Введение к работе
Актуальность. Современное развитие отечественного машиностроения связано с совершенствованием технологических процессов и повышением качества выпускаемых технических объектов и изделий. Эти требования становятся особенно жесткими в условиях рыночной экономики, где конкурентоспособность выпускаемых объектов и изделий имеет особо важное значение. Международный рынок диктует постоянную тенденцию к повышению качества выпускаемой продукции при снижении ее цепы. А это в свою очередь формирует задачи управления качеством в промышленности. Управление, планирование и экономическое стимулирование развития качества все более концентрируется на обеспечении работ без брака. Эта стратегия является ведущей в промышленно развитых странах.
По экономическим и функциональным причинам техника развивается в направлении усложнения изделий, уменьшения технологических допусков, все большего соединения стадий производства и его технологической подготовки, а также повышения требований к гибкости производства из-за быстрой смены изделий. Все эти проблемы могут быть решены при автоматизации технологических процессов в промышленности.
Одной из основных причин, которая препятствует внедрению систем автоматизации в промышленности, является отсутствие высокоэффективных и точных измерительных приборов и систем для контроля технологического процесса и изделий, поскольку системы автоматизации требуют получения большого объема измерительной информации за ограниченный промежуток времени.
Особенно актуальна эта проблема в отраслях машиностроения, выпускающих крупногабаритную химнефтеаппаратуру, энергетическое оборудование, аэрокосмнческую технику и другие виды габаритной продукции. Одним нз основных технологических процессов на заводах этих отраслей является гибка крупногабаритных деталей из листовых заготовок в нагретом состоянии. Этот технологический процесс в отличии от других, например, обработкой резанием, является безотходным и менее энергоемким, т.е. более экономичным.
В тоже время точность и производительность таких технологических операций не отвечает современным требованиям производства, что в первую очередь связано с отсутствием на предприятиях контрольно-измерительных средств, позволяющих осуществлять измерения основных геометрических параметров деталей в течении технологического процесса. Отсутствие измерительных средств в свою очередь сдерживает внедрение систем автоматизации.
Положение на заводах отраслей таково, что, выпуская сложную и уникальную аппаратуру, контроль геометрических параметров основных базовых деталей осуществляется в основном с помощью рулеток, шаблонов и других контактных ручных средств. Реже применяются оптические измерительные устройства, выполненные в основном на базе теодолита.
Все эти измерительные средства не обеспечивают необходимой точности и оперативности контроля, а в случае изготовления детали в нагретом состоянии (700-ЮООС) их использование становіггея практически невозможным. По эюй причине такие детали контролируются после остывания и если размер ее не соответствует заданному, то осуществляется повторный технологический цикл, причем с дополнительными операциями, что увеличивает трудоемкость и энергозатраты изготовления детали. Кроме того, невысокая точность изготовления деталей приводит в свою очередь к дополнительным затратам на сборочные и монтажные операции и отрицательно влияет на ее эксплуатационные показатели.
В тоже время существующие в металлообработке измерительные средства и автоматизированные системы управления технологическими процессами практически невозможно использовать в производстве детали, представляющей собой гибкую оболочку, например, обечайки -основной базовой детали химнефтеаппаратуры, поскольку в течении технологического процесса на валкововой листогибочной машине деталь в результате деформации теряет свою первоначальную форму и меняет свое положение в пространстве. По этой причине потерпели неудачу попытки различных организаций и коллективов использовать в качестве системы управления технологическим процессом гибки системы числового программного управления металлорежущими станками.
Разработка информационно-измерительных систем (ИИС) определения геометрических параметров крупногабаритных деталей в процессе их производства в настоящее время сдерживается отсутствием в литературе обобщающих публикаций по анализу и синтезу измерительных преобразователей, работ по цифровому моделированию структур и параметров информационно-измерительных систем, а также аналитических методов инженерного расчета основных параметров элементов н блоков систем.
Таким образом, комплексное решение вопросов автоматизации контроля и управления производством крупногабаритных детален на базе информационно-измерительных систем определения геометрических параметров крупногабаритных деталей является актуальной научно-технической проблемой, имеющей важное практическое значение.
Цель работы заключается в разработке методологии проектирования измерительных преобразователей и структур оптико-электронных систем измерения геометрических параметров крупногабаритных деталей, методов цифрового моделирования н расчета основных параметров элементов и структур измерительных систем.
Работа обобщает многолетние исследования и разработки, проведенные при непосредственном участии и научном руководстве автора в Волгоградском Государственном техническом университете (ВолгГТУ)- Исследования проведены в рамках следующих научно-исследовательских работ: хоздоговорная тема с Волгоградским государственным тракторным заводом "Автоматизированная система научных исследований узлов и агрегатов трактора на стендах" за 1985-1988 гг., гос. заказ 193-88 министерства химического и нефтяного машиностроения ''Исследование, разработка и испытание экспериментального образца информационно-измерительного модуля технологического процесса правки цилиндрических обечаек" за 1988-1989 гг., хоздоговорная тема с Волгоградским заводом нефтяного машиностроения им. Петрова "Оптико-электронная система для измерения диаметров днищ химнефтеаппарагуры" за 1990-1991 гг.,' тема "Автоматизированная система управления формообразованием крупногабаритных детален" в разделе "Фундаментальные осноеы создания высоких технологий специального машиностроения" программы "Университеты России" за 1994-1997 гг., госбюджетная тема "Измерительные информационные системы" за 1990-1996 гг., финансируемая госбюджетная тема "Разработка и исследование методов контроля геометрических параметров изделий" за 1995-1997 гг.
Методы исследования. В работе использованы методы теории функции комплексного переменного, теории z-преобразования, теории случайных функций, теории графов, теории автоматического управления, теории электрических цепей, а также эвристические методы проектирования технических устройств и систем.
Научная новизна:
- разработан метод использования теоремы Котельникова
(теоремы отсчетов) для оценки оптимального объема получаемой изме
рительной информации для разработанной или выбранной схемы из
мерения геометрических параметров;
разработана методика анализа схем измерения и определения методических погрешностей оптико-электронных систем измерения, основанная на теории функции комплексного переменного;
разработана методика цифрового моделирования аналоговых устройств ОЭС по электрическим схемам и схемам замещения, основанная на использовании z-преобразования;
разработана методика оценки погрешностей цифровых моделей и численных рекуррентных методов с использованием Z-преобразования и теории графов;
разработана методология проектирования измерительных преобразователен ОЭС с помощью обобщенных схем;
разработана методика определения основных параметров измерительных преобразователен ОЭС.
На защиту выносятся:
-
Математические модели схем измерения и методики аналитического исследования методических погрешностей оптико-электронных систем измерения геометрических параметров крупногабаритных изделий.
-
Цифровые модели время-импульсных и аналоговых устройств оптико-электронных систем измерения геометрических параметров изделий.
-
Методика анализа погрешностей численного рекуррентного метода моделирования устройств ОЭС.
-
Методология проектирования измерительных преобразователей ОЭС.
Практическая значимость работы:
разработаны оптико-электронные измерительные преобразователи положения кромки детали, износа детален, величины крутящего момента, темперзгуры изделий, центра полой цилиндрической детали;
разработаны автоматические системы базирования измерительных преобразователей, коррекции величины температурной деформации, адаптации основных параметров измерительных преобразователей и устройства ввод измерительной информации в ЭВМ;
разработан эффективный метод машинного анализа электрических и электронных устройств измерительных и автоматических систем;
разработана практическая методика оценки погрешностей рекуррентных программ цифровых управляющих систем;
разработан метод управления качеством технологического процесса производством крупногабаритных изделий в машиностроении.
Разработанный математический метод геометрических преобразований может быть использован в различных областях науки и техники, например, теории машин и механизмов при проектировании кулачковых механизмов, в робототехнике при разработке и управлении различными захватывающими устройствами.
Предлагаемые принципы проектирования могут быть использованы при создании машинных методов проектирования измерительных устройств с использованием банка данных физических эффектов.
Реализация научно-технических результатов. Основные результаты теоретических и экспериментальных работ автора при непосредственном его участии внедрены в промышленность и учебный процесс. В частности, эти результаты нашлн применение при создании:
оптико-электронного пирометра для измерения температуры нагретых крупногабаритных изделий;
оптико-электронной системы для измерения диаметров днищ хнмнефтсаппаратуры;
- оптико-электронной системы для измерения геометрических па
раметров цилиндрических обечаек в процессе их производства на вал
ковых листогибочных машинах;
измерительных преобразователей механических величин для автоматизированных систем управления различными технологическими процессами и испытаниями узлов и агрегатов транспортных средств;
методик н программ для анализа схем измерения геометрических параметров и расчета методических погрешностей оптико-электронных систем;
методик замены аналоговых устройств п регуляторов систем автоматического управления цифровыми;
методик и программ для исследования динамических характеристик электронных устройств и элементов систем автоматического управления.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на региональном научно-техническом семинаре (НТС) Северо-Кавказского центра высшей школы "Оптические и оптико-электронные устройства в автоматических системах" (Краснодар, 1977 г.), Межотраслевой научно-практической конференции "Проведение комплексных мер по ликвидации тяжелого ручного труда" (Волгоград, 1977 г.), Республиканской научно-технической конференции (НТК) "Структурные методы повышения точности, быстродействия и чувствительности измерительных устройств и систем" (Киев, 1981 г.), НТК "Механизация и автоматизация контрольно-сборочных операций в машиностроении" (Волгоград, 1986 г.), Всесоюзной НТК "Автоматизация поискового конструирования и подготовки инженерных кадров" (Волгоград, 1987 г.), Нижне-Волжском региональном семинаре "Диагностические применения лазеров и волоконной оптики в народном хозяйстве" (Волгоград, 1990 г. ), НТС "Методы и средства обработки измерительной информации" (Челябинск, 1990 г.), Всесоюзной конференции "Микроэлектронные датчики в машиностроении" (Ульяновск, 1990 г.), Всесоюзном научном семинаре "Метрология лазерных измерительных систем" (Волгоград, 1991 г.), НТС "Компьютеризация учебного процесса" (Астрахань, 1992-1993 г.).
Віслад автора. Научная постановка задач теоретических и экспериментальных исследований, решение основных теоретических, методических и практических вопросов, связанных с разработкой математического, алгоритмического н метрологического обеспечения огптжо-электронных систем для измерения геометрических параметров изделий в машиностроении, разработка принципов проектирования информационно-измерительных систем, разработка программ цифрового моделирования выполнены лично автором диссертации.
Публикации. Основные положения и результаты диссертации излажены в 50 научных трудах, в том числе, в учебном пособии.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из ввсдєнїія, шести глав, заключения, списка литературы и 7 приложений. Основная часть работы изложена на 270 страницах машинописного текста, содержит 50 рисунков, 2 таблицы н 201 наименование библиографического указателя. Приложения содержат документы об использовании результатов работы.