Методы повышения точности измерения геометрических параметров оптоэлектронными информационно-измерительными системами
Оглавление
Введение
Глава 1. Анализ методов контроля геометрических параметров оптическими и оптоэлектронными СИ……………………………………………………………………………………….13
1.1 Теоретические принципы расчета погрешности измерений…………………13 1.2 Практические принципы расчета суммарной погрешности измерений оптическими СИ
1.3 Возможности оптоэлектронных ИИС и ПО обработки результатов измерений.
Глава 2. Анализ условий, обеспечивающих снижение составляющих погрешности при измерениях геометрических параметров оптоэлектронными ИИС
2.1 Согласования измерительной и объектной СК
2.2 Обеспечения стабильности согласования координатных систем при изменениях положения объектов в условиях воздействия внешних
факторов ………………………… …………………………………………………….40 2.3 Согласования СК разных типов оптоэлектронных СИ при создании информационно-измерительных систем
Глава 3. Методы повышения точности путем снижения влияния составляющих погрешности при согласовании СК оптоэлектронными ИИС……………………………..51
3.1 Метод согласования измерительной и объектной СК и экспериментальное подтверждение его применимости. ……………………………51
3.1.1 Экспериментальные исследования по оценке ГП объекта цилиндрической формы оптическими СИ …………………………………………..52 3.1.2 Расчёт точности при использовании оптических СИ…………………….59 3.1.3 Экспериментальные исследованияоценки ГП оптоэлектронными ИИС с использованием разработанного метода согласования СК
3.1.4 Расчёт точности при использовании оптоэлектронных ИИС
3.1.5 Учет погрешности оптоэлектронными ИИС…………………………………72
3.2 Метод обеспечения стабильности согласованных СК при определении истинного курса
3.3 Разработка информационно-измерительных комплексов при согласовании СК нескольких оптоэлектронных СИ………………………………….90
3
Глава 4. Условия построения цифровой модели сборочных единиц и метод создания информационной базы геометрических параметрах объекта
Заключение
Список сокращений
Список литературы
Приложение А. Оптические СИ
Приложение Б. Методы работы с оптическими СИ
Приложение В. Оптоэлектронные СИ
Во введении обосновывается актуальность темы, формируются цель и задачи исследования, научные и практические результаты и основные положения, выносимые на защиту, а также научная новизна и практическая значимость.
В первой главе изложены теоретические принципы расчета погрешности измерений: введено понятие точности, приведена структура погрешности и ее составляющих, изложены методы обработки результатов измерений и оценивание суммарной полной погрешности. Рассмотрены теоретические основы геодезических принципов измерений и практические принципы применения оптических СИ при оценке ГП: изучены применяемые методики выполнения измерительных операций оптическими СИ и принцип расчета суммарной погрешности при использовании оптических СИ. Проанализированы возможности применения оптоэлектронных ИИС; и аналитической обработки результатов измерений; изучены принципы получения измерительной информации при работе лазерных сканирующих и проекционных систем. На основании выполненного анализа сделан вывод о том: что на сегодняшний день потенциальные возможности ИИС в плане повышения точности измерений недостаточно изучены и не используются в полной мере. Кроме того, использование оптоэлектронных ИИС может решать измерительные задачи
оценки ГП, которые не могут быть выполнены оптическими СИ, например, создание цифровых моделей объектов; возможность виртуальной обработки измерительной информации с целью оптимизации процессов сборки.
Во второй главе проанализированы задачи, решение которых расширяет возможности использования оптоэлектронных ИИС и повышения точности измерений при оценке ГП.
Одной из решаемых задач является метод согласования измерительной и объектной СК. Измерение ГП объекта заключается в получении информации о результатах линейно-угловых измерений контролируемых точек и плоскостей объекта в СК измерительной системы, в которой, начало системы координат совпадает с точкой размещения измерительного прибора – измерительной системе координат (далее ИСК). В свою очередь, размещение объекта в пространстве может быть произвольным, кроме того, проектной документацией задаются координаты тех же контрольных точек в объектной системе координат (далее ОСК). Таким образом, СК измерительных приборов и объекта в процессе оценки ГП не совпадают, что наглядно можно увидеть на рисунок 1.
z
Zi
o
y
Yi
XiYiZi – измерительная система координат (ИСК); xyz – объектная система координат;
О – начало координат ИСК; о – начало координат ОСК; а,b,c – проекции рассогласование СК
Рисунок 1 – Рассогласование координатных систем измерительного прибора и объекта.
Указанное несовпадение СК, противоречащее принципу единства баз и приводящее к снижению точности измерений, требует обязательного согласования СК. При выполнении измерений оптическими СИ, согласование СК (в том случае, когда это возможно) выполняется на физическом уровне с применением сложной дополнительной технологической оснастки, или (когда невозможно) учитывается введением приблизительных эмпирических поправок. При использовании оптоэлектронных ИИС, благодаря большому количеству входных данных и возможности выполнения аналитической обработки, решение вопросов согласования СК переходит из области физических операций и эмпирических расчетов в область аналитических вычислений, повышая точность измерений.
Второй решаемой задачей является метод стабилизации согласования СК при изменении положения объекта в момент выполнения измерений, так как нестабильность СК, возникающая вследствие изменения положения объекта, приводит к снижению точности измерений. Поскольку в процессах сборки и монтажа положение объектов можно контролировать, то вопрос нестабильности СК целесообразно исследовать на примере изменений положения объекта при измерениях линейных расстояний, углового положения и плоскостей для получения
Xi
x
c O
a b
информации об ориентировании объекта в пространстве и выработки истинного курса. Систему координат судна можно определить, как систему пересечения трех перпендикулярных осей в центре тяжести судна, таким образом, что две оси лежат в диаметральной плоскости (далее ДП) судна; а третья ось лежит в плоскости, перпендикулярной ДП в основной плоскости судна (далее ОП). Для наглядности СК судна в декартовой системе координат изображена на рисунке 2.
Рисунок 2 – Система координат судна с привязкой к осям движения
При воздействии климатических факторов судно может изменять свое положения по осям, что приводит к нестабильности согласования СК, таким образом на точность измерения будет оказывать влияние такой параметр как амплитуда качки. При выполнении измерений оптическими СИ учет нестабильности согласования СК в процессе измерений на плаву, решается путем введения эмпирических коэффициентов, не способствующих точности измерений.
Третьей решаемой задачей является возможность согласования СК различных типов измерительных приборов в единую локальную опорную сеть (далее ЛОС) с целью выполнения принципа единства баз. Для создания ЛОС лазерным тахеометром или трекером положен бесконтактный косвенный метод определения расстояний и углов объектных точек как в декартовой прямоугольной СК, так и в сферической СК (Рисунок 3).
Рисунок 3 – Принципиальная схема измерений координат точки
(1)
Согласования СК нескольких оптоэлектронных систем разного функционального назначения открывает возможности для создания информационно-измерительных комплексов на базе нескольких цифровых
где
где
Отклонение от круговой формы объекта определялось из выражения:
(3)
– отклонение от круговой формы контролируемого сечения, мм; – фактический радиус-вектор контролируемой точки, мм;
– радиус средней окружности, мм.
∆r cр. = ± 0,30 мм
,
– радиус средней окружности контролируемого сечения, мм;
– фактический радиус-вектор контролируемой точки, мм.
(2)
оптоэлектронных систем, посредством комплексирования полученной информации с целью повышения точности измерений, что абсолютно невозможно выполнить при использовании оптических СИ.
Третья глава посвящена выполнению задач, сформулированных в главе 2, а именно, разработке методов снижения влияния составляющих погрешности с применением оптоэлектронных ИИС.
Разработан метод согласования ИСК и ОСК и проведено экспериментальное подтверждение его применимости. Экспериментальные работы по подтверждению применимости при выполнении измерений заключались в сравнительном анализе результатов измерений, полученных с применением оптическими СИ и оптоэлектронных ИИС, так как при использовании последних для согласования СК был применен разработанный в соавторстве метод пересчета СК из ИСК в ОСК. Для эксперимента была выбрана задача по контролю параметров внутренней геометрии объекта цилиндрической формы – трубы, включающая в себя: определение радиусов внутренней поверхности объекта в контрольных точках; радиусов средней окружности и отклонений от круговой формы внутренней поверхности объекта в контрольных сечениях. Задача определения вышеуказанных радиусов так или иначе сводилась к определению положения центральной продольной оси объекта физически и проведению прямыми измерениями радиуса окружности (Рисунок 4).
Рисунок 4 – Принцип физического согласования СК с применением оснастки
Радиус средней окружности контролируемого сечения определяется по формуле:
Согласование ИСК и ОСК, в данном конкретном случае, оптическими СИ осуществлялось физически с применением сложной технологической оснастки, а расчет погрешности измерений состоял из учета всех типовых операций и
трудоемких физических переходов, использовании сложного математического пересчета, что естественным образом отрицательно сказывалось на точности измерений.
При измерениях оптоэлектронными ИИС, СИ устанавливалось на некотором расстояниях от переднего среза (далее ПС) и от продольной оси объекта (рисунок 5).
ЗС
ПС
Рисунок 5 – Аналитический метод согласования СК при применении оптоэлектронных СИ
Метод согласования СК выполнялся с применением приемов аналитической геометрии – матриц поворота, уравнений проекций и уравнения плоскости. Объект делится на плоскости (Рисунок 6) для определения положения системы координат.
III
IV V
II
I
Рисунок 6 – Схема разметки базовых плоскостей объекта
Измеренные координата точек, заданные центрами базовых отверстий на ПС в плоскости I-III и базовых отверстий на заднем срезе (далее ЗС) в плоскости II-IV, дают возможность найти центральную ось объекта.
ЗС ЗС ЗС
(4)
где Xi, Yi, Zi, координаты центров базовых отверстий объекта на ПС в плоскости I-III и ЗС II-IV;
Нахождение отреза между двумя вышеуказанными центральными точками определяет направляющий вектор соответствующий продольной центральной оси объекта.
ЗС ПС ЗС ПС ЗС ПС
(5)
с с
(7)
ср
(9)
Для согласования ИСК с ОСК, требуется не только согласовать начало СК, но и направление осей, для этого был найден единичный вектор, который в свою очередь являлся параллельным центральной оси объекта, таким образом, задается ось OZ. Согласование оси OX, производится через базовую точку III плоскости, проходящей через ПС и продольную ось объекта. Для известной точки строится уравнение плоскости I-III, и на нее посредствам уравнения проекции смещается точка начала системы координат и находился вектор перпендикуляра к продольной оси через точку III.
Для согласования ИСК с ОСК по оси OX, по полученными данным находился единичный вектор который в свою очередь являлся перпендикуляром к продольной оси проходящий через точку III, таким образом ось OX задавалась от центра в плоскости ПС к точке III на плоскости ПС. Оставшуюся ось OY через единичный вектор направляли таким образом, чтоб она дополнила найденную СК до правой.
с
СК согласуется аналитически, тем самым совмещаются ИСК и ОСК. Далее
производились измерения в нескольких контрольных сечениях цилиндрического объекта по 16 точкам, расположенных по периметру сечения посредством определения координат точек , где k – контрольное сечение; i – порядковый номер точки. Для сравнительного анализа результатов измерений сечения и точки брались идентичными, что и при проведении измерений оптическим методом.
Расчёт фактических радиус-векторов контролируемой точки вычислялся по формуле 8. Координата не учитывалась, т.к. она в плоскости перпендикулярной контрольному сечению.
(8)
где и – координаты i-й точки сечения k, мм
Радиус средней окружности контролируемого сечения определялся
ПС ПС ПС
(6)
по формуле:
где ср – радиус средней окружности контролируемого сечения, мм.
Отклонение от круговой формы трубы высчитывалось
по формуле:
где – отклонение от круговой формы контролируемого сечения, мм. ∆r cр. = ± 0,18 мм
Сравнение результатов расчета погрешности, при использовании оптических и оптоэлектронных измерительных приборов, свидетельствует о приемлемости применения разработанного метода согласования СК, таким образом, задача согласования ИСК и ОСК может быть успешно реализована цифровыми
ср
(10)
оптоэлектронными ИИС. Кроме того, выполненные расчеты погрешности измерений показали, что благодаря возможности обработки измерительной информации аналитически с использованием разработанной программы согласования СК, достигнуто повышение точности для параметров внутренней геометрии объекта цилиндрической формы 1.6 раз.
Для решения следующей задачи был разработан метод стабилизации СК при определении истинного курса. Тахеометр устанавливался на верхнюю палубу судна между двумя базовыми отметчиками диаметральной плоскости (далее БОДП), при этом трудоёмкая операция выставки прибора в створ отметчиков ДП не требовалась, так как прибор оснащен дальномером и способен сам выстраивать проекции векторов (Рисунок 7). Идея заключалась в том, что для согласования СК измерительного прибора и судна, а именно, учёта взаимного положения вертикальной оси тахеометра (относящейся к ИСК) и перпендикуляра к ОП судна (определяющей ОСК) необходимо было одновременно определить их наклон в двух направлениях посредством измерения углов по крену и дифференту относительно плоскости горизонта. Для этого в момент нахождения вертикальной оси тахеометра в вертикальном положении, в системе координат судна фиксировался отсчёт по крену «β0» (при условии «+» – крен на левый борт) и дифференту – «α0» (при условии «+» – дифферент в корму).
Рисунок 7 – Принципиальная схема измерений и условных обозначений
Одновременно с использованием тахеометра в створе БОДП выполнялись измерения положения базовых отметчиков и фиксировались отсчёты азимутальных углов: Hz1 – отсчёт на носовой БОДП, Hz2 – отсчёт на кормовой БОДП, а также углов возвышения: V1 – отсчёт на носовой БОДП, V2 – отсчёт на кормовой БОДП и расстояния до отметчиков: R1 – расстояние до носового БОДП, R2 – расстояние до кормового БОДП.
(11)
На основании координат носового и кормового отметчиков находился радиус-
вектор направления следа ДП « » в системе координат тахеометра.
Внесение поправок на разновысотность БОДП производилось путём расчёта
координат в системе координат XKYKZK, параллельной системе координат
корабля и проецированием радиус-вектора на плоскость, параллельную ОП. При этом учитывалась изменение величины угла вращения вокруг оси OX при выполнении перед этим вращения вокруг оси OY.
(12)
Затем производился расчёт координат полученной проекции радиус-вектора следа ДП на ОП « » в системе координат XRYRZR . Следующим шагом необходимо было произвести расчёт координат проекций на плоскость горизонта радиус-векторов и в системе координат XГYГZГ, плоскость XГOYГ, которая находится в горизонте, а ось OXГ находится в плоскости XROZR, при этом учитывается изменение крена «Δβ» и дифферента «Δα» , а также изменение величины крена «Δβ*» при выполнении перед этим поворота на величину дифферента. После учета всех составляющих определяется истинное положение судна.
(13)
Третья задача исследования – разработка метода комплексирования разных типов СИ, решалась экспериментально путем принципиально нового технического подхода – трансформацией измерительной информации между трекером, сканером и проектором посредством разработанных и распечатанных на 3D принтере маркеров (Рисунок 8) с целью создания измерительно-проекционного разметочного комплекса. Дискретные СИ, такие как лазерные трекеры и тахеометры, позволяют создать высокоточную систему баз, организовать ЛОС вокруг и/или внутри объекта, используемую для определения собственного положения проектора относительно СК объекта. Сканирующие измерительные системы – лазерные сканеры, за счёт высокой плотности измерения объектных точек позволяют уточнить существующую модель поверхности, на которую должна наноситься разметка.
лазерных сканеров лазерных проекторов
Рисунок 8 – Разработанные маркеры точек ЛОС
Технология выполнения работ при помощи измерительно-проекционного разметочного комплекса была проведена на примере комплекса, состоящего из лазерного сканера, лазерного трекера и лазерного проектора.
Лазерным трекером было выполнено измерение координат опорных точек и назначена СК объекта – ЛОС. После создания ЛОС для проведения дальнейших работ, в адаптеры были размещены сканерные маркеры «Песочные часы» со сферическим основанием (спроектированные и изготовленные на 3D принтере), что обеспечило единство баз сканера и трекера с целью их дальнейшего совместного функционирования. Лазерным сканером был отсканирован объект – имитатор
сложнопрофильного участка обшивки судовой корпусной конструкции в виде изогнутого листа на стойке. Полученная с использованием сканера информация для последующей обработки загружалась в ПО. Результатом обработки было сформированное и привязанное к системе координат, облако точек. С целью дальнейшей передачи данных для лазерного проецирования на основании сформированного облака точек была получена NURBS-модель поверхности объекта, на которую впоследствии был проецирован контур. Для выполнения эксперимента, иллюстрирующего возможности применения проектора, были подгружены смоделированные трехмерные объекты некоторых стыкуемых элементов. В местах пересечения трехмерных моделей загруженных стыкуемых элементов с 3D моделью рабочей поверхности объекта сформировались «контуры»(Рисунок 9), описываемые сплайновыми кривыми, которые в дальнейшем были спроецированы на реальную рабочую поверхность с помощью лазерного проектора.
Рисунок 9 – Графическое представление сплайновых кривых контуров на модели и поверхности объекта
В четвертой главе в плане дальнейшего развития выполненного исследования, была поставлена задача, используя результаты исследований, изучить возможность и определить условия для создания цифровой модели объекта (сборочной единицы).
Контрольные точки определялись при пересечении поверхности модели сборочного элемента, на которую наносились контрольные точки, с нормалью, образованной при пересечении двух секущих плоскостей (Рисунок 10Ошибка! Источник ссылки не найден.). Каждой поверхности присваивался уникальный идентификатор, представляющий собой набор букв и цифр, позволяющий однозначно определить её положение в СК теоретической трёхмерной модели сборочного элемента. По нормали к контрольной точке в направлении от выбранной поверхности строилась вторая точка – офсетная. Каждая контрольная точка так же имела идентификатор, представляющий собой набор букв и цифр. Так линия, полученная пересечением плоскостей Y91 и X62, проходит перпендикулярно поверхности surf18, точка X62Y91 входит в группу «surf18». Та же линия при пересечении поверхности surf78 даёт одноимённую точку, входящую в группу «surf78».
Рисунок 10 – Построение офсетной точки и группировка точек по принадлежности к поверхности.
(14)
где Δ – отклонение измерений относительно поверхности теоретической модели;
– координаты теоретических точек, отстоящих от поверхности на
некоторую величину по нормали к ней;
– координаты контрольных точек на поверхностях элементов.
Для построения цифровой модели использовался сканер Surphaser 25HSX, который за счёт высокой плотности измерения объектных точек позволяет создать трехмерные облака точек. Измерения выполнялись с разных мест стоянок лазерного сканера, затем слияние облаков точек (Рисунок 11) осуществлялось с применением программных пакетов. В ПО импортировались данные измерений лазерного сканера, затем «сшивкой» облаков точек, принадлежащих одной и той же части объекта, но измеренных с разных мест установки прибора, с последующим итерационным пересчётом коэффициентов матрицы трансформаций СК или расчётом коэффициентов этой матрицы по координатам точек соответствующей метрологической сети.
до сведения всех данных в единую СК после сведения СК и исключению шумов Рисунок 11 – Графическое представление облака точек
В связи с тем, что при выборке точек из облака могли быть захвачены точки, измеренные на других поверхностях, была произведена статистическая оценка достоверности результатов расчёта, а именно: по каждой точке выборки производился расчёт отклонений (Рисунок 12) относительно теоретической модели, оценивалось среднеквадратическое отклонение всей выборки (далее СКО).
Рисунок 12 – Распределение отклонений точек в массиве
Для удаления статистических выбросов использовался, алгоритм, основанный на задании максимального проходного значения СКО для выборки группы точек при условии нормального закона распределения случайных величин. Отбраковка точек производилась путём нахождения диапазона отклонений, в который входит более 70% от общего количества точек. В качестве меры достоверности полученного результата предлагается отношение конечного количества точек выборки к исходному. При значениях менее 0,1 результат считался недостоверным.
(15)
Где N – размерность массива; n – номер элемента в массиве; Δ – величина отклонения точки выборки относительно теоретической модели; M – одномерный массив.
Таким образом, совокупность групп точек, содержащих три набора координат, полученных при обработке данных лазерного сканирования, являла собой цифровую модель, в которой каждая точка сборочной единицы представлена в виде своего идентификатора, координат контрольной точки, координат точки офсета, оценки достоверности результатов расчёта и сохраняет принадлежность к группе (поверхности). В таблице 1 приведены соответствия фактического и теоретического зазора между сопрягаемыми единицами.
Таблица 1 – соответствие сопрягаемых единиц
El N35 Surf-8 El N18 Surf-87 Y76_Z47 440.0 1310.0 50.0 2.0 2.3 0.48 El N35 Surf-8 El N18 Surf-87 Y76_Z48 440.0 1310.0 100.0 2.0 2.1 0.43 El N35 Surf-8 El N18 Surf-87 Y77_Z47 440.0 1360.0 50.0 2.0 2.1 0.46 El N35 Surf-8 El N18 Surf-87 Y77_Z48 440.0 1360.0 100.0 2.0 1.7 0.44 El N35 Surf-8 El N18 Surf-87 Y78_Z48 455.1 1410.0 100.0 2.5 1.7 0.33
Цифровые модели каждой сборочной единицы трансформировать в единую информационную базу ГП собираемого изделия. Предложена пошаговая последовательность действий по создания цифровой информационной базы изделия, основанная на сохранении и использовании максимального количества информации
Элемент No1
Поверхн ость элемента No1
Элемент No2
Поверхн ость элемента No2
Имя точки
Xтеор., мм
Yтеор., мм
Zтеор, мм
Δтеор, мм.
Δфакт, мм
Досто- верность
о геометрии всех сопрягаемых элементов и их положении в пространстве. Метод позволяет посредством аналитического согласования СК отдельных элементов сборочных единиц создать единую СК формируемого изделия – основу информационной базы судостроительного объекта.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Основным итогом диссертационной работы является решение научных задач, обеспечивающих получение следующих основных результатов:
1.Показано, что с целью повышения точности измерений ГП оптоэлектронными ИИС необходимо, прежде всего, выявлять и устранять методические составляющих погрешности измерений,
2. Установлено, что такие возможности оптоэлектронных СИ, как получение облаков точек с возможностью дальнейшего создания цифровых моделей на сегодняшний день являются недостаточно изученными и требуют разработки новых методов измерений.
3.Разработан метод согласования объектной и измерительной СК, основанный на аналитической обработке измерительной информации. Выполненные расчеты суммарной погрешности измерений по оценке параметров внутренней геометрии объекта цилиндрической формы показали, что при использовании лазерного трекера достигнуто повышение точности при измерении радиусов средней окружности – в 1,6 раза Использование оптоэлектронных ИИС и разработанного виртуального пересчета СК позволяет отказаться от трудоемких процедур физического согласования СК.
4. Разработан метод стабилизации СК объекта, в пространстве в момент проведения измерений, позволяющий минимизировать влияние систематических составляющих погрешности.
5. Впервые разработан метод комплексирования измерительных систем для выполнения разметочных работ, позволяющий решать измерительные задачи с субмиллиметровой точностью разметки и учетом фактической геометрии объекта, обеспечивающей стыковку сопрягаемых элементов без изготовления шаблонов.
6. Дальнейшая реализация результатов исследования согласования СК представляет собой возможность для создания цифровой модели и его структурных единицы объекта.
Актуальность исследования. Тенденции экономического развития сегодня так или иначе связаны с повышенными требованиями к обеспечению точности, особенно в таких отраслях промышленности как судостроение, машиностроение, авиаприборостроение, в которых указанный параметр гарантирует прежде всего надежность, долговечность и качество выпускаемой продукции.
Под точностью изделия в вышеуказанных отраслях подразумевают степень соответствия изделия или объекта заранее установленным требованиям [17,28]. В соответствии с этим, при выпуске и монтаже готовых объектов в перечисленных отраслях точность изготовления деталей, отдельных блоков и точность их последующей сборки контролируется посредством выполнения измерительных задач, эффективность которых определяется точностью измерений, которая в свою очередь, характеризуется близостью измеренного значения к истинному значению измеряемой величины [21]. Таким образом, точность изготовления объектов, в значительной мере, зависит от уровня метрологического обеспечения производства: а именно, используемых средств измерений (далее СИ), созданных на их основе информационно измерительных систем (далее ИИС) и, соответственно, методов измерений.
Одним из направлений по реализации измерительных задач с целью обеспечения точности изготовления изделий является оценка и контроль их геометрических параметров (далее ГП) [36]. Существующая система оценки ГП объектов основывается на получении информации о линейных размерах, угловом положении плоскостей объекта, а также на оценке и контроле линейно-угловых величин при монтаже, установке и настройке размещаемых на них объектов функционального назначения. [38-39]. В связи со значительным опытом выполнения измерений в отрасли судостроения, вопросы повышения точности измерений ГП оптоэлектронными ИИС, в значительной мере в данной работе рассматриваются на примере судостроительных объектов. Корпус судна в целом и его отдельные элементы в процессе постройки должны иметь определенные ГП: форму, размеры и положения в пространстве, которые можно охарактеризовать линейными расстояниями между точками, линиями и плоскостями или угловым расстоянием между линиями и плоскостями
Совершено очевидно, что несовершенство средств и методов измерений сдерживает развитие технологий сборки и монтажа объектов/изделий. Необходимость создания новых подходов при выполнении измерительных задач обусловлена еще и тем, что в реалии современного времени активно происходит цифровизация всех отраслей промышленности; в судостроении она заключается в переходе от традиционных механических и оптических СИ к современным лазерным цифровым трехкоординатным приборам, и созданным на их основе ИИС, способным с высокой точностью и в режиме реального времени получать мгновенную информацию о десятках (сотнях) ГП различных объектов одновременно.
Степень разработанности темы. Вопросам обеспечения точности при изготовлении готовых изделий/объектов в судостроении всегда уделялось огромное значение, о чем свидетельствует большое количество исследований российских и зарубежных ученых, среди которых следует отметить работы В.Л. Александрова, Л.Ц. Адлерштейна, В.В. Аваяна, В.К. Букато, В.В. Веселкова, Л.П. Гаврилюка, А.Н. Игнатова, Г.П. Левчука, Н.В Петрова. В.А. Синицкого, Ч.А. Нгуена, G.W. Johnson, S.E. Laskey (США), Kazuo Hieketa. Hiroyuki Yamato (Япония), M.R. Shortis (Австралия), S. Ropson (Великобритания) и других [22- 28,31-42,60,67-74,9794-100].
Появление новых СИ, а также совершенствование в соответствии с реалиями нового времени уже применяемых, как правило сопровождается появлением новых методов или методик измерений. При этом каждая методика (метод) включает определенные операции, среди которых следует выделить такие операции, как: подготовительные работы, выделение условий проведения измерений, выполнение измерений, статистическая обработка и анализ результатов. Процесс выполнения измерений сводится к определению таких ГП, как: форма, размеры, положение в пространстве, геометрия контура, плоскостность, отклонение от горизонтальности, от соосности и другие параметры, характеризующие либо весь объект в целом, либо отдельные его элементы в процессе изготовления [38,71].
Работы многих авторов посвящены анализу точности измерений при решении измерительных задач традиционными методами (далее ТМ) с использованием измерительного инструмента: измерительных линеек, рулеток, струн, щупов, штангенинструмента, микрометрического инструмента, штанговых уровней для нивелирования, шнуровых отвесов и других [38,66,68]. Некоторые из них по сей день могут использоваться для определенных измерительных задач, например, для технологии выполнения размерного контроля, что соответствует отраслевым стандартами [17-18] и является оправданным с точки зрения экономической эффективности.
При выполнении измерительных задач традиционными методами с помощью традиционного измерительного инструмента, точность выполнения разметочных операций прежде всего определяется инструментальной погрешностью измерительного инструмента [36,38]. С развитием измерительных технологий, появились работы посвященные вопросам использования более современных приборов, для выполнения измерительных задач ТМ: электронных и ручных лазерных дальномеров, лазерных нивелиров, электронных угломеров, и других, причем, как отечественного, так и зарубежного производства. [38,54]. Принцип расчета погрешности при этом сохранился; точность измерений повысилась за счет снижения инструментальной погрешности, методические же составляющие погрешности, зависящие от метода измерений и опыта оператора, существенно не изменились; процессы выполнения измерений остались трудоемкими и трудозатратными [39-42].
Следует заметить, что практика выполнения измерений ТМ имеет место как у нас в стране, так и за рубежом [97-100]. Однако анализ данных по точности изготовления и монтажа корпусных конструкций ТМ свидетельствует о том, что требования к точности в российском судостроении, как правило, ниже аналогичных требований за рубежом [69]. Однако, использование ТМ измерений, не смотря на экономическую целесообразность, не всегда обеспечивает заданную точность, вследствие достаточно большой инструментальной погрешности и высоких требований к ручному квалифицированному труду измерителей, ответственных за методическую составляющую погрешности [42].
В дальнейшем, по мере совершенствования измерительной базы и измерительных технологий у нас в стране, и за рубежом широкое распространение для решения измерительных задач получили геодезические измерительные приборы, которые сегодня также совершенствуются и адаптируются к современным технологиям для выполнения большого спектра измерительных операций [36,54]. В соответствии с этим, на сегодняшний день в отечественном судостроении методы оценки ГП базируются преимущественно на применении оптических СИ, таких как: визирные трубы, теодолиты, коллиматоры, оптические квадранты и другие [14,44,50,66,86,89].
Работы многих авторов свидетельствуют о том, что применение оптических СИ привело к необходимости разработки и внедрения в измерительные процессы новых измерительных технологий, которые основаны на получении информации о ГП объекта с использованием базовых элементов (далее БЭ) [40]. Выполнение измерений оптическими приборами позволяет получать информацию о линейных размерах, угловом положении осей, плоскостей и контрольных элементах объекта относительно естественной базы – вертикали Земли, а для обработка измерительной информации при определении ГП объекта требуется приведение объекта в положение, необходимое для получения информации о ГП объекта относительно естественных баз.
Технология выполнения измерений оптическими приборами, основанная на принципах базирования, имела следствием разработку соответствующих подходов к расчетам погрешностей при применении оптических приборов, которые требовали трудоемкого ручного или программного расчета (расчет погрешностей указанным методом подробнее рассмотрен в главе 1). Большой вклад в разработку методов расчета погрешностей в области контроля ГП в судостроении был внесен работами Л.П. Гаврилюка [36-42].
Оптические СИ не способны обеспечить высокие показатели точности измерений, так как в процессах технологических построений БЭ и последующих расчетов существенную роль оказывают методические погрешности, возникающие за счет многочисленных операций по построению горизонтальных и вертикальных плоскостей, линейных измерений между контролируемыми точками и иных приемов, требующих квалифицированного труда операторов [41].
В настоящее время в сфере измерительной техники мировая промышленность сделала активный переход от традиционных механических и оптических средств линейно-угловых измерений к современным сложным трехкоординатным измерительным системам, которые в начале ХХI века начали активно поступать в том числе и на Российский рынок. Оптоэлектронные измерительные приборы, выпускаемые в таких странах как Швейцария, США, Норвегия, Австрия. успешно применяются за рубежом для реализации измерительных задач в различных областях техники. Потребность изготовления конкурентоспособной продукции, основанной на применении современных технологий, требующих модернизации контрольно-измерительных процессов, в последнее десятилетие привели к необходимости внедрения оптоэлектронных ИИС в передовых высокотехнологичных отраслях: космической отрасли, авиастроении[33], судостроении. Использование оптоэлектронных СИ в судостроении при выполнении измерительных операций подтверждается рядом работ [36,37,54,55,72,74]. Использование оптоэлектронных измерительных систем безусловно представляет собой новый шаг в метрологическом обеспечении, сущность которого сводится к замене линейной и плоскостной измерительной информации на объемную без дополнительных расчетов и построений, именно, это преимущество оптоэлектронных СИ используется сегодня [52].
Освоение цифровых кординатообразующих ИИС существенно расширяет технологические возможности выполнения измерительных задач, благодаря принципиально новому подходу к выполнению измерений, и в особенности, к обработке экспериментальных данных. Поиск новых концептуальных подходов к реализации неиспользуемых возможностей оптоэлектронных измерительных приборов очевиден, и помимо бесспорного повышения точности оценки ГП, может способствовать решению других принципиально новых задач.
Комплекс задач, решаемых при разработке конкретных технологий выполнения измерений по оценке и контролю ГП корпусных конструкций, внутреннего насыщения, а также изделий функционального насыщения достаточно многообразен, индивидуален и зачастую требует применения, креативных решений, нестандартных приемов, а иногда, совмещения различных СИ для реализации одной измерительной задачи.
Актуальность разработки новых современных подходов при выполнении контрольно-измерительных задач с целью повышения точности контроля ГП объекта в процессе строительства, монтажа, изготовления и наладки, не вызывает сомнений и безусловно имеет как теоретическое, так и практической значение.
Целью диссертационной работы является разработка методов повышения точности измерений геометрических параметров объекта с использованием оптоэлектронных информационно-измерительных систем за счет применения приемов аналитической геометрии, принципа единства баз и комплексирования результатов измерений.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1.Провести обзор существующих методов оценки ГП оптическими и оптоэлектронными СИ, выполнить анализ влияния составляющих погрешности; определить потенциальные возможности повышения точности измерений оптоэлектронными ИИС.
2. Разработать метод согласования систем координат СИ и измеряемого объекта с использованием приемов аналитической геометрии (матриц поворота).
3. Разработать метод стабилизации системы координат объекта в момент проведения измерений для минимизации влияния климатических и динамических факторов воздействия.
4. Разработать метод комплексирования СИ для выполнения разметочных работ сложнопрофильных крупногабаритных объектов.
5. Экспериментально подтвердить реализуемость разрабатываемых методов с применением цифрового моделирования.
Научная новизна
1. Определены и обоснованы условия снижения составляющих суммарной погрешности измерений, позволяющие повысить точность измерений ГП корпусных конструкций при использовании оптоэлектронных ИИС.
2. Разработан метод согласования объектной и измерительной систем координат посредством применения оптоэлектронных ИИС, основанный на приемах аналитической геометрии, обеспечивающий снижение методических составляющих погрешности измерений.
3. Разработан метод стабилизации системы координат объекта в момент проведении измерений, позволяющий исключить влияние систематических составляющих погрешности, возникающих под воздействием внешних климатических факторов.
4. Впервые разработан метод комплексирования результатов измерений на основе алгоритма согласования систем координат разных типов оптоэлектронных ИИС, обеспечивающий выполнение разметочных работ с учетом фактических ГП объекта для сложнопрофильных конструкций без применения шаблонов.
5. Определена и обоснована возможность создания цифровой модели для оптоэлектронной системы на основе применения разработанных методов, позволяющая получить актуальную информацию о фактических геометрических параметрах объекта.
Достоверность полученных результатов обеспечена применением методами статистической обработки и математического моделирования, результатами опытных работ.
Положения, выносимые на защиту:
1. Метод согласования систем координат с применением оптоэлектронных ИИС и приемов аналитической геометрии, обеспечивает повышение точности
измерений, путем снижения суммарной погрешности в исследуемом случае не менее чем 1,6 раз в сравнении с традиционными методами.
2. Метод стабилизации системы координат объекта, позволяет исключить влияние систематической составляющей погрешности и повысить достоверность результатов измерений.
3. Метод комплексирования результатов измерений, позволяет выполнять разметочные работы на сложнопрофильных объектах без применения шаблонов с учетом их фактической геометрии и увеличением точности не менее, чем на 50% в сравнении с традиционными методами.
Реализация результатов работы.
Разработанные методы и алгоритмы при работе с оптоэлектронными ИИС были внедрены на промышленных предприятиях: АО «ЦС «Звездочка», ПАО «Мотовилихинские заводы», АО «ПО «Севмаш», АО «ВНИИ «Сигнал». АО«Зеленодольский завод имени А. М. Горького»
Апробация результатов работы.
Результаты работы были представлены и обсуждались на следующих конференциях: VI Международный Форум “Морская индустрия России” (2016 г.); XIX Конференция молодых ученых «навигация и управление движением» с международным участием (2017 г.); Научно-практические конференции «Фотоника. Мир лазеров и оптики» (2016, 2017, 2018 гг.); конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (2018-2020гг.).
Публикации:
Основные теоретические и практические результаты диссертации изложены в 19 научных работах, в числе которых 3 статьи – в рецензируемых журналах из перечня ВАК РФ, 5 публикаций – в изданиях, входящих в список Scopus и Web of Science, 4 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ, 2 патента на изобретение, 4 доклада на различных научных конференциях, 1 публикация – в научных сборниках и трудах научно-технических конференциях.
Личный вклад автора
Основные результаты работы, включенные в диссертацию, получены автором самостоятельно. Автор непосредственно участвовал в разработке методов и их апробации на предприятиях АО «ДВЗ «Звезда», АО «НМЗ», ПАО «Мотовилихинские заводы», АО «ЗеленодольскийзаводимениА.М.Горького», АО «ВНИИ «Сигнал». Обсуждение и анализ полученных результатов проводились совместно с научным руководителем, а также на научных международных конференциях. Автор играл определяющую роль в практических исследованиях по применения разрабатываемых методов.
Структура и объем диссертационной работы:
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы включающего 100 наименований и 3 приложения. Работа содержит 146 страниц, включая 62 рисунков и 5 таблиц.
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
5 (1241 отзыв)
5 (158 отзывов)
4.9 (522 отзыва)
4.5 (330 отзывов)
4.8 (17 отзывов)
4.6 (522 отзыва)
5 (18 отзывов)
5 (8 отзывов)
4.9 (5 отзывов)
