Введение к работе
Актуальность темы. Условием качественной работы оборудования промышленных и научных комплексов является соблюдение с высокой точностью заданных геометрических характеристик отдельных деталей и их взаимного расположения в составе технологических линий. Высокие требования к точности изготовления и монтажа часто сочетаются со значительными габаритами оборудования и продиктованы технологическими и физическими причинами, определяющими оптимальный режим работы. Примером подобных объектов могут служить антенные комплексы радиотелескопов, гидролокаторов, корпуса подводных судов и летательных аппаратов, реакторные отделения АЭС, крупные турбоагрегаты и т.д. Точность изготовления и монтажа ответственных агрегатов на подобных объектах характеризуется величинами порядка 0.01-0.5 мм при габаритах оборудования от единиц до сотен метров. Традиционные геодезические и фотограмметрические средства и методы не соответствуют необходимой точности и оперативности проведения работ или не могут быть применены в силу различных технологических причин (высокая температура объекта, невидимости, повышенная вибрация, радиация и др.).
Во всех подобных случаях выполнить обмер крупногабаритного оборудования сложной формы с точностью сотых долей миллиметра позволяют современные электронно-теодолитные системы. С помощью таких систем на поверхности объекта определяют пространственные координаты характерных точек, что позволяет вычислить необходимые геометрические характеристики объекта. Для определения координат характерных точек строят пространственную угловую сеть (рис. 1), образующуюся в результате измерения горизонтальных направлений и зенитных расстояний в пунктах (А1, В1, А2, В2 и т.д.) стояния высокоточных теодолитов на определяемые точки обмеряемого объекта. Масштаб подобной сети не может быть определен установкой теодолитов в пунктах с известными координатами или непосредственным измерением расстояний и превышений между теодолитами, поскольку в этом случае погрешности центрирования и определения координат исходных пунктов снизят точность обмера. Поэтому приборы размещают рациональным с точки зрения наилучших условий наблюдения объекта образом, а масштабированию сети (и в том числе определению расстояний и превышений между теодолитами) служат дополняющие сеть наблюдения на конечные марки (Gil, G12, G21, G22 и тд.) специальных масштабных
жезлов. Такая методика исключает влияние погрешностей положения теодолитов и необходимость непосредственного измерения расстояний и превышений между приборами. Подобная координатоопределяющая схема обмера обладает высокой гибкостью, позволяя однообразно определять геометрические параметры сложных поверхностей, такие как: длину, ширину, радиус кривизны, ориентацию в пространстве, перемещение, соответствие заданной форме и др.
Рис. 1. Схема пространственной линейно-угловой сети вокруг объекта сферической формы.
В нашей стране применение и разработка подобных систем носит экспериментальный характер. Это связано с различными причинами -высокой стоимостью зарубежных систем и недостаточной точностью отечественных аналогов (на базе теодолита Т5Э). Кроме того, при всех достоинствах электронно-теодолитных систем методика их применения и программное обеспечение требуют совершенствования.
Так, стандартное программное обеспечение ECDS3 выполняет уравнивание методом итераций и в силу различных причин заданная точность может быть не достигнута за предельное число итераций или
решение может быть вообще не найдено из-за расхождения итерационного процесса; не разработана теория оптимальной конфигурации пространственной линейно-угловой сети, создаваемой теодолитной системой; не разработана методика оптимальной обработки многобазисных сетей (рис. 2), в результате чего при обмере протяженного объекта комплектом из двух теодолитов по мере продвижения от одного края объекта к другому происходит накопление ошибок; в стандартном программном обеспечении ECDS ограничено возможное число жезлов, визирований на одну точку. При обмере больших объектов необходимо программное обеспечение, не имеющее таких ограничений.
Рис. 2. Обмер протяженного объекта тремя перестановками пары теодолитов. Целью настоящей работы является: разработка более универсальных алгоритмов обработки и оценки точности результатов измерений теодолитными системами;
создание на их основе комплекса программ для ПЭВМ, способных функционировать в составе существующей электронно-теодолитной системы Kern ECDS или на отечественной приборной базе;
разработка методов дальнейшего повышения точности и оперативности обмеров электронно-теодолитными системами объектов сложной конфигурации с использованием средств реально доступных отечественным предприятиям;
разработка методики применения теодолитных координатоопреде-ляющих систем для обмера конкретных крупногабаритных деталей и механизмов на различных энергетических объектах.
Методика исследований. В качестве основного метода исследования принят метод математического моделирования, позволяющий оценить оптимальность сети любой конфигурации и способа построения, корректность различных алгоритмов уравнивания и правильность составленных по ним программ. Исследования основывались также на комплексном использовании вычислительных методов линейной алгебры, математической статистики и теории ошибок измерений, и проверке полученных результатов в ходе натурных экспериментов.
Научная новизна работы состоит в том, что пространственные линейно-угловые сети, возникающие при использовании теодолитных систем, исследуются на детерминированных математических моделях, в результате чего получен рад конкретных предложений, повышающих точность результатов измерений:
разработан универсальный алгоритм строгого уравнивания пространственных, плановых и высотных сетей произвольной конфигурации на основе рекуррентного метода решения параметрических уравнений;
определено оптимальное количество, положение, ориентация, длина масштабных жезлов или реек при масштабировании сети;
выработаны рекомендации по рациональному размещению приборов относительно обмеряемого объекта;
разработан метод повышения точности определения взаимного положения пунктов пространственной сети путем выборочного измерения превышений между ними;
предложена технология калибровки увеличенной масштабной рейки средствами электронно-теодолитной системы с применением параметрического уравнения поправок для измеренной разности двух расстояний;
предложена методика определения координат точек объекта одним теодолитом путем использования в составе координатоопределяю-щих систем высокоточных нивелиров. В связи с этим предложена технология бесконтактного измерения превышений.
Научные результаты, выносимые на защиту:
методы повышения точности специальных пространственных сетей, позволяющие выполнять высокоточный обмер объектов сложной формы или с повышенными требованиями к точности;
алгоритмы и программы для ПЭВМ, обеспечивающие строгое уравнивание пространственных линейно-угловых сетей произвольной формы и корректное вычисление оценок точности взаимного положения пунктов сети;
технологии высокоточного обмера, определения деформаций крупногабаритных деталей и механизмов различных энергетических объектов.
Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждают экспериментальные исследования, проведенные на матема-
тических моделях и контрольных объектах, а также опыт практического применения разработанных алгоритмов и технологий при решении практических задач на различных производственных объектах.
Научное значение работы:
теоретическими и экспериментальными исследованиями доказана возможность повышения точности обмера сложных крупногабаритных объектов теодолитными координатоопределяющими системами в условиях производства;
экспериментами на математических моделях показано, что применение современной вычислительной техники при планировании измерений, (геометрии сети, точности измерений) позволяет отказаться от сложных нелинейных, оптимизационных моделей и ограничиться перебором вариантов в линейных, дескриптивных моделях.
Практическое значение работы:
-
Разработана методика высокоточного обмера конкретных крупногабаритных деталей оборудования АЭС и ТЭЦ и выработке рекомендаций по повышению точности определения размеров любых других объектов крупного машиностроения при различных недостатках в конфигурации пространственной сети, часто встречающихся на производстве (вытянутая сеть, неблагоприятный угол засечки, невидимости и др.). При реализации предлагаемых в работе предложений точность обмера различных объектов может быть увеличена в 2.5-3 раза по сравнению с типовыми методиками. Подобный эффект достигается без увеличения времени наблюдений за счет рационального размещения приборов, а также применением традиционных инструментов и оборудования.
-
Расширении области применения теодолитных координатоопреде-ляющих систем Появилась возможность обмерять объекты, ранее в связи со сложностью их поверхностей, недоступные измерениям и требующие для этого разборки. Кроме того, достигнутая точность обмера позволяет использовать теодолитные системы не только для обмера различных объектов, но и при метрологическом обеспечении производства.
-
Реализации предложенных алгоритмов в виде программ для ПЭВМ.
Практическая реализация работы.
Технологии обмера, методики повышения точности результатов и разработанное программное обеспечение прошли апробацию в центре высоких метрологии при Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете во время выполнения работ на ПО 'Тіжорский завод", ЛАЭС, Южноукраинской АЭС, Киришской ТЭЦ, Южной ТЭЦ СПб, ПО "Ленинградский металлический завод".
Методика тестирования алгоритмов уравнивания геодезических построений использовалась в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного горного института при обучении студентов специальности "Геодезия".
Программа для ПЭВМ - 3D_COMBY, составленная на основе универсального алгоритма уравнивания пространственных геодезических сетей, применялась в лаборатории фотограмметрии ВНИМИ при определении положения опорных точек на фасадах зданий при фотограмметрической съемке памятников архитектуры в Санкт-Петербурге.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
научная конференция студентов и молодых ученых СПбГГИ -"Полезные ископаемые России и их освоение" (Санкт-Петербург, 24-25 апреля 1996); - заседание международной научной школы при Институте проблем машиностроения РАН - "Теоретические и прикладные проблемы точности и качества машин, приборов, систем" (Санкт-Петербург, 28-31 октября 1996);
заседание Санкт-Петербургского отделения Русского географического общества (Санкт-Петербург, 19 ноября 1996).
Основные результаты исследований опубликованы в 7 печатных работах.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы 177 страниц. Список литературы включает 71 наименование.
