автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Автоматизация процесса базирования деталей в автоматизированных системах технологического контроля

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ. АКТУАЛЬНОСТЬ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ РАБОТЫ.

1.1 анализ проблемы измерения геометрических параметров объектов.

1.1.1 Анализ проблемы.

1.1.2 Обзор средств контроля применяемых в авиамоторной промыишнности.

1.2 АСК для измерения геометрических параметров объектов сложной формы.

1.2.1 Общая структура АСК.

1.2.2 Особенность решения предлагаемого системами ОПТЭЛ.

1.2.3 Место процесса базирования при контроле деталей в АСК.

1.2.4 Определения и понятия.

1.3 Цели и задачи диссертационной работы.

1.3.1 Определение цели и постановка задачи исследования.

1.4 Выводы.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДА БАЗИРОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ.

2.1 Анализ проблемы. Понятие базирования.

2.1.1 Базы (координирующие элементы изделия). Понятие базирования.

2.1.2 Формальная постановка задачи базирования.

2.2 Возможности базирования современных координатно-измерительных машин и существующие методы базирования.

2.2.1 Возможности предоставляемые современными координатно-измерительными машинами для базирования изделий.

2.2.2 Анализ известных методов базирования.

2.3 Разработка метода базирования.

2.3.1 Суть предлагаемого метода.

2.3.2 Разработка метода реализующего предложенную идею.

2.3.3 Обзор программных продуктов возможных для реализации данного метода базирования.

2.3.4 Разработка требований к процедурам и функциям, необходимым для реализации алгоритма базирования.

2.3.5 Обоснование необходимости создания объектно-ориентированных моделей, описывающих координирующие элементы.

2.4 ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ПРОГРАММНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ПРЕДЛОЖЕННОГО МЕТОДА БАЗИРОВАНИЯ.

3.1 Разработка типов данных и классов, описывающих координирующие элементы.

3.1.1 Описание и разработка типов данных, необходимых при программной реализации.

3.1.2 Разработка классов "базовая точка", "базовая ось" и "базовая плоскость".

3.1.3 Разработка класса "базовая область".

3.2 Разработка класса "базовый расчет" и его потомков.

3.2.1 Описание процедур и функций, использованных при разработке объекта "базовый расчет".

3.2.2 Разработка класса "базовый расчет" и его потомков реализующих различные типы расчетов по координирующим элементам.

3.3 Использование разработанных моделей в программной реализации метода базирования

3.3.1 Разработка модели "хранилища объектов" - сцены.

3.3.2 Использование разработанных моделей при программной реализации метода базирования.

3.4 Выбор метода интерполяции сечения и разработка процедуры.

3.4.1 Разработка требований к процедуре интерполяции. Разработка методики тестирования методов интерполяции и программы тестирования.

3.4.2 Формализация задачи интерполяции. Обзор известных методов и выбор метода интерполяции

3.4.3 Сравнение результатов тестирования процедур интерполяции. Выбор метода.

3.5 Выводы.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СОЗДАННОГО АЛГОРИТМА БАЗИРОВАНИЯ.

4.1 Разработка программного обеспечения реализующего алгоритм базирования.

4.1.1 Выбор средств программной реализации алгоритма.

4.1.2 Определение места предлагаемой программной разработки в структуре программного обеспечения фирмы ОПТЭЛ.

4.1.3 Разработка интерфейса программы.

4.1.4 Разработка программной реализации процедуры базирования.

4.2 Разработка методики, исследования эффективности метода базирования.

4.2.1 Разработка критериев и правил для исследования полученного метода базированш.

4.2.2 Разработка методики экспериментальной проверки разработанного метода базирования

4.3 Исследование эффективности разработанного метода базирования.

4.3.1 Подготовка к проведению проверки.

4.3.2 Описание проведенных экспериментов и их результатов.

4.3.3 Обработка результатов эксперимента и выводы.

4.3.4 Анализ результатов использования в промышленности.

4.4 Выводы.

Актуальность темы.

В связи с развитием техники, технологий, в настоящее время к качеству производимой продукции в машиностроении предъявляются всё более жесткие требования. Кроме того, все актуальнее становится задача организации 100 процентного контроля продукции предприятия. Особенно данная проблема актуальна в авиамоторной промышленности. [10]

Многие из используемых в настоящее время методов и средств контроля геометрических параметров объектов не удовлетворяют современным требованиям. Например, шаблоны, приборы ПОМКЛ (Прибор Оптико-Механический для Контроля Лопаток) в большинстве случаев не могут обеспечить требуемой точности. Контактные координатно-измерительные машины (КИМ), хотя и обеспечивают высокую точность измерения, но обладают высокой стоимостью системы в целом, высокой стоимостью измерения и низкой производительностью. В связи с чем, осуществление контроля каждого произведенного изделия на производстве (на предприятиях с большим объемом выхода продукции) при помощи контактных КИМ является дорогостоящей, громоздкой и практически неосуществимой задачей.

Использование оптоэлектронных автоматизированных систем для контроля геометрических параметров объектов (в дальнейшем оптоэлектронные АСК) дает ряд преимуществ, поскольку, как правило, их стоимость ниже, а производительность контроля значительно выше.[33] Кроме того, стоимость эксплуатации оптоэлектронных систем значительно ниже. Эти преимущества позволяют построить схемы полного контроля продукции, однако существуют некоторые объективные недостатки оптоэлектронных систем, устранение которых ускорит внедрение данных систем в процесс производства.

Существенным недостатком систем данного типа можно назвать равную с контактными КИМ производительность базирования изделий перед контролем, при значительно большей производительности непосредственно контроля. Базирование это математическое приведение системы координат измерительной машины к системе координат детали (для того, чтобы производить контроль детали в его системе координат). Поскольку время контроля изделия, как правило, складывается из времени базирования и времени непосредственного контроля требуемых параметров, то полное время контроля на оптоэлектронных системах незначительно меньше времени контроля на контактных КИМ.[32,35]

Известны теоретические работы и практические наработки, которые направлены на повышение точности измерения и производительности оптоэлектронных систем. Данными разработками занимаются в УГАТУ, в лаборатории МЛОКИС, в НВП «ОПТЭЛ» (г. Уфа). В проектирование и совершенствование оптоэлектронных систем контроля в УГАТУ значительный вклад внесли Галиулин P.M., Бакиров Ж.М., Богданов Д.Р., Воронцов A.B., что отражено в их многочисленных трудах.

Низкая производительность базирования изделий связана с тем, что используемый (традиционный) метод базирования требует непосредственного участия оператора. При этом базирование производится итерационно, и на каждой итерации оператору необходимо производить уточнение положения баз для системы. Для уменьшения времени измерения изделия, при организации контроля проектируют и используют дополнительную оснастку, которая позволяет одинаково устанавливать изделия на измерительный стол системы. Перед проведением контроля партии однотипных деталей производят базирование оснастки, а во время контроля, для каждого изделия базирование не производится (используется базис оснастки). Это хотя и увеличивает производительность контроля, но повышает временные и денежные затраты на освоение производства нового изделия, а кроме того, практика показала, что установка изделия в оснастку чаще всего не происходит идеально, в связи с чем, в контроль вносится ошибка установки.

Поэтому, возникает необходимость исследования и решения актуальной задачи разработки высокопроизводительного метода базирования изделий для оптоэлектронных автоматизированных систем контроля, который позволил бы увеличить производительность процесса базирования, в сравнении с известными методами, и при этом с сохранением точности базирования.

Цель работы и задачи исследования

Целью работы является разработка автоматизированного высокопроизводительного метода и алгоритма базирования изделий авиационной промышленности с целью повышения производительности оптоэлектронных измерительных систем, без потери точности базирования.

Это определило поставленные в работе задачи:

1) разработать автоматизированный метод построения базиса изделия, обеспечивающий повышение производительности процесса базирования без потери точности;

2) разработать объектно-ориентированные модели процесса базирования, для представления координирующих элементов изделий и их методов расчета, процедуры, функции, необходимые для программной реализации алгоритма;

3) создать алгоритмическое и программное обеспечение, реализующее разработанный алгоритм;

4) исследовать, эффективность предлагаемого метода и его реализации с помощью разработанного математического и алгоритмического обеспечения по критериям -производительность и точность.

Методы исследования

В работе использовались принципы и методы системного анализа, объектно-ориентированный подход, методы геометрического и имитационного моделирования, машинной графики, принципы и методы теории тестирования программ и алгоритмов, принципы и методы математической статистики.

Результаты, выносимые на защиту

На защиту выносятся:

1) метод и алгоритм построения базиса изделия, преобразующий систему координат измерительной системы в систему координат измеряемого изделия;

2) объектно-ориентированные модели процесса базирования, их структура - классы «базовая область» и «базовый расчет» для описания координирующих объектов изделий и реализации их методов расчета параметров по сканированным данным элемента;

3) программное обеспечение, реализующее предложенный метод базирования, и позволяющее автоматизировать процесс базирования деталей авиационной промышленности.

Научная новизна

Новыми являются разработанные и исследованные автором: метод автоматизированного построения базиса изделия, для преобразования системы координат системы контроля в систему координат контролируемого изделия. Новизна состоит в том, что впервые применяется интерполяция требуемых сечений, замещающая повторное сканирование при итерационном приближении к решению, исключая тем самым участие оператора в итерационном приближении к искомому базису; объектно-ориентированные модели процесса базирования -"базовая область" и "базовый расчет", для представления координирующих элементов изделий и их методов расчета.

Новизна состоит в применении объектно-ориентированного подхода. Разработанные модели позволяют разработать программное обеспечение для базирования деталей, легко расширяемое при дополнении новых типов баз, или схем базирования; программное обеспечение, реализующее предложенный метод базирования и модели, обладающее развитым интерфейсом пользователя, легко расширяемое и адаптируемое для любых схем базирования.

Практическая значимость

Практическую значимость имеют полученные в процессе работы метод и алгоритм базирования, а также программное обеспечение, реализующее полученный алгоритм.

Разработанный метод позволяет значительно сократить время процесса базирования изделия по сравнению с традиционным методом для оптоэлектронных систем, не увеличивая при этом погрешность базирования. Кроме того, разработанное ПО, увеличивает производительность контроля, и интуитивным интерфейсом повышает удобство базирования, тем самым, повышая качество контроля.

Алгоритм базирования реализован в качестве процедуры и включен в новую версию программы универсальных измерений геометрических параметров изделий сложной формы "ОРТЕЬЗ" поставляемую вместе с оптоэлектронными автоматизированными системами контроля ОПТЭЛ.

После разработки реализующего предложенный метод ПО проведены исследования, которые показали, что применение данного метода значительно увеличивает производительность процесса базирования. Производительность базирования увеличилась в 3 - 15 раз, в зависимости от базируемого изделия. Время базирования изделий, во время исследований, не превышало 3 мин 16 сек, что сравнимо со временем контроля изделия. Точность базирования не уменьшилась, а стабильность результатов контроля даже немного повысилась. Было замечено, что предложенный метод базирования дает большее увеличение производительности на тех изделиях, базирование которых традиционным методом производится несколькими итерациями.

Разработанная процедура базирования была включена в пакет ПО оптоэлектронных систем контроля ОПТЭЛ. Новая версия ПО была установлена на новых и используемых системах ОПТЭЛ:

ОАО "КМПО" (г. Казань) на 5-ти системах ОПТЭЛ-КЛ и одной ОПТЭЛ-ЛПШ;

ОАО "УМПО" (г. Уфа) на 1-ой системе ОПТЭЛ-ЛПШ;

ОАО "Рыбинские Моторы" (г. Рыбинск) на 2-х системах ОПТЭЛ-КЛ200;

ГУП "Завод им Климова" (г. С Петербург) на одной ОПТЭЛ-ЛПШ.

Процедура базирования в составе новой версии ПО успешно используется более года, и показала хорошие характеристики по производительности и точности базирования. Применение данного метода базирование не только позволило увеличить производительность контроля в некоторых случаях до 5 раз, но и отказаться от специальной крепёжной оснастки, тем самым, повысив точность контроля и понизив стоимость процесса освоения нового изделия.

На ОАО Казанское МПО внедрение данного метода базирования позволило освоить изготовление компрессорных лопаток по новой виброЭХО технологии. На всех перечисленных предприятиях базирование новым методом используется не только для базирования лопаток, но для базирования штампов, прессформ и электродов. Т.о. процедура базирования показала свою универсальность, применимость к изделиям различного вида и схем базирования.

В разрабатываемой в настоящее время версии ПО систем ОПТЭЛ для ОС Windows 95 в НВП "ОПТЭЛ" решено было оставить только процедуру базирования, реализующую предложенный метод базирования.

Данная работа выполнялась в рамках хоздоговорной тематики НВП "ОПТЭЛ" с предприятиями ОАО "УМПО", ОАО "КМПО", ГУП "Завод им. Климова".

10

Апробация и публикации

Основные положения, представленные в диссертации были изложены и обсуждены на научных конференциях различного уровня, проводившихся в нашей стране и за рубежом. Список публикаций по теме диссертации включает 9 научных трудов, в том числе 5 статей, 3 тезисов в трудах конференций различного уровня и свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ.

11

4.4 Выводы

В данной главе разрабатывалось программное обеспечение, реализующее предложенный метод базирования. Рассмотрена структура программного обеспечения систем фирмы ОПТЭЛ и определено место процедуры базирования в данной структуре. Был разработан интерфейс процедуры базирования.

Кроме того, в этой главе были сформированы критерии и правила для проверки нового метода базирования, разработана методика проверки. Согласно методике проведены и описаны эксперименты и полученные в ходе экспериментов результаты.

При произведении анализа полученных результатов, были получены следующие выводы о том, что предлагаемый метод базирования не уступает традиционному алгоритму в точности и превосходит его в производительности. При испытаниях выигрыш во времени базирования по сравнению со временем базирования традиционным методом составил от 13.2 раз до 3.4 раз. Была выявлена следующая зависимость: отношение производительности тем больше, чем большее количество баз использующих при расчете интерполяцию сечений используется данным изделием, а также в случаях, когда при базировании традиционным методом приходится проводить большое количество итераций. Т.е. тогда, когда на базируемом изделии есть координирующие элементы типа:

- аппроксимация окружностью в заданном сечении цилиндра;

- точки экстремума в заданном направлении, в заданных сечениях;

- припасовочные сечения;

- точка по координатам;

- точка перелома в заданном сечении

Кроме того, в данной главе описываются результаты, полученные при внедрении разработанного программного обеспечения, реализующего предложенный метод базирования на авиамоторных предприятиях. Пакет новой версии программного обеспечения был установлен на

132 моторостроительных 4-х предприятиях - на 10 используемых и новых измерительных системах ОПТЭЛ.

Разработанная процедура базирования показала, что она значительно - в среднем в 3 - 5 раз повышает производительность измерения и при этом не увеличивает погрешности измерения.

Были обобщены обработанные результаты и сформулированы следующие выводы:

- точность предложенного метода базирования не уступает точности традиционного метода;

- производительность предлагаемого метода базирования превышает (и в некоторых случаях значительно) производительность традиционного метода базирования.

Заключение.

В диссертации предложен высокопроизводительный метод построения базиса преобразования системы координат измерительной машины в систему координат измеряемого изделия, обеспечивающий увеличение производительности базирования без ухудшения такого важного критерия как точность.

В ходе диссертационной работы получены следующие результаты:

1) разработан новый высокопроизводительный метод и алгоритм базирования. Полученные результаты позволяют значительно сократить время процесса базирования, тем самым увеличить его производительность, и производительность измерений оптоэлектронных систем.

2) Разработаны объектно-ориентированные модели процесса базирования "базовая область" и "базовый расчет", а также некоторые вспомогательные объекты, позволяющие упростить программную реализацию разработанного алгоритма. Структура разработанных объектов позволяет легко изменять, пополнять методами расчетов процедуру базирования, адаптируя её для базирования с использованием каких либо новых координирующих элементов.

3) Разработано объектно-ориентированное алгоритмическое обеспечение, использующее предложенные объектно-ориентированные модели и процедура базирования, включенная в программу универсальных измерений для оптоэлектронных систем.

Использование созданного программного обеспечения, реализующего разработанный метод базирования, позволяет значительно повысить производительность базирования изделий, тем самым повысить производительность измерительного процесса каждого изделия. Интуитивный интерфейс, высокая производительность базирования также повышают качество измерения. В связи с этим становится возможным

134 осуществление контроля каждого произведенного изделия на производстве.

Использование данного алгоритма также позволяет отказаться от проектирования и производства дополнительной оснастки для измерения изделий, исключив возможность возникновения дополнительной погрешности измерения от неоднозначности установки изделия в ней.

Внедрение в промышленность и успешное использование в течении более чем годового периода процедуры базирования реализующей предложенный метод базирования позволяет говорить о том, что разработанный метод является работоспособным, и способен заменить для оптоэлектронных измерительных систем традиционный метод базирования.

1. ГОСТ 16263-70. ГСИ. Метрология. Термины и определения. //

2. М.: Издательство стандартов, 1970г.

3. МИ 2247-93. ГСИ. Метрология. Термины и определения. // М.:

4. Издательство стандартов, 1993г.

5. МИ 1317-86. ГСИ. Результаты и характеристики погрешности измерений. Формы представления. Способы использования при испытаниях образцов продукции и контроле их параметров. //

6. М.: Издательство стандартов, 1986г.

7. ГОСТ 21495-76. Базирование и базы в машиностроении. // М.:

8. Издательство стандартов, 1976г.

9. ГОСТ Р 8.563-96. ГСИ. Методика выполнения измерений. // М.:

10. Издательство стандартов, 1996г.

11. М. Cardew-Hall, J. Cosmas and M. Ristic. Automated Prooflnspection of Turbine Blades. // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 3(2), C. 67-88.

12. В.И. Глухов. Методика достоверных измерений размеров деталей. // Журнал Измерительная техника. №5, 1998г, М.: Издательство стандартов.- С. 9-13.

13. В.И. Глухов. Координирующие размеры деталей и их измерение. // Журнал Измерительная техника. №7, 1998г, М.: Издательство стандартов. С. 12-16.

14. В.А. Слаев, А.Г. Чуновкина, A.B. Чурсин. Повышение качества измерений планированием измерительной процедуры. // Журнал Измерительная техника. №10, 1999г, М.: Издательство стандартов. -С. 5-9.

15. Техническое описание измерительной системы ОПТЭЛ-КЛ200. 1999г. -С.23-26.

16. Руководство оператора программы универсальных измерений ПУЛЬТ. // Техническое описание системы ОПТЭЛ ЛПТТТ. 1998г. -С. 4-12.

17. Ю.Ю. Кочинев, В.А. Серебренников. Техника и планирование эксперимента. Учебное пособие. // Ленинград: Издательство ЛПИ. 1986г. С.5-12.

18. Н.С. Бахвалов. Численные методы. Том 1. // М.: "Наука", 1975г. -С.256-262.

19. В.И. Сырямкин, B.C. Титов, Ю.Г. Якушенков и др. Под общей редакцией В.И. Сырямкина, B.C. Титова Системы технического зрения: Справочник. // Томск: МГП "Раско" 1993г. С. 9-13.

20. В.А. Василенко Сплайн функции: теория, алгоритмы, программы. // Новосибирск: "Наука", 1983г. - С. 65-84.

21. К. де Бор Практическое руководство по сплайнам. // М.: "Радио и связь", 1985г.-С. 112-119.

22. М.А. Земельман Метрологические основы технических измерений. //М.: Издательство стандартов. 1991г. С. 45-47.

23. Галиулин Рав.М., Галиулин Риш.М., Бакиров Ж.М., Богданов

24. Д.Р Оптоэлектронные информационные измерительные системы технического зрения. // Международное научное издание "Интеллектуальные автономные системы", Уфа, УГАТУ, 1996. С. 117-122.

25. Виноградов И.М. Элементы высшей математики. (Аналитическая геометрия. Дифференциальное исчисление. Основы теории чисел). Учеб. для вузов. // М.: Высш. шк., 1999. С. 105-110.

26. Л.А. Анис, В.И. Васильев, В.Б. Волонкский и др.;Под ред В.П.Васильева и Х.В. Хинрикус. Лазерная дальнометрия. // М.: Радио и связь, 1995. С. 5-18.

27. Линглер Р., Миллс X., Уитт Б. Теория и практика структурного программирования, перевод с англ. // М.: Мир, 1982. С. 236-258.

28. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров, перевод с англ. // М.: Наука, 1968. С. 7285.

29. Петров А.В., Алексеев В.Е., Ваулин А.С. и др. Вычислительная техника и программирование. Учеб. для техн. вузов. Под ред. Петрова А.В. // М.: Высш.шк., 1990. С. 391-401.

30. Поляков Д.Б., Круглое И.Ю Программирование в среде Турбо Паскаль (версия 5.5): Справ.-метод, пособие. // М.: Изд-во МАИ, 1992.-С. 270-295.

31. Павлидис Т. Алгоритмы машинной графики и обработки изображений: Пер. с англ. // М.: Радио и связь, 1986. С. 245-263.

32. Марченко А.И., Марченко Л.А.: Под ред. Тарасенко В.П.

33. Программирование в среде Турбо Паскаль 7.0. // М.: Бином Универсал, К.: ЮНИОР, 1997. С. 247-290.

34. P.M. Галиулин, И.В. Пономаренко, Ж.М. Бакиров,

35. Галиулин P.M., Галиулин Риш.М., Бакиров Ж.М., Пономаренко И.В., Богданов Д.Р., Воронцов А.В., Тумашинов А. В., Петров С.

36. B., Юдин А.А. Контроль газовоздушного тракта гтд лазерными компьютерными системами «ОПТЭЛ».// 15 Российская научно-техническая конференция «Неразрушающий контроль и диагностика».: Тезисы докладов. 28 июня 2 июля 1999г. Москва: РОНКТД. - С.89.

37. Пономаренко И.В. Программное обеспечение для коррекции баз турбинных и компрессорных лопаток.// Принятие решений в условиях неопределенности. Межвуз. Науч. сб-к. Уфа: УГАТУ, 2000. - С. 47-51.