Необходимость и целесообразность совершенствования методов и средств выполнения проверочных работ

Список исполнителей

Главный научный сотрудник, д-р. техн. наук, проф.		В.С. Михайлов (введение, заключение, раздел 8)
Руководитель темы, начальник сектора 3213		М.Н. Зеленин (введение, заключение, все разделы)
Ведущий инженер-технолог		Н.С. Попова (разделы 2, 3)
Ведущий инженер-технолог		Р.П. Животовский (разделы 4, 5)
Инженер-технолог 2 кат.		П.Д. Метелкин (разделы 6, 7)
Нормоконтролер		А.А. Удалов

Рефереат

Отчет с. 38, рис. 18, табл. 0

ИЗМЕРЕНИЯ, ОПТИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА, СТАПЕЛЬ

Объектами исследования по теме являются высокоточные и высокоэффективные электронные оптические средства измерения, применяемые при выполнении проверочных работ на стапеле.

Целью работы является разработка рекомендаций по внедрению на предприятии прогрессивных высокоточных электронных оптических средств измерений при выполнении проверочных работ при формировании блоков и корпусов ПЛ на стапеле.

В результате работы выполнен анализ передового мирового и отечественного опыта выполнения измерений при выполнении проверочных работ на стапеле с использованием высокоточных и высокоэффективных электронных оптических систем, таких как современные трехмерные цифровые средства измерений геометрических параметров крупногабаритных изделий на основе оптико-электронных, акустических и электромагнитных методов, а именно: фото- и видеограмметрические станции, электронные теодолиты и тахеометры, лазерные трекеры, лазерные акустические станции, измерительные машины. На основе результатов анализа были разработаны рекомендации по внедрению на предприятии прогрессивных высокоточных электронных оптических средств измерений при выполнении проверочных работ при формировании блоков и корпусов ПЛ на стапеле.

Содержание

Нормативные ссылки. 5

Обозначения и сокращения. 6

Введение. 7

1 Необходимость и целесообразность совершенствования методов и средств выполнения проверочных работ. 9

2 Фотограмметрия. 11

2.1 Метод фотограмметрии. 11

2.2 Фотограмметрические измерительные системы V-STARS.. 14

3 Видеограмметрия. 15

3.1 Метод видеограмметриии. 15

3.2 Видеограмметрическая система V-STARS.. 16

4 Электронные теодолиты.. 18

5 Электронные тахеометры.. 19

5.1 Типы тахеометров. 19

5.2 Безотражательные дальномеры.. 21

5.3 Импульсный и фазовый дальномер. 22

5.4 Импульсный дальномер. 22

5.5 Фазовый дальномер. 23

5.6 Сравнение двух технологий. 23

5.7 Производительность безотражательных дальномеров. 25

5.8 Особенности выполнения измерений. 27

5.9 Сервопривод. 28

5.10 Измерительная система на основе тахеометров серии Trimble 5600. 28

6 Лазерные сканеры.. 30

6.1 Метод сканирования. 30

6.2 Процесс измерений и обработка результатов. 31

7 Лазерные трекеры.. 34

8 Рекомендации по внедрению на предприятии прогрессивных высокоточных электронных оптических средств измерений при выполнении проверочных работ при формировании блоков и корпусов ПЛ на стапеле. 35

Заключение. 38

Нормативные ссылки

РД 5.1111-79 – Корпуса металлических судов и кораблей. Основные требования к средствам измерений линейных и угловых размеров

Обозначения и сокращения

ОК – основной корпус

ПЛ – подводная лодка

САПР – системы автоматического программного регулирования

ЦФС – цифровая фотограмметрическая станция

ЧПУ – числовое программное управление

Введение

Современное судостроение характеризуется переходом, в целях повышения эффективности и конкурентоспособности производства, на более совершенные технологии и средства изготовления деталей и сборки корпусных конструкций и корпуса судна в целом. В этих условиях все более актуальными становятся вопросы обеспечения собираемости крупногабаритных корпусных и механомонтажных сборочных единиц и совершенствования технологии выполнения судовых проверочных работ. Существующая в судостроении система измерений базируется на средствах, обеспечивающих информацию о линейных размерах и угловом положении плоскостей объекта относительно естественной базы — вертикали Земли. Получение объемной измерительной информации достигается путем сложных построений и вычислений. Несомненна взаимосвязь проблемы обеспечения точности с методами и средствами измерений при выполнении разметочно-проверочных работ при строительстве судов. Эти работы базируются на линейных и угловых измерениях, и их целью является получение достоверной информации о геометрических параметрах судовых корпусных конструкций и корпуса судна в целом.

Несовершенство средств измерений сдерживает развитие технологий и оборудования для изготовления деталей и особенно сборки и монтажа судовых конструкций и механизмов. Таким образом, точность изготовления и монтажа корпусных конструкций является важной проблемой развития технологии судостроения. Она в значительной степени определяет объем пригоночных работ на всех стадиях постройки корпуса судна, на долю которых сегодня приходится до 40% трудоемкости сборки.

Практика постройки корпусов судов показывает, что в значительной степени наличие пригоночных работ связано с недостаточной точностью традиционно применяемых в судостроении средств измерений. Существенному повышению точности измерений способствовало использование оптических приборов. Однако опыт их применения показал, что они не в полной мере удовлетворяют условиям судостроительного производства, а попытки их совершенствования не дали положительных результатов.

В настоящее время сложились предпосылки для принципиально нового подхода к совершенствованию методов и средств измерений. В результате достижений науки и техники создано новое поколение средств измерений.

В настоящее время в измерительной технике отмечается технический прорыв - создание цифровых трехмерных измерительных станций, способных с высокой точностью и достаточно быстро выдавать объемную цифровую информацию о геометрии объектов. Это позволяет существенно усовершенствовать технологические процессы изготовления, сборки и монтажа корпусных конструкций судов и их механического оборудования.

Разработанные в настоящее время системы позволяют решать большинство измерительных задач на совершенно новом техническом и организованном уровнях. Однако они различаются аппаратными средствами и их техническими характеристиками, характером обработки данных с использованием специального программного обеспечения, областью применения и другими особенностями. Поэтому их пригодность и эффективность следует устанавливать в каждом конкретном случае для решения той или иной задачи, в том числе и в условиях судостроения.

Необходимость и целесообразность совершенствования методов и средств выполнения проверочных работ

Существующая система измерений геометрии изделий в судостроении основана на:

- построении и фиксации на сборочных стендах, стапеле и судовых конструкциях следов горизонтальных и вертикальных плоскостей с последующим определением отклонений от них контролируемых точек, линий и плоскостей объекта;

- проектировании контролируемых точек объекта на горизонтальную, а после внедрения теодолитов и на вертикальную плоскости, определении взаимного положения указанных точек;

- измерении линейных размеров между точками в горизонтальных и вертикальных плоскостях;

- как правило, ручной графоаналитической обработке измерительной информации и сравнении результатов измерений с проектными требованиями.

При этом проектирование судовых конструкций и разработка технологии сборочно-монтажных работ осуществляются с учетом указанных принципов. Система измерений геометрии в судостроении имеет дело с упругими телами, собираемыми, как правило, путем сварки с трудно прогнозируемыми изменениями формы и положения тел.

Определение пространственного положения точек, линий и плоскостей, тем более контроль формы поверхностей в существующей в судостроении системе измерений является сложной задачей, решаемой путем построений. О сложности задачи измерений геометрии объектов в судостроении говорит и тот факт, что эта задача вылилась в отдельную дисциплину технологии судостроения - проверочные работы. Традиционные методы измерений в судостроении базируются на использовании отвесов, шланговых ватерпасов, струн, рулеток и измерительных линеек.

Основные требования к средствам и методам измерения линейных и угловых размеров изложены в РД 5.1111. Внедрение оптических методов измерений упростило бы решение измерительных задач и повысило точность измерений, но принципиально не изменило бы систему измерений. Все операции по построению горизонтальных и вертикальных плоскостей, проектированию точек и измерению линейных размеров между точками, обработке измерительной информации требуют ручного квалифицированного труда. Развитие методов промышленной геодезии и измерительной техники привело к созданию принципиально иной измерительной системы - компьютеризированной станции - с возможностью определения трех координат любой видимой точки объекта в системе координат этой станции. Результаты измерений фиксируются на магнитном носителе в «цифровом виде», совместимом с системами проектирования CAD-CAM и ЧПУ технологического оборудования.

Переход на цифровую трех координатную измерительную систему обеспечивает следующие преимущества:

- возможность машинного изготовления деталей и узлов судна по виртуальному чертежу на компьютере, исключив бумажные носители, частично технологическую подготовку и, наконец, плаз;

- настройка сборочных пастелей без плаза по виртуальному чертежу;

- упрощение сборочных стендов, исключив из них стационарные измерительные реперы и базы вместе с их настройкой, базирование основных конструкций относительно измерительных баз стенда, сооружение лесов для выполнения замеров;

- высокую степень плоскостности стыков сборочных единиц корпуса корабля, высокую точность расположения всех элементов в стыке, что обеспечивает сборку их без пригоночных работ;

- возможность перехода к виртуальной контрольной сборке крупных блоков судов и кораблей, исключив поиски необходимой площадки для физической контрольной сборки блоков, транспортировку блоков и пригоночные работы по месту;

- снижение трудоемкости и повышение точности контроля крупногабаритных корпусных конструкций сложной формы;

- создание информационной базы для компьютерной трассировки трубопроводов;

- возможность «бесшаблонной» разметки отверстий судовых фундаментов.

В настоящее время зарубежное судостроение переходит на новое метрологическое обеспечение с выдачей измерительной информации в цифровом виде, совместимом с интеллектуальными компьютерными технологиями изготовления и сборки корпусных конструкций и монтажа судового оборудования. Это позволяет переходить на машинную обработку узлов и секций корпусов судов и кораблей, уменьшить объем пригоночных работ при сборке блоков и корпуса судна в целом, а также широко использовать индустриальные методы постройки судов - зональный и модульный. К таким новым измерительным средствам относятся измерительные станции на базе электронно-оптических теодолитов и тахеометров со светодальномерами, фото- и видеограмметрии, например, фирмы Leica, Trimble, Nikon, Sokkia. Трудоемкость проверочных работ и связанных с ними технологических операций (постройки лесов, проектирование и изготовление оснастки) занимает от 5 до 20% от трудоемкости отдельных видов судостроительных производств. Доля их наиболее велика в корпусосборочном, стапельном и механомонтажном производствах.

Проверочные работы выполняются последовательно, поскольку в ряде случаев не могут выполняться параллельно с другими технологическими процессами (рубка, правка, газорезательные и сварочные работы, погрузка тяжелых грузов и т.п. работы, связанные с сотрясениями и деформациями конструкций, влиянием окружающей среды на результаты измерений). Поэтому технология проверочных работ оказывает влияние на сроки постройки судна.

Точность проверочных работ в значительной мере определяет собираемость конструкций, объем пригоночных работ и работ по исправлению брака. Указанные работы при существующей системе измерений и средствах контроля занимают до 40% от трудоемкости постройки корпуса судна.

Исходя из этих данных, а так же принимая во внимание то, что результаты измерений необходимо предоставлять в электронном виде для их последующей обработки в CAD-CAM системах, которые получили очень широкое применение в последние 10 - 15 лет, все больше предприятий судостроительной отрасли переходят от традиционных методов проведения проверочных работ с использованием отвесов, шланговых ватерпасов, струн, рулеток и измерительных линеек на электронные измерительные системы. Это способствует повышению качества конечной продукции, уменьшению трудоемкости строительства, разработке принципиально новых технологий производства в судостроении, что в конечном итоге ведет к удешевлению производства, уменьшению сроков строительства и увеличение прибыли.

Фотограмметрия

Метод фотограмметрии

Фотограмметрия - это метод определения размеров, формы и положения объектов по их изображениям на фотоснимках.

Сущность фотограмметрии заключается в том, что контролируемая точка объекта и ее изображения на двух снимках, расположенных на известных расстояниях друг от друга и от узловых точек фотокамер в процессе съемки, образуют систему пространственно расположенных треугольников. После измерения координат изображений контролируемой точки А объекта на фотоснимках можно определить три ее координаты в системе координат, связанной с одной из фотокамер (рисунок 1).

Процесс фотограмметрии объекта включает следующие этапы:

- составление технического проекта фотографирования объекта (определение контролируемых и базовых точек, составление схемы геодезической привязки базовых точек, составление схемы расстановки съемочной аппаратуры, оценка условий освещения, расчет точности измерений);

- маркирование базовых и контрольных точек объекта;

- геодезическая привязка базовых точек (для упрощения привязки используют фототеодолиты (рисунок 1);

- фотосъемка объектов;

- химическая обработка фотоснимков;

- измерение снимков на стереокомпараторах;

- аналитическая обработка на ЭВМ результатов стереокомпарирования снимков и получение цифровой информации о координатах контролируемых точек объекта в системе координат базовых точек объекта.

а

б

а) расчетная схема; б) комплект фототеодолитов

В - расстояние между центрами фотоснимков;

f - фокусное расстояние объектива;

х_л, х_пр, z_л, z_np - координаты изображения точки А объекта на левом и
правом фотоснимках;

Sл, Snp - передние узловые точки левой и правой фотокамер;

а_л, а_пр - изображения точки А на левом и правом фотоснимках

Рисунок 1 - Принципиальная схема фотограмметрии

При съемке оптические оси фотокамер могут занимать различное положение относительно горизонта и линии базиса. Различают пять основных случаев съемки:

- нормальный, при котором оптические оси правой и левой фотокамер устанавливают горизонтально и перпендикулярно к базису В, плоскости снимков занимают отвесное положение;

- равноотклоненный, при котором оптические оси фотокамер параллельны, горизонтальны и неперпендикулярны к базису В, плоскости снимков занимают отвесное положение;

- конвергентный, при котором оптические оси фотокамер горизонтальны и пересекаются под некоторым углом, плоскости снимков занимают отвесное положение;

- равнонаклоненный, при котором оси фотокамер наклонены на один и тот же угол;

- общий случай, при котором положение осей фотокамер произвольно.

Наиболее простой с точки зрения обработки результатов и наиболее точный - нормальный случай. Самые современные технологии фотограмметрии предполагают использование цифровых фотограмметрических станций (ЦФС) и цифровой фотоаппаратуры. Цифровая фотограмметрическая станция представляет собой программный комплекс, предназначенный для фотограмметрической обработки цифровых стереоизображений на компьютере. С изобретением данных систем нового поколения, соединяющих в себе аналитические алгоритмы обработки снимков со статистическими алгоритмами распознавания образов, фотограмметрия как наука и отрасль производства переживает по истине революционные изменения, поскольку львиную долю ручного труда фотограмметриста, связанную с распознаванием соответственных точек стереопары, можно поручить компьютеру.

Сегодня на рынке присутствует больше десятка ЦФС (Delta, Photomod, Талка, Z-Space, TNT и ряд других).

Каждая из данных программ обладает своими достоинствами и недостатками, но выбор есть и под решение конкретной задачи всегда можно подобрать более или менее подходящий вариант.

При выполнении фотосъемки применяют высокочувствительные фотопластинки с разрешающей способностью не менее 100 линий на 1 мм, противоореольным слоем и вуалью не более 0,1 мкм. Другой вариант, получения цифровых фотоснимков для фотограмметрической обработки - это съемка на профессиональные и полупрофессиональные цифровые фотокамеры. Благодаря массовому производству данная техника широко представлена на рынке и стоит относительно недорого. Однако она не разрабатывалась производителями для решения фотограмметрических задач и имеет, в этой связи, ряд недостатков. Прежде всего, это геометрические искажения, вызванные недостатками оптической системы (значительная дисторсия объектива), неровность поверхности ПЗС-матрицы, не идеальная установка ПЗС-матрицы по отношению к главному лучу и ряд других. Но, тем не менее, применение данной техники, перспективно. Во-первых, всегда можно выполнить калибровку камеры. Во-вторых, съемка на цифровую камеру для решения фотограмметрических задач не налагает столь строгих требований к параметрам камеры как съемка на пленку или на фотопластинку, поскольку цифровое изображение более пластично и хорошо поддается исправлению программными средствами без существенной потери качества. И, в-третьих, массовость производства данной аппаратуры и конкуренция среди производителей приводит к тому, что соотношение цена - качество неуклонно смещается в пользу потребителя.

Одним из пионеров использования фотограмметрии в судостроении был Ростокский Университет им. В. Пика (ГДР, 1969г). В настоящее время этот метод достаточно широко используется в зарубежном судостроении при:

- исследованиях образования волн и обтекания корпусных конструкции судна;

- исследованиях деформаций корпусных конструкций в процессах сборки и нагружения;

- определении траекторий движений роботизированных сборочных агрегатов;

- составлении карт обшивки корпуса и измерении конструкций сложной формы;

- замене проволочных шаблонов труб и составлении ремонтных чертежей труб;

- контроле гребных винтов;

- измерении деформаций надстроек, палуб и люков во время спуска;

- выпуске чертежей по макетам при объемном проектировании;

- идентификации стыков зональных блоков и модулей.

Основным недостатком фотограмметрии является длительность процесса получения измерительной информации.

Погрешность контроля геометрии объектов методом фотограмметрии составляет 0,5xl0^-5L, мм (где L в мм).