Введение к работе
Актуальность темы. Развитие самолетостроения выдвигает все более возрастающие требования к качеству изготовления их узлов и агрегатов, и, следовательно, к методам и средствам контроля их сборки.
Совершенствование технологической подготовки производства сборки современных самолетов требует совершенствования измерительных систем для пространственного позиционирования оснастки и отдельных сборочных конструкций самолета. Для этих целей применяется широкий арсенал измерительных систем как контактного так бесконтактного типов. Контактные методы позволяют получить высокую точность. Время, необходимое для проведения измерений при контактных методах меньше, чем при бесконтактных. Так как приборы проще устанавливать в нужное для измерений положение. При использовании контактных методов измерения приборы устанавливаются на измеряемом изделии. Большие габариты контролируемых объектов и высокие точностные требования к монтажу изделий привели к широкому развитию бесконтактных методов контроля. Основными приборами при изготовлении стапельной оснастки самолетов среднего и тяжелого класса стали бесконтактные оптические средства.
При применении бесконтактных методов измерения измерительные приборы устанавливаются на стенде или на специальных подставках, которые не соприкасаются с измеряемым изделием. Наиболее перспективными являются оптические и лазерные методы контроля. Они обладают рядом преимуществ. Эти методы позволяют выполнять контроль на значительных расстояниях с высокой точностью и малой инерцией. С помощью оптических и лазерных методов можно измерять линейные и угловые величины, управлять установкой агрегатов и узлов в процессе сборки самолетов и получать наиболее объективные результаты контроля.
Работа с оптическими приборами требует определенных знаний и навыков. Использование оптических методов контроля в производстве дает возможность более точно выполнять технологические требования в процессе сборочных работ и тем самым обеспечивает надежную работу агрегатов в процессе эксплуатации. С помощью разработанных в настоящее время оптических приборов можно измерять размеры, контролировать формы и взаимное расположение осей и поверхностей с большой точностью.
Создание оптических квантовых генераторов (лазеров) оказало стимулирующее влияние на разработку новых наиболее точных и производительных методов и средств контроля геометрических параметров изделий машиностроения.
Лазерные методы контроля по сравнению с обычными оптическими имеют существенные преимущества, главными из которых являются: высокая точность, дальность, производительность и объективность. В качестве лазерных систем точного позиционирования наиболее часто используются лазерные интерферометры, поляризационные устройства, устройства с ячейками Керра, устройства, основанные на фазовом преобразовании сигнала, и приборы,
использующие сканирование лазерного луча. Указанные устройства сложны в практической реализации.
Выбор схемы измерения необходимо начинать с проработки различных возможных вариантов этих схем с учетом технологических требований. При этом необходимо учесть выбор базы для установки оптического и лазерного прибора, возможность установки целевых знаков, отвесов и т. п., обеспечить наименьшие погрешности при измерениях, удобство в работе с оптическим и лазерным прибором при измерениях, минимальные затраты времени на контроль технологических операций. Однако , как следует из анализа существующих систем измерений применяемых на практике, не всегда достигаются предельные характеристики по измерению расстояния между объектами. В качестве примера можно привести тот факт, что при использовании интерференционных методов измерения расстояния погрешность измерителя порядка 1 мкм. В то же время погрешность измерений расстояния у реальных систем составляет величину более 0.1 мм. В этом случае для повышения точности привязки применяют репера. Поэтому является актуальной задачей поиск схемных решений позволяющих повысить точность измерений. При выборе схемы измерений необходимо уделять особое внимание вопросам повышения точности измерений.
Для практического применения более пригодны системы с позиционно-чувствительными фотоприемниками и системы с пространственным сканированием лазерного луча. Однако, возможности указанных систем изучены недостаточно.
На основании выше изложенного можно сделать вывод, что является актуальным поиск методов повышения точности систем пространственного позиционирования крупногабаритных изделий при сборочных работах в авиационном машиностроении . задачи усовершенствования оптоэлектронных систем точного позиционирования
Объектом исследования является оптико-электронная измерительная аппаратура для точного позиционирования конструкций при сборке изделий авиационного машиностроения.
Предметом исследования является повышение точности лазерных систем позиционирования для авиационного машиностроения.
Целью диссертационной работы является улучшение метрологических и технико-экономических характеристик оптико-электронных систем точного позиционирования на базе исследование лазерных методов контроля и оценки их основных погрешностей, связанных с неточностью установки отдельных элементов системы.
Научная задача диссертации - разработка принципов построения, методов анализа и синтеза оптико-электронной измерительной аппаратуры точного позиционирования, основанных на особенностях применения пентапризмы с учетом взаимного положения элементов конструкции и лазерного излучения
Решение поставленной задачи научного исследования проводилось по следующим основным направлениям
-
Анализ оптических и лазерных систем точного позиционирования и методов измерения линейных и угловых величины в системах точного позиционирования.
-
Особенности прохождения лазерного излучения через пентапризму при различных углах падения на ее входное окно. Влияние угла падения лазерного излучения на входное окно пентапризмы на изменении точки пересечения входного и выходного лазерных лучей относительно базовой точки пересечения лучей в системах лазерного позиционирования.
-
Оценка погрешностей систем позиционирования с вынесенной за пределы контролируемого пространства измерительной системы, состоящей из направляющей системы, передвижного измерительного устройства (каретка с поворотной системой лазерного луча на прямой угол) и лазерной сисиемы задания оптических осей, обусловленных передвижением измерительного устройства с пентапризмой при различных отклонениях опорного лазерного луча относительно опорной оси напралящей системы. Поиск способы уменьшения погрешностей позиционирования и технических средств их реализации .
-
Оценка погрешностей существующих систем позиционирования с внутренним осесимметричных размещением лазерной измерительной системы и систем с пространственным сканированием лазерного луча на базе оптомеров при различных положениях лазерного излучения относительно элементов конструкций измерительной системы.
-
Разработка и внедрение технических средств для повышения точности системах лазерного позиционирования с пространственным сканированием луча применительно к мобильным системам позиционирования.
Методы исследования, достоверность и обоснованность. При
выполнении данной работы применялись методы теории оптико-электронных систем, моделирования, измерений и оценки погрешностей. Достоверность обеспечивается математической строгостью при получении аналитических решений и разработке алгоритмов численного моделирования, непротиворечивостью полученных результатов и выводов, их согласованием с существующими положениями общепринятой теории. Использованием математических моделей, адекватно отображающих прохождение лазерного излучения в пентапризме, которые хорошо согласуются в частных случаях с экспериментальными данными, полученными другими исследователями. Экспериментальным подтверждением результатов теоретических исследований и использованием полученных данных в практических разработках.
Научная новизна работы
-
Выявлены резервы для улучшения метрологических и технико-экономических характеристик лазерных систем точного позиционирования применительно к задачам авиационного машиностроения.
-
Предложены структуры построения систем позиционирования с внешним и внутреннем размещением лазерной измерительной системы.
Показано, необходимость доработки передвижных систем измерения в существующих системах позиционирования.
-
Выявлены основные источники погрешности и разработаны методики их расчета при создании перспективных систем позиционировании и предложены методы и средства их устранения.
-
Разработаны методики построения по точностным критериям структурных схем функциональных блоков мобильной системы позиционирования.
Практическая значимость диссертационной работы определяется:
-
Результатами исследований неточности установки пентапризмы в поворотном узле и ее влияние на точность измерительного устройства оптико-электронного позиционирования.
-
Предложенной методикой повышения точности измерений в оптико-электронных системах позиционирования за счет введения элементов юстировки.
-
Разработкой структурной схемы и реализацией основных узлов мобильной системы позиционирования.
Реализация и внедрение результатов исследований. Результаты работы по повышению точности измерений в системах лазерного позиционирования с пространственным сканированием луча различного назначения внедрены и использовались при выполнении хоздоговорных и бюджетных НИР в ОАО «Казанское авиационное производственное объединение им. СП. Горбунова». Материалы диссертационной работы практически используются в учебном процессе кафедры Радиоэлектронных и квантовых устройств КНИТУ-КАИ при подготовке специалистов по специальности «Радиотехника», что подтверждено соответствующими актами.
Личный вклад. Материалы диссертации являются обобщением работ автора по данному направлению, выполненных в период с 2000 по 2013 г., и отражают его личный вклад в решаемую проблему, который состоял в постановке рассмотренных задач, разработке методов исследования, алгоритмов численного моделирования и интерпретации полученных результатов. На всех этапах работы автор являлся ответственным исполнителем НИР. В опубликованных работах с соавторами, включенных в диссертацию, автор принимал непосредственное участие в постановке задач, разработке методов исследования, теоретических моделей и методов анализа, разработке алгоритмов и математических имитационных моделей, в проведении теоретических расчетов и экспериментов, проводил анализ результатов и их обобщение
Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались на IX Межреспубликанском симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере и водных средах (Томск, 2002г.), 58-ой научной сессии,
посвященной Дню радио (Москва, 2003 г.), X Международном симпозиуме оптики атмосферы и океана (Томск, 2003 г.), XVI Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутри-камерные процессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика технических систем, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (Казань, 2004 г.), XVIII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутри-камерные процессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика технических систем, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (Казань, 2006г.), Международной научно-практической конференции «Авиакосмические технологии и оборудование» (Казань, 2006г.), VII Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций» (Самара, 2006г.), Всероссийской научной конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве» (Казань, 2007 г.), V Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Самара, 2008 г.), IX международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций», посвященной 100-летию со дня рождения академика В. А. Котельникова и 120-летию телефонной связи в Татарстане (Казань, 2008г.), XVIII Российской научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов университета с приглашением ведущих ученых и специалистов родственных вузов и организаций (Самара, 2011 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 20 научных работ и том числе 2 статьи в рецензируемых журналах по списку ВАК.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Основная часть изложена на 126 страниц текста и содержит 46 рисунков и 14 таблиц. Список литературы включает в себя 88 наименований.
