Оптико-электронный прибор контроля профилограмм оболочек вращения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оптико-электронный прибор контроля профилограмм оболочек вращения

А.Н. Шилин, П.В. Киевский Волгоградский государственный технический университет

Аннотация

Разработанный оптико-электронный прибор контроля профилограмм оболочек вращения позволят осуществлять контроль отклонений формы детали от цилиндричности. Прибор реализует метод определения центра поперечного сечения детали по центру описанного прямоугольника. Этот метод позволяет повысить точность и быстродействие прибора.

В различных отраслях промышленности, выпускающих крупногабаритные изделия - нефтегазовое и энергетическое оборудование, аэрокосмическую технику, подводные лодки, строительные конструкции и др., основной базовой деталью является обечайка. Обечайка представляет собой цилиндрическую оболочку вращения, которая изготавливается методом гибки из листового материала на валковых листогибочных машинах. Основной и наиболее актуальной проблемой в этих отраслях является повышение качества выпускаемой продукции, которая в большой степени зависит от технологической точности изготовления обечаек. Необходимо отметить, что отклонения обечайки от правильной цилиндрической формы оказывают отрицательное влияние на трудоемкость сборочных и монтажных операций. При производстве обечаек на предприятиях отрасли отклонения детали от правильной цилиндрической формы могут превышать допуск на отклонение - 1% от ее номинального диаметра. Поэтому необходим контроль этих отклонений различных сечениях детали, т.е. регистрация профилограмм, которые необходимы для коррекции технологического процесса их производства и сборочных операций.

Основой для выбора структуры системы контроля и ее блоков является схема измерения отклонений от цилиндричности. Для обоснованного выбора схемы измерения необходима математическая модель реальной оболочки вращения. В цилиндрической системе координат реальная цилиндрическая поверхность может быть представлена выражением

где - текущее значение радиус-вектора реальной цилиндрической поверхности в произвольно выбранной системе координат; R - радиус базовой цилиндрической поверхности; - параметры оси базовой цилиндрической поверхности.

Анализ геометрии поверхности, согласно требованиям нормативных документов, может проводиться относительно различных базовых элементов (поверхностей и профилей). К этим базовым элементам относятся прилегающие и средние поверхности и профили.

Для оценки параметров отклонений от цилиндричности наиболее часто используют четыре вида базовой цилиндрической поверхности:

1) цилиндрическую поверхность, проведенную по методу наименьших квадратов;

2) прилегающую описанную цилиндрическую поверхность;

3) прилегающую вписанную цилиндрическую поверхность;

4) цилиндрическую поверхность наименьшей зоны (зональную поверхность).

Прилегающие поверхности (контуры) - это поверхности (контуры), имеющие форму номинальных, касательных к реальной поверхности, лежащих вне детали и имеющие наименьшее значение максимального отклонения от реальной поверхности [1].

Из этих поверхностей только для цилиндрической, проведенной по методу наименьших квадратов, выявлена математическая связь ее параметров с координатами точек реальной поверхности. Параметры остальных трех поверхностей можно определить только итерационным методом, который довольно сложно реализовать в автоматических системах, работающих в режимах реального времени.

Таким образом, измерение отклонений формы деталей - это измерение отклонения реальных поверхностей от принятых цилиндрических.

Для определения параметров отклонений от цилиндричности сначала необходимо по измеренным значениям координат точек преобразованной поверхности определить параметры базовой цилиндрической поверхности, а затем относительно ее определять отклонения.

В настоящее время для решения такой задачи разработаны методики определения отклонений от цилиндричности относительно среднего базового цилиндра с помощью координатных методов [3-4].

Из проведенных исследований следует, что наиболее полное описание геометрических свойств профиля сечения получают, если в качестве базы выбрана средняя окружность. В настоящее время для определения параметров базовой средней окружности (координаты ее центра и радиуса) при контроле качества геометрии поверхностей крупногабаритных изделий, как правило, используются формулы Спрэгга [5-6]

,

где x_i, y_i- декартовы координаты точек M_i на профиле L, равномерно расположенных по углу;

r_i - длины радиус-векторов точек M_i;

x₀, y₀ - координаты центра средней окружности, построенной по профилю L;

R₀ - радиус средней окружности.

Для определения неизвестных параметров базовой средней окружности x₀, y₀ и R₀ необходимо решить оптимизационную задачу на минимум с гладкой целевой функцией:

.

Однако, этот метод применим при равномерной дискретизации и малых эксцентриситетах, что является его недостатком.

Для обработки результатов измерения геометрических параметров крупногабаритных изделий используется теория сплайн интерполяции [2]. Важнейшим классом функций, используемых в задачах интерполяции, является кусочно-многочленные функции типа сплайнов. Основным преимуществом таких составных функций является их гибкость, позволяющая строить кривые и поверхности сложных форм, а также удобство и простота алгоритмической реализации. Основным преимуществом теории сплайнов является то, что степень составляющих сплайн многочленов остается прежней с ростом числа интерполяции, этот метод также сложно реализовать в системах реального времени.

В настоящее время согласно отраслевому стандарту (ОСТу) в нефтегазовом машиностроении центр поперечного сечения цилиндрической детали неправильной формы должен определяться методами вписанной или описанной окружностей. Эти методы не учитывают специфических особенностей технологического процесса: после правки в поперечной форме обечаек преобладает вторая гармоническая составляющая (эллипс) и поэтому методы вписанной или описанной окружностей по трем точкам не позволяют точно определить центр сечения. На основе проведенных исследований предложен метод определения центра сечения детали с помощью описанного прямоугольника, центр которого совпадает с центром эллипса при всех относительных положениях. Наличие других гармонических составляющих в профилограмме реальной детали искажает форму эллипса, но из проведенного анализа спектрального состава профилограмм реальных деталей следует, что эти искажения формы вносят значительно меньший вклад в погрешность определения центра в сравнение с трехточечными методами, рекомендованными ОСТами.

Кроме того, эти методы сравнительно проще реализуются технически и на их основе в перспективе могут быть созданы двух координатные оптико-электронные автоматические системы поиска центров деталей. Необходимо отметить, что в таких двух координатных системах управляющие сигналы по двум координатам не взаимосвязаны, что положительно влияет на динамические свойства системы. Эти методы были использованы при проектировании оптико-электронной системы. Государственные и отраслевые стандарты (ГОСТы и ОСТы) страны соответствуют техническому уровню развития на данный момент времени и поэтому должны периодически изменяться. На основе результатов исследований и эксплуатации системы планируется внести предложения по изменению ОСТа, что позволит повысить качество выпускаемой продукции и, соответственно, ее конкурентоспособность.

На основе проведенного анализа предложен метод поиска центра детали методом прямоугольника, стороны которого являются касательными к контуру детали. В этом методе центры обечайки и описанного прямоугольника имеют минимальное отклонение. На основе предложенного метода определения центра поперечного сечения разработан оптико-электронный прибор контроля профилограмм обечаек, который позволяет осуществлять регистрацию профилограмм внутренних сечений. Разработанный прибор предназначен для контроля обечаек малого диаметра. Это обусловлено тем, что при производстве обечаек малого диаметра, т.е. когда диаметр детали соизмерим с диаметром валков листогибочной машины, управлять процессом формообразования детали практически сложно и поэтому в этом случае форма детали не контролируется. Однако информация о размере и форме поперечного сечения необходима для сборочных операций и статистического анализа влияния технологических факторов на точность изготовления деталей. На рисунке 1 представлен оптико-электронный прибор.

Устройство работает следующим образом. Обечайка 1 устанавливается на основании механической конструкции прибора 2, которая содержит координатные механизмы перемещения 3. С помощью кареток с лазерными излучателями 4, перемещение которых в направляющих 5 осуществляется электроприводами 6, определяются положения касательных к профилю поперечного сечения обечайки. Касательные и направляющие 5 образуют прямоугольник, в который вписан профиль детали. Затем вычисляются координаты центра прямоугольника (профиля), в который с помощью двухкоординатного механизма 7 устанавливается профилограф 8.

Рисунок 1 - Узлы разработанного прибора: 1 - обечайка; 2 - основание конструкции прибора; 3 - механизм перемещения; 4 - каретки с лазерными излучателями; 5 - направляющие; 6 - электроприводы; 7 - двухкоординатный механизм; 8 - профилограф; 9 - координатный механизм; 10 - пульт управления.

Профилограф, содержащий оптический дальномер, с помощью вращающего электропривода осуществляет контроль профиля поперечного сечения детали. Третий координатный механизм 9 задает положение контролируемого поперечного сечения детали. После контроля информация о профиле детали передается на пульт управления 10 для вычисления отклонений от цилиндричности детали.

Информация о профилограмме обечаек позволяет оптимизировать процесс сборки оболочной конструкции, поскольку в этом случае возможен индивидуальный подбор обечаек с минимальным отклонением по профилям стыкуемых торцов, что позволит повысить производительность сборочных и монтажных работ, также эксплуатационные характеристики готовой продукции.

Литература

1. Машиностроение. Энциклопедия / Ред. совет: К.В. Фролов и др. Т.III-7 Измерение, контроль, испытание и диагностика. / В.В. Клюев, Ф.Р. Соснин, В.Н. Филинов и др.; Под общ. ред. В.В. Клюева. - М.: Машиностроение, 1996. - 464с.

2. Никифоров А.Д. Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения. - М.: Высшая школа, 2000. - 510 с.

3. Сысоев Ю.С., Магдеев В.Ш. Методика измерений отклонений от цилиндричности крупногабаритных деталей // Измерительная техника. - 1990. №11. - С.27-29.

4. Сысоев Ю.С. Координатные методы определения параметров средней окружности при анализе профиля реальной окружности // Измерительная техника. - 1995. №10. - С.22-25.

5. Spragg R.C. Accurat calibration of Surface Texture and roundness Measuring Instruments. " Proc. Instr. Mech. Engrs." 1967-1968, v.182, part 3k, p. 497.

6. Spragg R.C., Whitehouse D.J. New Unified Approach to Surface Metrology. " Proc. Instr. Mech. Engrs." 1970-1971, v.185, 47-71.

Размещено на Allbest.ru