Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ существующих систем неразрушающего контроля качества паяных соединений сопел камер ЖРД 12
1.1 Анализ конструкции камер ЖРД. Обзор типовых дефектов. Вероятность их обнаружения средствами НК 12
1.2 Особенности применения лазерно-ультразвукового метода контроля качества паяных соединений сопел камер ЖРД 15
1.3 Анализ современных автоматизированных ультразвуковых систем контроля качества 17
1.4 Обоснование необходимости создания автоматизированного лазерно ультразвукового метода измерения, геометрических характеристик дефектов паяных соединений сопел камер ЖРД 22
Выводы по 1 разделу 24
2. Разработка модели и алгоритма автоматизированного измерения, дефектов паяных соединений сопел камеры жидкостных ракетных двигателей 26
2.1 Обоснование необходимости автоматизации процесса лазерно ультразвукового контроля качества паяных соединений сопел камер ЖРД 26
2.2 Разработка математической модели описания газодинамического профиля камеры ЖРД 35
2.3 Исследование и разработка способа контроля качества акустического контакта при автоматизированном лазерно-ультразвуковом измерении геометрических характеристик дефектов паяных соединений сопел камер ЖРД 53
2.4 Разработка алгоритма проведения автоматизированных измерений, дефектов паяных соединений сопел камеры ЖРД 61
Выводы по 2 разделу 69
3. Разработка основных конструктивных решений по автоматизированной лазерно-ультразвуковой установки 71
3.1 Анализ основных функциональных узлов, необходимых для проведения автоматизированного лазерно–ультразвукового контроля качества паяных соединений камер жидкостных ракетных двигателей 71
3.2 Разработка конструктивных решений устройства фиксации и центрирования объекта контроля 73
3.3 Разработка конструктивных решений устройства обеспечения надежного акустического контакта 75
3.4 Разработка конструктивных решений устройства позиционирования датчика на поверхности объекта контроля 77
3.5 Оценка погрешности автоматизированной лазерно-ультразвуковой установки НК 86
3.6 Адаптация алгоритма проведения автоматизированных измерений под разработанные технические решения 88
Выводы по 3 разделу 91
4 Разработка и практическая апробация методики автоматизированных измерений геометрических характеристик дефектов паяных соединений сопел камер сгорания 92
4.1 Методика автоматизированных измерений геометрических характеристик дефектов паяных соединений сопел камер ЖРД. 92
4.2 Практическая апробация методики автоматизированных измерений геометрических характеристик дефектов паяных соединений сопел камер сгорания 94
Выводы по 4 разделу: 101
Заключение 103
Список литературы 105
- Анализ современных автоматизированных ультразвуковых систем контроля качества
- Разработка математической модели описания газодинамического профиля камеры ЖРД
- Разработка конструктивных решений устройства фиксации и центрирования объекта контроля
- Практическая апробация методики автоматизированных измерений геометрических характеристик дефектов паяных соединений сопел камер сгорания
Введение к работе
Актуальность работы
Космическая деятельность в Российской Федерации, реализуемая на основе современных высокотехнологичных космических средств, признана одним из государственных приоритетов с стратегическими целями, направленными на повышение качества жизни населения, обеспечение высоких темпов устойчивого экономического роста, создание потенциала для будущего развития страны и повышения уровня ее национальной безопасности. Огромный технологический опыт и созданный в России космический потенциал позволяют обеспечивать полный цикл работ от разработки космических средств до получения результатов, требуемых для удовлетворения потребностей страны и ее эффективного участия на мировом рынке космических услуг. Успехи космической отрасли возможны только в условиях обеспечения высокой надежности и безопасности ракетно-космических систем. Этот фактор на сегодняшний день играет все большее экономическое значение, поскольку аварии и любые нештатные ситуации приводят не только к неполучению или недополучению прибыли, но и к убыткам, измеряемым десятками и сотнями миллионов долларов.
С 2011 г. при запусках с космодромов мира произошло 11 аварий ракет-носителей (РН), 7 из которых приходится на Россию. Следует отметить, что большинство из них произошло по причине отказов ракетных двигателей. Поэтому одним из ключевых решений, влияющим на надежность и безопасность РН, является обеспечение безотказности элементов жидкостного ракетного двигателя (ЖРД), в том числе его камеры. Камера ЖРД является его важнейшим агрегатом, работающим в условиях высоких значений температуры (более 3000 К) и давления (до 25 МПа), а проблема обеспечения ее прочности и надежности охлаждения остается актуальной и по сей день. При этом ключевую роль в решении данной проблемы играет контроль качества паяных соединений стенок камеры ЖРД.
Степень разработанности
Проблеме контроля качества паяных соединений сопел камер ЖРД сегодня
уделяется большое внимание, наиболее современный и достоверный подход к ее
решению сделан специалистами ФГУП «НПО «Техномаш», Учреждения науки
ИКЦ СЭКТ и Университета ИТМО, которые обосновали целесообразность и
преимущества применения ультразвукового метода, а именно лазерно-
ультразвукового. Однако внедрение данного метода на предприятиях ракетно-
космической отрасли для контроля качества паяных соединений камер ЖРД
сдерживается отсутствием его автоматизации. Это вызвано тем, что при контроле
качества паяных соединений в ручном режиме ошибки измерений размеров
возможных дефектов, вносимые оператором-дефектоскопистом, существенным
образом влияют на достоверность результатов контроля. Решение данной
проблемы возможно за счет создания автоматизированного лазерно-
ультразвукового метода измерения геометрических характеристик дефектов паяных соединений сопел камер ЖРД.
Таким образом, имеет место проблемная ситуация, заключающаяся в противоречии между необходимостью лазерно-ультразвукового контроля качества паяных соединений камер ЖРД с высокой степенью достоверности – с одной стороны, и отсутствием методов и методик решения подобных задач в автоматизированном режиме – с другой. Научно-техническая задача, решаемая в настоящей диссертационной работе, может быть сформулирована следующим образом – разработка автоматизированного лазерно-ультразвукового метода измерений геометрических характеристик дефектов паяных соединений камер жидкостных ракетных двигателей и оценка качества паяных соединений камер жидкостных ракетных двигателей.
Отсутствие алгоритмов, методов и методик, позволяющих осуществлять контроль качества паяных соединений, а также специфика дефектов паяных соединений, необходимость разработки специальной методики и средств контроля обуславливает актуальность темы диссертационных исследований.
Предметом научных исследований в диссертации выступают алгоритмы, методы и методики автоматизированных лазерно-ультразвуковых измерений геометрических характеристик дефектов паяных соединений и особенности их использования для оценки качества паяных соединений камер ЖРД.
Цель работы - повышение точности измерений геометрических характеристик дефектов паяных соединений сопел камер жидкостных ракетных двигателей на основе автоматизации процесса лазерно-ультразвукового контроля.
Задачами исследования являются:
-
Анализ существующих систем ультразвукового неразрушающего контроля и средств их автоматизации.
-
Разработка моделей и алгоритма автоматизированного измерения геометрических характеристик дефектов паяных соединений сопел камеры ЖРД.
-
Разработка основных конструктивных решений по автоматизированной лазерно-ультразвуковой установке.
-
Разработка и практическая апробация методики автоматизированных измерений геометрических характеристик дефектов и контроля качества паяных соединений сопел камер ЖРД.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Корректно обоснована необходимость применения нейросетевой аппроксимации для описания газодинамического профиля камер ЖРД, позволяющей обеспечивать адаптивное управление автоматизированной лазерно-ультразвуковой установкой НК. Впервые предложено использовать нейросетевую аппроксимацию для описания газодинамического профиля камер ЖРД.
-
Разработан адаптивный алгоритм проведения автоматизированных лазерно-ультразвуковых измерений геометрических характеристик дефектов паяных соединений сопел камер ЖРД, позволяющий повысить точность измерений геометрических характеристик дефектов паяных соединений. При реализации алгоритма впервые предложено осуществлять интегральную оценку качества паяных соединений сопел камер ЖРД.
Теоретическая и практическая значимость:
-
Разработка основных элементов конструкций автоматизированной лазерно-ультразвуковой установки, обеспечивающие позиционирование и надежный акустический контакт датчика с объектом контроля.
-
Разработка методики автоматизированных лазерно-ультразвуковых измерений геометрических характеристик дефектов паяных соединений сопел камеры жидкостных ракетных двигателей.
Методология и методы исследования
Для решения задач используются методы теории акустики, теории точности и теории приближения функций. Полученные результаты обрабатывались при помощи методов математической статистики в программной среде Exсel. Вычисления выполнены с помощью пакета прикладных программ MATLAB. Моделирование узлов конструкций осуществлялось в среде SolidWorks, для осуществления графических методов расчета использовалась система Компас-3D.
Положения, выносимые на защиту
1) Обоснование применения нейросетевой аппроксимации для описания
газодинамического профиля камер ЖРД, позволяющей достичь высокой точности
аппроксимации исходных данных за счет наличия в нейросетях скрытого слоя
нейронов с нелинейными функциями активации (гиперболический тангенс).
-
Адаптивный алгоритм автоматизированных лазерно-ультразвуковых измерений геометрических характеристик дефектов паяных соединений сопел камер ЖРД, позволяющий обеспечивать адаптивное управление автоматизированной лазерно-ультразвуковой установкой НК, и метод интегральной оценки площади дефектов паяных соединений сопел камер ЖРД, позволяющий принимать решение о качестве паяных соединений сопла камеры ЖРД и ее дальнейшей эксплуатации на основании двухпараметрического анализа значений коэффициентов wi и K .
-
Основные конструктивные решения по автоматизированной лазерно-ультразвуковой установке контроля качества паяных соединений сопел камер ЖРД.
-
Методика автоматизированных измерений геометрических характеристик дефектов и контроля качества паяных соединений сопел камер ЖРД.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций определяется корректностью постановки задач теоретического и экспериментального исследований, обоснованностью допущений, принятых при математическом и физическом моделировании, признанием основных положений диссертации широким кругом специалистов при апробировании материалов исследований на семинарах и конференциях, использованием при проведении экспериментальных исследований стандартных и специально разработанных обоснованных методик испытаний конструкционных материалов, сходимостью полученных в работе результатов с результатами иных авторов, подтверждением результатов теоретических расчетов данными экспериментальных исследований.
Практическая ценность работы
Результаты исследований позволяют давать оценку качества паяных соединений сопла камеры ЖРД на основании проведенных измерений геометрических характеристик дефектов. Использование разработанной методики позволило оперативно принимать решение о допуске камер ЖРД к огневым испытаниям и их приемке в эксплуатацию.
Реализация результатов работы
Основные результаты исследований реализованы в ООО «НТЦ «Эталон», о чем свидетельствует Акт о внедрении результатов диссертационного исследования.
Апробация результатов работы
Результаты исследований докладывались на: XLII научной и учебно-
методической конференции (с 29.01–1.02.2013, г. СПб.), II Всероссийском
конгрессе молодых ученых (9-12.04.2013, г. СПб), XLIII научной и учебно-
методической конференции (с 28 – 31.01.2014, г. СПб), III Всероссийском
конгрессе молодых ученых (8-11.04.2014, г. СПб), IV Всероссийской научно-
технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов
«Неразрушающий контроль: электронное приборостроение, технологии,
безопасность» (26-30.05.2014, г. Томск), XLIV научной и учебно-методической
конференции (3-6.02.2015, г. СПб), IV Всероссийском конгрессе молодых ученых
(8-9.04.2015, г. СПб), III международной научно-практической конференции
«Инновации на транспорте и в машиностроении». Национальный минерально-
сырьевой университет «Горный» (14-15.04.2015, г. СПб).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, 4 из них – в периодических изданиях из перечня ВАК.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы (84 наименование). Основной текст работы (113 страниц) включает 5 таблиц и 77 рисунков.
Анализ современных автоматизированных ультразвуковых систем контроля качества
Камера ЖРД является агрегатом, в котором компоненты топлива или продукты газогенерации в результате химических реакций преобразуются в продукты, создающие при истечении реактивную силу. В камере сгорания температура продуктов сгорания может достигать 4000К, а давление – 20 МПа и более. По геометрической форме камера ЖРД представляет собой канал, суженный в середине. В простейшем случае камера ЖРД может состоять из пары усечённых конусов, сопряжённых узкими концами. Камеры современных двигателей ЖРД профилируются на основании газодинамических расчётов. Такая форма была предложена в 1890 г. шведским изобретателем Густафом де Лавалем для паровых турбин. Камеры сгорания с пазами на внутренней оболочке являются разновидностью конструкций камер с регенеративным охлаждением. В них тракт охлаждения образован зазором между канавками на внутренней оболочке и внутренней поверхностью наружной оболочки. Конструкция камеры сгорания с пазами охлаждения позволяет получить необходимый закон изменения скорости протекания охлаждающего компонента и создать требуемый тепловой режим во внутренней оболочке. На рисунке 1.2 изображено устройство и геометрические характеристики стенки камеры ЖРД в собранном (спаянном) виде: к внутренней оребренной оболочке припаяна внешняя оболочка, так же изображено дефектное паяное соединение. Для ЖРД 14Д23 максимальная толщина стенки составляет 2,1 - 2,4 мм, ширина ребра 0,8 мм, ширина канавки 1,15 мм. Изготовление камер ЖРД с фрезерованными пазами является сложным технологическим процессом, и заключается в следующем. Заготовки внутренней оболочки получают вытяжкой на гидравлическом прессе из листа за несколько переходов, с промежуточным отжигом для восстановления пластических свойств. Полученная заготовка обрабатывается (при установке на жесткой оправке) по наружной и внутренней поверхностям на станке с ЧПУ. Заготовки наружной оболочки камеры сгорания (КС) состоят из двух частей: цилиндрической и профилированной. Изготавливают их из листа. Каналы охлаждения на наружной поверхности внутренней оболочки получают фрезерованием на станках с ЧПУ. Перед отправкой в гальванический цех внутреннюю и наружную оболочки комплектуют друг с другом, собирают на оправке и проверяют прилегание наружной поверхности внутренней оболочке, предварительно покрытой мелом к внутренней поверхности наружной оболочки. После чего узел отправляется в гальванический цех. Пайка производится в вакуумно-компрессионной индукционной печи [4].
В процессе изготовления камер ЖРД возникают дефекты паяных соединений, связанные с нарушением технологического процесса на одном из этапов изготовления или сборки. В процессе эксплуатации камер ЖРД, под действием высокого давления и градиента температур происходит разрушение паяных соединений, что приводит к отказу двигателя в целом. Таким образом, от качества паяных соединений зависит надежность работы двигателя[5].
В настоящий момент контроль качества паяных соединений сопел камер ЖРД осуществляется на основе результатов гидравлических и огневых испытаний. В случае наличия дефектов пайки в процессе испытаний дорогостоящая камера ЖРД переходит в неработоспособное состояние и становится непригодна для дальнейшего использования по назначению. Однако даже положительные результаты испытаний не являются источником достоверной информации, это связано с тем, что дефекты, размеры которых до испытаний были незначительными и никак не проявили себя в ходе испытаний, на самом же деле могли развиться до критичных размеров, что приведет к разрушению двигателя в процессе эксплуатации [6].
Применение неразрушающих методов контроля, таких как радиационный, акустический, вихретоковый, не позволяет выявлять дефекты паяных соединений сопел камер ЖРД. На сегодняшний день единственным методом, позволяющим осуществлять контроль качества паяных соединений тонкостенных слоистых конструкций и в частности сопел камер ЖРД, является лазерно-ультразвуковой метод. Данный метод относится к акустическим методам неразрушающего контроля. Особенностью лазерно-ультразвукового метода является возбуждение акустического сигнала за счет коротких лазерных импульсов, в широкополосном оптико-акустическом преобразователе через прозрачную призму падает лазерный импульс на контролируемую поверхность объекта контроля (Рисунок 1.3). Прозрачная призма находится в акустическом контакте с объектом контроля и является одновременно звукопроводом широкополосного пьезоэлектрического приемника. Поглощаясь в металле, лазерное излучение нагревает тонкий поверхностный слой объекта контроля и граничащий с ним слой жидкости, что приводит к тепловому расширению и возбуждению ультразвуковых импульсов – акустических сигналов[7-10]. Применение лазерно-ультразвукового метода для контроля качества паяных соединений при контроле в ручном режиме связано со значительной трудоемкостью и, как следствие, высокой вероятностью ошибок оператора (дефектоскописта) при осуществлении операций контроля. Сущность контроля заключается в измерении времени прохождения ультразвуковой волны в ребре внутренней стенки камеры. Время прихода отраженного сигнала, при известной скорости распространения ультразвуковой волны в материале стенки камеры, позволяет судить о величине пути, пройденного ультразвуковой волной. Время прихода ультразвуковой волны от границы ребра меньше, чем при прохождении волны через ребро и внешнюю стенку. Таким образом, о наличии дефекта судят по времени прихода донного сигнала.
На Рисунке 1.4 представлена схема контроля качества паяных соединений сопел камер ЖРД лазерно-ультразвуковым методом. Для осуществления контроля необходимо выполнять следующие операции: позиционировать датчик ортогонально внутренней поверхности сопла камеры, позиционировать датчик на ребре, обеспечить тарированный прижим датчика к внутренней поверхности сопла камеры ЖРД, после чего переместить датчик на следующее ребро и
Разработка математической модели описания газодинамического профиля камеры ЖРД
Таким образом, в результате исследования установлено, что информативным параметром, характеризующим качество акустического контакта преобразователя с поверхностью контроля, может являться амплитуда зондирующего сигнала. Так же было установлено, что сильное влияние на качество акустического контакта оказывает усилие прижима Fприж преобразователя к поверхности объекта контроля [51 - 60]. Таким образом, на величину амплитуды зондирующего сигнала Аз влияет усилие прижима Fприж преобразователя к поверхности объекта контроля, зависимость Аз от Fприж представлена на рисунке 2.32. Согласно рисунку 2.32 при увеличении Fприж происходит увеличение Аз ,до некоторого значения пороговое значение Апорог , которое достигается при некотором значении усилия Вид зависимости Аз от F Для апробации данной теории была собрана экспериментальная установка (Рисунок 2.33). Экспериментальная установка состоит из направляющей, каретки, рычага, оснастки для датчика и датчика (см. Рисунок 2.30). В оснастку для датчика устанавливается датчик ПЛУ 12У, после чего оснастка устанавливается в стойку. На рычаг подвешивается груз, под действием груза каретка перемещается по направляющей вниз, прижимая датчик к образцу. Нагружение происходит до тех пор, пока значения амплитуды зондирующего импульса Аз не перестанут изменяться, при увеличении массы груза, но масса груза не должна превышать критичного значения, достижение которого разрушит или деформирует датчик.
Учитывая особенности экспериментальной установки, сила на конце Fт рычага будет отличаться от силы, давящей на датчик Fо . Для вычисления Fо , рассмотрим схему действующих на систему сил (Рисунок 2.34). где с - жесткость пружины, Ах - растяжение пружины, Fj - сила, приложенная к рычагу, F0 - сила, действующая на датчик.
Экспериментальная установка имеет следующие геометрические характеристики: /7=0,08 м, /2=0,31, с=720 Н/м. С помощью экспериментальной установки были проведены измерения, в результате которых установлена зависимость стабильного акустического контакта от усилия прижима для датчика ПЛУ 12У (Рисунок 2.35) [61 - 62].. Рисунок 2.35 – Тарировочная кривая для датчика ПЛУ 12У
Зависимость, представленная на Рисунке 2.32, соответствует теоретическому представлению. Для ПЛУ 12У стабильный акустический контакт достигается при значении усилия прижима от 30 Н, увеличение нагрузки не приводит к существенным изменениям значений амплитуды сигнала.
Проведение автоматизированных измерений с точки зрения механики заключается в перемещении преобразователя по поверхности объекта контроля. Кинематическая схема автоматизированных измерений в общем виде представлена на рисунке 2.36, из схемы следует, что система автоматизированных измерений должна иметь четыре степени свободы: перемещение вдоль ось Х, перемещение вдоль оси Z, вращение в плоскости XZ и вращение в плоскости XY. Наличие таких степеней свободы позволит сканировать всю поверхность контроля, однако траектория движения и последовательность перемещения преобразователя по поверхности объекта контроля может быть различной[62-68].
Для определения наиболее рациональной модели перемещения датчика по внутренней поверхности камеры ЖРД были рассмотрены возможные способы перемещения преобразователя (Рисунок 2.37). Рисунок 2.37 – Классификация возможных схем проведения контроля
Согласно Рисунку 2.37, возможные схемы проведения автоматизированных измерений условно можно разбить на 3 группы: сканирование по сечениям ортогональным осевой линии; сканирование по образующей; сканирование по спирали. Каждая из предложенных схем имеет как преимущества, так и недостатки, критерием выбора той или иной схемы служит простота исполнения. Проведя качественный анализ, установлено, что наиболее рациональной схемой, является схема сканирования по сечениям ортогональным осевой линии с неподвижным объектом контроля. Данная схема сканирования является наиболее простой и при этом позволяет обеспечить требуемую точность измерений. Сущность данной схемы сканирования заключается в жесткой фиксации и центрировании объекта контроля, позиционировании датчика на внутренней поверхности объекта контроля. После чего происходит перемещение датчика на один оборот относительно центральной оси, перемещении датчика на шаг равный ширине пятна контакта датчика и последующее перемещение на один оборот датчика вокруг оси. Данная схема контроля позволяет получать чередующеюся оптоакустическую картину «ребро-канавка» и не зависит от изменения числа ребер в контролируемом сечении. Таким образом, осуществляется сканирование всей камеры ЖРД. Применение схемы сканирования по образующей осложнено еще и тем, что количество ребер не постоянно по всей длине камеры ЖРД, что приводит к неоднозначности результатов измерения и последующей их неадекватности. Так же недостатком остальных схем контроля является сложность траектории движения датчика, что приводит к накапливанию погрешности результатов измерений, и как следствие, к недостоверности результатов измерений.
В результате анализа была выбрана рациональная схема проведения автоматизированных измерений, на основе которой был разработан алгоритм контроля качества паяных соединений жидкостных ракетных двигателей. Схема движения датчика при проведении автоматизированных измерений геометрических характеристик дефектов паяных соединений сопел камер жидкостных ракетных двигателя представлена на рисунке 2.38. Блок-схема алгоритма, разработанного для измерения геометрических характеристик дефектов паяных соединений сопел камер ЖРД, представлена на рисунке 2.39. Рисунок 2.38 – Схема контроля двигателей ЖРД Рисунок 2.39 – Блок схема алгоритма измерения геометрических характеристик дефектов паяных соединений сопел камер ЖРД
Разработка конструктивных решений устройства фиксации и центрирования объекта контроля
Начальными данными при контроле является радиус Х и соответствующее этому радиусу расстояние Ду2 (см. Рисунок 3.8). Начальные данные получаются путем вычисления функции газодинамического профиля камеры ЖРД.
Для управления данным механизмом проведен геометрический расчет. Целью расчета является определения необходимых перемещений кареток устройства, обеспечивающих попадание датчика закрепленного на конце устройства в заданную точку C (х0;y0).
Для проведения расчета устройства позиционирования были проведены дополнительные построения. Расчет устройства закончен тогда, когда определена зависимость координат точек Si и S2 от начальных данных X и Y. Согласно Рисунку 3.9 точка Si образуется при пересечении окружности с центром в точке С (х0;уо) и радиусом R (выделено розовым цветом) с осью ординат ОY. В общем случае получим следующую систему уравнений: ; (x-X)2+(y-Y)2=R2 (3.3) х = 0 подставляя второе уравнение в первое, получим точки пересечения окружности с осью ординат. y2-2yY + Y2-R2+X2=0 (3.4) получено квадратное уравнение, где -2Y- коэффициент b, Y2-R2+X2 -коэффициент с. D = b2 - Лас при D 0 окружность пересекает ось ординат в двух точках, при D=0, окружность пересекает ось ординат в одной точке, при D 0, окружность не пересекает ось ординат. Находим корни уравнения. -b + lD Уі,2= Ya ( Меньшее значение у и будет точкой Si (0;yi). Для нахождения точки S2 необходимо определить угол а (см.Рисунок 3.9). a = arccos( ), (3.6) R где X - радиус кривизны, R- радиус окружности образуемой одним из рычагов. Зная угол, а найдем угол у: у = а-(р (3.7) где р - угол заданный конструктивным исполнением рычага. Так как система рычагов образует равнобедренный треугольник, то для определения / необходимо вычислить значение высоты h, которое находится из следующего выражения. X = h + rx -радиус окружности сопла (3.8) гдегх = г COSY проекция части рычага г на ось ОХ. Таким образом, для попадания в точку, являющуюся центром окружности с радиусом R, необходимо построить такой треугольник, чтобы высота его была равна h h = X-rx (3.9) С другой стороны из равнобедренного треугольника h2 + (—)2 = а2 - квадрат длины рычага (3.10) Длина рычагов а задана, высоту h можно определить из 3, найдем /
Проверка проводится графическим методом, строятся рычаги заданных размеров, после чего по рассчитанным значениям строится вся система (Рисунок 3.10).
Результаты проверочного расчета подтверждают работоспособность предложенного механизма и метода расчета его геометрических характеристик (Рисунок 3.10). Оценка точности разработанного механизма проводилась с помощью структурного метода исследования точности, который позволяет выявить роль каждого преобразующего звена в формировании общей погрешности устройства (3.26) [70]. a = f(P,q1,...,qm,qm+1,...,qn); (3.26) где qi,…,qm - параметры, имеющие отклонения от номинальных значений, чт+ъ… чп - параметры, учитывающие действие дополнительных возмущений.
Функциональная погрешность в линейном приближении: и ИґУ Лаф=Х(—)0Ч; (3-27) г=1 dq. где qi=qi-q0 - первичная погрешность параметра qi. Нулевой индекс у частной производной обозначает, что частная производная вычисляется для номинального значения параметра. Номинальные значения параметров qm+1,…,qn, учитывающих действие дополнительных возмущений, принимаются равными нулю [70-72].
Модель движения устройства позиционирования датчика на поверхности объекта контроля задается системой уравнений:
Произведем оценку величины основной погрешности разработанной автоматизированной лазерно-ультразвуковой установки НК. В состав автоматизированной лазерно-ультразвуковой установки НК входят звенья, содержащие кинематические, электрические и оптические цепи. На данном этапе определим уровень погрешности устройства позиционирования датчика на поверхности объекта контроля, исходя из анализа его физической схемы. Анализ остальных звеньев в данной работе не проводится, так как без реального прототипа его результат является недостоверным.
Суммарная погрешность автоматизированного комплекса складывается из погрешностей составных элементов и равна:
Таким образом, в предложенной модели учитывается влияние погрешности средства измерения (єСИ), погрешности устройства позиционирования (єпоз), погрешности системы управления позиционирования датчика (є ) и погрешности устройства вращения . Точность устройства вращения определяется точностью шагового двигателя AD 200 и составляет 2%, тогда єв а = 2%. Точность системы управления позиционирования датчика определяется точностью математического описания газодинамического профиля камеры ЖРД и для ЖРД 191 составляет є =1.25%.
Практическая апробация методики автоматизированных измерений геометрических характеристик дефектов паяных соединений сопел камер сгорания
В настоящее время существует большое количество устройств и приспособлений, позволяющих осуществлять фиксацию и центрирование тел вращения. Чаще всего эти устройства применяются в станках для осуществления механической обработки заготовок. Наиболее распространенными являются кулачковые патроны. Камера ЖРД является массивным крупногабаритным изделием, контроль камеры ЖРД должен осуществляться в вертикальном положении. Стандартные патроны не способны обеспечить надежную фиксацию и центровку камеры, поэтому предлагается использовать трехкулачковый рычажный механизм, общий вид которого представлен на рисунке 3.3.
Схема работы устройства центрирования объекта контроля (количество кулачков в системе равно 3) Устройство центрирования состоит из каретки 1, на которой шарнирно закреплен рычаг 3. При перемещении каретки 1 вверх по шарико-винтовой паре 2 на величину As рычаг 3 начнет толкать рычаг 4, который в свою очередь будет тянуть рычаг 5 , закрепленный на кулаке 6. Таким образом, при перемещении каретки 1 вверх на величину As кулак 6 будет перемещаться влево на величину As и, следовательно, разжимать объект контроля, а при перемещении каретки 1 вниз на величину As кулак 6 будет перемещаться на ту же величину и давить на объект контроля.
Точность и достоверность результатов контроля, полученных акустическими методами, в том числе и лазерным - ультразвуковым методом напрямую зависит от надежности акустического контакта. Для обеспечения надежного акустического контакта при автоматизированном контроле качества паяных соединений предлагается использовать оснастку общий вид, которой изображен на Рисунке 3.5. Рисунок 3.5 – Общий вид устройства обеспечения надежного акустического контакта Рисунок 3.6 - Схема устройства обеспечения надежного акустического контакта В общем случае оснастка должна состоять из корпуса 1, датчика 3 и пружины 2. Датчик 3 поступательно перемещается в корпусе 1 под действием пружины 2. Пружина 2 действует на датчик 3 с усилием F. F = cAx, (3.1) где с - жесткость пружины, Ах - относительное перемещение Расчет пружины должен происходить из следующего условия: Fопт F Fкрит, (3.2) где Fопт - усилие, обеспечивающее оптимальный акустический контакт, F т - усилие при котором происходит разрушение датчика. Для датчика ПЛУ 12
Устройство позиционирования датчика должно обеспечивать возможность попадания датчика в любую точку на поверхности камеры ЖРД. Существует большое количество механизмов, применяемых в конструкциях манипуляторов, однако все они имеют большие габариты, что затрудняет установку их внутри камеры. Предлагается использовать систему рычагов, закрепленных на шариковой - винтовой паре (Рисунок 3.7). Устройство позиционирования состоит из цилиндрической опоры, которая удерживает блок ШВП с каретками, на которых установлены рычаги. Вся система устанавливается на пластину, с возможностью вращения, таким образом, система рычагов позволяет перемещать датчик в двух плоскостях, а поворотный стол обеспечивает поворот всей системы на требуемый угол.
Система рычагов состоит из двух рычагов, которые образуют равнобедренный треугольник (Рисунок 3.8), причем красный рычаг имеет Г-образную форму. При сближении кареток высота треугольника увеличивается, при удалении кареток друг от друга высота треугольника уменьшается. Рисунок 3.8 – Схема работы устройства позиционирования
Начальными данными при контроле является радиус Х и соответствующее этому радиусу расстояние Ду2 (см. Рисунок 3.8). Начальные данные получаются путем вычисления функции газодинамического профиля камеры ЖРД.
Для управления данным механизмом проведен геометрический расчет. Целью расчета является определения необходимых перемещений кареток устройства, обеспечивающих попадание датчика закрепленного на конце устройства в заданную точку C (х0;y0).
Для проведения расчета устройства позиционирования были проведены дополнительные построения. Расчет устройства закончен тогда, когда определена зависимость координат точек Si и S2 от начальных данных X и Y. Согласно Рисунку 3.9 точка Si образуется при пересечении окружности с центром в точке С (х0;уо) и радиусом R (выделено розовым цветом) с осью ординат ОY. В общем случае получим следующую систему уравнений: