Введение к работе
Актуальность темы. Развитие отечественного машиностроения связано с повышением качества выпускаемой продукции и снижением ее себестоимости. Особенно актуальны проблемы повышения качества продукции для двух из основных отраслей отечественного машиностроения - нефтегазовой и химической.
В машиностроении наибольшее влияние на качество выпускаемой продукции оказывает технологическая точность изготовления базовых деталей. Основными базовыми деталями нефтегазового и химического оборудования являются оболочки вращения - корпуса, которые свариваются из обечаек и днищ. Для обеспечения контакта фаз газ-жидкость внутрь корпусов устанавливают тарелки. Точность позиционирования тарелок существенно зависит от точности разметки внутренней поверхности корпусов и определяет продольную и поперечную равномерность и эффективность их работы. При этом точность самих корпусов в значительной степени влияет на механическую прочность, надежность, качество работы и трудоемкость изготовления колонных аппаратов. Она зависит из-за смещения кромок стыкуемых деталей от погрешностей их периметра и формы, определяемых точностью контроля геометрических параметров. К последним относятся отклонение от цилиндрично-сти, круглости и профиля продольного сечения. Применяемые в настоящее время на заводах, производящих колонные аппараты, средства не позволяют устанавливать тарелки и стыковать обечайки и их секции без дополнительных операций правки и подгонки. Такое состояние существенно ограничивает качество выпускаемой продукции, увеличивает время сборки корпусов и энергетические затраты и не позволяет автоматизировать технологические процессы.
Измерение геометрических параметров крупногабаритных деталей (диаметр 0,9 -10м, длина - до 100м) является одной из сложных областей измерительной техники, что обусловлено большими габаритами изделия и измерительного инструмента, большим объемом измерительных операций и тяжелыми внешними условиями. Поэтому наиболее перспективным является использование систем контроля геометрических параметров с оптико-электронными измерительными преобразователями, обеспечивающими измерение без механического контакта с объектом в режиме реального времени, и возможность интеграции в существующие системы автоматизации технологических процессов. На рынке отсутствуют серийно выпускаемые средства контроля, которые за счет совмещения операций контроля геометрических параметров крупногабаритных деталей и их разметки позволяют исключать операции правки и подгонки. Таким образом, необходима разработка и исследование специальных оптико-электронных систем контроля геометрических параметров и разметки корпусов колонных аппаратов.
Целью работы является разработка и исследование оптико-электронной системы контроля геометрических параметров и разметки корпусов колонных аппаратов.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
Проведен анализ технологического процесса и условий производства корпусов колонных аппаратов, а так же существующих методов и средств контроля геометрических параметров крупногабаритных оболочек вращения.
На основе проведенного анализа предложены схемы контроля геометрических параметров и разметки корпусов колонных аппаратов, построены математические модели процесса измерения и формирования методической погрешности и определена методика повышения точности контроля и разметки.
На основе разработанных схем измерения и разметки предложены структурно-функциональные схемы оптико-электронных систем контроля геометрических параметров и разметки колонных аппаратов.
На основе построенной на базе аппарата кватернионов математической модели и предложенного алгоритма разработана компьютерная модель, позволяющая обоснованно выбирать параметры одной из предложенных оптико-электронных систем контроля геометрических параметров и разметки корпусов колонных аппаратов, обладающей заданной точностью.
На созданном макете оболочки вращения экспериментально подтверждена адекватность математических моделей процесса измерения и формирования методической погрешности.
Основные методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы теории оптических систем, случайных функций, методы имитационного моделирования, методы обработки экспериментальных данных, методы описания вращения твердого тела, а также эвристические методы проектирования технических систем.
Достоверность полученных результатов подтверждена результатами экспериментальных исследований и испытаний оптико-электронной системы контроля геометрических параметров и разметки.
Научная новизна.
Предложен метод определения базовых осей корпусов колонных аппаратов, имеющих отклонения от правильной формы, для установки и монтажа деталей на корпуса, позволяющий осуществлять разметку поверхности корпусов и установку этих деталей с допустимыми погрешностями.
Получен алгоритм имитационного моделирования процессов формирования погрешностей контроля и разметки, который учитывает все основные факторы,
влияющие на их точность, и позволяет оценивать методическую погрешность оптико-электронной системы и, соответственно, выбирать ее структурно-функциональную схему, а так же параметры оптической схемы контроля геометрических параметров и разметки корпусов колонных аппаратов.
3. Разработана математическая модель трехмерного преобразования опти-
ческих сигналов в оптической системе, содержащей пентапризму, основанная на использовании кватернионов и позволяющая заранее оценивать погрешность преобразования и, соответственно, выбирать параметры оптической схемы и пентапризмы.
Теоретическая и практическая значимость результатов.
Разработана методика определения базовых осей корпусов колонных аппаратов для контроля геометрических параметров этих корпусов и разметки их поверхности для установки деталей с допустимыми погрешностями.
Разработана методика определения ограничений геометрических параметров механической части координатно-установочных устройств системы по условию ограничения методических погрешностей.
На основе полученной модели трехмерного преобразования оптических сигналов получены алгоритм и компьютерная программа, позволяющие рассчитывать допустимые параметры пентапризмы и осуществлять оценку погрешностей системы.
Получен алгоритм и компьютерная программа для сборки корпуса колонного аппарата с минимальным смещением стыкуемых кромок, который использует результаты измерения профилограмм отдельных обечаек и их секций.
Внедрение результатов работы.
На предприятии «Волгограднефтемаш» принята к внедрению оптико-электронная система контроля геометрических параметров и оптической разметки корпусов колонных аппаратов.
Результаты исследования используются в учебном процессе Волгоградского государственного технического университета в курсе «Метрология, стандартизация и сертификация».
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
Математические модели оптических схем контроля геометрических параметров и разметки корпусов колонных аппаратов с отклонениями от правильной цилиндрической формы, позволившие получить методики для определения параметров схем измерения и алгоритм выполнения операций контроля и разметки, обеспечивающие выполнение указанных операции с допустимыми погрешностями.
Математическая модель трехмерного моделирования преобразования оптических сигналов в пентапризме, основанная на аппарате кватернионов.
З. Методики обоснованного выбора параметров оптической схемы предла-
гаемой системы, состава и устройства ее элементов и выбора их параметров.
Соответствие паспорту специальности.
Указанная область исследования соответствует паспорту специальности 05.11.16 - «Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении)», а именно: пункту 1 - «Научное обоснование перспективных информационно-измерительных и управляющих систем, систем их контроля, испытаний и метрологического обеспечения, повышение эффективности существующих систем».
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на ежегодных научных конференциях Волгоградского государственного технического университета (2008-2011 гг.), XXI международной инновационно-ориентированной конференции молодых учёных и студентов по современным проблемам машиноведения (МИК-МУС-2009) г. Москва (16-18.11.2009), международной научной конференции «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности (АСТИН-ТЕХ-2009)» г. Астрахань (11-14.05.2009), V всероссийской научно-практической конференции «Инновационные технологии в обучении и производстве» г. Камышин (4-6.12.2008), XI международной научно-технической конференции «Медико-экологические информационные технологии» г. Курск (21-24.05.2008), межрегиональной научно-практической конференции «Моделирование и создание объектов энергосберегающих технологий» г. Волжский (22-25.09.2009), IX международной конференции «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации. Распознавание -2010» г. Курск (18-20.05.2010).
Личный вклад автора.
В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит:
[8,9,10,11,12,13,14,15,16] - разработка системы контроля геометрических параметров и разметки корпусов колонных аппаратов и ее элементов; [2] - создание алгоритма и компьютерной программы сборки; [3,4] - разработка имитационной модели контроля геометрических параметров и разметки и расчет погрешностей; [5] -создание математического описания геометрических параметров; [6,7] - разработка структурных схем и алгоритма функционирования предлагаемых устройств; [17] -анализ факторов, влияющих на сборку корпуса аппарата и построение их графа.
Основные научные результаты и рекомендации, содержащиеся в диссертационной работе и публикациях, получены автором самостоятельно и под руководством научного руководителя.
Публикации. Основные результаты исследования представлены в 17 работах, 3 из которых - патенты РФ, 4 статьи опубликованы в журналах по списку ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 106 страниц основного текста, 48 рисунков, 2 таблиц, списка литературы (137 пунктов).
