавливать такие детали. Однако существуют изделия, при изготовлении которых традиционный подход чрезмерно затратен, а в целом ряде случаев использование традиционных технологий уже вообще не позволяет получить приемлемый результат даже при очень больших материальных затратах. Основные проблемы возникают при изготовлении так называемых высокотехнологичных изделий, создание которых связано с использованием затратных способов -многочисленных переборок, доработок и конструктивных уточнений.
Например, в современных ГТД для обеспечения их вибростойкости предъявляются очень жесткие требования к точности сборки роторов, которые приводят к необходимости уменьшения до предела допусков на размеры, макро- и микрогеометрические параметры изготавливаемых деталей. Однако, несмотря на то, что наиболее ответственные детали ГТД уже сейчас изготавливаются фактически с максимально достижимой в серийном и даже единичном производстве точностью, требуемая точность сборки достигается методами неполной взаимозаменяемости, а также осуществляемых вручную пригонки, попарного или индивидуального подбора деталей. При этом количество нуждающихся в доработке изделий может достигать 20-80%, что вынуждает производить многочисленные повторные сборки, подбирая эмпирическим путем детали или пригоняя их.
Так, при изготовлении ротора смешанной барабанно-дисковой конструкции (рис. 1), в котором детали роторного пакета последовательно базируются и крепятся друг к другу (что приводит к последовательному же суммированию их погрешностей), для использования метода полной взаимозаменяемости необходимо обеспечить допуски на радиальные и осевые биения деталей порядка 1 мкм, что практически невозможно в настоящее время.
1 2 3 4 5 6 7 8
Рис. 1. Ротор компрессора газогенератора ГТД: 1 - цапфа передняя; 2 - диск; 3 - проставка; 4 - болт призонный;
5 - коллектор; 6 - крыльчатка центробежной ступени; 7 - диск-лабиринт; 8 - цапфа задняя
Поэтому с целью компенсации погрешностей изготовления деталей производится так называемая технологическая сборка, в процессе которой контролируются осевые и радиальные биения и при их несоответствии заданным осуществляется разворот сопрягаемых деталей вокруг формируемой оси вращения (это допускается конструкцией узла) для достижения заданного уровня биений. Применение метода компенсации погрешностей позволяет значительно снизить
технологический дисбаланс ротора за счет взаимной компенсации векторов технологических дисбалансов отдельных деталей.
Тем не менее опыт показывает, что даже в этом случае на заключительных этапах сборки и балансировки часто выявляются роторы со значительными отклонениями биений и дисбалансов от допустимых. Поэтому многие роторы перебирают несколько (до 7-8 и даже более) раз, несколько раз балансируют, производят доработку деталей, а в некоторых случаях приходится проводить раскомплектацию ротора. Причину выхода контролируемых параметров за пределы допусков установить достаточно трудно, поскольку на качество сборки ротора влияет множество ненормируемых факторов, в частности, отмеченные выше: действительная форма его оси, распределение локальных дисбалансов, расположение главных центральных осей инерции деталей относительно оси ротора.
Более того, при использовании эмпирического подбора деталей вручную трудоемкость этого метода чрезмерно высока и требует применения высококвалифицированного труда, этот процесс практически невозможно автоматизировать. Проблема сильно осложняется еще и тем, что результат сборки нельзя заранее предсказать даже в том случае, если известны действительные размеры всех деталей. Поэтому в большинстве случаев выходные параметры процесса сборки достаточно надежно могут быть проконтролированы только лишь на полностью собранном узле или даже готовом изделии в процессе его испытания. Так, если балансировка гибкого ротора производится не на рабочих частотах, то полная характеристика его уравновешенности выявляется уже только при испытании полностью собранного двигателя. В случае появления недопустимой вибрации необходимо разобрать последовательно сначала двигатель, а затем и ротор, развернуть его детали друг относительно друга, снова собрать и отбалансировать сначала ротор, а после и весь двигатель. И даже осуществление всех этих чрезвычайно трудоемких процессов отнюдь не гарантирует, что при работе перебранного таким образом двигателя снова не возникнут вибрации.
Это вынуждает искать новые способы решения задачи обеспечения качества работы машин.
Технологический процесс сборки, как и любой другой производственный процесс, всегда характеризуется расходом ресурсов - материалов, трудовых ресурсов, энергии, информации. Поэтому основным требованием к нему, при заданных ограничениях по производительности, качеству и срокам выполнения, является минимальный расход всех этих ресурсов. Информационный ресурс, обеспечивая решение какой-либо проблемы, может выступать в качестве реальной альтернативы материальному или трудовому ресурсу, что приводит к их экономии. Более того, поскольку стоимость информационного ресурса быстро и постоянно уменьшается в связи с непрерывным совершенствованием средств для получения и обработки информации (измерительной и вычислительной техники), а стоимость материального, трудового и энергетического постоянно растет, задача использования в максимальной степени информационного ресурса является актуальной.
Традиционно такие потери информации компенсируются завышением требований к качеству создаваемого изделия и отдельных его деталей, что вызывает дополнительные затраты всех ресурсов. По мере повышения требований к качеству машин значимость потерь информации резко возрастает и становится недопустимой.
Компьютерное моделирование технологического процесса сборки основано на построении и использовании математических моделей. Математическая модель выступает как инструмент познания, с помощью которого можно изучать интересующий объект. Основное требование, предъявляемое к моделям - это их адекватность реальным процессам, которые замещает модель.
Простейшей математической моделью процесса сборки является классическая сборочная размерная цепь, включающая в себя составляющие и замыкающие звенья. Такая модель позволяет эффективно реализовать метод индивидуального подбора деталей.
Метод индивидуального подбора деталей основан на предваряющем сборку рассмотрении всех или некоторой части возможных вариантов сочетания собираемых деталей и выборе лучшего из них для практической реализации. Однако непосредственное применение такого способа при сборке реального изделия, когда количество возможных вариантов соединения деталей может превышать десятки миллионов, невозможно. Выход в автоматизации процесса индивидуального подбора деталей с помощью компьютера и превращение метода индивидуального подбора в компьютерную технологию [1].
Индивидуальный подбор деталей может осуществляться по различным алгоритмам, существенно различающимся по трудоемкости их осуществления. Исследования показывают [2], что самый простой алгоритм подбора - путем упорядочения массивов действительных размеров деталей обладает соизмеримыми возможностями по сравнению с другими, гораздо более сложными алгоритмами.
Сущность алгоритма заключается в следующем. Величины действительных размеров собираемых деталей, находящихся в данный момент на сборочном складе, вносятся в базу данных компьютера. Имеющиеся в базе данных значения размеров деталей Ац и Ау упорядочиваются по убыванию. Затем столбцы упорядоченных таким образом значений А1г- и А2;- почленно вычитаются, образуя замыкающее звено Адк, т. е:
Ам = Ац - Ад. (1)
Такое моделирование производилось для следующих случаев:
1) для размерной цепи, состоящей из четырех составляющих и одного замыкающего звена (схема приведена на рис. 2);
2) для оценки полученных результатов было проведено сравнение с методом полной взаимозаменяемости (расчет по методу полной взаимозаменяемости [2]).
Рис. 2. Схема размерной цепи из четырех составляющих звеньев
Во всех случаях рассматривалось по 100 деталей. Рассчитанные значения стандартных отклонений о и величин полей рассеяния замыкающего звена юАд представлены в таблице.
Таблица
Стандартные отклонения и величины полей рассеяния замыкающего звена
Без подбора С подбором
Расчет по методу полной взаимозаменяемости По результатам моделирования
юАд = 2 о = 0,269 гаАд = 1,614 о = 0,025 шАд = 0,15
юАд = 4 о = 0,358 оАд = 2,148 о = 0,044 оАд = 0,264
Анализ полученных результатов показывает, что разброс качества собранного изделия для ограниченной выборки в 100 шт. сокращается в 6-12 раз, а по сравнению с теоретическими расчетами - в 13-15 раз.
Таким образом, самым существенным преимуществом данного способа является возможность резкого роста качества изготавливаемого изделия без повышения требований к его деталям и без риска получения дефектного изделия при физическом осуществлении процесса сборки (поскольку при компьютерном моделировании процесс сборки носит виртуальный характер). Более того, по мере роста количества звеньев в размерной цепи преимущества этого метода растут.
Гораздо большие возможности дает использование адекватной математической модели (или набора математических моделей) собранного изделия, учитывающей все наиболее существенные свойства и процессы, характерные для данного конкретного экземпляра какого-либо реального изделия. Таким образом, внутри компьютера создается виртуальное изделие.
Виртуальность изделия заключается в программном моделировании необходимых для его функционирования операций. В самом простейшем случае это виртуальное изделие может быть предназначено, например, для определения выходных геометрических (распределение эксцентриситетов ротора) или физических (распределение дисбалансов ротора) характеристик сборки соответствующего реального изделия в данном конкретном варианте комплектации его деталей. Однако наличие в компьютере виртуального изделия позволяет ставить, быстро и эффективно
решать и значительно более сложные и интересные в практическом и теоретическом отношении задачи. Так, с полученным виртуальным изделием в компьютерной среде виртуальной реальности в принципе можно очень быстро и с небольшими затратами производить те же самые действия, что и с реальным, физически существующим изделием, например, виртуальные балансировку, испытание, эксплуатацию. Это позволяет оценивать качество сборки изделия при данном конкретном варианте его комплектации по тем критериям, которые однозначно характеризуют его, но не могут быть обеспечены при использовании традиционной технологии сборки. Тем самым можно избежать потерь информации, что приводит к экономии ресурсов.
Технология виртуальной сборки может быть составной частью виртуального производства изделия, начинающегося виртуальным изготовлением деталей и завершающегося виртуальным испытанием и виртуальной эксплуатацией изделия на различных режимах. Такая технология дает возможность:
- оценивать качество сборки изделия не только с помощью традиционных показателей, но и использовать гораздо более надежные и информативные эксплуатационные показатели, тесно связанные со служебным назначением изделия и не обеспечивающиеся при обычно используемой технологии сборки;
- оценивать качество самой конструкции изделия, исследуя ее поведение на различных режимах с учетом специфических погрешностей, возникающих на всех этапах ее изготовления;
- обоснованно формулировать требования к качеству изготовления деталей;
- выбирать наилучший из возможных вариант комплектации собираемого изделия;
- в необходимых случаях производить целенаправленную доработку деталей перед сборкой.
Таким образом, компьютерное моделирование процесса сборки и использование технологии
виртуальной реальности позволяют быстро и эффективно решать самые сложные и актуальные вопросы современной технологии машиностроения на всех стадиях создания нового изделия.
Литература
1. Непомилуев В.В. Разработка технологических основ обеспечения качества сборки высокоточных узлов газотурбинных двигателей: Дис. ... д-ра техн. наук / В.В. Непомилуев. -Рыбинск: РГАТА, 2000. - 356 с.
2. Безъязычный В.Ф. Обеспечение качества изделий при сборке: Научно-производственное изд. / В.Ф. Безъязычный, В.В. Непомилуев, А.Н. Семенов. - М.: Издат. дом «Спектр», 2011. -210 с.
