автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизированная система управления технологическим процессом распределения припуска

На правах рукописи

ЛАПТЕВА ЕВГЕНИЯ НИКОЛАЕВНА

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПРИПУСКА (НА ПРИМЕРЕ ГРЕБНЫХ ВИНТОВ)

05.13.06 - автоматизация и управление технологическими процессами

и производствами (в машиностроении) 05.03.01 -технологии и оборудование механической и физико-технической обработки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2004 г.

Работа выполнена на кафедре технологии машиностроения, металлорежущих станков и инструментов инженерного факультета Российского университета дружбы народов.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Рогов В.А.

Официальные оппоненты:

1. доктор технических наук, профессор Л. М. Саликов

2. кандидат технических наук, доцент А. В. Ключников

Ведущая организация:

Федеральное государственное унитарное предприятие

Научно-исследовательское проектно-технологическое бюро «Онега»

Защита состоится «_»_2004 г. в_часов

на заседании диссертационного совета Д 212.203.16 при Российском университете дружбы народов по адресу: 113090 г. Москва, Подольское шоссе, д. 8/5 ауд. №_

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Российского университета дружбы народов

(117198 г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6)

Автореферат разослан «_»_2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

В. В. Соловьев.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность проблемы: Одним из приоритетных направлений совершенствования методов металлообработки является повышение точности и эффективности механической обработки сложнопрофильных изделий, которое во многом зависит от правильности выбора баз и оптимальности распределения припуска на всех технологических операциях.

Применяемые в настоящее время в производстве методы распределения припусков с учетом специфики сложнопрофильных литых заготовок не автоматизированы и не обеспечивают требуемой точности и быстродействия. Применение автоматизированной системы управления процессом распределения припусков, основанной на бесконтактном методе контроля поверхности изделия на рабочем месте, позволило бы повысить точность и сократить время выполнения межоперационного распределения припусков на последующую обработку изделий. Это обстоятельство определяет актуальность разработки автоматизированной системы управления технологическим процессом распределения припусков.

Целью исследования является разработка автоматизированной системы управления технологическим процессом распределения припусков при механической обработке поверхностей сложной формы на основе стереофотограмметрического метода контроля поверхности.

Методика исследования. Выполненные в работе исследования основываются на методах математического моделирования, аналитической геометрии, алгоритмизации с оптимизацией объема вычислений.

Научная новизна. Разработана методика преобразования трехмерных координат точек поверхности объекта в величины отклонений геометрической формы измеряемой заготовки от точечно-заданной формы поверхности готового изделия. Указанная методика явилась основой для создания алгоритма распределения припуска при обработке крупногабаритных фасонных деталей в реальном масштабе времени, позволяющего в автоматизированном режиме осуществлять выбор оптимальных величин припусков на первой и последующих операциях механической обработки.

Практическая ценность работы. Практическое значение выполненных в работе исследований заключается в создании производственной системы автоматизированного распределения припусков на всех операциях механической обработки крупногабаритных фасонных деталей.

Апробация работы: Отдельные разделы работы и вся работа в целом обсуждались на заседаниях кафедр «Технология машиностроения, металлорежущие станки и инструменты» Российского университета дружбы народов; «Технология металлов и машиностроения» Севмашвтуз; на международных научно-технических конференциях «Ломоносовские чтения», Севмашвтуз, 1999 год и «Стратегические интересы и актуальные проблемы России на европейском севере», Архангельский филиал Московского института управления, 2000 г.

Публикации: По результатам исследования опубликованы 7 работ.,

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, 4 приложений, списка использованной литературы,

изложена на_страницах машинописного текста, содержит__рисунков

и_таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ:

Во введении обосновываются актуальность темы и основные направления исследования.

В первой главе анализируются основные типы деталей, для которых начальное распределение припуска является трудоемкой задачей. Отмечается, что наибольшие трудности возникают при обработке крупногабаритных изделий с точечно-задаваемыми. поверхностями, в частности, гребных винтов. Рассматриваются и классифицируются существующие методы распределения припусков заготовок гребных винтов. Эти методы подразделяются по количеству измеряемых координат, степени автоматизации,, способам измерения (контактным и бесконтактным). Приводятся данные о быстродействии и помехоустойчивости методов. Отмечается, что наиболее перспективным среди современных автоматизированных бесконтактных методов является

стереофотограмметрический метод измерения.

Выполнен анализ существующих математических методов воспроизведения и последующего анализа точечно-заданных поверхностей. В результате установлено, что графические методы затрудняют качественный анализ. Интерполяция полиномами дает кусочные функции с разрывами производных в точках соединения последовательных отрезков кривых. При использовании сплайн-интерполяции результат является кусочно-линейной функцией, разбивающей поверхность винта на множество подплоскостей, пересекающихся в точках, координаты которых заданы измерениями. Сравнивать подобную «лоскутную» модель с эталонной практически невозможно.

Выполненный в главе анализ позволил сформулировать следующие положения:

1. Начальное распределение припуска заготовки является операцией, определяющей маршрут всей дальнейшей обработки заготовки.

2. На качество начального распределения припуска оказывают существенное влияние состояние заготовки и точность контроля геометрических параметров заготовки.

3. Анализ применяемых в настоящее время способов контроля геометрической формы гребных винтов показал, что применение контактных методов измерения не может дать требуемой точности. При этом существенно увеличивается длительность операции измерения.

4. К настоящему моменту не разработано единой математической методики, позволяющей преобразовать трехмерные координаты точек поверхности в отклонения геометрической формы измеряемого объекта от заданного по чертежу (так называемого эталона).

5. В настоящее время не существует методики, позволяющей проводить в автоматизированном режиме начальное и межоперационное распределение * припуска на изделиях с точечно-задаваемой поверхностью с применением контрольно-измерительной аппаратуры, связанной с системой управления станком.

Сформулированы следующие задачи, решение которых необходимо для достижения поставленной цели:

¡.Разработка математической методики преобразования трехмерных координат точек поверхности объекта в отклонения геометрической формы измеряемой заготовки от точечно-заданной формы поверхности готового изделия.

2.Получение оценок точности математической методики преобразования трехмерных координат точек поверхности объекта в отклонения геометрической формы измеряемой заготовки от точечно-заданной формы поверхности готового изделия.

3.Разработка методики начального и межоперационного автоматического распределения припусков на последующую обработку заготовки гребного винта на основе вышеуказанного алгоритма.

4.Подтверждение работоспособности методики распределения припусков в ходе лабораторных испытаний.

5.Подтверждение данных, полученных в ходе лабораторных испытаний производственными испытаниями.

Настоящая работа построена на основе теоретических и практических исследований, проводимых по заказу ГМП "Звездочка" с 1992 года.

Вторая глава посвящена разработке математической методики формирования и анализа пространственной формы объекта на основе трехмерных координат точек его поверхности. Отдельное внимание уделяется проблемам сопоставления математической модели измеренной заготовки с моделью эталонного винта. За основу воссоздания математической модели берется геометрическое место центра точек поверхности. Расчет координат геометрического места центра точек производится по следующим формулам:

где 1 = 1... и - номер измеренной точки; п - количество измеряемых точек; (х,, у,, г,) - координаты ктой измеренной точки; (хс, ус, 2«) —

З

координаты геометрического места центра точек.

В полученную точку переносится центр прямоугольной системы координат:

где (х^, у^, т!{) - координаты 1-той измеренной точки в прямоугольной системе координат с центром в точке

Каждой из точек поверхности ставится в соответствие вектор из геометрического места центра точек в данную точку. Рассчитываются параметры полярной системы координат - угол с осью Ох, угол с осью Оу и длина радиус-вектора:

где <р, - угол между радиус-вектором 1 -той точки и осью Ох; \|/,- угол между радиус-вектором 1 -той точки и осью Оу; г, - длина радиус-вектора 1 -той точки.

В результате нами получена математическая модель измеренной заготовки, где положение каждой точки поверхности описано' тремя параметрами: углом ср по отношению к плоскости Ох, углом у по отношению к плоскости Оу и расстоянием г от центра точек фигуры.

Данная модель ориентирована произвольно - направления осей не привязаны к особенностям геометрии измеренного объекта. Однако для адекватного сопоставления модели измеренного объекта и эталонной модели необходима единообразная ориентация осей.

Выберем в качестве характерного признака, определяющего ориентацию оси Оу, осевую одной из лопастей винта. Номер выбранной лопасти не имеет значения, так как винт - симметричная фигура. Тогда ось Ох будет направлена вдоль оси ступицы винта, а ось Oz — перпендикулярно Ох и Оу.

Пусть действительное направление оси Оу задается специально проставленной реперной точкой (присвоим ей индекс к), местоположение которой определяется пересечением линии кромки лопасти с осевой лопасти. Тогда для данной точки

а разность

является углом поворота по оси Оу. Такой поворот будет производится в горизонтальной плоскости, следовательно направление вертикальной оси Ох не изменится, а ось Oz должна быть смещена в положение,

перпендикулярное новому положению Оу.

Рис 1: Изменение направления осей Оу, Oz.

Как видно из рисунка 1, для сохранения перпендикулярности осей Оу, Oz, последняя ось также должна быть повернута на угол );, однако, так как угол у вектора данной точки с осью Oz является избыточной информацией, уже содержащейся в значениях <р, \|/ и перпендикулярности осей, и значение угла у не используется в дальнейших вычислениях, данные расчеты нет необходимости производить, и приведение математической модели к правильной ориентации осуществляется при помощи формулы:

где - значение угла между радиус-вектором 1 -той точки и осью Оу.

Для дальнейших расчетов необходимо перейти от полярной к прямоугольной системе координат:

«■! — —«=—--- ■■■ --- - .1

+ V/ +1 х" = г," • ш<р, у" = г? ■

где (х"„ у"„ г",) - координаты ¡-той измеренной точки в прямоугольной правильно ориентированной системе координат с центром в точке

Расчет точечно-заданной формы поверхности готового изделия - так называемого эталона - производится аналогичным образом по данным, приведенным в выходной документации винта. При формировании математической модели эталонного винта, необходимо задать направление снятия припуска в каждой из точек, то есть найти направление нормали к поверхности заготовки в данной точке. Так как эталонная поверхность является точечно-заданной, непосредственный расчет уравнения прямой, перпендикулярной поверхности невозможен. Однако мы можем представить эталонную поверхность в окрестностях точки Ао, как эллипсоид, проведенный чрез эталонные точки, ближайшие к точке Ао (см. рис.2.)

1 — эталонная поверхность; 2 — построенный эллипс; 3 — касательная плоскость эллипса в точке Ао

Рис.2. Построение эллипсоидной поверхности, касательной эталонной математической модели в окрестностях точки Ао

Уравнение эллипсоида с центром в начале координат имеет вид:

+ ВУ + С У + О, = О

где Аэ, Вэ, С„ Оэ - искомые параметры эллипса.

Параметры эллипса находятся по методу наименьших квадратов, целевая функция которого в данном случае имеет следующий вид:

где к=0,1,...5 — номер соседней точки (см. рис. 2).

Уравнение плоскости, касательной к эллипсоиду в точке Ао с координатами имеет вид:

(х - х0)Агх0 + {у - у„)В,у0 + (г - г0 )С,20 = О

Тогда вектор нормали касательной плоскости эллипсоида в точке Ао задается значениями

где - искомые параметры нормали к поверхности в точке

А) .

Длина нормали, равная требуемому значению припуска, определяется из нормативных документов винта.

Для того, чтобы определить имеющееся значение припуска, необходимо найти такую точку на поверхности измеренного объекта, которая является ближайшей к точке пересечения нормалью поверхности заготовки (см. рис 3).

Рис.3. Совмещение измеренной и эталонной моделей.

Для определения соответствующей точки используем критерий оптимальности, основанный на квадратах разностей отклонений углов точек как по оси Ох, так и по оси Оу. Так как весовые коэффициенты для х и у одинаковы, то значения отклонений по данным углам учитываются в одинаковой мере. При этом, чем больше расхождение по какой-либо координате, тем большее влияние оно имеет на результат расчета формулы, и наоборот, отклонениями, стремящимися к нулю, в данном случае следует пренебречь. Вышеуказанные требования к критерию оптимальности удовлетворяются квадратичным критерием следующего вида:

где (х"„ у"„ г",) - координаты ¡-той измеренной точки в прямоугольной правильно ориентированной системе координат с центром в точке ] = 1... ш - номер эталонной точки, ш - количество эталонных точек;

/ У/ Э// Ъ11 ч •

(х „ у „ г ,) - координаты >тои и точки в прямоугольной правильно ориентированной системе координат с центром в точке

Чем меньше значение критерия, тем ближе ьтая измеренная точка к нормали, восстановленной из ]-той эталонной точки. Для точки, признанной

ближайшей к нормали, находим длину вектора имеющегося припуска. Чтобы полученные величины разности могли быть автоматически проанализированы, нормируем их путем деления на среднее значение отклонения длины вектора нормали. На основе таблицы абсолютных и относительных значений разностей длин векторов вырабатываются рекомендации по изменению положения заготовки, которые могут быть введены в систему управления станка.

В третьей главе рассматриваются алгоритмические принципы организации автоматизированной системы управления технологическим процессом распределения припуска, основанной на

стереофотограмметрическом методе измерения и разработанной математической методике анализа полученных данных. Во-первых, по имеющейся документации на гребной винт (паспорт гребного винта) определяются требуемые координаты точек поверхности. На основе этих данных по разработанной математической методике производится расчет эталонной математической модели. Затем производится стереофотограмметрическая съемка объектов, объединение полученных фрагментов в единую систему координат и расчет координат точек поверхности измеренной заготовки. По известным значениям координат рассчитывается математическая модель измеренного винта. Для каждой из эталонных точек находится такая измеренная точка, которая наиболее близка к нормали, проведенной из данной эталонной точки, рассчитывается имеющееся значение припуска в данной точке. В зависимости от количества припусков в эталонных точках возможны три ситуации:

• Выбраковка заготовки, если в текущем и любых возможных положениях заготовки в нее невозможно вписать винт.

• Расчет вектора перемещения, если текущее расположение заготовки не является оптимальным. Компьютерный анализ имеющихся припусков позволяет выработать рекомендации по перемещению заготовки.

• Признание текущего расположения заготовки оптимальным. В этом случае данные о имеющихся значениях припуска поступают в ЧПУ станка.

Расчет вектора требуемого перемещения заготовки основан на данных о геометрическом месте центра точек измеренной поверхности, задающих горизонтальное перемещение заготовки, и данных об отклонении имеющихся значений припуска от необходимых величин. Для найденного вектора перемещения рассчитываются значения ожидаемых координат точек поверхности заготовки, производится расчет математической модели измеренной поверхности, находятся новые значения отклонения припусков

Рис. 4. Блок-схема обобщенного алгоритма распределения припуска.

Поскольку распределение припуска - нелинейная задача, имеющая множество вероятных реализаций, окончательное решение принимается группой квалифицированных специалистов или лицом, принимающим решение (ЛПР). Обобщенный алгоритм методики распределения припуска представлен на рис.4.

Разработан алгоритм работы автоматизированной системы управления технологическим процессом распределения припуска на заготовках гребных винтов — АСУТП «Оптима». Основа данной системы — разработанный алгоритм распределения припусков, которая, в свою очередь, базируется на математической методике преобразования трехмерных координат точек поверхности объекта в величины отклонений геометрической формы измеряемой заготовки от точечно-заданной формы поверхности готового изделия.

Работа АСУТП начинается с анализа документации на изготовляемый гребной винт. Если винты данного типа производились ранее, в базе данных АСУТП имеется эталонная модель готового винта. В противном случае первым шагом работы системы является расчет математической модели эталонного винта данного типа. Приведенные в паспорте винта данные о шаге сечений лопасти, значениях толщин и катетов в контрольных точках на сечениях 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 0,95 радиуса винта преобразуются в трехмерные координаты точек поверхности эталонного винта. Данные о координатах точек служат основой для расчета математической модели эталона.

После того, как заготовка пройдет дефектоскопию, она размещается на рабочей поверхности станка. Производится первая контрольная операция определения пригодности заготовки по геометрическим параметрам. Если заготовка признана годной, выбирается оптимальное распределение существующих припусков. Информация об имеющихся припусках поступает в систему управления станка с ЧПУ. В случае, когда количество припуска велико, он делится на черновую и чистовую обработки. Быстродействие работы АСУТП позволяет производить операции распределения припусков после каждой черновой обработки, причем время производственного процесса увеличивается незначительно (так как контроль производится при уже известных параметрах текущей установки системы).

По завершении операции чистовой обработки, производится межоперационный контроль. Он необходим для большинства операций обработки винта (за исключением шлифования). Количество таких операций зависит от типа винта.

По завершению всех операций обработки винта производится выходной контроль, по результатам проведения которого заполняется паспорт винта.

Блок-схема полученного алгоритма приведена на рисунке 5.

^ конец

Рис. 5. Блок-схема обобщенного алгоритма функционирования АСУТП.

В четвертой главе содержится описание лабораторных испытаний АСУТП и анализ полученных в результате испытания данных. Работа методики рассмотрена на контрольном наборе из 154 измеренных точек и 32 точек эталонного объекта. Приведены данные промежуточных расчетов математических моделей измеренного и эталонного объекта, а также полученные значения критерия оптимальности. Математический метод доказал свою работоспособность, выделив из массива исходных точек те, что соответствуют эталонным, причем оптимальное значение критерия на порядок меньше, чем второе по малости значение критерия для каждой эталонной точки, что полностью исключает появление квазисоответствующих пар точек.

Проанализирована точность и стабильность получаемых результатов. Максимальное из получаемых значений критерия вдвое меньше погрешности определения координат, следовательно, данный метод увеличивает точность работы системы в целом. Среднее значение критерия - 0,00039, отклонение от среднего значения порядка Следовательно, данный метод можно с полным основанием считать высокоточным и стабильным.

Приведены примеры имеющихся распределений припусков как для случае выбраковки заготовки, так и для случая расчета вектора. Обозначим

как 5у количество имеющегося припуска в .¡-той эталонной точке.

Рассмотрим случай взаимного наложения математической модели измеренной заготовки и эталонной модели, представленный на рисунке 6. Взаимное расположение точек поверхности заготовки, в которых величина имеющегося припуска меньше требуемого значения, таково, что перемещение модели заготовки с целью увеличения припуска в точках, где 6( < 0, повлечет за собой недопустимое уменьшение припуска в тех точках, где в настоящий момент Следовательно, невозможно задать такой

вектор перемещения заготовки, при котором во всех контрольных точках эталонной математической модели будет достаточное количество припуска. Такая заготовка подлежит выбраковке.

В другом случае несмотря на то, что при данной установке заготовки имеется ряд точек, для которых величина имеющегося припуска меньше, чем требуемое значение, то есть и имеются точки, для которых

анализ расположения точек, для которых значение имеющегося припуска значительно превосходит нормативное значение показывает, что возможно перемещение заготовки, при котором для всех эталонных точек значение имеющегося припуска будет не менее, чем требуемое. В данном случае вектор перемещения строго горизонтален (рис. 7).

Производственные испытания разработанной автоматизированной системы управления технологическим процессом распределения припуска подтвердили данные по точности и стабильности получения результатов методики распределения припуска. По результатам производственных испытаний АСУТП была внедрена в процесс производства гребных винтов цеха № 2 ФГУП "МП Звездочка".

1 — математическая модель измеренной заготовки; 2 -отступ на припуск; 3 - математическая модель эталона. Рис. 6. Несоответствие заготовки и эталонной модели винта.

1 - математическая модель измеренной заготовки; 2 -отступ на припуск, 3 - математическая модель эталона. Рис. 7. Смещенное расположение заготовки относительно эталонной модели винта.

В пятой главе приведен расчет срока окупаемости АСУТП «Оптима» и предполагаемого дохода от ее внедрения, исходя из ее себестоимости и выигрыша по времени, получаемого при использовании системы на ФГУП "МП Звездочка" при проведении операции распределения припуска на последующую обработку заготовок гребных винтов. В качестве эталонного винта рассматривался гребной винт диаметром 15 метров, высотой 8 метров и весом 1 тонну.

В качестве затрат на внедрение системы рассматривались следующие статьи:

• Затраты на приобретение оборудования;

• Затраты на программное обеспечение;

• Затраты на обучение персонала;

• Расходы на оплату труда по договору научно-исследовательской работы.

Для того чтобы денежные вложения разных лет можно было анализировать в настоящем времени, было использовано дисконтирование денежных потоков. В качестве момента приведения рассматривался 2004 год. Оценка возврата инвестируемого капитала рассматривалась на основе показателя денежного потока, формируемого за счет сумм чистой прибыли и амортизационных отчислений в процессе эксплуатации инвестиционного проекта

Рассчитано, что при использовании АСУТП вместо применяемых в настоящее время методов распределения припуска выигрыш по времени составит 101,3 часа на один гребной винт. Годовой экономический эффект от внедрения АСУТП составит 101 541 руб. С учетом существующих объемов производства автоматизированная система окупится за 11,7 месяца.

Основные выводы по работе

1. Разработана автоматизированная система управления технологическим процессом распределения припусков на последующую механическую обработку поверхностей сложной формы, позволяющая давать оценку пригодности заготовки для дальнейшей механической обработки и обеспечивать равномерное распределение припуска

2. На основе приведенного анализа способов контроля геометрической формы крупногабаритных конструкций установлено, что наиболее перспективным является бесконтактный стереофотограмметрический метод, позволяющий производить контроль геометрической формы изделия на рабочем месте в режиме реального времени.

3. На основании анализа существующих математических методик воссоздания и сопоставления поверхностей разработана единая математическая методика построения и совместного анализа

математических моделей измеренного и эталонного объекта.

4. Разработанная математическая методика позволяет сопоставлять рассчитанные математические модели измеренного и эталонного объектов и вычислять имеющиеся значения припусков для последующей механической обработки.

5. Точность и стабильность получения результатов при помощи математического алгоритма подтверждена лабораторными испытаниями и статистическими оценками полученных данных.

6. Разработанная методика начального распределения припуска позволяет произвести полный комплекс операций от измерения геометрических параметров объекта до выработки рекомендаций по перемещению заготовки для последующей обработки.

7. Работоспособность автоматизированной системы управления технологическим процессом распределения припуска, основанной на разработанной методике и предложенном математическом алгоритме подтверждена производственными испытаниями и внедрением разработанной АСУТП в производственный процесс цеха №2 ФГУП «МП Звездочка».

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. Лаптева Е.Н. Черепенин Ф. В. Метод гомоморфной фильтрации применительно к стереофотограмметрической обработке изображений.// Сборник статей, посвященный Ломоносовским чтениям. - Северодвинск: РИО Севмашвтуза, 1999. - С. 10-13.

2. Лаптева Е.Н., Мансуров Д.В., Черепенин Ф. В. Метод определения двумерных координат точек стереопар.// Сборник статей, посвященный Ломоносовским чтениям. - Северодвинск: РИО Севмашвтуза, 1999. -С. 14-17.

3. Лаптева Е.Н., Мансуров Д.В., Черепенин Ф. В. К вопросу о калибровке видеограмметрической системы. // Вопросы технологии, эффективности производства и надежности. - Северодвинск: типография ГУП ПО СМП, 1999. - Вып. 17. ч. II. - С. 78-85.

4. Лаптева Е.Н. Стереофотограмметрический метод воссоздания трехмерной формы изображения.// Стратегические интересы и актуальные проблемы России на европейском севере: Тез. докл. межд. науч. конф. 20-22 мая 2000 г. - Архангельск: Правда Севера, 2000. - С. 14 - 18.

5. Лаптева Е.Н. Рогов В.А. Автоматизированная система управления технологическим процессом распределения припуска. // Проблемы корабельного машиностроения. - Северодвинск: типография ГУП ПО СМП, 2004.-Вып. З.-С. 52-57.

6. Лаптева Е.Н. Методика получения и анализа пространственной формы объекта на основе трехмерных координат точек его поверхности. - М.: 2004. - Деп. в ВИНИТИ 05.04.04, № 556 - В2004.

7. Лаптева Е.Н. Рогов В.А. Автоматизированное распределение припусков на последующую обработку крупногабаритных, сложнопрофильных изделий. - М: 2004. - Деп. в ВИНИТИ 05.04.04, № 557 -В2004

Лаптева Евгения Николаевна (Россия) АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПРИПУСКА (НА ПРИМЕРЕ ГРЕБНЫХ ВИНТОВ)

Диссертация посвящена разработке автоматизированной системы управления технологическим процессом распределения припусков на последующую обработку крупногабаритных сложнопрофильных изделиях. Проведено исследование существующих методов распределения припусков. Разработан математический метод составления и анализа модели изделия. Составлен алгоритм работы АСУТП. Приведены данные лабораторных испытаний, доказывающие точность и стабильность получаемых результатов.

Результаты исследования внедрены в технологический процесс изготовления гребных винтов.

Evgenia Nicolaevna Lapteva (Russia) AUTOMATION SYSTEM OF LARGE-GABARIT COMPLEX PROFILE HARDWARE ALLOWANCE DISTRIBUTION TECHNOLOGICAL PROCESS CONTROL (IN SCREW-PROPELLERS MANUFACTURE).

The thesis is devoted to the development of automation system of large-gabarit complex profile hardware allowance distribution technological process control. The research of existing allowance distribution methods was carried out. The mathematical method of compiling and analysis model of object was worked out. The algorithm of automation allowance distribution technological process control was developed. The obtained data of laboratory tests show precision and stability developed method were represent.

The results of this research were inculated in technological process of screw-propellers manufacture.

Подписано в печать^. ^Формат 60x84/16. Тираж ¡СО экз. Усл. печ. л. •/ . Заказ

Типография Издательства РУДН 117923, ГСП-1, г. Москва, ул. Орджоникидзе, д. 3

#-6 77 2

Введение.

1. Анализ методов и средств контроля распределения припусков.

1.1. Проблемы базирования на первой операции.

1.2. Особенности контроля геометрических параметров точечно-заданных фасонных поверхностей (на примере гребного винта).

1.3. Способы и технические средства измерения фасонных поверхностей.

1.4. Существующие математические методы воссоздания поверхности по набору точек.

1.5. Выводы по главе 1 и постановка задач исследования.

2. Разработка методики получения пространственной формы объекта на основе трехмерных координат точек его поверхности.

2.1. Теоретическое обоснование математического метода.

2.2. Разработка математического описания измеренного объекта.

2.3. Разработка математического описания эталонного объекта.

2.4. Разработка методики сравнения измеренной и эталонной моделей

3. Разработка методики начального распределения припусков.

3.1. Составление математической модели эталонного винта.

3.2. Проведение стереофотограмметрического измерения координат точек поверхности заготовки.

3.3. Составление математической модели измеренной заготовки.

3.4. Расчет имеющихся припусков и анализ оптимальности их распределения.

3.5. Анализ распределения припусков.

3.6. Алгоритм работы АСУТП.

4. Апробация методики начального распределения припусков.

4.1. Анализ работы математической методики.

4.2. Анализ работы алгоритма распределения припуска.

5. Расчет дохода от внедрения АСУТП «Оптима».

5.1 Расчет затрат на внедрение АСУТП.

5.2 Расчет экономического эффекта от внедрения АСУТП.

5.3. Расчет срока окупаемости.

5.4 Расчет дохода от внедрения АСУТП.

Выводы и основные результаты работы.

Современное промышленное производство характеризуется высокой степенью автоматизации и информатизации технологического процесса изготовления изделий. Применение вычислительных машин позволяет повысить точность изготовления деталей, а также увеличить долговечность и надежность эксплуатации механизмов и машин, что в свою очередь позволит не только увеличить производительность процесса за счет уменьшения объема пригоночных операций, но и позволяет снизить трудоемкость механической обработки, уменьшить размеры припусков на обработку деталей, и в конечном итоге приводит к экономии металла.

В настоящее время одним из приоритетных направлений совершенствования методов металлообработки является снижение удельного расхода металла путем уменьшения отходов при обработке. Более точное базирование заготовок на первых операциях механической обработки позволяет уменьшить «запас» материала на заготовительных операциях и тем самым снизить расход металла на изготовление единицы изделия.

В связи с этим особую важность приобретает начальное распределение припусков, так называемое автоматическое «вписывание» изделия в заготовку при механической обработке сложнопрофильных деталей с точечно-задаваемыми поверхностями, в частности, гребных винтов. Именно при первой операции обработки детали ее поверхности необходимо правильно ориентировать по отношению к технологическим базам [30].

Разнообразие геометрических форм и размеров гребных винтов, отсутствие каких-либо закономерностей в профилях отдельных сечений и методики расчетов и проектирования делает невозможным применение общепринятых способов базирования. Универсальное решение данной задачи, подходящее ко всем типам и размерам гребных винтов, может быть получено при решении математической задачи нахождения наилучшего способа вписывания теоретической геометрической формы гребного винта в имеющуюся заготовку. Это особенно актуально для такого мелкосерийного, а зачастую и штучного производства, как изготовление гребных винтов.

Важность решения поставленной задачи определяется и тем, что ошибочное начальное распределение припусков может привести к выбраковке заготовки, поскольку для гребных винтов высшего и особого классов коррекция изделия наплавлением металла недопустима по акустическим и ходовым требованиям [28].

В течение ряда лет Севмашвтузом совместно с ФГУМП "Звездочка" проводились теоретические и практические исследования с целью разработки автоматизированной системы управления технологическим процессом распределения припуска - АСУТП «Оптима». Настоящая диссертационная работа является составной частью общего комплекса разработки и реализации данной АСУТП, отображая вопросы разработки математического и алгоритмического обеспечения начального распределения припусков заготовки гребного винта на основе стереофотограмметрического метода измерений и компьютерной обработки полученной информации.

В данной работе выполнен анализ существующего состояния проблемы распределения припуска, рассмотрены особенности контроля геометрических параметров точечно-задаваемых поверхностей, проведен анализ технологического процесса изготовления гребных винтов, рассмотрены различные координатно-измерительные устройства, применяемые в настоящее время для измерения геометрической формы крупногабаритных конструкций, разработан алгоритм преобразования трехмерных координат точек поверхности объекта в перечень расхождений геометрической формы измеряемой заготовки и эталонной формы гребного винта, разработан метод начального базирования гребного винта, работоспособность которого подтверждена лабораторными и цеховыми испытаниями стереофотограмметрического комплекса.

Отдельные разделы работы и вся работа в целом обсуждались на заседаниях кафедр «Технология машиностроения, металлорежущие станки и инструменты» РУДН, «Технология металлов и машиностроения» Севмашвтуз; на международных научно-технических конференциях «Ломоносовские чтения», Севмашвтуз, 1999 год и «Стратегические интересы и актуальные проблемы России на европейском севере», Архангельский филиал Московского института управления, 2000 г. Основные результаты опубликованы в 7 печатных работах.

На защиту выносятся:

- Метод равномерного распределения припуска на обработку, основанный на стереофотограмметрическом контроле формы поверхности и последующей компьютерной обработки полученных значений, заложенный в основу АСУТП «Оптима».

- Математический метод преобразования трехмерных координат точек поверхности в оценку расхождения геометрической формы измеряемой заготовки с точечно-заданной формой поверхности готовой детали.

- Оценка стабильности и точности получения результатов при помощи разработанной методики.

- Результаты работы методики начального распределения припусков.

Выводы и основные результаты работы

Данная работа является комплексным исследованием, посвященным разработке автоматизированной системы управления технологическим процессом распределения припуска на обработку крупногабаритных, сложнопрофильных изделий с точечно-задаваемлй поверхностью, таких как гребные винты.

1. Разработана автоматизированная система управления технологическим процессом распределения припусков для механической обработки поверхностей сложной формы.

2. На основе приведенного анализа способов контроля геометрической формы крупногабаритных конструкций установлено, что наиболее перспективным является бесконтактный стереофотограмметричекий метод, позволяющий производить контроль геометрической формы изделия на рабочем месте в режиме реального времени.

3. На основании анализа существующих математических методик воссоздания и сопоставления поверхностей разработана единая математическая методика построения и совместного анализа математических моделей измеренного и эталонного объекта.

4. Разработанная математический алгоритм позволяет сопоставлять рассчитанные математические модели измеренного и эталонного объектов и вычислять имеющиеся значения припусков для последующей механической обработки.

5. Точность и стабильность получения результатов при помощи математического алгоритма подтверждена лабораторными испытаниями и статистической обработкой полученных данных.

6. Разработанная методика начального распределения припуска позволяет произвести полный комплекс операций от измерения геометрических параметров объекта до выработки рекомендаций по перемещению заготовки для последующей обработки.

7. Работоспособность автоматизированной системы распределения припуска, основанной на разработанной методике и предложенном математическом алгоритме подтверждена производственными испытаниями и внедрением разработанной АСУТП в производственный процесс цеха №2 ФГУП «МП Звездочка».

1. Александровский Н. М., Егоров С. В., Кузин Р. Е. Адаптивные системы автоматического управления сложными технологическими процессами. - М.: Энергия, 1973. -272 с.

2. Балакшин Б. С. Теория и практика технологии машиностроения. В 2-х кн. -М.: Машиностроение, 1982. Кн. 1.- 283 е.; Кн. 2. 268 с.

3. Балакшин Б. С.Основы технологии машиностроения. М.: Машиностроение, 1969.-556 с.

4. Беклемишев Д. В. Дополнительные главы линейной алгебры. М.: Высшая школа, 1983.-335с.

5. Бискуп Б. А., Терлецкий Б. М., Никитин М. Н. Прочность гребных винтов. -Л.: Судостроение, 1973. 165 с.

6. Богород И. И., Кауфман И. М. Производство гребных винтов. Справочник. -Л.: Судостроение, 1976.- 191 с.

7. Боярский А. Я. Статистика и оптимальное планирование. М.: Статистика, 1977.-264 с.

8. Брандт 3. Анализ данных. Статистические и вычислительные методы для научных работников и инженеров. М.: ACT, Мир, 2003. - 686 с.

9. Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. М.: Наука. Физматлит, 1980. — 976 с.

10. Ю.Валуев С.А., Волкова В. Н., Градов А. П. Системный анализ в экономике и организации производства. Л.: Политехника, 1991 г. 396 с.

11. Вальков В. М., Вершинин В. Е. Автоматизированные системы управления технологическим процессом. Л.: Политехника, 1991.-268 с.

12. Васильков Ю. В., Василькова Н. Н. Компьютерные технологии вычислений в математическом моделировании.- М.: Финансы и статистика, 1999. 256 с.

13. Вентцель Е. С., Овчаров Л. А. Теория вероятностей. М.: Наука, 1973. -368 с.

14. Взаимозаменяемость и технические измерения в машиностроении. / под. ред. В. П. Короткова. М.: машиностроение, 1972. - 616 с.

15. Воднев В. Т., Наумович А. Ф, Наумович Н. Ф.Основные математические формулы. Минск: Вышейшая школа. 1988. - 270 с.

16. Волкова В. Н. К методике проектирования автоматизированных информационных систем //Автоматическое управление и вычислительная техника. Вып. II.- М.: Машиностроение, 1975. С. 289 - 300.

17. Волкова В.Н., Денисов А.А. Системный анализ и его применение в АСУ. JL: ЛПИ, 1983 г.-83 с.

18. Выгодский В. Я. Справочник по высшей математике. М.: Наука. Физматлит, 1961.-695 с.

19. Высоцкий А.В. Основные направления развития средств линейных измерений, контроля и управления в машиностроении. // Измерительная техника, 1983 № 4, С. 35-36.

20. Горский В.Г., Адлер Ю. П., Талалай A.M. Планирование промышленных экспериментов. М.: Металлургия, 1978. - 112 с.

21. ГОСТ 21495-76. Базирование и базы в машиностроении. Термины и определения. — Введ. 01.01.77. — М.: Изд-во стандартов, 1987. 35 с.

22. Дальский А. М. Технологическое обеспечение надежности высокоточных деталей машин. М.: Машиностроение, 1975. 120 с.

23. Дамдинова Т. Ц. Автоматизация процессов восстановления и распознавания плоских объектов сложной формы по цифровым изображениям. Дис. канд. техн. наук. М: 1998. - 170 с.

24. Директор С., Рорер Р. Введение в теорию систем. М.: Мир, 1974. - 464 с.

25. Евдокимов В.В. Технология проектирования АСУП. JL: Машиностроение., 1981 г.-269 с.

26. Игнатьев М. А. Гребные винты судов ледового плавания . (Особенности проектирования). JL: Судостроение, 1966. - 113 с.

27. Карпелевич Ф.И., Садовский JI. Е. Элементы линейной алгебры и линейного программирования. М.: Наука, 1965 г. 275 с.

28. Кауфман И. М. Совершенствование технологий механической обработки гребных винтов. -JI.: ЦНИИ «Румб», 1978. 128 с.

29. Квасов В.М. Методы построения обобщенных В-сплайнов и их свойства. //Доклады РАН. М.: Издательство РАН, 1995. -№ 6, С. 744 -748.

30. Колкер Я.Д., Руднев О.Н. Базирование и базы в машиностроении.- Киев: Высшая школа, 1991. 100с.

31. Комаров Ф. В. Основы автоматизации производства и управления в машиностроении. М.: Машиностроение, 1981. - 205 с.

32. Комплекс общеотраслевых руководящих методических материалов по созданию АСУ и САПР. М.: Статистика, 1980. - 119 с.

33. Координатно-измерительные машины и их применение. / В.А Тапшись., А.Ю. Каспарайтис, М.Б. Модестов и др. М.: Машиностроение, 1988. -328 с.

34. Королюк В. С., Портенко Н. И., Скороход А. В., Турбин А. Ф. Справочник по теории вероятностей и математической статистке. М.: Наука. Физматлит, 1985.-640 с.

35. Корсаков В. С. Автоматизация промышленного производства. М.: Высшая школа, 1978.-285 с.

36. Косилова А.Г., Мещеряков Р.К., Калинин М.А. Точность обработки заготовки и припуски в машиностроении. Справочник технолога. М.: Машиностроение, 1976 - 288 с.

37. Крамер Г. Математические методы статистики. М.: Мир, 1975. - 648 с.

38. Краснощеков П. С., Петров А. А. Принципы построения моделей. — М.: МГУ, 1983.-264 с.

39. Куклин О.С. Ширшов И.Г., Стогов Д. Г. Влияние точности изготовления деталей на пригоночные работы при сборке корпусных конструкций. — JI.: ЦНИИ «Румб», 1979. 112 с.

40. Лаптева Е.Н. Черепенин Ф. В. Метод гомоморфной фильтрации применительно к стереофотограмметрической обработке изображений.//

41. Сборник статей, посвященный Ломоносовским чтениям. Северодвинск: РИО Севмашвтуза, 1999. - С. 10-13.

42. Лаптева Е.Н., Мансуров Д.В., Черепенин Ф. В. Метод определения двумерных координат точек стереопар.// Сборник статей, посвященный Ломоносовским чтениям. Северодвинск: РИО Севмашвтуза, 1999. -С. 14-17.

43. Лаптева Е.Н., Мансуров Д.В., Черепенин Ф. В. К вопросу о калибровке видеограмметрической системы. // Вопросы технологии, эффективности производства и надежности. Северодвинск: типография ГУП ПО СМП, 1999. - Вып. 17. ч. И. - С. 78-85.

44. Лаптева Е.Н. Рогов В.А. Автоматизированная система управления технологическим процессом распределения припуска. // Проблемы корабельного машиностроения. Северодвинск: типография ГУП ПО СМП, 2004. - Вып. 3.-С. 52-57.

45. Лаптева Е.Н. Методика получения и анализа пространственной формы объекта на основе трехмерных координат точек его поверхности. М.: 2004. - Деп. в

46. Лаптева Е.Н. Рогов В.А. Автоматизированная система управления технологическим процессом распределения припусков. М.: 2004. - Деп. в

47. Лебедев К. П., Соколдов Л. Н. Технология производства гребных винтов. -Л.: Судостроение, 1973.-372 с.

48. Ли Т.Г., Адаме Г. Э., Гейнз У. М. Управление процессами с помощью вычислительных машин. Моделирование и оптимизация. М.: Советское радио, 1972.-312 с.

49. Максарев Р. Ю., Борнштейн М. Ю. АСУТП в машиностроении: методы обоснования. М.: Машиностроение, 1984. - 183 с.

50. Мамиконов А.Г, Цвикун А. Д., Кульба В.В. Автоматизация проектирования АСУ. М.: Энергоиздат, 1981 г. - 328с.

51. Мамиконов А.Г. Основы построения АСУ. М.: Высшая школа, 1981 г. -248с.

52. Маневич В.А., Котов И.И., Зенгин А.Р. Аналитическая геометрия с теорией изображений. М.: Высшая школа, 1969 г. - 304 с.

53. Марков A.M. Повышение производительности и обеспечение точности изготовления деталей с пространственно-сложными поверхностями путем совершенствования технологических систем. Автореф. дис. . д-ра техн. наук. Барнаул: 2002. - 32 с.

54. Маталин А. А. Технология машиностроения. Д.: Машиностроение, 1985.495 с.

55. Маталин А. А. Точность механической обработки и проектирование технологических процессов. JL: Машиностроение, 1979.-320 с.

56. Математическое моделирование в технике. / под. ред. В. С. Зарубина, А. П. Крищенко. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001. - 496 с.

57. Мерчуков Б. А. Проектирование систем автоматизированного управления технологическим процессом. М.: Машиностроение, 1981. 280 с.

58. Моисеев Н. Н. Математические задачи системного анализа. М.: Наука, 1981.-488 с.

59. Нормирование точности в машиностроении. / под. ред. Ю. М. Соломенцева. -М.: Высшая школа, 2001.-335 с.бО.Основы автоматизации машиностроительного производства. / под. ред. Ю. М. Соломенцева. М.: Высшая школа, 1999. - 312 с.

60. ОСТ 5.0317-80. Винты гребные фиксированного шага морских судов. Правила математического представления поверхности лопасти. М.: Изд-во стандартов, 1980. - 24 с.

61. Перегудов Ф. И. Основы системного проектирования АСУ организационными комплексами. Томск: ТГУ, 1984 г.

62. Перегудов Ф. И., Тарасенко Ф.П. Введение в системный анализ. М.: Высшая школа, 1989 г. — 367 с.

63. Петров В.В. Совершенствование методов высокоточного обмера крупногабаритных объектов сложной формы с применением теодолитных координатно-определяющих систем: Дис. канд. техн. наук. СПб: 1996. -200 с.

64. Пономарев В.П., Батов А.С., Захаров А.В. Конструкторско-технологическое обеспечение качества деталей машин.- М.: Машиностроение, 1984. 184 с.

65. Пустыльник Е.И. Статистические методы анализа и обработки наблюдений. -М.: Наука, 1988.-288 с.

66. Райбман Н. С., Чадеев В. М. Построение моделей процессов производства. -М.: Энергия, 1975. -375 с.

67. Репин В.М. Оптимизация обработки деталей сложной формы на трехкоординатных фрезерных станках с ЧПУ. Дис. . канд. техн. наук. Иркутск: 1999.- 180 с.

68. Соколовская Г. А. Себестоимость продукции в планировании и управлении промышленностью. М.: Экономика, 1987. - 136 с.

69. Стренг Г. Линейная алгебра и ее применения. М.: Наука, 1980. - 454 с.

70. Сурков О. С. Прогнозирование и обеспечение точности изделий сложной конструктивной формы. Дис. канд. техн. наук. Самара: 1996. 181 с.

71. Точность производства в машиностроении и приборостроении. / под ред. А. Н. Гаврилова. М.: Машиностроение, 1973 - 568 с.

72. Тямшанский Н. Д. Экономика и организация научно-исследовательских работ в машиностроении. JL: машиностроение, 1967. - 195 с.

73. Федоренко Р. П. Приближенное решение задач оптимального управления. -М.: Наука, 1978.-488 с.

74. Химмельблау Д. Анализ процессов статистическими методами. М.: Мир, 1973.-957 с.

75. Шевелев А. С. Структурно-логическая схема обеспечения показателей качества. М.: ИВ УЗ. Авиационная техника № 1, 1977. С. 117 - 24.

76. Юдин Э.Г. Системный подход и принцип деятельности. Методологические проблемы современной науки. М.: Наука, 1979. - 391 с.

77. Hany Farid, Его P. Simoncelly. Optimaly Rotation-Equivariant Directional Derivative Kernels. New-York, USA: www-dbv. informatik/OREDDK.de. 1997. -5 c.

78. John S. Mossin., Timothy D. Ross.An Evaluation of SAR ATR Algorithm Perfomance Sensitivity to MSTAR Extended Operating Condition. Ohio, USA.,: www. mbvlab. wpsfb. af. Mil/ papers/AEoSAAPStMEOC/ index.html, 2001. 9 c.

79. Karty Oksaanen. The design And Simulation Of Video Digitizing By Using Three Dimensional CAD-models. Institute of fotogrammetry, Otakaary, Finland: www. mbvlab. wpsfb. af. Mil/ papers/koksanen.html, 2001. - 8 c.

80. Leica digital photogrammetric systems by Helava Printed in Switzerland Leica AG, Heerbrugg, Switzerland, 1996. -10 c.

81. Oily Jokinen, Henric Haagen. Relative Orientation Of two Disparity Maps In Stereo Vision. Otakaary, Finland: www. mbvlab. wpsfb. af. Mil/ papers/Relor.html, 2002. 13 c.