автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Разработка и исследование системы идентификации поверхностей незамкнутых оболочек

I в од

• п^и и-:,и Санкт-ПатерОургокий государственный электротехнический университет

на правах рукописи

Осипов Виктор Олегович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ВДЕНТИФЙКАЦИИ ПОВЕРХНОСТЕЙ НЕЗАМКНУТЫХ ОБОЛОЧЕК

Специальность;05.13.07-Автоматизация технологических процессов и производств

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1993

/ ■

Работа Ештолнена в Санкт-Петербургском государственное &л8ктротехническом университете

Научный руководитель -доктор технических наук профессор Рассудов Л.Н. ;

Оффициальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Николаев В.И. кандидат технических наук, доцент Сергеев Э.В.

Ведущее предприятие - Центральное конструкторское бюро: морокой

техники "Рубин"

Защита состоится^/^/^/^ 1993г.в ./¿7 час. на заседании специализированного совета К 063.36.03 Санкт-Пэтербургокого государственного влектротехнического университета поадреоу: 197376, Ст-Петербург, ул. Проф.Попова, 5,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СЛЮТУ. Автореферат разослан 1993г.

Ученый секретарь сждааливированного совета

Кутузов О.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее врбмД в различных отраслях драмышгешости находят широкое применение изделия типа крупногабаритных незамкнутых оболочек вращения с поверхностью двойной кривизны (КНОВД). Существенное влияние на эксплуатационные характеристики таких изделий, в частности на критические усилия, оказывают начальные несовершенства форт, под которыми понимаются прогибы срединной поверхности ненагрукенной оболочки. Источником геометрических несовершенств оболочек является неидеальность реального технологического процесса изготовления КНОВД.

Наряду с увеличением потребления КНОДЦ ужесточаются требования к их качеству и надежности. Удовлетворить возросшие требования к КНОВД моано за счет: повышения качества изготовления путем создания новых н коррекции существующих технологических процессов; оптимального проектирования по критерии надежности. Это возможно при наличии инфорлацяи как о несовершенствах готовых изделий так .и о точности выполнения промекуточных стадий технологического процесса. В настоящее время контроль формы изделий типа КНОВД осуществляется в ручную при помощи шаблонов. Такой способ характеризуется большой трудоемкостью и низким качеством контроля. Таким образом налицо проблема состоящая в необходимости получения информации а начальных несовершенствах КНОВД и отсутствие средств и методов для получения такой информации. Наличие этой проблемы и определяет актуальность темы данной работы.

. Цель работы. Разработка и исследование методов и средств идентификации начальных несовершенств изделий типа КНОВД. Сравнительная с другими классами изделий из композитов новизна промышленного применения КНОВД, крупные габариты изделий и низкий уровень научных исследований в области контроля формы таких оболочек требуют для достижения поставленной цели решения следующих задач:

- исследование источников и существующих методов контроля начальных несовершенств КНОВД;

- определение требований к точности контроля геометрических параметров КНОВД;

- разработка методов идентификации несовершенств формообразующей оправки и готових изделий;

- разработка и исследование устройства для измерения геометрических параметров КНОВД.

Метода исследования. В ходе решения задач применялись методы дифференциальной и аналитической геометрии, математического анализа и теории сплайн-функций при определении требований к точности контроля геометрических параметров КНОВД и разработке методов идентификации несовершенств формообразующей оправки; математической статистики и методов Монте-Карло при разработке и исследовании методов идентификации начальных несовершенств готовых изделий.

Научная новизна.

1. Разработаны математические, алгоритмические и программные модели прцесса выкладки армирующего материала постоянной ширины на поверхность деформированной и смещенной.оправки.

2. Разработаны метода определения параметров оптимально^ базирования формообразующей оправки на столе выкладочного манипулятора.

3. Рсзработана методика идентификации геометрических несовершенств оболочек.

4. Разработаны принципы реализации специализированной измери-• тельной машины для обмера поверхности КНОВД.

Практическая ценность работы. Алгоритмические и программные модели прцесса выкладки армирующего материала постоянной ширины на поверхность деформированной и смещенной оправки позволяют оценить чувствительность проекта выкладкч к деформациям и ошибкам базирования оправки и определить требования к качеству ее поверхности. Методы и средства идентификации рабочей поверхности формообразующей оправки позволят сократить объем правочных работ и упростить процесс базирования оправки на стола выкладочного манипулятора. Методы и средства идентификации поверхности готовых изделий позволят получить пригодную для дальнейшей статистической обработки информацию о несовершенствах КНОВД. Научные результаты, полученные в работе, доведены до конкретных технических и программных решений и использованы в НИР по созданию гибкого производственного модуля формования оболочек.

Реализация и внедрение. Методы и средства идентификации несовершенств формообразующей оправки и оболочек использовались при исследованиях макета гибкого производственного модуля формования оболочек. Принципы построения специализированного" измерительного

- J -

робота положены в основу проекта устройства для измерения несовор-шеннств моделей оболочек из композитных материалов.

Апробация.,работы. Материалы диссертационной работы обсувда-лись и получили положительный оценку на:

- конференциях профессорско-преподавательского состава ЛЭТМ им. В.И.Ульянова (Ленина) в 1989 - 1991 гг.;

- на заседании Экспертного совета по "Машиностроению и робототехнике", в 1992 г.

- заседании кафедры " Робототехники и автоматизации производственных систем" ЛЭТИ im. В.М.Ульянова (Ленина) в 1991 г.

Публикации. По результатам работы опубликовано пять статей, зарегистрирован, комплекс програ?яиных средств в Государственном фонде алгоритмов и программ СССР.

Структуоа_и_объем_работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 46 наименований и приложения. Основная часть работы изложена на 157 страницах машинописного текста. Работа содержит 25 рисунков и 8 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ

введение содержит обоснование актуальности темы, цели, задачи работы и положения, выносимые на защиту.

i_S§EiS®_i!5SM на основе анализа технологического процесса изготовления КНОВД выявлены основные-источники геометрических несовершенств изделий .-"'Технологический процесс (ТП) изготовления КНОВД включает в себя ряд последовательно осуществляемых процессов: изготовление формообразующей оправки: формирование композите на поверхности оправки; полимеризация связуещего и снятие готового изделия с оправки. При изготовлении оправки в настоящее время используются способы, применяемые при постройке корпусов металлических судов. Действие большого числа случайных факторов и их накопление обусловливает как обще так и местные отклонения формы оправки существенно превышающие допустимые значения. Поэтому после сборки обшивка конструкции должна подвергаться правке, объем которой достигает 100% площади поверхности изделия.

В настоящее время ведутся работы по автоматизации технологического процесса формирования композита на поверхности оправки.Автоматизация процесса формирования КНОВД позволит более полно по

сравнению с ручным способом контролировать параметры технологического процесса, однако не устраняет всех факторов, обусловливающих погрешность формы и толщины оболочки присущих ручному контактному формированию. Величина и характер этих погрешностей на сегодня не исследованы. Неравномерная усадка и релаксация внутренних напряжений при полимеризации связующего так же приводят к появлению отклонений поверхности изделия.

Таким образом взаимодействие и накопление погрешностей обусловленных воздействием совокупности большого числа факторов в процессе изготовления приводит к значительным отклонениям формы изделий типа КНОВД.

В результате анализа современных методов и средств контроля формы сложных поверхностей определено, что наиболее целесообразным методом контроля формы КНОВД является координатный метод. Применяемый в настоящее время метод контроля при помощи шаблонов не пригоден так как вносит существенную погрешность, обусловленную погрешностями определения расположения базовых поверхностей измерительного приспособления.

Перспективными прототипами методов идентификации несовершенств КНОВД являются методы применяемые при измерениях различных деталей таких как штампы, лопатки турбйн, кулачки и т.д. при помощи координатных измерительных машин (КИМ). Результатом обмера слохмкх поверхностей на КИМ является совокупность координат точек в системе координат измерительной машины. Эти данные лишь в■■' исключительных случаях-мокно интерпретировать как геометрические параметры измеряемой поверхности. Поэтому математическое обеспечение' современных КИМ включает процедуры определения поверхности по конечному множеству точек и отклонений реальной поверхности от нее..

В результате анализа желаемого состояния вопроса идентификации начальных несовершенств КНОВД и сравнения его с существующим сформулированы следующие конкретные цели исследований.

1. Разработать методы обработки экспериментальных, даннннх, обеспечивашцие исключение ошибки, вызванной неверным базированием изделия в измерительном устройстве.

2. Разработать измерительное устройство,'Обеспечивающие измерение с заданной точностью координат точек, принадлежащих . поверхности изделий типа КНОВД в соответствии с заданной схемой измерений. •

3. Разработать систему управления измерительным устройство«, обеспечивающую генерацию вектора управляющих воздействий в соответствии о заданной управляющей программой.

Вторая глава посвящена определению требований к точности идентификации несовершенств поверхности оправки и оболочки. В настоящее время обоснованные требования к точности изготовления КНОВД отсутствуют. По данным некоторых теоретических и экспериментальных исследований может быть предварительно определен порог чувствительности критических усилий оболочек к несовершенствам. Отсюда устарардещотся требования к точности изготовления КНОВД.

0 дцугой стороны несовершенства поверхности оправки при ааю-матцзщхфЕЩом изготовлении КНОВД приведут к ошибкам в толщине оболочек. Следовательно о этой точки зрения также выдвигаются требования к точности идентификации, жесткость этих требований определяется чувствительностью толщины оболочки к несовершенсвам оправки. Норизна технологического процесса автоматизированного формования КНОВД обусловливает необходимость исследований чувствительности толщина оболочки к несовершенствам оправки.

Задача решалась методом машинного моделирования процесса реа-лизацр конкретных проектов оболочек на деформированной оправке. При атом использовалась'модель оправки полученная путем равномерного о»аш идеальной оправки в направлении перпендикулярном оси вращения. Модель была реализована в виде программного модуля, исследования проведенные при помощи этой модели показали, что влияние ошибок в толщинелри реализации проекта оболочки на деформированной оправке на эксплуатационные параметры пренебрежимо мало по сравнению о влиянием деформаций срединной поверхности оболочки.

Ошибки базирования оправки так же как и деформации приводят к отклонениям в толщине оболочки при реализации проекта. Требуемая точность базирования определяется чувствительностью толщины оболочки к ошибкам базирования оправки. Отсюда вытекает необходимость : проведения исследований влияния неверного базирования оправки на ошибки в толщине КНОВД. Для решения поставленной задачи применялся метод машинного моделирования реализации конкретных проектов оболочек при неверном базировании оправки. Исследования проведенные при помощи разработанной модели показали, что ошибки базирования в преде чах работоспособности выкладочного манипулятора не приводят к значительным ошибкам в толщине оболочки.

- б -

Таким образом, требуемая точность идентификации несовершенств формообразующей оправки и оболочек определяется исходя из чувствительности критических усилий к деформациям срединной поверхности оболочга.

В_глаЕе_три разработаны алгоритмы обработки данных измерения рабочей поверхности формообразующей оправки. В результате обмера опр&вки будут получены координаты точек на поверхности в систоме координат измерительного устройства. Задачей обработки данных измерения формообразующей оправки является определение отклонений ее рабочей поверхности от эталонной поверхности, заданной чертехем оправил, с целью оптимального базирования оправки на столе выкла-дочного манипулятора п сокращения объема правочных работ. Процедуры обработки в данном случае представляют собой простой генератор эталонной поверхности, который должен осуществлять однозначное отображение множестве экспериментальных точек и во множество "поверхностей Щ, прлчем Ф включает в себя поверхности конгруэнтные заданной. Отображение осуществляется путем оптимального, по некоторому критерию, совмещения в пространстве эталонной поверхности и экспериментальных точек. Искомая поверхность получается путем поворота начальной поверхности вокруг осей ОХ и ОТ на углы а. и р соответственно и смещения начала собственной системы координат поверхности х0, у0, 20. На основе анализа различных критериев сделан вывод о целесообразности применения среднеквадратичного критерия для обработки данных измерений поверхности опразки. Критерий качества совмещений в-данном случае примет вид: •

Н^Е [Р0( е,, ,,) -р ( в|. о,)]"

где ро- полярный радиус экспериментальной точки; р - полярный радиус точки на эталонной поверхности; в^ - широты и долготы измеренной точки.'Для поиска экстремума этого функционала необходимо применять методы нелинейного программирования. Исследования функционала показали, что при условии малости отклонений по сравнении с габаритами оправки функционал можно считать одноэкстремальным.

Численные метода минимизации обеспечивают .оптимальную траекторию движения к точке экстремума если минимизируемая функция имеет сферическую форму. Желаемого вида функционала можно добиться путем замены переменных. В результате введения новых •переменны?

получен функционал качества совмещения эталонной поверхности и оправки как функция пята переменных: СХ^БХ,,,БУ1 , которые представляют собой смещения контрольных точек на оси теоретической поверхности в направлениях осей ОХ, ОТ, ог соответственно.

Для решения задачи нелинейного ггро1ра.ммировагпш был, применен методом деформированных многогранников Нелдера и Мида. Предложен критерий останова поиска основанный на размерах многогранника. Алгоритм обработки экспериментальных данных обмера оправки реализован в виде программного модуля. Расчеты провведенные при помощи этого модуля показали надежную сходимость метода и работоспособность предложенного критерия останова.

Под идентификацией несовершенств готовых изделий в данном случае понимается определение параметров функции распределения значений отклонений поверхности изделия от эталонной поверхности в экспериментальных точках. Полученные в результате обмера поверхности оболочки данные можно представить как сушу детерминированной составляющей (мат. окидания) .представляющей собой эталонную поверхность и значений случайного поля начальных несовершенств о нулевым мат. ожиданием:

Р« = (>01

Эта модель записана в системе координат измерительной машины. Результаты измерений в данном случае зависят от базирования изделия в измерительной машине. Случайные отклонения 5 являются характеристиками изделия и не должны зависеть от его базирования в измерительной машине. Следовательно, мат. ожидание ро известно с точностью до вектора параметров X .определяющего положение эталонной поверхности в системе координат измерительной машины. Вектор X в данном случае имеет вид:

X = (а.м0. У0. 20)т; где а, р -углы поворота эталонной поверхности вокруг осей ОХ и ОУ соответственно; х0, уо, ?,а - смещения начала собственной системы координат эталонной поверхности. Таким образом, для получения значений случайного поля начальных несовершенств $ необходимо оценить вектор параметров мат. окидания X./Отклонения £ считается отсчетами реализации дельта коррелированного гауссового стационарного случайного поля. При этом случайное поле несовершенств оболочек полностью определяется одним параметром - дисперсией отклонений

- а -

Задача нахождения оценок параызтров мат. ошдшшя X является задачей нелинейного оценивания параметров и фма решена извеотными методами нелинейного программирования. Кроме оценок параметров представляет интерес мера рассеяния этих оценок. Если определена процедура оценивания, можно найти ковариационную матрицу оценок. Однако, для нелинейных моделей аналитически это сделать не удается. Раскладывая модель в ряд Тейлора а окрестности точки экстремума получаем приближенную линейную модель в виде:

ра«р° + аГ1 + мг + х0Г3 + у0 Г4 + г0 1В,

f6

= Í4§- 1 - частные производные функции в базовой точке.

V о ja.

Для полученной линейной модели ковариационная матрица оценок неизвестных параметров находится из выражения :

cov (х) -.( íT F Г1 аа, где F - матрица плана эксперимента.

Вычисления ковариационных матриц для различных планов эксперимента: позволили сделать следующие заключения. Дисперсии угловых координат ( а, р ) значительно ниже дисперсий линейных перемещений xQi уо, zQ. Это обусловлено большой чувствительностью функции регрео-. сии к повороту . Коэффициенты корелляции между <* и у0 и р и х0 ни, равны нулю. Следовательно оценки а и у0 и р и х0 взаимозависимы. Эти вфтекты ухудшат сходимость численных методов. ■

Не нулевые коэффициенты корреляции обусловлены не ортогональностью базисных функций модели ft, f4 и fa, í3.

При помощи процедуры ортоганализации функций Грамма^Вйшдта получены функции, образующие ортогональный базис в функциональном пространстве модели.

=

Зэ - Гз-8£а

= Vй, *в = ГВ

Модель.в этом Оазисе.примет вид:

р0 = р°+ ( « + 1 + ( 0 + 8 *01«я + Х0 Ээ + У0 + 20 Зв.

где (1, ё - коэффициенты, определяемые параметрами.поверхности.

Таким образом, полученная линеаризованная модель эталонной поверхности при равномерном распределении точек измерения по $ и 9 позволяет получить независимые равноточные оценки вектора параметров X. При условии выполнения введенных выше предположений относительно вектора случайных отклонений полученные оценки можно отнести к классу наилучших линейных оценок.

При реализации экспериментов в нашем случае невозможно провести дублирование опытов в матрице планирования, так как в нашем распоряжении имеется только одна реализация случайного поля (одно изделие). Это не позволяет выделить ошибку эксперимента, а следовательно, прверить значимость коэффициентов модели и ее адекватность. Следовательно, остается считать, что в нашем случав найденная модель всегда адекватна. Тогда стандартное отклонение остатков есть несмещенная оценка диссперсии отклонений с2.

Процедура регрессионного анализа предполагает определение отклонений в системе координат измерительной машины. При этом полностью устранить влияние оиибок базирования на,результаты идентификации невозможно. В 'данном случае была применена процедура ортогональной регресии, где отклонения определяются в системе координат "Модели. При этом совмещение осуществляется за счет перемещения совокупности экспериментальных точек как твердого тела. •• Причем в точке экстремума функционала, полученной в результате второй про-, цедуры, оценки коэффициентов линейной регрессионной модели будут равны нулю, так как собственная система координат эталонной поверхности при этом совпадает с системой координат измерительной машины, а координаты экспериментальных точек преобразованы таким образом, чтобы удовлетворялся .критерий МНК в системе' координат эталонной поверхности. Таким образом^ можно утвервдать, что оценки

ортогональной регрессии приводят походное случайное поле к центри-рованому виду.

Если, полученная в результате процедуры ортогональной регрессии случайная выборка удовлетворяет критерию киаоического регрессионного анализа, то и топология поверхности отклика вблизи экстремальной точки будет аналогичной. Замену переменных полученную в результате процедуры ортогонализаади линейной модели обеспечивает сферический характер поверхности отклика функционала и следовательно независимость и равноточность получаемых оценок. Приближенно мояно считать что эти выводы справедливы й для нелинейной модели.

Алгоритм численной минимизации функционала ортогональной регрессии методом деформируемых многогранников реализован в вида программного модуля. Расчеты, проведенные для модели оболочки показывают, что средние скорости движения всех парметров к точке экстремума равны. Следовательно, поверхность отклика функционала ортогональной регрессии действительно имеет сферический характер. Отклонения моделировались нормально распределенной адитивной помехой в экспериментальных точках. В результате последовательного синтеза и анализа предложена конфигурация специализированной КИМ, включающей в себя: поворотный стол, на который устанавливается измеряемое изделие; криволинейные напрвляющие, задающие эталонную траекторию перемещения измерительной головки и ориентирующие измерительную головку; однокоординатную измерительную головку. Предло-кена методика юстировки измерительной базы специализированной КИМ.

Четвертая_глава посвящена экспериментальным йоследавайййм разработанных методов и средств. Исследования проводилиоь на базе макета устройства для.автоматизированной выкладки,пропитки и при-формовки несвязанного армирующего материала . В качестве специализированной измерительной машины использовался выкладочный -станок, оборудованный измерительным устройством.

На макете произведена юстировка измерительной базы. Поиск экстремума функционала при юстировке измерительной базы для трех различных начальных точек привел к одной и той же точке экотрему-ма, что свидетельствует об одноэкстремальности функционала. В результате совмещения эталонной кривой и экспериментальных точек устранена систематическая составляющая отклонений.

Произведен обмер формообразующей оправки. Результаты обрябот-

гаг данных обмера оправки подтверждают эффективность введенной замены переменных и одноэкотремальнооть' функциопола.

Результаты статистического моделирования процеооа идентификаций несовершенств оболочек показывают:

- среднее смещение оценок параметров мало но сравнению со стандартным отклонением;

- в среднем оценка ковармционной матрицы близка к диагональной матрице, особенно при малых значениях ошибок эксперимента.

- остаточная дисперсия является состоятельной оценкой дисперсии несовершенств оболочки.

Приложение содержит распечатки файлов-документов, полученных при юстировке измерительной базы макета и при обработке данных измерения формообразующей оправки, акты внедрения и опытной эксплуатации программных средств.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе получены следующие основные результаты.

1. Разработаны математические, алгоритмические и Программные модели процесса формирования армирующего материала методом выкладки армирующего материала постоянной ширины на поверхности деформированной и смещенной оправки.

2. Предложен функционал и разработана методика определения оптимального базирования формообразующей оправки на рабочем столэ выкладочного манипулятора, позволяющие минимизировать объем право-чных работ при изготовлении оправки.

3. Предложен критерий останова численного метода минимизации Нелдера и Мида.

4. Предложена статистическая модель и разработана Процедура ядентиЗЕакмши геометрических несовершенств изделий типа КНОВД, позволяющая исключить из вкспериментальныг данных ошивки базирования изделия в измерительном устройстве.

5. Разработаны пришита реализации специализированной изнери тельной машины для обмера поверхности КНОВД.

6. Разработана мето.упса юстировки криволинейных направляющих специализированной измерительной машины. -

7. Экспериментально исследованы алгоритмы идентгаТикации весе-вершенств формообразующей оправки и юстировки измерительной базы на макете специализированной измерительной.машины.. Исследованы ме-

тсщом Ыаншз-Кардо алгоритмы вдентификации несовершенств ободочек.

Результаты теоретически, и экспериментальных исследований использовались при разработке специализированной измерительная цапаны для измерения макетов ободочек в ЦНИИ им ак. А.Н.Крылоьц.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1 .Горчаков А.К..Кадесников А.В.,0сигов В.0..Прокофьев Г.И. факторные особенности процесса управления роботом для контурного формообразования //Расчет и исследование динамических показателей элементов и систем автоматизированного электропривода: Со. науч. тр. - Хабаровск: Хабар, политех, ин-т. 1990. - с. 85 - 89.

2.Осипов В.О., Прокофьев Г.И..Горчаков А.К. .Кадесников А.В. Идентификация исполнительной системы Щ сборки незамкнутых оболочек //Изв.ЛЭТИ: Сб.. науч. тр./ Ленингр. алектротехн. ин-т им В.И.Ульянова (Ленина). - Л., 1990. - Вш.431. - 0.67 - 73.

З.Осипов В.О. Оптимальное управление пространственным положением формообразующей оправки в ПШ формования оболочек //Изв.ЛЭШ:; Сб. науч. тр./ Ленингр. алектротехн. ин-т ш. В.И.Ульяновй (Ленина). - Л., 1991. - Вш.441. - с.28- 35.

4.Осипов В.О. .Прокофьев Г.И. Требования к точности изготовления оправки при формовании оболочек //Изв.ЛЭТИ: Сб. ввуу. тр./ Ленингр. электротехн. ин-т им. В.И.Ульянова (Ленина). - Л», 1989. - ВШ.416. - с.31 - 35. " \

5. Осипов В.О. . Идентийшшщш геометрлеских несовершенств пространственных оболочек // Алгоритмическое, программное в техническое обеспечение гибких производственных систем: Ыеквуз. сб. / Под. ред. цроф. Л.Н.Рассудова, проф. Б.Я.Советова. - СПб.: Изд-во С.-Петербургского университета, 1992. е.,99 - 107.

ЦРДШ. к печ. 12.05.93 Формат 60 х 84 1/16.

Офсетная печать Печ.л. 1.0: уч.-изд.л. 1,0. Тираж 100 экз.- Зак. ИЬЭ. Бесплатно

Ротапринт С.-ПбГЭТУ 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5