Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ методов и средств контроля распределения припусков 7
1.1. Проблемы базирования на первой операции 8
1.2. Особенности контроля геометрических параметров точечно-заданных фасонных поверхностей (на примере гребного винта) 11
1.3. Способы и технические средства измерения фасонных поверхностей 17
1.4. Существующие математические методы воссоздания поверхности по набору точек 44
1.5. Выводы по главе 1 и постановка задач исследования.. 49
2. Разработка методики получения пространственной формы объекта на основе трехмерных координат точек его поверхности 52
2.1. Теоретическое обоснование математического метода 53
2.2. Разработка математического описания измеренного объекта 55
2.3. Разработка математического описания эталонного объекта 58
2.4. Разработка методики сравнения измеренной и эталонной моделей 60
3. Разработка методики начального распределения припусков 66
3.1. Составление математической модели эталонного винта 68
3.2. Проведение стереофотограмметрического измерения координат точек поверхности заготовки 71
3.3. Составление математической модели измеренной заготовки 74
3.4. Расчет имеющихся припусков и анализ оптимальности их распределения 76
3.5. Анализ распределения припусков 78
3.6. Алгоритм работы АСУТП 80
4. Апробация методики начального распределения припусков 83
4.1. Анализ работы математической методики 83
4.2. Анализ работы алгоритма распределения припуска 89
5, Расчет дохода от внедрения АСУТП «Оптима» 93
5.1 Расчет затрат на внедрение АСУТП ...93
5,2 Расчет экономического эффекта от внедрения АСУТП 97
5.3. Расчет срока окупаемости..., 100
5.4 Расчет дохода от внедрения АСУТП 102
Выводы и основные результаты работы 103
Литература 105
Приложение 1 112
Приложение 2 114
Приложение 3 118
Приложение 4 123
- Особенности контроля геометрических параметров точечно-заданных фасонных поверхностей (на примере гребного винта)
- Разработка математического описания измеренного объекта
- Проведение стереофотограмметрического измерения координат точек поверхности заготовки
- Анализ работы алгоритма распределения припуска
Введение к работе
Современное промышленное производство характеризуется высокой степенью автоматизации и информатизации технологического процесса изготовления изделий. Применение вычислительных машин позволяет повысить точность изготовления деталей, а также увеличить долговечность и надежность эксплуатации механизмов и машин, что в свою очередь позволит не только увеличить производительность процесса за счет уменьшения объема пригоночных операций, но и позволяет снизить трудоемкость механической обработки, уменьшить размеры припусков на обработку деталей, и в конечном итоге приводит к экономии металла.
В настоящее время одним из приоритетных направлений совершенствования методов металлообработки является снижение удельного расхода металла путем уменьшения отходов при обработке. Более точное базирование заготовок на первых операциях механической обработки позволяет уменьшить «запас» материала на заготовительных операциях и тем самым снизить расход металла на изготовление единицы изделия.
В связи с этим особую важность приобретает начальное распределение припусков, так называемое автоматическое «вписывание» изделия в заготовку при механической обработке сложнопрофильных деталей с точечно-задаваемыми поверхностями, в частности, гребных винтов. Именно при первой операции обработки детали ее поверхности необходимо правильно ориентировать по отношению к технологическим базам [30].
Разнообразие геометрических форм и размеров гребных винтов, отсутствие каких-либо закономерностей в профилях отдельных сечений и методики расчетов и проектирования делает невозможным применение общепринятых способов базирования. Универсальное решение данной задачи, подходящее ко всем типам и размерам гребных винтов, может быть получено при решении математической задачи нахождения наилучшего способа вписывания теоретической геометрической формы гребного винта в имеющуюся заготовку. Это особенно актуально для такого мелкосерийного, а зачастую и штучного производства, как изготовление гребных винтов.
Важность решения поставленной задачи определяется и тем, что ошибочное начальное распределение припусков может привести к выбраковке заготовки, поскольку для гребных винтов высшего и особого классов коррекция изделия наплавлением металла недопустима по акустическим и ходовым требованиям [28].
В течение ряда лет Севмашвтузом совместно с ФГУМП "Звездочка" проводились теоретические и практические исследования с целью разработки автоматизированной системы управления технологическим процессом распределения припуска - АСУТП «Оптима». Настоящая диссертационная работа является составной частью общего комплекса разработки и реализации данной АСУТП, отображая вопросы разработки математического и алгоритмического обеспечения начального распределения припусков заготовки гребного винта на основе стереофотограмметрического метода измерений и компьютерной обработки полученной информации.
В данной работе выполнен анализ существующего состояния проблемы распределения припуска, рассмотрены особенности контроля геометрических параметров точечно-задаваемых поверхностей, проведен анализ технологического процесса изготовления гребных винтов, рассмотрены различные координатно-измерительные устройства, применяемые в настоящее время для измерения геометрической формы б крупногабаритных конструкций, разработан алгоритм преобразования трехмерных координат точек поверхности объекта в перечень расхождений геометрической формы измеряемой заготовки и эталонной формы гребного винта, разработан метод начального базирования гребного винта, работоспособность которого подтверждена лабораторными и цеховыми испытаниями стереофотограмметрического комплекса.
Отдельные разделы работы и вся работа в целом обсуждались на заседаниях кафедр «Технология машиностроения, металлорежущие станки и инструменты» РУДН, «Технология металлов и машиностроения» Севмашвтуз; на международных научно-технических конференциях «Ломоносовские чтения», Севмашвтуз, 1999 год и «Стратегические интересы и актуальные проблемы России на европейском севере», Архангельский филиал Московского института управления, 2000 г. Основные результаты опубликованы в 7 печатных работах.
На защиту выносятся:
Метод равномерного распределения припуска на обработку, основанный на стереофотограмметрическом контроле формы поверхности и последующей компьютерной обработки полученных значений, заложенный в основу АСУТП «Оптима».
Математический метод преобразования трехмерных координат точек поверхности в оценку расхождения геометрической формы измеряемой заготовки с точечно-заданной формой поверхности готовой детали.
Оценка стабильности и точности получения результатов при помощи разработанной методики.
Результаты работы методики начального распределения припусков.
Особенности контроля геометрических параметров точечно-заданных фасонных поверхностей (на примере гребного винта)
Поскольку изготовление изделия представляет собой технологический процесс, содержащий целенаправленные действия по изменению и (или) определению состояния предмета труда, контрольно-измерительные операции по определению состояния предмета, равноценно как и обработка заготовок, ремонт или сборка изделий, представляют собой часть технологического процесса изготовления или ремонта изделий [3]. Как правило, измерения составляют неразрывную часть технологических операций изготовления изделий. С помощью контрольных средств измерений осуществляется проверка, выверка и придание требуемых положений элементам изделия или технологических систем, таких как заготовки и изделия технологического оснащения [71].
Точность изготовления детали определяет последующие затраты на ее доработку (удаление облоя, пригонка элементов изделий при сборке и т.д.). Важнейшим требованием к результатам измерений, наряду с точностью производства, является также оценка качества составляющих производственного процесса [67].
Основные проблемы измерения сложных поверхностей таковы: 1. Для некоторых поверхностей применение контрольно-измерительных машин невозможно из-за сложной геометрической формы или за счет большого собственного веса. 2. Поверхность измеряемой детали может деформироваться под влиянием измерительного устройства. 3. Непосредственный замер координат контролируемых точек изготовленной поверхности, отклонения которых от эталона должны быть установлены, практически невозможен. Они могут быть установлены только косвенно на основании измерений достаточно большого объема в их окрестности. 4. Конечная геометрия щупа, касающегося измеряемой поверхности позволяет оценивать координаты только косвенно. Достоверно фиксируется координата нижней точки щупа или его центра. Точка касания при измерениях сложных поверхностей может в достаточно широком диапазоне перемещаться по поверхности щупа. 5. Вследствие погрешностей базирования и изготовления для измеренных точек поверхности необходимо найти соответствующие им точки на математической модели изделия. Для сложных, точечно-задаваемых поверхностей решение данной задачи также весьма затруднительно. Именно сопоставление соответствующих точек математической модели с результатами измерений, позволяет сделать заключение о точности изготовления изделия либо выработать рекомендации по оптимальному распределению припусков. 6. Большие сложности в процессе контроля и измерения поверхностей вызывают места их сопряжений. Гребной винт является механизмом, предназначенным для передачи энергии, развиваемой главными механизмами, окружающей судно воде и тем самым заставляет судно двигаться. Судовые гребные винты обычно имеют несколько лопастей (от 3 до 6), которые составляют со ступицей единое целое либо являются съемными. Рабочий профиль гребного винта представляет собой набор сопряженных кривых, исчисление которых в большинстве случаев невозможно математическими способами, так как форма винтов, в частности лопастей вырабатывается на основе натурных испытаний. Нагнетающая сторона лопасти гребного винта имеет винтовую поверхность, которая получается при вращении образующей вокруг оси при одновременном поступательном движении вдоль этой оси. Образующая винтовой поверхности может быть различной формы и расположена под различным углом по отношению к оси винта. Засасывающая сторона лопасти представляет собой поверхность, образованную задними сторонами лопастных сечений. Форма этих сечений и толщины лопасти в разных местах определяются из условий прочности или обтекаемости профиля [26, 46]. Для гребного винта, как геометрического тела обладающего центральной осевой симметрией, используют мысленную ортогональную систему координат Oxyz, где ось х направлена вдоль оси винта, ось у -вдоль осевой первой лопасти винта, ось z перпендикулярна осям х,у. Замеры катетов лопасти в контрольных точках. Положение начальной и конечной точек отстоят на 10% длины сечения от входящей и выходящей кромок и округляется до ближайшего целого значения угла. Участок между начальной и конечной точкой разбивается на участки величиной не менее 1000 и не более 400 мм. Границы участков называются местными (промежуточными) катетами. ? Замеры толщин. Точки замеров определяются по чертежу данного гребного винта либо по общему стандарту. Они привязаны к осевой и от нее откоординированы. Обязательно приводятся данные линии наибольших толщин и толщина осевой точки сечения. ? Положение лопасти, измеряемое по двум параметрам: откидке (уклону) лопасти — положение лопасти по отношению к нормали оси винта - и положению лопасти вдоль оси винта. На практике, если положение лопасти удовлетворяет одному параметру, оно удовлетворяет и другому. Тем не менее окончательный контроль производится по двум параметрам [60]. Приборы, предназначенные для измерения конструктивных параметров лопастей и для разметки отдельных элементов винта должны обеспечивать возможность прямого измерения следующих параметров лопастей гребного винта: координаты любой точки лопасти по стороне нагнетания в цилиндрической системе координат, а также толщины лопастей в любой точке в направлении, нормальном к номинальной винтовой поверхности. Для винтов особого и высшего классов измерение шага, толщины, длины сечения лопастей и расстояния от осевой лопасти до выходящей кромки проводят не менее чем на 8 радиусах винта: 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 0,95 R. Для винтов диаметром менее 2, 5 м измерения должны производится не менее чем на 5 радиусах винта 0,3 или 0,4; 0,5; 0,6 или 0, 7; 0,8; 0,9 или 0,95 R. Для изготовления гребных винтов особого и высшего классов используются специальные сплавы, специальные бронзы, специальные латуни и нержавеющие сплавы [5]. Каждая отливка, принимаемая для обработки на предприятие, принимается службой технического контроля предприятия-изготовителя и освидетельствована представителем органа государственного надзора или заказчика. При приемке и освидетельствовании отливок проверяют соответствие материала отливки требованиям нормативно-технической документации на материал, основные размеры, обеспечивающие изготовление гребного винта. [6] Визуальный контроль поверхностей лопастей и ступицы осуществляется внешним осмотром, в сомнительных случаях - с применением соответствующих увеличительных луп [60]. Цветная и люминесцентная дефектоскопия производится в соответствии с ОСТ5.9537-72.
Сложная пространственная форма гребного винта и частые переходы с одной установочной и измерительной базы на другую обусловили -необходимость значительного количества разметочных операций для нахождения исходных баз, требуемых при дальнейшей обработке поверхности винта. Вследствие этого технологический процесс изготовления средних и крупных гребных винтов содержит до 55 операций. Наличие соответствующих межоперационных припусков должно обеспечить получение годного по форме и размерам винта.
Разработка математического описания измеренного объекта
Совокупность трехмерных координат точек, принадлежащих некоторой поверхности с заданной степенью точности определяет трехмерную форму рассматриваемого объекта. Однако информация о геометрии объекта выражена в неявной форме, ее необходимо описать при помощи каких-либо математических методов. Математические способы воссоздания формы поверхности по известным координатам точек рассматривается в литературе довольно широко.
Наиболее очевидным является геометрический метод, при котором в единой системе координат совмещается эталонная модель гребного винта и полученный набор точек. Современное графическое программное обеспечение типа UniGraphics позволяет осуществлять подобные расчеты [231.
Теоретическая модель винта строится по сечениям, указанным в чертежах (толщины, откидки, шаги сечения) Затем для построения графической модели по измерянным каким-либо образом координатам точек поверхности, точки передаются в графическую программу в промежуточном ags-формате, причем все точки должны быть разбиты на 3 массива: нагнетающей плоскости лопасти, засасывающей плоскости и контурной линии лопасти. По файлу контурных точек строится сплайн. На другом слое той же модели в UniGraphics накладывают облако точек, по которым воссоздаются две поверхности - нагнетающая и засасывающая. Совмещение нагнетающей и засасывающей плоскостей производится вручную по характерным особенностям (отверстие торца) при помощи сплайна контурных точек. Затем рассчитываются толщины лопастей в контрольных точках, пристраиваются катеты сечений. Данные расчеты автоматизированы лишь частично и требуют до 2,5 часов на 500 точек. Контроль гладкости производится при помощи отслеживания местного шага сечения (по стандарту не менее чем в 4 промежуточных точках).
Преимущества графического метода в его простоте и наглядности. Однако качественный анализ взаимного расположения объектов при их графическом отображении затруднителен, поскольку отсутствуют числовые оценки параметров расхождения измеряемого объекта и эталонной формы. Зачастую наложение полученных точек на эталонную модель, как и большинство расчетов параметров, производится вручную при помощи специализированного, дорогостоящего программного обеспечения.
Рассмотрим эффективность методов математической интерполяции наборов точек при помощи кривых различного типа. Многозначные функции, соответствующие поперечным сечениям трехмерных плоскостей складчатой формы, могут быть представлены кусочно-полиномиальной функцией. Построенная данным образом функция непрерывна на всем протяжении, однако имеет разрывы производных в точках соединения последовательных отрезков кривых [51]. Так как ни один из полученных при разложении полиномов не имеет бесконечной производной, то в окрестностях любой вертикальной касательной к поверхности будут возникать сравнительно большие ошибки, что делает данный метод неприемлемым.
Другим методом аппроксимирования кривых являются полиномиальные сплайны. В теории сплайнов получили большое развитие и имеют разнообразные применения два основных подхода: алгебраический и вариационный. В первом случае сплайны трактуются как гладкие кусочные функции с однородной структурой. Во втором случае под сплайнами понимаются решения задач минимизации линейных функционалов при наличии ограничений типа равенств и неравенств. Однако существует и третий подход, когда сплайны определяются как решения многоточечных краевых задач. В ряде важных случаев этот последний подход эквивалентен двум предыдущим. Эффективным на практике зарекомендовал себя метод локальной аппроксимации в сочетании с рекуррентными алгоритмами вычисления полиномиальных В-сплайнов. Хотя теория обобщенных В-сплайнов разработана довольно хорошо, их практическое применение для решения задач изогеометрической аппроксимации до сих пор сдерживалось отсутствием простых и эффективных вычислительных алгоритмов и явных формул для обобщенных В-сплайнов. Исключение составляют полиномиальные, тригонометрические, гиперболические и некоторые специальные виды чебышевских сплайнов возможности которых однако ограничены [29]..
Любая сплайн-функция является кусочно-аналитической функцией — в пространственном случае лоскутно-аналитическая. Кривая, описанная сплайном, имеет минимальную среднюю квадратичную кривизну, что приближает ее форму к реальной форме поверхности заготовки. Однако сложная геометрическая форма гребных винтов, описание которой зачастую невозможно про помощи математических методов, делает неприменимым большинство стандартных методов сплайн-проекции. Аппроксимация при помощи сплайнов выдает в качестве результатов кусочно-линейные функции, разбивающие поверхность винта на множество под плоскостей, пересекающихся в точках, координаты которых заданы измерениями. Сравнивать подобную «лоскутную» модель с эталонной возможно лишь при том условии, что сам эталон будет представлять собой множество подплоскостей, причем точки разбиения подплоскостей эталона и полученной модели должны совпадать. Но подобное невозможно, поскольку стереофотограмметрический метод позволяет предварительно определить плотность контрольных точек, но не их расположение [12].
Проведение стереофотограмметрического измерения координат точек поверхности заготовки
Анализ распределения припусков включает в себя такие этапы как: Поиск точек, не имеющих в текущей установке достаточных запасов припуска. Для таких точек 5j 0. В зависимости от их расположения заготовка либо бракуется в случае, когда не существует такого вектора перемещения, чтобы для каждой из эталонных точек имелось достаточное количество припуска, либо рассчитываются параметры вектора перемещения. Расчет вектора требуемого перемещения заготовки основан на данных о геометрическом месте центра точек измеренной поверхности, задающих горизонтальное перемещение заготовки, и данных об отклонении имеющихся значений припуска от необходимых величин. Для найденного вектора перемещения рассчитываются значения ожидаемых координат точек поверхности заготовки, производится расчет математической модели измеренной поверхности, находятся новые значения отклонения припусков. Поскольку распределение припуска - нелинейная задача, имеющая множество вероятных реализаций, окончательное решение принимается группой квалифицированных специалистов - лицом, принимающим решение (ЛПР). Рассмотрим алгоритм работы автоматизированной системы управления технологическим процессом распределения припуска на заготовках гребных винтов — АСУТП «Оптима». Основа данной системы — разработанная методика распределения припусков, которая, в свою очередь, базируется на математическом алгоритме преобразования трехмерных координат точек поверхности объекта в величины отклонений геометрической формы измеряемой заготовки от точечно-заданной формы поверхности готового изделия. Работа АСУТП начинается с анализа документации на изготовляемый гребной винт. Если винты данного типа производились ранее, в базе данных АСУТП имеется эталонная модель готового винта ее следует загрузить для дальнейшей работы. Если в базе данных АСУТП нет эталонной модели винта, первым шагом работы системы будет расчет математической модели эталонного винта заданного типа. После того, как заготовка пройдет дефектоскопию, она размещается на рабочей поверхности станка. Производится первая контрольная операция определения пригодности заготовки по геометрическим параметрам. Если заготовка признана годной, выбирается оптимальное распределение существующих припусков. Информация об имеющихся припусках поступает в систему управления станка с ЧПУ. В случае, когда припуск больше оптимального значения, принимается решение о многоступенчатой обработке с разделением операций сначала иа черновую и затем чистовую обработку. Быстродействие работы АСУТП позволяет производить операции распределения припусков после каждой черновой обработки, причем время производственного процесса увеличивается незначительно (так как контроль производится при уже известных параметрах текущей установки системы). После черновой обработки проводится промежуточный контроль, на основе которого делается вывод о необходимости повторных черновых операций обработки винта, либо переходу к чистовой обработке. По завершении операции обработки, после чистовой расточки, производится межоперационный контроль. Межоперационный контроль, необходим для большинства операций обработки винта (за исключением шлифования). Количество таких операций зависит от типа винта. По завершению всех операций обработки винта производится выходной контроль, по результатам проведения которого заполняется паспорт винта. Блок-схема полученного алгоритма приведена на рисунке 3.7.
Анализ работы алгоритма распределения припуска
Для каждой из найденных пар соответствующих друг другу точек определим длину вектора имеющегося припуска и разность имеющегося и требуемого значения припуска в данной эталонной точке. Найдем среднее значение отклонения длины вектора нормали от требуемой величины. Полученные разности нормируются путем деления на среднее значение.
Рассмотрим следующий случай взаимного расположения заготовки и эталонной модели винта:
При данной установке заготовки имеется ряд точек, для которых величина имеющегося припуска меньше, чем требуемое значение, то есть Sj 0. Кроме того, имеются точки, для которых Sj = 0. Однако анализ расположения точек, для которых значение имеющегося припуска значительно превосходит нормативное значение показывает, что возможно перемещение заготовки, при котором для всех эталонных точек значение имеющегося припуска будет не менее, чем требуемое. В данном случае вектор перемещения строго горизонтален. Рассмотрим другой случай взаимного расположения заготовки и эталонной модели винта
Здесь взаимное расположение точек таково, что перемещение модели заготовки с целью увеличения припуска в точках, где 5 0, повлечет за собой недопустимое уменьшение припуска в тех точках, где в настоящий момент 5j=0. Следовательно, невозможно задать такой вектор перемещения заготовки, при котором во всех контрольных точках эталонной математической модели будет достаточное количество припуска. Заготовка подлежит выбраковке. заготовки относительно эталонной модели винта.
При распределении припусков на заготовке возможна и ситуация, подобная изображенной на рис. 4.5. Здесь для большинства точек заготовки значение припуска близко к требуемому, за исключением некоторой области, в которой имеется излишек металла. Возможно, переместив заготовку, распределить излишек припуска равномерно между всеми обрабатываемыми поверхностями. Но более оптимальным с точки зрения уменьшения трудоемкости обработки является удаление излишка металла за одну операцию (вертикальная пунктирная черта). 5. Расчет дохода от внедрения АСУТП «Оптима»
Рассчитаем срок окупаемости АСУТП и предполагаемый доход от ее внедрения исходя из ее себестоимости и выигрыша по времени, получаемого при использовании системы на ФГУП "МП Звездочка" для измерения гребных винтов. За эталон возьмем гребной винт диаметром 15 метров, высотой 8 метров и весом 1 тонну. При измерении винтов большей конфигурации временные затраты измерения при помощи шагомера вырастают пропорционально увеличению диаметра винта. При использовании АСУТП время измерений возрастает на 0,5 часа при увеличении диаметра винта в 2 раза.
Похожие диссертации на Автоматизированная система управления технологическим процессом распределения припуска (На примере гребных винтов)
