Автоматизированные сборочные системы

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ 
СБОРОЧНЫЕ СИСТЕМЫ

А.А. Иванов

Рекомендовано 

Учебно-методическим советом СПО в качестве учебника 
для студентов учебных заведений, реализующих программу 
среднего профессионального образования по специальностям 

15.02.07 «Автоматизация технологических процессов и производств 

(по отраслям)», 15.02.08 «Технология машиностроения»  

УЧЕБНИК

ИНФРА-М

УДК 621(075.32)
ББК 32.965я723
 
И20

Иванов А.А.

И20  
Автоматизированные сборочные системы  : учебник / А.А. Ива
фессиональное образование).

ISBN 978-5-00091-537-0 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-013874-9 (ИНФРА-М)

Рассмотрены актуальные вопросы автоматизации сборки обширного 

ряда изделий машиностроения и приборостроения на базе высокоэффективных роботизированных переналаживаемых систем нового поколения, 
построенных на единой структурной основе. Возможность быстрой организации автоматизированной сборки новых типов изделий обеспечивается наличием гибкого базового комплекта в составе комплекса (линии). 
Описан полный набор оригинальных технических средств для основных 
и сервисных операций сборки и контроля изделий. Приведены аналитические условия автоматической сборки и даны рекомендации по оптимизации проектных решений и моделированию проектируемых сборочных 
систем.

Предназначен для студентов учреждений среднего профессионального 

и высшего образования, технологов, занимающихся проблемой комплексной автоматизации сборки.

УДК 621(075.32)
ББК 32.965я723

Р е ц е н з е н т ы:

Костюков В.Е., доктор технических наук, профессор, директор 

РФЯЦ-ВНИИЭФ;

Торохов С.Л., кандидат технических наук, заместитель главного 

конструктора НИИ измерительных систем имени Ю.Е. Седакова

ISBN 978-5-00091-537-0 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-013874-9 (ИНФРА-М)

© Иванов А. А., 2012
© ФОРУМ, 2012

Предисловие

Вступление России в новую технологическую эру XXI в. тесно 
связано с приоритетной программой широкомасштабной комплексной автоматизации практически всех отраслей народного хозяйства с 
целью резкого повышения производительности труда, сокращения 
численности обслуживающего персонала и создания условий для 
творческого труда. Нам предстоит в исторически короткий срок сделать решающий шаг в осуществлении программной задачи достижения по этому показателю высшего мирового уровня.

В области автоматизированной сборки как составной части комплексной автоматизации можно назвать приоритетные направления 
ее развития.

1. Разработка систем манипулирования объектами сборки с развитым сенсорным аппаратом, обеспечивающим работу по принципу ситуация — действие с целью выбора оптимального алгоритма действия 
в зависимости от реального состояния технологического процесса.

2. Создание нового поколения средств адаптации в целях наделения сборочных комплексов способностью к самообучению и распознаванию образов, являющейся одним из важнейших элементов искусственного интеллекта.

3. Переход в системах управления автоматическими комплексами 
на быстродействующие ЭВМ с интеллектуальным интерфейсом, позволяющим пользователю работать с управляющей ЭВМ средствами 
естественного языка.

С развитием искусственного интеллекта автоматические сборочные системы приобретают способность к моделированию внешней 
среды, анализу производственной обстановки, принятию решений и 
планированию собственных действий.

Следует отметить, что за последний период достигнуты существенные успехи в области автоматизации механической обработки заготовок на базе обрабатывающих центров, гибких модулей и производственных систем различного уровня [2, 23]. Однако результаты в 
области организации автоматической сборки значительно скромнее.

3

В машино- и приборостроении имеются значительные резервы снижения трудоемкости, повышения производительности труда и качества выпускаемой продукции за счет автоматизации сборочных производств.

Предлагаемый учебник развивает на современном уровне вопросы автоматизированной сборки. В нем максимально учтены новейшие отечественные и зарубежные достижения в технологии и технике 
сборки изделий машино- и приборостроения, обеспечивающие реализацию процессов на базе гибких роботизированных комплексов и 
линий нового поколения.

4

Введение

По различным источникам, доля автоматизированной сборки составляет от 5 до 10 %, механизированной — до 35...40 %. Таким образом, до 50 % выпускаемых в настоящее время изделий собираются 
вручную. В то же время на сборочные процессы в среднем приходится 
30 % трудоемкости в машиностроении и до 45 % в приборостроении 
от полной трудоемкости изделия. Важным вопросом является исключение влияния на качество выпускаемых изделий субъективных факторов, приводящих к снижению надежности приборов и вызванных 
ошибками оператора в результате однообразной и утомительной работы, особенно на зрительно напряженных операциях с микроскопом, весьма распространенных в электронном приборостроении.

Установлено, что при ручном манипулировании производительность технологической машины ограничивается физическими возможностями оператора. Автоматизация процессов манипулирования 
позволяет полностью реализовать возможности сборочной машины и 
увеличить выработку на одного оператора в 3...5 раз. Кроме того, автоматизация процессов манипулирования и сборки решает важную 
социальную задачу по освобождению человека от монотонного нетворческого ручного труда (1, 11).

Развитие производства выдвигает ряд научно-прикладных задач в 
области сборки обширной группы изделий машино- и приборостроения. Для решения этих задач необходимо разработать новые технологические приемы, позволяющие существенно упростить и улучшить 
конструкции систем манипулирования, в частности за счет:

• совмещения функций контрольных и исполнительных органов;
• введения систем стимулирования операций совмещения деталей в процессе сборки, обеспечивающих переход от операций с 
вероятностным характером процесса к системам с гарантированным технологическим циклом;

• создания сборочных роботов нового типа, осуществляющих подачу деталей из навала, распознавание любых ключей ориента5

ции, оценку величины ошибки совмещения элементов при установке деталей в позиции сборки [5, 24].

Анализ показывает, что сборка основной номенклатуры изделий 
может осуществляться на роботизированных комплексах (линиях) 
нового поколения, в структурной основе которых лежит переналаживаемый базовый модуль, включающий все необходимые системы: загрузки-выгрузки, транспортную, исполнительную в виде сборочных 
головок, управления, включая контроль и диагностирование. Оперативное дооснащение базового модуля различными сервисными устройствами позволяет быстро решать задачу организации автоматизированной сборки любого конкретного изделия из научно обоснованного ряда. В этом случае резко сокращается основной цикл: от 
разработки до внедрения новой техники.

Принцип построения гибких сборочных систем во многом определяется соотношением трудоемкостей основных операций сборочного цикла, в котором 70...80 % приходится на операции подачи, ориентации и совмещения деталей и лишь около 20...30 % — на операции 
соединения узла. Поэтому технологическая гибкость производственного сборочного комплекса в основном зависит от мобильности 
средств автоматического манипулирования объектами сборки, т. е. от 
их способности к быстрой переналадке при определенной универсальности, обеспечивающей независимость системы от характеристик собираемых изделий в пределах типоразмерного ряда [11, 12].

При автоматической сборке возможно использование принципа 
частичной взаимозаменяемости, который позволяет существенно 
снизить трудоемкость и себестоимость механообработки деталей, поступающих на сборку. Однако в этом случае возникает определенный 
риск несобираемости узла из-за неблагоприятного сочетания отклонений в размерах деталей. Исключить такой риск можно с помощью 
схемы полужесткого базирования деталей с возможностью подстройки процесса совмещения. Для целей подстройки используется система автопоиска, которая лежит в основе адаптивной сборки прецизионных изделий.

Основные компоновочные схемы автоматической сборки представлены для структур стационарной (сборочный центр) и подвижной (сборочная линия) сборки. Важной особенностью компоновочных схем переналаживаемых сборочных линий является сочетание 
автоматического оборудования с механизированными рабочими местами, что позволяет уже на начальной стадии осуществить комплексную механизацию сборочных производств с поэтапным переходом 
впоследствии к полностью автоматизированному производству [5].

6

Поэтапный переход должен определяться параллельным процессом 
совершенствования конструкции и технологии сборки изделия. Независимость ручных операций от такта сборочной линии может быть 
обеспечена благодаря организации дополнительных накопителей 
спутников, которые затребываются оператором в соответствии с его 
индивидуальной производительностью. Рабочие места имеют оптимальную с точки зрения эргономических требований конструкцию и 
оборудованы необходимым сборочным инструментом и приспособлениями.

По описанному принципу скомпонованы сборочные линии фирм 
«Бош* (Германия) и «Оливетти» (Италия). Последняя линия известна 
как интегрированная система автоматического манипулирования 
(«Сигма»). На таких линиях ведется сборка разнообразных изделий, 
например навесных агрегатов автомобильных двигателей [5]. Примером других конструктивных решений являются варианты компоновки сборочных систем фирм «Сормель» (Франция) и «Ситизен Вотч* 
(Япония).

Гибкие автоматизированные технологии сборки и полный комплект технических средств для манипулирования деталями и соединения сборочных единиц, представленные в учебнике в необходимой 
логической связке, будут способствовать разработке обшей теории и 
формализации процессов автоматической сборки на базе динамических классификаций изделий и операций пространственного манипулирования объектами сборки. Все это поднимет общий технологический уровень и эффективность сборочных производств.

7

Глава 1
АНАЛИТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ 
АВТОМАТИЧЕСКОЙ СБОРКИ

1.1. Структура технологического процесса 
автоматической сборки

Технологические процессы сборки характеризуются большим 
разнообразием, которое вызвано огромной номенклатурой узлов и 
изделий и еще более обширной номенклатурой деталей, входящих в 
сборочные единицы. Номенклатура изделий машиностроения и приборостроения включает десятки тысяч видов и типоразмеров: от механически прочных приборов сравнительно простой конфигурации 
до хрупких или нежестких изделий чрезвычайно сложной формы. Соответственно, детали, входящие в сборочные единицы, имеют широкий набор свойств, связанных с их конфигурацией, размерами, массой и физико-механическими характеристиками. Естественно, эти 
свойства оказывают решающее влияние на выбор технологических 
методов и средств автоматической сборки.

Например, конфигурация детали в значительной мере определяет 
возможность захвата и устойчивость положения ее при захвате, а также способ автоматической ориентации. Наличие гибких элементов 
увеличивает сцепление деталей и в ряде случаев делает невозможной 
их поштучную выборку из навала. Существенным фактором, влияющим на трудоемкость технологического сборочного процесса и сложность его автоматизации, является уменьшение размеров и массы 
объектов сборки, что, в частности, характерно для приборов микроэлектроники [10, 11]. Анализ показывает, что начиная с некоторого 
предела уменьшение размеров и массы изделий вызывает резкое повышение трудоемкости технологического процесса сборки, которое 
объясняется сложностью манипулирования микроминиатюрными

8

объектами. К указанным трудностям в ряде производств добавляются 
еще ограничения, обусловленные жесткими требованиями производственной гигиены, которые усложняют и удорожают технологический процесс сборки.

Создание оптимальной структуры сборочных технологических 
процессов в значительной мере сдерживается, так как в настоящее 
время не накоплен еще достаточный опыт в области автоматизации 
сборки и не разработаны основные теоретические аспекты этой проблемы. Одним из центральных вопросов является обеспечение геометрической совместимости элементов при автоматической сборке и 
разработка точностных требований, предъявляемых к сборочному 
оборудованию, особенно при реализации технологических процессов 
сборки на базе переналаживаемых роботизированных комплексов и 
линий.

Типовая структурная схема автоматической сборки включает следующие этапы (рис. 1.1): подачу деталей в позицию сборки с помощью автоматических загрузочных устройств (АЗУ); совмещение и ба
АЗУ для деталей
___________Л_____________

Рис. 1.1. Типовая структурная схема автоматической сборки:

1, 2, ..., п — АЗУ деталей; УК — удаление комплекта из позиции сборки; УСУ — 
удаление собранного узла в изолятор брака по результатам контроля

9

зирование деталей в позиции сборки (СиБ); контроль правильности 
совмещения деталей (КС); коррекция совмещения (Кор.С); соединение деталей в узел (СДУ); контроль собранного узла (КСУ); удаление 
собранного узла из зоны сборки с сохранением его ориентации 
(УСУО) [1, 13].

По многим оценкам, основная трудоемкость (70...80 %) в приведенной структуре сборочного технологического процесса приходится 
на операции подачи, ориентации и совмещения деталей в зоне сборки и лишь около 30...20 % — на операции соединения узла. Степень 
сложности сборочного технологического процесса выражается числом ступеней сборки (по числу узлов собираемого изделия). В качестве примера приведена технологическая схема трехступенчатой сборки 
изделия, состоящего из трех узлов (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Технологическая схема сборки изделия из трех узлов (три ступени)

Сборка начинается с подачи в позицию сборки базовой детали 
(БД). Затем в требуемой последовательности подаются другие детали, 
входящие в первый узел. На технологической схеме, кроме названия 
детали, указываются ее номер по чертежу и количество деталей в узле. 
В первый узел (Сб.1), кроме базовой детали (БД), входят по две детали с номерами 1—2 и 1—3. Второй узел (Сб.2) состоит из БД 2—1 и деталей 2—2 (1 шт.) и 2—3 (1 шт.). Третий узел (Сб.З) в данном примере 
представляет собой готовое изделие.

10