Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ проблемы контроля поверхностей изделий тяжелого машиностроения 7
1.1. Особенности производства крупногабаритных корпусных изделий 7
1.2. Специфика проведения измерений при контроле геометрии поверхностей 9
1.3. Методы обработки результатов измерений при использовании различных базовых поверхностей 14
1.4. Цель и задачи работы 25
2. Синтез модели базовой внутренней поверхности для измерения геометрии черновых поверхностей заготовок изделий произвольной формы 27
2.1. Общие принципы контроля формы заготовок 27
2.2. Определение контрольной детали и базовой внутренней поверхности 33
2.3. Общая математическая модель базовой внутренней поверхности для изделий произвольной формы 40
Выводы по главе 2 43
3. Методика измерений геометрии поверхностей заготовок корпусных изделий 45
3.1. Анализ черновых номинально цилиндрических поверхностей 45
3.2. Контроль черновых поверхностей обечайки 49
3.3. Алгоритм анализа математических моделей внутренней базовой поверхности для заготовок деталей цилиндрической формы 52
3.4. Измерения черновых номинально плоских поверхностей заготовок призматических изделий 62
3.5. Координатные измерения и оценка инструментальных погрешностей измерений при использовании токарно-карусельных станков типа "обрабатывающий центр" 67
Выводы по главе 3 75
4. Информационно-измерительная система контроля формы заготовок крупногабаритных корпусных деталей 77
4.1. Разработка аппаратных и программных средств информационно-измерительной системы 77
4.2. Особенности работы ИИС в машиностроительном производстве 96
Выводы по главе 4 100
Основные результаты работы и выводы 102
Список литературы 104
Приложение
- Методы обработки результатов измерений при использовании различных базовых поверхностей
- Общая математическая модель базовой внутренней поверхности для изделий произвольной формы
- Алгоритм анализа математических моделей внутренней базовой поверхности для заготовок деталей цилиндрической формы
- Особенности работы ИИС в машиностроительном производстве
Введение к работе
Современный этап развития техники и технологий характеризуется значительным повышением требований к качеству изделий машиностроения. Это объясняется, прежде всего, необходимостью повышения надежности работы оборудования, что особенно важно на объектах энергетических, химических и других опасных производств, аварии на которых вследствие отказов оборудования представляют серьезную опасность. Надежность такого оборудования закладывается и в большей степени обеспечивается при его изготовлении.
Наиболее ответственными, трудоемкими и дорогостоящими в изготовлении являются корпусные изделия, такие как корпуса ядерных реакторов и парогенераторов, эллиптические и сферические крышки реакторов и др. Все эти изделия проходят сложный процесс изготовления от получения заготовок до механической обработки их поверхностей и сборки. Каждый из этапов производства имеет свои особенности и сложности, обусловленные, прежде всего, значительными размерами, огромной массой этих изделий, а также повышенными требованиями к безотказности их работы.
Одним из перспективных направлений работ при производстве крупногабаритных изделий является совершенствование контрольных операций, связанных с анализом геометрических параметров их заготовок. Отсутствие эффективных методов контроля формы заготовок, с одной стороны, требует завышения припусков на механическую обработку, чтобы быть уверенным в том, что деталь может быть получена из заготовки, а, с другой, приводит в отдельных случаях, к тому, что бракованные заготовки, имеющие огромные размеры и вес, перевозятся на большие расстояния, и только после этого при проведении механической обработки уже на новом предприятии обнаруживается, что заготовка является бракованной. Известны также случаи, когда использование традиционных методов контроля приводило к необходимости объявить заготовку бракованной, хотя из нее впоследствии была получена деталь требуемых размеров. Все это приводит к снижению производительности
5 труда и повышению себестоимости продукции, что является недопустимым в современных экономических условиях.
С учетом вышеизложенного, особую актуальность в настоящее время приобретает решение научной метрологической проблемы, возникающей при производстве крупногабаритных корпусных изделий тяжелого машиностроения, состоящей в разработке информационно-измерительных систем, позволяющих не только повысить надежность контрольных операций перед механической обработкой заготовок этих изделий, но и существенно сократить расходы и время на их проведение.
Для достижения поставленной цели нам необходимо, во-первых, разработать общие принципы контроля черновых поверхностей и формы заготовок в целом, сформулировать определение внутренней базовой поверхности, во-вторых, построить общую математическую модель базовой внутренней поверхности для заготовок изделий произвольной формы и на ее основе разработать математические модели базовых внутренних поверхностей для наиболее часто встречающихся реальных изделий, в-третьих, построить алгоритмы для анализа полученных математических моделей и на их основе разработать пакет программ для контроля формы заготовок изделий, имеющих номинально цилиндрические поверхности, в-четвертых, разработать информационно-измерительную систему для проведения контрольно-измерительных операций в производственных условиях.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Сформулированы новые принципы анализа геометрии поверхностей заготовок, основанные на погружении воображаемой контрольной детали в тело заготовки.
Получены общая математическая модель базовой внутренней поверхности для заготовок изделий произвольной формы и ее частные случаи для корпусных изделий тяжелого машиностроения, алгоритмы анализа этих математических моделей, представляющих собой оптимизационные задачи с ограничениями.
3. Разработана новая методика контроля формы крупногабаритных заготовок, имеющих номинально цилиндрические поверхности, позволяющая использовать в качестве координатной измерительной машины карусельные станки и обрабатывающие центры. На защиту выносятся следующие положения:
Новые принципы контроля черновых поверхностей и формы заготовок в целом.
Общая математическая модель базовой внутренней поверхности для заготовок изделий произвольной формы и построенные на ее основе математические модели указанных поверхностей для изделий, имеющих номинально цилиндрические и плоские поверхности.
Методика и алгоритмы для расчета параметров базовых внутренних поверхностей заготовок, имеющих номинально цилиндрические поверхности.
Автор выражает искреннюю благодарность д.т.н., проф. В.В. Кривину, взявшему на себя труд по фактическому руководству работой при подготовке четвертой главы диссертации.
Методы обработки результатов измерений при использовании различных базовых поверхностей
Проведение научных исследований по совершенствованию методов и технологий производства крупногабаритных изделий связано с большими трудностями организации экспериментов в лабораторных условиях и в условиях действующего производства без нарушения его нормального функционирования. Мелкосерийность и уникальность данной продукции, ее большие размеры и масса обуславливают трудоемкость и высокую себестоимость таких исследований. Часто требования производства по выполнению плана, сокращению расходов и сроков изготовления деталей делают чрезвычайно сложным само проведение научных работ. Однако результаты таких исследований помогают дать правильные рекомендации производственникам, что приводит к существенному улучшению качества и надежности изготавливаемых изделий.
Иногда для решения этой проблемы, когда для исследуемого конкретного изделия нельзя провести натурный эксперимент и получить фактические значения требуемых параметров, можно строить имитационные модели, характеристики которых близки к соответствующим характеристикам реального изделия. На таких моделях отрабатываются новые теоретические концепции, методы и алгоритмы, анализируются результаты, которые впоследствии проверяются на реальных изделиях.
Применение традиционных статистических методов для оценки качества крупногабаритных деталей малоэффективно из-за неинформативности получаемых результатов вследствие невозможности проведения исследований большого количества этих деталей и изменчивости условий их производства. Поэтому, для решения этих задач целесообразно использование детерминированных методов на основе тщательного анализа геометрической формы черновых поверхностей каждой конкретной заготовки.
Анализ геометрии черновых поверхностей заготовок является одной из актуальнейших проблем производства крупногабаритных изделий. Много внимания и в научной литературе, и в нормативных документах уделяется вопросам определения отклонения поверхностей от некоторых базовых поверхностей [50]. Из работ, посвященных этим исследованиям, необходимо отметить работы отечественных авторов А.Н. Авдулова [17-21], Б.М. Базрова [22,23], Б.Я.Верхотурова [24,25], И.Д. Гебеля [26,27], Н.Б. Гиппа [28], Н.Н. Маркова [29-34], М.А. Палея [35-37], Ю.С. Сысоева [38], B.C. Чихалова [39-42], В.П. Филькина [43,44], Э.И. Явойша [45], а также зарубежных ученых Ф. Витцке [46], А. Вимера [47] , Р. Ризона [48], Р. Спрэгга [49] и др.
Определение геометрических параметров поверхности изделия или его заготовки может осуществляться либо на основании анализа профилей, получаемых сечением его поверхностей плоскостями, либо непосредственным анализом поверхности в целом.
Анализ геометрии профилей в настоящее время чаще всего проводится с использованием гармонического анализа на основе детально разработанной теории рядов Фурье [54] и соответствующих численных методов по использованию этих рядов. Исследуемый профиль представляется некоторым множеством точек, координаты которых измеряются в полярной системе координат. Для анализа номинально круглых деталей (в том числе и заготовок) в настоящее время используются различные базовые окружности (прилегающие и средние).
Выбор базовой окружности осуществляется в зависимости от назначения детали. Каждый из существующих вариантов базовой окружности, рекомендуемых нормативными документами [50], имеет свои достоинства и недостатки. С точки зрения физического смысла, ни один из них не является оптимальным для всех возможных случаев контроля круглости [17]. Прилегающие базовые окружности наиболее удобны для контроля формы деталей, предназначенных для работы в подвижных соединениях, так как воспроизводят элемент идеальной поверхности, сопряженной с проверяемой. Для прессовых соединений, где добиваются равномерного распределения материала, гарантирующего прочность посадки, целесообразнее использовать в качестве базовой окружности среднюю базовую окружность. В некоторых случаях [17], оптимальным представляется применение системы кольцевой зоны минимальной толщины.
С другой стороны, если профиль детали имеет геометрически правильную форму, то все вышеперечисленные базовые окружности будут иметь одинаковые координаты центра и радиус. Однако в других случаях, найденные по разным существующим методикам координаты центра и радиус базовых окружностей отличаются, и расхождение значений не-круглости может достигать 22% [17].
Одной из базовых окружностей, рекомендуемых для анализа профилей поверхностей вращения [27] является средняя окружность. Согласно определению [50], средней окружностью называется окружность, проведенная относительно кривой профиля, таким образом, что сумма квадратов расстояний от этой окружности до кривой является минимальной. На практике для нахождения ее параметров (координат центра и радиуса) используются формулы Спрэгга [49]
Общая математическая модель базовой внутренней поверхности для изделий произвольной формы
Обозначим через (У и D заготовку и контрольную деталь, построенную по множеству { а}5 а через Z многомерный параметр, определяющий положение воображаемой контрольной детали в теле заготовки. Если, например, с контрольной деталью жестко связать подвижную систему координат Oj-Yjl Zj, то ее положение в неподвижной системе OXYZ координат станка, а значит и положение контрольной детали, будет полностью определяться координатами x,y,z начала координат 0{ и тремя углами Эйлера 0,у/,(р. Следовательно, в качестве вектора Z можно, например, взять шестимерный вектор (x,y,z,0,i//,q?). Учитывая сказанное, определим функцию z = p(M,cD,Z) аргумента М на поверхности дет при фиксированном значении Z как расстояние от точки М поверхности дет заготовки до поверхности &D, при погружении в заготовку контрольной детали в положение, соответствующее значению параметра Z. Изменение многомерного параметра Z влечет за собой изменение положения воображаемой контрольной детали в теле заготовки и, следовательно, изменение функции z — p(M,dD,Z). В соответствии с определением базовой внутренней поверхности для ее построения нам необходимо добиться такого положения контрольной детали D в теле заготовки о (то есть найти такое значение ZQ параметра Z), чтобы величина min p(M,cD,Z) стала наибольшей из возможных. Другими слова ми, поверхность 3D контрольной детали D тогда будет базовой внутренней поверхностью, когда многомерный параметр Z примет векторное значение Zn, найденное из уравнения:
Уравнение (2.1) мы будем называть математической моделью базовой внутренней поверхности. Эта математическая модель является не только уравнением, но и оптимизационной задачей с негладкой (не дифференцируемой) целевой функцией mm p(M, 3D,Z). Эта оптимизаци Меда онная задача является задачей с ограничениями, в качестве которых выступают требования, обеспечивающие принадлежность контрольной детали заготовке. Решение этой задачи и последующее вычисление значения min р(М, Ю,2п), как показано в дальнейшем, позволяет ответить на вопрос о том, можно ли из контролируемой заготовки получить требуемую деталь.
Однако найти точное решение задачи (2.1) в том общем виде, в котором она записана, даже для геометрически простых деталей не представляется возможным, поэтому находят приближенное решение, заменив задачу (2.1) ее дискретным аналогом. Наиболее приемлемыми и перспективными для этих целей являются методы, основанные на координатных измерениях.
Для приближенного вычисления значений min p(M,dD,Z) целе вой функции в оптимизационной задаче (2.1) используем традиционно применяемый при координатных измерениях способ дискретизации поверхности, заменив в уравнении (2.1) поверхность дет некоторым дискретным множеством д Тє ее точек, координаты которых измерены. Например, вместо поверхности дет можно использовать некоторую ее конечную -сеть д(7є [76]. Тогда вместо уравнения (2.1) будем рассматривать уравнение являющееся его дискретным аналогом. Поскольку, как правило, поверхность воображаемой детали представляется в виде объединения нескольких поверхностей, описываемых аналитически, то трудности, возникающие при нахождении значений, стоящих в левой и правой частях равенства (2.2), легко преодолеваются. В противном случае, как и для поверхности дет, для поверхности 3D можно построить конечную -сеть dD и вместо p(M,eD,Z) в уравнения (2.2) подставить значение
/?(M,6De,Z), что может облегчить решение задачи. Для решения оптимизационной задачи (2.2) наиболее эффективным является использование метода штрафных функций в сочетании либо с известным алгоритмом Нелдера-Мида (методом симплексов), либо алгоритмом, предложенным в работе [77]. Найденное решение используется для аппроксимации решения уравнения (2.1).
Совершенно очевидно, что для того, чтобы из заготовки можно было получить деталь требуемых размеров, необходимо, чтобы выполнялось неравенство: где h - глубина дефектного поверхностного слоя заготовки; Rz- высота неровностей обрабатываемой поверхности, Є - погрешность установки заготовки.
Алгоритм анализа математических моделей внутренней базовой поверхности для заготовок деталей цилиндрической формы
Рассмотрим алгоритм для анализа вышеприведенных математических моделей внутренней базовой поверхности. Напомним, что в качестве параметров, полностью определяющих положение контрольной детали D в теле заготовки а для изделий цилиндрической формы, были приняты параметры оси детали (координаты точки М (х ,у ,z.), через которую проходит ось, и направляющего вектора Р} =(1]9т ,п.)). В этом случае, многомерный параметр Z, указывающий положение воображаемой детали D, будет иметь координаты (М Р . Искомое положение контрольной детали, а также параметры внутренней базовой поверхности, будут определяться парой (M0,PQ). Обозначим через Е множество пар {(М Р }, когда М є а и прямая, проходящая через Мх и имеющая направляющий вектор Р , не пересекает поверхность заготовки дсг. В производственной практике, как правило, система координат выбирается таким образом, чтобы ее ось OZ образовывала острый угол с искомой осью изделия [77]. Выделим во множестве Е подмножество Н, содержащее пару (М0,Р0) и удовлетворяющее неравенствам (рис. 3.3): где хх,Ух - соответствующие координаты точки Mj; Х2,у2 и х 2,у2- координаты точки пересечения оси, проходящей через точку М и имею щей направляющий вектор Р с плоскостями, описываемыми уравнениями z = О и z = h соответственно (здесь h — номинальная высота заготовки); а,Ь — допустимые значения отклонений точек пересечения оси с основаниями от расположения точки М.. Координаты точек пересечения оси, проходящей через точку М. (х ,у ,Zj) и имеющей направляющий вектор Р =(1 ,т ,п),с плоскостями, описываемыми уравнениями z = О и z = h определяются по соответствующим формулам: Допустимые значения а и Ъ отклонений точек пересечения оси с указанными плоскостями должны выбираться таким образом, чтобы искомая ось лежала внутри заготовки.
Используя метод штрафных функций [79], сведем задачи (3.5), (3.6) и (3.10) к задачам минимизации функций F .{М Р ) (j = 1,...,3). Если необходимо произвести контроль формы черновой поверхности вала, имеющего номинально цилиндрическую поверхность, и координаты точек поверхности заготовки да Nj {і = \,...,кЛ известны, то целевая функция F(M]9P) в этом случае имеет вид: где p(N.,M ,Р) - расстояние от точки N., лежащей на наружной обрабатываемой поверхности заготовки, до оси, проходящей через точку М{ и имеющей направляющий вектор Р!; d - произвольное фиксированное число, не меньшее наибольшего предельного размера диаметра заготовки. Если необходимо произвести контроль формы черновых поверхностей заготовки для изготовления полости радиусом г, имеющей номинально цилиндрическую поверхность, и координаты точек поверхности заготовки да Nj(i = l,...,k2) известны, то целевая функция F2(MVP ) в этом случае имеет вид: где p(N.yM.iPl)- расстояние от точки N., лежащей на внутренней обрабатываемой поверхности заготовки, до оси, проходящей через точку М и имеющей направляющий вектор Р; d — произвольное фиксированное число. Рассмотрим случай, когда необходимо провести контроль формы одновременно как наружной, так и внутренней цилиндрических поверхностей заготовки для определения возможности получения после механической обработки кольца (обечайки) требуемых размеров. Базовой внутренней поверхностью, в этом случае, будет поверхность, состоящая из двух эквидистантных цилиндрических поверхностей, причем ее внутренняя цилиндрическая поверхность будет иметь наименьший предельный радиус г, наружная - наибольший предельный радиус R готовой детали, а торцевые поверхности будут являться подмножествами торцевых поверхностей заготовки.
Особенности работы ИИС в машиностроительном производстве
Разработанная ИИС может найти применение на предприятиях-изготовителях заготовок, а также на предприятиях машиностроительного профиля, где последние проходят механическую обработку. На предприятии-изготовителе ИИС следует располагать на конечной стадии технологического процесса изготовления заготовок, на стадии испытаний. Таким образом, выходной контроль конечной продукции будет более жестким и объективным, что в конечном итоге снизит процент брака, попадающего потребителям.
На предприятиях-потребителях (машиностроительные корпорации) разработанная система позволит производить входной контроль характеристик заготовок перед механической обработкой на станках. Мобильность данной системы и оперативность выдаваемых ею результатов исследования позволяет производить контроль технологических характеристик в таких условиях, когда применение традиционных способов их проверки невозможно или очень трудоемко. Разработанная ИИС позволяет не только повысить надежность контрольных и подготовительных операций при механической обработке крупногабаритных корпусных изделий, но и существенно сократить расходы и время на их проведение.
Испытания описанной ИИС проводились на предприятии ОАО "ЭМК-Атоммаш", занимающемся производством изделий тяжелой энергомашиностроительной промышленности. На этом предприятии особенно остро стоит вопрос входного контроля формы крупногабаритных заготовок, подвергающихся механической обработке.
В качестве примера приводятся результаты контроля наружной номинально цилиндрической поверхности заготовки фланца (по чертежу ИЦН 0045.01.01.101) с номинальными диаметром D=1900 мм и высотой Н=446 мм перед ее обработкой резанием на токарно-карусельном станке модели КУ-65Ф1. В начале по методике, описанной в п. 3.5, произвели измерения координат точек поверхности заготовки в трех сечениях, параллельных планшайбе станка. В каждом сечении замеряли координаты 32 точек, выбранные на поверхности заготовки таким образом, чтобы учесть все впадины, углубления, скосы и т.п. Результаты измерений приведены в табл. 4.3.
Параметры заготовки фланца были внесены в БДД ИИС. После введения в соответствующем окне программы номинального радиуса детали и значения величин, определяющих глубину дефектного поверхностного слоя заготовки, высоту микронеровностей ее поверхности и погрешность ее установки, ИИС определила, можно ли из заготовки получить требуемую деталь и произвела расчет минимального отклонения точек поверхности заготовки до поверхности детали. После этого, проведя анализ относительно других базовых поверхностей, был найден диаметр детали, которую можно получить из данной заготовки. Результаты приведены в табл. 4.4. Исходя из них, можно сделать вывод, что, используя при контроле формы в качестве базовой поверхности среднюю или прилегающую поверхность, мы однозначно забракуем вполне годную заготовку. Контроль формы наружной номинально цилиндрической поверхности заготовки фланца по чертежу ИЦН 0045.01.01.101 относительно раз личных базовых поверхностей
Программа выпуска данной детали составляет 34 изделия. За счет внедрения новой методики анализа геометрии черновых поверхностей, при которой продолжительность контрольной операции уменьшилась с 8 до 3 часов, совмещения процесса контроля заготовки и ее установки на технологическом оборудовании, экономический эффект от внедрения научно-исследовательской работы в производство составил 86010 руб. Результаты испытания показали эффективность системы, что позволяет рекомендовать разработанную систему для внедрения на предприятиях, занимающихся производством энергомашиностроительных конструкций ответственного значения. 1. Разработанные математические модели и методики доведены до инженерной практики и могут быть использованы для разработки структуры информационно-измерительной системы контроля формы заготовок крупногабаритных корпусных изделий. 2. В качестве аппаратных средств информационно-измерительной системы контроля формы заготовок крупногабаритных корпусных изделий цилиндрической формы могут быть использованы стандартные сред ства вычислительной техники, системы управления токарно-карусельного станка и дополнительный измерительный тракт для контроля отклонений радиуса заготовки. 3. Разработанные вычислительные алгоритмы, использованные в информационно-измерительной системе, обеспечивают достаточную точность измерений и возможность проведения метрологических операций в цеховых условиях и в режиме реального времени технологического процесса. 4. Результаты проведенных исследований легли в основу построения опытно-промышленной информационно-измерительной системы контроля формы заготовок крупногабаритных корпусных изделий тяжелого машиностроения, внедренной в ОАО ЭМК «Атоммаш». Опыт эксплуатации системы показал значительное снижение трудоемкости метрологических операций, что позволило получить экономический эффект в объеме 86010 руб.
