автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Оптико-электронная система контроля геометрических параметров и разметки корпусов колонных аппаратов

005001589

На правах.,рукописи

/7

ПЕТРОВ Сергей Алексеевич

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И РАЗМЕТКИ КОРПУСОВ КОЛОННЫХ АППАРАТОВ

05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 О НОЯ 2011

Волгоград - 2011

005001589

Работа выполнена на кафедре "Электротехника" в ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Шилин Александр Николаевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Коротаев Валерий Викторович;

доктор технических наук, профессор Нестеров Владимир Николаевич.

Ведущая организация ОАО «ВНИИПТ химнефтеаппаратуры»,

г. Волгоград

Защита диссертации состоится "25" ноября 2011г. в 12-00 часов на заседаг диссертационного совета Д 212.028.05 при Волгоградском государственном техн ческом университете по адресу: 400005, г. Волгоград, пр. Ленина, 28, ауд. 210.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВолгГТУ

Автореферат разослан "_" октября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Авдеюк О.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие отечественного машиностроения связано с гоиышением качества выпускаемой продукции и снижением ее себестоимости. )собенпо актуальны проблемы повышения качества продукции для двух из основных отраслей отечественного машиностроения - нефтегазовой и химической.

В машиностроении наибольшее влияние на качество выпускаемой продукции называет технологическая точность изготовления базовых деталей. Основными ба-,оными деталями нефтегазового и химического оборудования являются оболочки фащения - корпуса, которые свариваются из обечаек и днищ. Для обеспечения кон-акта фаз газ-жидкость внутрь корпусов устанавливают тарелки. Точность позицио-шровапия тарелок существенно зависит от точности разметки внутренней поверх-юсти корпусов и определяет продольную и поперечную равномерность и эффективность их работы. При этом точность самих корпусов в значительной степени ¡лияет на механическую прочность, надежность, качество работы и трудоемкость «готовления колонных аппаратов. Она зависит из-за смещения кромок стыкуемых (сталей от погрешностей их периметра и формы, определяемых точностью контроля •еометрических параметров. К последним относятся отклонение от цилиндрично-ги, крутости и профиля продольного сечения. Применяемые в настоящее время на аводах, производящих колонные аппараты, средства не позволяют устанавливать арелки и стыковать обечайки и их секции без дополнительных операций правки и юдгонки. Такое состояние существенно ограничивает качество выпускаемой проекции, увеличивает время сборки корпусов и энергетические затраты и не гюзволя-т автоматизировать технологические процессы.

Измерение геометрических параметров крупногабаритных деталей (диаметр 0,9 ■10м, длина - до 100м) является одной из сложных областей измерительной техники, что обусловлено большими габаритами изделия и измерительного инструмента, юльшим объемом измерительных операций и тяжелыми внешними условиями. По->тому наиболее перспективным является использование систем контроля геометри-сских параметров с оптико-электронными измерительными преобразователями, беспечивающими измерение без механического контакта с объектом в режиме ре-льного времени, и возможность интеграции в существующие системы автоматиза-ши технологических процессов. На рынке отсутствуют серийно выпускаемые средства контроля, которые за счет совмещения операций контроля геометрических параметров крупногабаритных деталей и их разметки позволяют исключать операции фавки и подгонки. Таким образом, необходима разработка и исследование специ-льпых оптико-электронных систем контроля геометрических параметров и размети корпусов колонных аппаратов.

Целью работы является разработка и исследование оптико-электронной сис темы контроля геометрических параметров и разметки корпусов колонных аппара тов.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Проведен анализ технологического процесса и условий производства кор пусов колонных аппаратов, а так же существующих методов и средств контроля гео метрических параметров крупногабаритных оболочек вращения.

2. На основе проведенного анализа предложены схемы контроля геометриче ских параметров и разметки корпусов колонных аппаратов, построены математиче ские модели процесса измерения и формирования методической погрешности и оп рсдслена методика повышения точности контроля и разметки.

3. На основе разработанных схем измерения и разметки предложены струк турно-функциональные схемы оптико-электронных систем контроля геометрически параметров и разметки колонных аппаратов.

4. На основе построенной на базе аппарата кватернионов математической мо дели и предложенного алгоритма разработана компьютерная модель, позволяющ-обоснованно выбирать параметры одной из предложенных оптико-электронных сис тем контроля геометрических параметров и разметки корпусов колонных аппаратов обладающей заданной точностью.

5. На созданном макете оболочки вращения экспериментально подтвержден адекватность математических моделей процесса измерения и формирования методи ческой погрешности.

Основные методы исследования. При решении поставленных задач исполь зовались методы теории оптических систем, случайных функций, методы имитаци онного моделирования, методы обработки экспериментальных данных, методы опи сания вращения твердого тела, а также эвристические методы проектирования тех ничсских систем.

Достоверность полученных результатов подтверждена результатами экспе риментальных исследований и испытаний оптико-электронной системы контрол геометрических параметров и разметки.

Научная новизна.

1. Предложен метод определения базовых осей корпусов колонных аппа ратов, имеющих отклонения от правильной формы, для установки и монтажа детале на корпуса, позволяющий осуществлять разметку поверхности корпусов и установку этих деталей с допустимыми погрешностями.

2. Получен алгоритм имитационного моделирования процессов формиро вапия погрешностей контроля и разметки, который учитывает все основные факторы,

влияющие па их точ1юсть, и позволяет оценивать методическую погрешность оптико-электронной системы и,' соответственно, выбирать ее структурно-функциональную схему, а так же параметры оптической схемы контроля геометрических параметров и разметки корпусов колонных аппаратов.

3. Разработана математическая модель трехмерного преобразования оптических сигналов в оптической системе, содержащей пентапризму, основанная на использовании кватернионов и позволяющая заранее оценивать погрешность преобра-ования и, соответственно, выбирать параметры оптической схемы и пентапризмы.

Теоретическая и практическая значимость результатов.

1. Разработана методика определения базовых осей корпусов колонных ппаратов для контроля геометрических параметров этих корпусов и разметки их юверхности для установки деталей с допустимыми погрешностями.

2. Разработана методика определения ограничений геометрических параметров механической части координатно-установочных устройств системы по усло-зиго ограничения методических погрешностей.

3. На основе полученной модели трехмерного преобразования оптических игналов получены алгоритм и компьютерная программа, позволяющие рассчитывать опустимые параметры пентапризмы и осуществлять оценку погрешностей системы.

4. Получен алгоритм и компьютерная программа для сборки корпуса котонного аппарата с минимальным смещением стыкуемых кромок, который использу-

т результаты измерения профилограмм отдельных обечаек и их секций.

Внедрение результатов работы.

1. На предприятии «Волгограднефтемаш» принята к внедрению оптико-лектронная система контроля геометрических параметров и оптической разметки орпусов колонных аппаратов.

2. Результаты исследования используются в учебном процессе Волгоград-кого государственного технического университета в курсе «Метрология, стандарти-ация и сертификация».

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Математические модели оптических схем контроля геометрических па-аметров и разметки корпусов колонных аппаратов с отклонениями от правильной цшиндрической формы, позволившие получить методики для определения парамет-ов схем измерения и алгоритм выполнения операций контроля и разметки, обеспе-ивающие выполнение указанных операции с допустимыми погрешностями.

2. Математическая модель трехмерного моделирования преобразования оптических сигналов в пентапризме, основанная на аппарате кватернионов.

3. Методики обоснованного выбора параметров оптической схемы предлагаемой системы, состава и устройства ее элементов и выбора их параметров.

Соответствие паспорту специальности.

Указанная область исследования соответствует паспорту специальности 05.11.16 - «Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении)», а именно: пункту 1 - «Научное обоснование перспективных информационно-измерительных и управляющих систем, систем их контроля, испытаний и метрологического обеспечения, повышение эффективности существующих систем».

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на ежегодных научных конференциях Волгоградского государственного технического университета (2008-2011 гг.), XXI международной инновационно-ориентированной конференции молодых учёных и студентов по современным проблемам машиноведения (МИК-МУС-2009) г. Москва (16-18.11.2009), международной научной конференции «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности (АСТИН-ТЕХ-2009)» г. Астрахань (11-14.05.2009), V всероссийской научно-практической конференции «Инновационные технологии в обучении и производстве» г. Камышин (4-6.12.2008), XI международной научно-технической конференции «Медико-экологические информационные технологии» г. Курск (21-24.05.2008), межрегиональной научно-практической конференции «Моделирование и создание объектов энергосберегающих технологии» г. Волжский (22-25.09.2009), IX международной конференции «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и' символьной информации. Распознавание -2010» г. Курск (18-20.05.2010).

Личный вклад автора.

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит:

[8,9,10,11,12,13,14,15,16] - разработка системы контроля геометрических параметров и разметки корпусов колонных аппаратов и ее элементов; [2] - создание алгоритма и компьютерной программы сборки; [3,4] - разработка имитационной модели контроля геометрических параметров и разметки и расчет погрешностей; [5] -создание математического описания геометрических параметров; [6,7] - разработка структурных схем и алгоритма функционирования предлагаемых устройств; [17] -анализ факторов, влияющих на сборку корпуса аппарата и построение их графа.

Основные научные результаты и рекомендации, содержащиеся в диссертационной работе и публикациях, получены автором самостоятельно и под руководством научного руководителя.

Публикации. Основные результаты исследования представлены в 17 работах, 3 из которых - патенты РФ, 4 статьи опубликованы в журналах по списку ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 106 страниц основного текста, 48 рисунков, 2 таблиц, списка литературы (137 пунктов).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, проблемы, определены цель и задачи диссертационной работы, сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрена технология сборки корпусов колонных аппаратов сваркой встык обечаек и днищ, а также их разметки и установки внутренней начинки. Из анализа технологии сборки корпусов выявлено, что на эту операцию оказывает влияние большое число различных факторов, а так же, что для повышения качества сборочных операций необходимо предварительное определение и разметка координат установки деталей внутри корпуса.

Проведен анализ современных методов и средств контроля геометрических параметров и разметки деталей колонных аппаратов. Установлено, что для разметки координат установки деталей в крупногабаритных корпусах целесообразно использовать оптические и оптико-электронные средства, позволяющие контролировать геометрические параметры реальных корпусов и определять базу измерения и разметки при сравнительно небольших габаритах этих средств и их высокой точности.

Во второй главе предложен метод определения базовых осей корпусов колонных аппаратов, имеющих отклонения от правильной формы, для установки и монтажа деталей на корпуса. Для оценки методических погрешностей разработана имитационная модель для генерирования случайных профилей обечаек и определения центров их профилограмм методами центра масс, спектральным, прямоугольника и вписанной окружности. При этом функция профиля каждой обечайки представлялась в виде ряда Фурье с десятью первыми членами, что с достоверностью аппроксимации 0,99 описывает экспериментальные данные. Согласно известным исследованиям погрешности абсолютных величин радиус-векторов задавались,, подчиненными нормальному закону распределения, начальные фазы гармоник - равновероятному, а их амплитуды Л - постоянными:

О)

где Р - безразмерный коэффициент параметра эллипсности.

В результате моделирования получены зависимости математического ожидания -М и среднеквадрашческого отклонения (СКО) ст значений смещения центров профилограмм, найденных: методом прилегающей окружности и прямоугольника от Р (рис. 1).

7

Координаты центра профилофаммы, найденные спектральным методом показали нре-| небрежимо малое смещение, относительно координат, рассчитанных методом центру масс.

д.'-

1.65 1,25 0,85 0.45

1

ч

\

о,мм

0,^84 0,738 0,492 0,246

1 —— 1

\

0,37 0,496 0,622 0,748 0,874 (3

0,37 0,496 0,622 0,748 0,874 Р

Рис. 1. Графики зависимости мат. ожидания м иСКО п относительной величины вектора смещения в партии от коэффициента р дяя методов: 1 - прилегающей окружности; 2 - прямоугольника

Из приведенных графиков следует, что для определения центра профилограм-мы поперечного сечения оболочки вращения с преобладанием второй гармонической составляющей (эллипс) целесообразно использовать метод прямоугольника,] который имеет меньшую погрешность и более простую техническую реализацию,! чем метод прилегающей окружности.

Для разработки математической модели трехмерного преобразования оптических сигналов в оптической системе, содержащей пентапризму проведен анализ существующих методов моделирования геометрических преобразований. Он позволил установить, что в трехмерном пространстве целесообразно использовать аппарат кватернионов, позволяющий получить единую более формализованную математическую модель без ее сведения к двум плоскостным моделям. Это значительно упрощает ее применение в цифровых системах управления.

£о

\

Рис. 2. Описание поворота вектора: а - при отражении; б - при преломлении луча Предложено в качестве основы математической модели трехмерного преобразования оптических сигналов использовать алгебраическое описание отражения и преломления лучей (рис 2а, б) посредством единичного кватерниона ? и известного

¡ вектора падения . 'Гак единичный вектор отраженного луча S0 - вектор нормали ¡ поверхности отражения ñ повернутый вокруг единичного Р на угол падения Sa = q ■ ñ = (cos % + P ■ sin %) ■ ñ = cos x ■ ñ + [p, n\ ■ sin x. (2)

Единичный вектор преломленного луча ^пр находится аналогично:

Snp =q ■ ñ = (cos 4 + ^ • sin £,) • я = cos i; • й + [А и]- sin \ 5 (3)

где £ - угол преломления, - относительный показатель преломления.

Рис. 3. Схемы: а - структурно-функциональные оптико-электронной системы: 1 - корпус колонного аппарата. 2 лазерный дальномер, 3, 5, 7 - координатно-установочные устройства, 4 - устрой-I стио поворота лазерного пучка, 6 мишень; б измерения геометрических параметров корпуса I колонного аппарата

Разработаны схемы (рис. 3), позволяющие осуществлять контроль геометриче-

I ских параметров (отклонение от цщгиндричности, круглости, профиля продольного

' сечения, смещение стыкуемых кромок) и разметку корпусов колонных аппаратов и

, проведен их метрологический анализ. Структурно-функциональные схемы системы

отличаются в зависимости от выбора системы координат, в которой производятся

измерения координат точек внутренней поверхности. При измерении в сферической

системе лазерный дальномер 2 измеряет расстояния гф а координатно-установочное

устройство 3 - углы его наклона а/ и В цилиндрической - дальномер измеряет расстояние x¡ до устройства поворота лазерного пучка 4 вдоль измерительной базы I сгс„ и г„, в плоскости, перпендикулярной этой базе, а координатно-установочное

устройство 5 - угол .

Получен алгоритм имитационного моделирования процессов формирования ( погрешностей контроля и разметки, который учитывает все основные факторы, влияющие на их точность, и позволяет оценивать методическую погрешность оптических элементов системы и выбирать ее структурно-функциональную схему. Для

I этого проведено исследование методических погрешностей ^j, и Л(Р (рис.

4), обусловленных аддитивной ^еи и мультипликативной, вызванной расхождением

I 9

Да лазерного пучка, погрешностями дальномера и погрешностью базирования ко-ординатно-установочных устройств.

С помощью имитационной модели для допусков ¿Змм й Дгы <3мм определены зависимости максимальных удалений х) размечаемой плоскости от дальномера от Л + е(рис5).

а) б)

Рис. 4. Схемы влияния расхождения лазерного пучка дальномера на результат измерения

Рис. 5. Зависимость максимальных удалений хj размечаемой плоскости от дальномера от R + е: а) Дгеи « ±1<Г3М = const: 1 - Да/2 = 2,95 • 10~4рад, 2- Да/г = 7 • Ю-4рал, 3 - Да/2 = 1,1 • 10~3рад;

6)-Да/г «7-ю"4 рад = const :/-Дгеи = ±0,1 ■ 10~3м , 2 - &re¡) = ±10~3 м , 3~&re¡¡ = ±2 • ю""3 м ; i

1

Из приведенных графиков видно что, предлагаемую систему, измеряющую в сферических координатах, можно применять для контроля и разметки корпусов длиной более 10м только с переустановкой. \

Для оценки методических погрешностей центрального радиус-вектора и угла Дф при измерении в цилиндрических координатах проанализировано на комплексной плоскости основное уравнение измерения: [

В результате имитационного моделирования для косвенно измеряемых гы и Ф/, получены графики зависимостей методических погрешностей от эксцентриситета е установки дальномера при радиусе средней окружности корпуса к = 5>5м (рис. 6).

0,1 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3.5 А 4,5

0,1 0,5 1 1,5 2 2,5 ^ 3 3,5 4 4,5 в,М

Рис. 6. Графики зависимостей погрешностей радиус-векторов Дг0 и центральных углов ¿<Р от

-3 , -4 9 _

эксцентриситета е с инструментальной погрешностью Аген = ±10 м : 1 - при дц, = 2,95 ю рад, ^

при Дч, »1,1 ■ ю"~3 рад ; 3 - при д¥ = 1,95 ю""3 рад , при этом Т - допуск

Из приведенных графиков видно, что для выполнения установленного ОСТом допуска Т = Змм на смещение стыкуемых кромок необходимо ограничивать эксцентриситет е значением: 1,85мпри Лу = 1,1-1 (Г3рад и 1,05м при Ац = 1,95-10"3рад.

В третьей главе на основании анализа существующих элементов и устройств, а также исследований схем измерения и разметки разработана структурно-функциональная схема оптико-электронной системы контроля геометрических параметров и разметки корпусов колонных аппаратов (рис.7).

Рис. 7. Обобщенная структурно-функциональная схема оптико-электронной системы контроля геометрических параметров и разметки корпусов колонных аппаратов: 1 - устройство поворота лазерного пучка, 2,7,10 - координатно-установочные устройства, 3 - ЭВМ, 4,6,9- блоки сигнализации, 5 - лазерный дальномер, 8 - мишень

Разработана математическая модель трехмерного преобразования оптических сигналов в предлагаемой системе, основанная на использовании кватернионов и позволяющая обоснованно выбирать параметры ее элементов (пентапризмы и коорди-патно-установочных устройств). С помощью нее были проанализированы инструментальные погрешности системы контроля и разметки, вызванные неточностью из-

готовленйя углов пентапризмы (в;,(-)2,...,08) и погрешностями (аДу) ее углового позиционирования координатно-установочным устройством. В заданной прямоугольной системе координат / с началом М0 (рис.8) точка М\ задает положение дальномера, М2 - пентапризмы, М9 - размечаемой точки поверхности корпуса, вектора с„с2,с3 описывают траекторию лазерного пучка в пентапризме.

ь ?..........

М1 Я

/корпус аппарата *

к

>5'

.....

М2

Й

„

г

М9.

МО

$ ->

:сГ

сЗ .

дх

®8 07

жЬт

Рис. В. Схемы: а-оптической разметки с помощью пентапризмы, б-задания углов пентапризмы С помощью разработанной модели были получены графики зависимости максимального отклонения от перпендикулярности условной оси корпуса &Х 0т радиуса размечаемого поперечного сечения Я (рис. 9). Из графиков видно, что на точность разметки большее влияние оказывают погрешности изготовления углов пентапризмы, чем ее позиционирования относительно базовой линии. Таким образом, при условии относительно высокой точности позиционирования устройства поворота лазерного пучка, в качестве основного оптического элемента последнего вместо пентапризмы можно использовать зеркало.

мм

I АХ. мм 0,035].............'.................

Я мм

Рис. 9. Графики зависимости максимального отклонения от плоскостности от радиуса размечаемого сечения: а - при погрешностях изготовления, б - при погрешностях позиционирования пентапризмы

В четвертой главе описан макет (рис. 10) и проведена обработка полученных с его помощью экспериментальных данных.

1 Рис. 10. Общий вид лабораторной модели и ее элементов: слева - лазерный дальномер Leica

Disto D8 и координатный столик, в центре - макет обечайки, справа - шаговый двигатель с оптическим зеркалом

Эксперимент проводился при шероховатости обечайки = Ъ®, температуре ' 24°С, освещенности измеряемой поверхности 150лк. Была подтверждена адекват-' ность результатов оценки методической погрешности оптических элементов предлагаемой системы, полученных имитационным моделированием.

Получен алгоритм и компьютерная программа для сборки корпуса колонного i аппарата с минимальным смещением стыкуемых кромок, который использует результаты измерения профилограмм отдельных обечаек и их секций. Алгоритм основан на использовании в качестве исходной информации текущих радиус-векторов гы и фазовых углы Ф;. Применение компьютерной программы приводит к повышению производительности сборочных и монтажных работ, за счет уменьшения времени подгонки соединяемых деталей.

Основные результаты, полученные в работе, состоят в следующем: 1 1. Из анализа технологического процесса изготовления колонных аппаратов следует, что на качество выпускаемого изделия наибольшее влияние оказывает технологическая операция сборки корпусов из крупногабаритных деталей, а для повышения качества сборочных операций необходимо введение операции разметки координат установки деталей.

1 2. Для разметки координат установки деталей в крупногабаритных корпусах целесообразно использовать оптические и оптико-электронные средства, позво-J ляющие измерять геометрические параметры реальных корпусов и определять базу измерения и разметки при сравнительно небольших габаритах этих средств и их вы-I сокой точности.

3. Из проведенного анализа существующих технических решений этой проблемы, следует, что для проектирования оптико-электронных систем необходим I учет специфики производства, а именно: большие размеры деталей, технические ха-

I .3

I

рактеристики оптических, и оптико-электронных средств, влияние различных факто ров в процессе производства, и соответственно метрологический анализ оптически схем измерения и разметки.

4. Из результатов проведенных исследований следует, что для определен центра поперечного сечения оболочки вращения с преобладающей второй гармони ческой составляющей (эллйпсность) целесообразно использовать метод прямоуголь ника, в который вписывается контур поперечного сечения, поскольку этот метод сравнении с методом прилегающей окружности позволяет обеспечить точность опре деления центра (А2 ± 0,24)мм и соответственно геометрических параметров.

, 5. Из проведенного анализа существующих методов моделирования опта ческих схем в трехмерном пространстве следует, что. целесообразно использова аппарат кватернионов, который позволяет получать единую математическую модел без ее сведения к двум плоскостным моделям, что значительно упрощает ее исполь зование в цифровых системах управления.

6. Из результатов имитационного моделирования следует, что реальны оптические и оптико-электронные средства ограничивают области их применения и соответственно, геометрические параметры схем измерения, и на основе предложен ной методики по заданным требованиям могут быть определены параметры схем из мерения и соответственно конструкция системы.

7. Результаты обработки экспериментальных данных подтвердили адек ватность математической модели, производящей для предлагаемой оптико электронной системы оценку зависимости методической погрешности измерения цилиндрической системе координат от эксцентриситета, и позволили разработат рекомендации по выбору оптической схемы измерения.

8. Предложенные алгоритм и компьютерная программа минимизаци смещения кромок стыкуемых деталей при сборке секции или корпуса колонного ап парата позволяет выдавать рекомендации по сборке последнего, что позволяет обес печить сборку обечаек и их секций с погрешностью ¿Змм й увеличить производи тельность сборочных работ, за счет уменьшения времени подгонки соединяемых деталей.

Список работ, в которых опубликованы основные положения диссертации: Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Петров; С.А. Моделирование оптической разметки крупногабаритных корпусных изделий / С.А. Петров // Изв. ВолгГТУ. Серия «Актуальные проблемы управления, вычислительной, техники и информатики в технических системах». Вып. 11 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2011. - №9. - С. 33-37.

2. Шилин, А.Н. Автоматизация определения оптимальных условий сборки корпусов нефтегазового оборудования/ А. Н. Шилин, С.А. Петров, В.П. Заярный // Сборка в машиностроении, приборостроении. - 2010. - №6. - С. 10-13.

3. Шилин, А.Н. Анализ методических погрешностей определения геометрических параметров оболочек вращения дальнометрическим способом / А.Н. Шилин, С.А. Петров // Приборы. - 2011. - № 1. - С. 52-57.

4. Шилин, А.Н. Определение центров профилограмм обечаек при сборке корпусов нефтеаппаратуры / А.Н. Шилин, С.А. Петров // Сборка в машиностроении, приборостроении. - 2010. -№ 9. - С. 15-19.

Статьи, свидетельства, материалы конференций и учебные пособия:

5. Пат. 2426067 РФ, МПК вОШ 5/00. Способ измерения геометрических параметров оболочки вращения / С.А. Петров, А.Н. Шилин; ВолгГТУ. - 2011.

6. П.м. 92950 РФ, МПК в 01 В 9/00. Автоматизированное оптико-электронное устройство для измерения геометрических параметров и разметки крупногабаритных изделий / С.А. Петров, А.Н. Шилин, А.С. Пономарев; ВолгГТУ. -2010.

7. П.м. 92175 РФ, МПК в 01 В 9/00. Оптико-электронное устройство для змерения геометрических параметров и разметки крупногабаритных изделий / С.А. етров, А.Н. Шилин, А.С. Пономарев; ВолгГТУ.-2010.

8. Петров, С.А. Автоматизированное оптико-электронное устройство для змерения геометрических параметров и разметки крупногабаритных изделий / С.А. етров // Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания обра-ов, обработки изображений и символьной информации. Распознавание - 2010 : сб. атер. IX междунар. конф., 18-20 мая 2010 г. / ГОУ ВПО "Курский гос. техн. ун-т" [и ).]. - Курск, 2010. - С. 226-227.

9. Петров, С.А. Двухкоординатная лазерная сканирующая система / С.А. етров, А.Н. Шилин // XII региональная конференция молодых исследователей Вол-огр. обл., г. Волгоград, 13-16 нояб. 2007 г.: тез. докл. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 008. - С. 259-260.

10. Петров, С.А. Информационно-измерительная система для трёхмерного оделирования крупногабаритных изделий / С.А. Петров // XXI международная ин-овационно-ориентированная конференция молодых учёных и студентов по совре-енным проблемам машиноведения (МИКМУС-2009) : матер, конф., 16-18 ноября 009 г. / РАН, Ин-т машиноведения им. А.А, Благонравова. - М., 2009. - С. 153.

11. Петров, С.А. Оптико-электронная система измерения геометрических араметров и лазерной разметки колонных аппаратов / С.А. Петров // Инновацион-ые технологии в управлении, образовании, промышленности "АСТИНТЕХ-2009": атер. междунар. науч. конф. (11-14 мая 2009 г.) / Астраханский гос. ун-т [и др.]. -страхань, 2009. - С. 254-256.

12. Петров, С.А. Оптико-электронное устройство измерения геометрических параметров и разметки крупногабаритных изделий / С.А. Петров // XIV региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 10-13 нояб. 2009 г.): тез. докл. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2010. - С. 249-250.

13. Петров, С.Д. Оптико-электронное устройство для измерения диаметров крупногабаритных деталей / С.А. Петров, А.Н. Шилин, Д.А. Черных // Инновационные технологии в обучении и производстве: матер. V всерос. н.-пр. конф., Камышин, 4-6 дек. 2008 г. В 3 т. Т. 27 КТИ (филиал) ВолгГТУ [и др.]. - Камышин, 2008. - С. 9597.

14. Петров, С.А. Оптико-электронное устройство на базе компьютера для измерения геометрических параметров и разметки крупногабаритных изделий / С.А. Петров // Прикладная оптика - 2010 : тр. 9 междунар. конф. (Санкт-Петербург, 18-22 окт. 2010 г.) / Оптическое общество им, Д.С. Рождественского [и др.]. - СПб., 2010. -С. 166.

15. Петров, С.А, Особенности применения интеллектуального реле Zelio Logic / С.А. Петров // Интеллектуальные измерительные системы в промышленности Южного региона: сб. науч. ст. межрегион. н.-пр. конф., 25-28 сент. 2008 г. / Филиал ГОУ ВПО "МЭИ (ТУ)" в г. Волжском. - Волжский, 2008. - С. 73-75;

16. Петров, С.А. Энергосбережение в технологических процессах производства колонных аппаратов / С.А. Петров, А.Н. Шилин // Моделирование и создание объектов энергоресурсосберегающих технологий :. сб. матер, межрегион, науч.-практ. конф. (г. Волжский, 22-25 сент. 2009 г.) / Филиал МЭИ (ТУ) в г. Волжском. - Волжский, 2009. - С. 73-75.

17. Шилин, А.Н. Цифровая оптико-электронная система контроля геометрических параметров крупногабаритных оболочек вращения / А.Н. Шилин, Д.А. Черных, С.А. Петров // Медико-экологические информационные технологии - 2008: (поев. 15-летию каф. "Биомедицинская инженерия" Курского ГТУ): матер. XI междунар. науч.-техн. конф., 21-24 мая 2008 г. / ГОУ ВПО "Курский гос. техн. ун-т". -Курск, 2008. - С. 177-179.

Подписано в печать <Й. 10 .2011 г. Заказ № 666 . Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0 Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Типография ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета. 400005, г. Волгоград, просп. им. В.И. Ленина, 28, корп. №7.

61 12-5/873

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

ПЕТРОВ Сергей Алексеевич

'ПТМКО-ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И РАЗМЕТКИ КОРПУСОВ КОЛОННЫХ АППАРАТОВ

05.11.16 - «Информационно-измерительные и управляющие системы

(в машиностроении)»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор Шилин Александр Николаевич

Волгоград - 2011

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................................................4

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ КОНТРОЛЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И РАЗМЕТКИ КОРПУСОВ КОЛОННЫХ АППАРАТОВ..............12

1.1 Технология сборки корпусов колонных аппаратов........................................12

1.2 Анализ факторов, ограничивающих качество выпускаемой продукции......17

1.3 Анализ методов и средств измерения геометрических параметров крупногабаритных оболочек вращения..................................................................21

1.4 Анализ современных методов и средств контроля геометрических параметров и разметки деталей колонных аппаратов..........................................33

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1......................................................................................................43

ГЛАВА 2 СХЕМЫ КОНТРОЛЯ И ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КОРПУСОВ КОЛОННЫХ АППАРАТОВ.. 44

2.1 Основные уравнения формы оболочек вращения...........................................44

2.2 Определение центров профилограмм обечаек при сборке корпусов колонных аппаратов.................................................................................................50

2.3 Моделирование геометрических преобразований в оптических системах.. 56

2.4 Схемы контроля геометрических параметров и разметки корпусов колонных аппаратов, и соответствующие им уравнения измерения....................................65

2.5 Анализ методических погрешностей схем контроля геометрических параметров корпусов колонных аппаратов............................................................68

ГЛАВА 3 СТРУКТУРНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И РАЗМЕТКИ

КОРПУСОВ КОЛОННЫХ АППАРАТОВ.....................................................................83

3.1 Оптико-электронная система контроля геометрических параметров и разметки корпусов колонных аппаратов................................................................83

т х

.¿, Исследование параметров оптико-электроннои системы контроля геометрических параметров и разметки корпусов колонных аппаратов...........87

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3....................................................................................................102

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРАКТИЧЕСКОЕ

ПРИМЕНЕНИЕ...............................................................................................................103

4.1 Экспериментальные исследования.................................................................103

4.2 Определение минимального смещения кромок стыкуемых деталей при сборке секции или корпуса колонного аппарата.................................................108

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4....................................................................................................113

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................................................................................114

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.....................................................116

ВВЕДЕНИЕ

Развитие отечественного машиностроения в условиях рыночной экономики связано с повышением качества выпускаемой продукции и снижением ее себестоимости. Особенно актуальны проблемы повышения качества продукции для двух из основных отраслей отечественного машиностроения - нефтегазовой и

химической.

В машиностроении наибольшее влияние на качество выпускаемой продукции оказывает технологическая точность изготовления базовых деталей. Основными базовыми деталями нефтегазового и химического оборудования являются оболочки вращения - корпуса, которые свариваются из обечаек и днищ. Для обеспечения контакта фаз газ-жидкость внутрь корпусов устанавливают тарелки. Точность позиционирования последних существенно зависит от точности разметки внутренней поверхности корпусов и определяет продольную и поперечную равномерность и эффективность их работы. При этом точность самих корпусов в значительной степени влияет на механическую прочность, надежность, качество работы и трудоемкость изготовления колонных аппаратов и зависит из-за смещения кромок стыкуемых деталей от погрешностей их периметра и формы, определяемых точностью контроля геометрических параметров. В настоящее время на заводах, производящих колонные аппараты, отсутствуют современные средства контроля геометрических параметров и разметки корпусов и их секций. Такое состояние существенно ограничивает качество выпускаемой продукции, приводит к большой доле изделий, не удовлетворяющих требованиям, и не позволяет автоматизировать технологические процессы.

Контроль геометрических параметров крупногабаритных деталей (900 -100000 мм) является одной из сложных областей измерительной техники, что обусловлено большими габаритами изделия и измерительного инструмента, большим объемом измерительных операций и тяжелыми внешними условиями. Поэтому в связи со спецификой контролируемого объекта, наиболее перспективным является использование систем контроля с оптико-электронными измерительными преобразователями, обеспечивающими измерение без механического контакта с

4

объектом в режиме реального времени, и возможность интеграции в существующие системы автоматизации технологических процессов. На рынке отсутствуют серийно выпускаемые средства контроля геометрических параметров крупногабаритных деталей, обеспечивающие требуемую точность контроля. Таким образом, необходима разработка и исследование специальных оптико-электронных систем контроля геометрических параметров и разметки корпусов колонных аппаратов.

Вопросами теории расчёта и конструирования приборов и систем контроля геометрических параметров изделий посвящены труды учёных: Абдулова А. Н., Гебеля И. Д., Зарезанкова Г. X., Иванова Б. И., Маркова Н. Н., Никифорова А. Д., Полонника В. С., Рубинова А. Д., Сарвина А. А., Сысоева А. Д., Трутеня В. А., Хофмана Д., Шилина А. Н. Однако, до настоящего времени остаются нерешенными некоторые важные проблемы. Не произведен комплексный анализ погрешностей контроля геометрических параметров и разметки корпусов колонных аппаратов. Не разработана формализованная модель трехмерного преобразования оптических сигналов в оптической системе, содержащей пентапризму, позволяющая заранее оценивать погрешность преобразования и, соответственно, выбирать параметры оптической схемы и пентапризмы.

Целью работы является разработка и исследование оптико-электронной системы контроля геометрических параметров и разметки корпусов колонных

аппаратов.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Проведен анализ технологического процесса и условий производства корпусов колонных аппаратов, а так же существующих методов и средств контроля геометрических параметров крупногабаритных оболочек вращения.

2. На основе проведенного анализа предложены схемы контроля геометрических параметров и разметки корпусов колонных аппаратов, построены математические модели процесса измерения и формирования методической погрешности и определена методика повышения точности контроля и разметки.

3. На основе разработанных схем измерения и разметки предложены структурно-функциональные схемы оптико-электронных систем контроля геометрических параметров и разметки колонных аппаратов.

4. На основе построенной на базе аппарата кватернионов математической модели и предложенного алгоритма разработана компьютерная модель, позволяющая обоснованно выбирать параметры одной из предложенных оптико-электронных систем контроля геометрических параметров и разметки корпусов колонных аппаратов, обладающей заданной точностью.

5. На созданном макете оболочки вращения экспериментально подтверждена адекватность математических моделей процесса измерения и формирования методической погрешности.

Основные методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы теории оптических систем, случайных функций, методы имитационного моделирования, методы обработки экспериментальных данных, методы описания вращения твердого тела, а также эвристические методы проектирования технических систем.

Достоверность полученных результатов подтверждена результатами экспериментальных исследований и испытаний оптико-электронной системы контроля геометрических параметров и разметки.

Научная новизна работы определяется тем, что впервые:

- предложен метод определения базовых осей корпусов колонных аппаратов, имеющих отклонения от правильной формы, для установки и монтажа деталей на корпуса, позволяющий осуществлять разметку поверхности корпусов и установку этих деталей с допустимыми погрешностями;

- получен алгоритм имитационного моделирования процессов формирования погрешностей контроля и разметки, который учитывает все основные факторы, влияющие на их точность, и позволяет оценивать методическую погрешность оптико-электронной системы и, соответственно, выбирать ее структурно-

функциональную схему, а так же параметры оптической схемы контроля геометрических параметров и разметки корпусов колонных аппаратов;

- разработана математическая модель трехмерного преобразования оптических сигналов в оптической системе, содержащей пентапризму, основанная на использовании кватернионов и позволяющая заранее оценивать погрешность преобразования и, соответственно, выбирать параметры оптической схемы и пектапризмы.

Теоретическая и практическая значимость результатов.

1. Разработана методика определения базовых осей корпусов колонных аппаратов для контроля геометрических параметров этих корпусов и разметки их поверхности для установки деталей с допустимыми погрешностями.

2. Разработана методика определения ограничений геометрических параметров механической части координатно-установочных устройств системы по условию ограничения методических погрешностей.

3. На основе полученной модели трехмерного преобразования оптических сигналов получены алгоритм и компьютерная программа, позволяющие рассчитывать допустимые параметры пентапризмы и осуществлять оценку погрешностей системы.

4. Получен алгоритм и компьютерная программа для сборки корпуса колонного аппарата с минимальным смещением стыкуемых кромок, который использует результаты измерения профилограмм отдельных обечаек и их секций.

Внедрение результатов работы:

1. На предприятии «Волгограднефтемаш» принята к внедрению оптико-электронная системы измерения геометрических параметров и оптической разметки корпусов колонных аппаратов по договору №38/308-10 от 28.06.2010 «Разработка, создание и наладка комплекса лазерной разметки колонных аппаратов».

2. Результаты исследования используются в учебном процессе Волгоградского государственного технического университета в курсе «Метрология, стандартизация и сертификация» по направлению «Информатика и вычислительная техника».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математические модели оптических схем контроля геометрических параметров и разметки корпусов колонных аппаратов с отклонениями от правильной цилиндрической формы, позволившие получить методики для определения параметров схем измерения и алгоритм выполнения операций контроля и разметки, обеспечивающие выполнение указанных операции с допустимыми погрешностями.

2. Математическая модель трехмерного моделирования преобразования оптических сигналов в пентапризме, основанная на аппарате кватернионов.

3. Методики обоснованного выбора параметров оптической схемы предлагаемой системы, состава и устройства ее элементов и выбора их параметров.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на ежегодных научных конференциях Волгоградского государственного технического университета (2008-2011 гг.), XXI международной инновационно-ориентированной конференции молодых учёных и студентов по современным проблемам машиноведения (МИКМУС-2009) г. Москва (16-18.11.2009), международной научной конференции «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности (АСТИНТЕХ-2009)» г. Астрахань (11-14.05.2009), V всероссийской научно-практической конференции «Инновационные технологии в обучении и производстве» г. Камышин (4-6.12.2008), XI международной научно-технической конференции «Медико-экологические информационные технологии» г. Курск (21-24.05.2008), межрегиональной научно-практической конференции «Моделирование и создание объектов энергосберегающих технологий» г. Волжский (22-25.09.2009), IX международной конференции «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации. Распознавание - 2010» г. Курск (18-20.05.2010).

Личный вклад автора. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит:

[68-70, 72-77] - разработка системы контроля геометрических параметров и разметки корпусов колонных аппаратов и ее элементов; [106] — создание алгоритма и компьютерной программы сборки; [107, 113] - разработка имитационной модели контроля геометрических параметров и разметки и расчет погрешностей; [63] -создание математического описания геометрических параметров; [80, 81] -разработка структурных схем и алгоритма функционирования предлагаемых устройств; [119] - анализ факторов, влияющих на сборку корпуса аппарата и построение их графа.

Основные научные результаты и рекомендации, содержащиеся в

диссертационной работе и публикациях, получены автором самостоятельно и под

руководством научного руководителя.

Публикации, Основные результаты исследования представлены в 17 работах, 3 из которых - патенты РФ, 4 статьи опубликованы в журналах по списку ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 106 страниц основного текста, 48 рисунков, 2 таблиц,

списка литературы (137 пунктов).

Во введении обоснована актуальность работы, проблемы, определены цель и задачи диссертационной работы, сформулированы положения, выносимые на

защиту.

В первой главе рассмотрена технология сборки корпусов колонных аппаратов сваркой встык обечаек и днищ, а также их разметки и установки внутренней начинки. Из анализа этой технологии выявлено, что на точность сборки оказывает влияние большое число различных факторов, и, что для ее повышения необходимо предварительное измерение и разметка координат установки деталей в корпус.

Проведен анализ современных методов и средств контроля геометрических параметров и разметки деталей колонных аппаратов. Установлено, что для разметки крупногабаритных корпусов под установку деталей целесообразно использовать оптические и оптико-электронные средства, позволяющие контролировать геометрические параметры деталей и определять базу измерения и разметки при сравнительно небольших габаритах этих средств и их высокой точности.

Во второй главе предложен метод определения базовых осей корпусов колонных аппаратов, имеющих отклонения от правильной формы, для установки и монтажа деталей на корпуса. Для оценки методических погрешностей разработана имитационная модель для генерирования случайных профилей обечаек и определения центров их профилограмм методами центра масс, спектральным, прямоугольника и вписанной окружности. Было установлено, что для определения центра профилограмм ы поперечного сечения оболочки вращения с преобладанием второй гармонической составляющей (эллипс) целесообразно использовать метод прямоугольника, который имеет меньшую погрешность, чем метод прилегающей окружности и более простую техническую реализацию, чем спектральный метод.

Для разработки математической модели трехмерного преобразования оптических сигналов в оптической системе, содержащей пентапризму проведен анализ существующих методов моделирования геометрических преобразований. Он позволил установить, что в трехмерном пространстве целесообразно использовать аппарат кватернионов, позволяющий получить единую более формализованную математическую модель без ее сведения к двум плоскостным моделям. Это значительно упрощает ее применение в цифровых системах управления.

Разработаны схемы, позволяющие осуществлять контроль геометрических параметров (отклонение от цилиндричности, круглости, профиля продольного сечения, смещение стыкуемых кромок) и разметку корпусов колонных аппаратов и проведен их метрологический анализ.

Получен алгоритм имитационного моделирования процессов формирования погрешностей контроля и разметки, который учитывает все основные факторы, влияющие на их точность, и позволяет оц�