ОРГАНИЗАЦИЯ VI ТЕХНОЛОГИЯ СУДОСТРОЕНИЯ
СУДОСТРОЕНИЕ 2'2014
О МЕТРОЛОГИЧЕСКОМ ОБЕСПЕЧЕНИИ ТРЕХМЕРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
Л. П. Гаврилюк, докт. техн. наук (ОАО «ЦТСС»,
e-mail: inbox@sstc.spb.ru)) удк 571.717.86:629.5.081.4.002.56
При контроле геометрических параметров объектов судостроения получили распространение трехмерные средства измерения на основе электронных тахеометров, лазерных трекеров, сканеров и других геодезических приборов на новых физических принципах.
Использование трехмерных измерительных систем (ТИС) в технологии судовых проверочных работ позволяет ввести в практику судостроения ряд новых технологических решений, таких как:
аттестация машин и технологических процессов тепловой резки, гибки и изготовления трубопроводов и повышение их класса точности;
повышение точности изготовления постелей и каркасов судовых конструкций, предоставление измерительной информации для роботизации указанных процессов;
повышение точности изготовления трубопроводов, гребных винтов, изделий судового машиностроения;
повышение точности изготовления объемных секций, предоставление измерительной информации для роботизации процессов их изготовления;
исключение пригоночных работ и возможность использования принудительного базирования при сборке секций, монтаже носовых и подкиль-ных обтекателей, зональных блоков и надстроек, при сборке блоков опорных колонн буровых установок, частей судов и другой морской техники;
возможность виртуальной стыковки крупных судовых конструкций между собой с целью компьютерной проверки их собираемости;
контроль геометрических параметров оболочек, помещений и расположения судовых фундаментов, аттестация танков и других грузовых помещений, окончательно собранных корпусов судов;
монтаж крупных сборочных единиц судового оборудования по трем базовым точкам [1];
контроль локальных деформаций и перемещений изделий в быст-
ропротекающих процессах, например при сварке или при движении изделий.
ТИС являются системами непрямого измерения. Измеряются модули векторов точек и углы между векторами и осями координат прибора путем определения каких-либо физических параметров, функционально связанных с ними. На основе результатов этих измерений компьютер ТИС выдает три координаты каждой контролируемой точки в системе координат прибора (рис. 1):
zA = Rsina; хА = RcosasinP; yA = RcosacosP .
(1)
Метрологическая аттестация приборов трехмерных измерений проводится при их изготовлении по определенной методике на специальных стендах. Далее предполагается, что в эксплуатации метрологические характеристики этих приборов остаются неизменными, и точность измерений оценивается по паспортным данным приборов.
Измерение геометрических параметров объектов с использованием ТИС связано с разработкой некоторой процедуры измерений — методики, определяющей: систему контрольных точек и баз объекта; порядок установки ТИС; наложение разного рода ограничений или компенсацию влияния производствен-
Рис. 1. Принципиальная схема измерения координат точки с помощью электронного тахеометра
ных факторов; математическую модель обработки и представления результатов измерения.
Данные методики, как правило, существенно отличаются от методики аттестации приборов при их изготовлении.
Учитывая вышеизложенное, приходится, к сожалению, констатировать, что принятая в настоящее время оценка точности проверочных работ по точности применяемых приборов не вполне корректна.
В подтверждение этого тезиса ниже приведена оценка основных погрешностей измерений координат точки, возникающих по разным причинам при выполнении процедуры измерений.
Измерение дистанции Я и углов а и в сопровождается некоторыми инструментальными погрешностями АК, Аа и Ар, приводящими к ошибкам измерения координат точки А (см. рис. 1) в системе координат прибора:
zAR = АКзта;
хАК = АКсоза в!пР ;
уАК = АКсоза со$р;
zAа = Ксоза Аа; хАа = К$1па Бтр Аа; уАа = К$1па со$Р Аа;
ZAР = о ;
Хар = Ксоза со$Р Ар ; уАр = Ксоза в1пР Ар .
Ошибки АЯ измерения дистанции Я определяются относительной погрешностью = 10"4...10"5. Инструментальные ошибки Аа и Ар измерения углов а и р определяются величинами 0,5—2" или относительной погрешностью (0,25...1)10-5.
Для выполнения адекватных измерений должно быть соблюдено условие параллельности координатных осей ТИС и контролируемого объекта (принцип Аббе) с определенной точностью [2], зависящей от точности измерений. Отклонение от параллельности осей координат ТИС и объекта приводит к ошибкам измерения координат точки в системе координат объекта (рис. 2).
СУДОСТРОЕНИЕ 2'2014
ОРГАНИЗАЦИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ СУДОСТРОЕНИЯ
При измерениях проекций отрезков, т. е. расстояний между проекциями точек А и Б объекта, допустимо любое несовпадение начал систем координат, так как погрешности, обусловленные этой причиной, имеют систематический характер и исключаются при вычислении разницы проекций точек.
При определении расстояний между точками А и Б объекта безразлично и положение систем координат, так как модуль вектора инвариантен относительно систем координат.
Рассогласование систем координат измерительного средства и объекта оказывает наибольшее влияние на величины проекций и угловые соотношения между проекциями отрезков. При непараллельности координатных осей ТИС и контролируемого объекта в одну угловую минуту относительная погрешность измерений составляет 0,3-10-3, при непараллельности координатных осей ТИС и контролируемого объекта в 10" относительная погрешность измерений составляет 0,5 -10-4. Таким образом, несоблюдение принципа Аббе ведет к существенным ошибкам.
Наведение прибора на точку контролируемого объекта сопровождается относительной ошибкой наведения порядка q = 10-5 и ошибкой перефокусировки в относительной мере порядка q = (1...2)-10-5.
Помимо указанных выше ошибок имеются инструментальные ошибки, связанные с неперпендикулярностью визирной оси прибора и его горизонтальной оси, неперпендикулярностью горизонтальной и вертикальной осей прибора. Величина этих ошибок в относительной мере может достигать порядка q = (1...3)-10-5.
Для выполнения точных измерений дистанции К на контролируемую точку устанавливается уголковый зеркальный отражатель, триппель-призма (рис. 3). При этом процесс измерения координат точки сопровождается ошибками с и d базирования отражателя на точке, ошибкой АЬ аттестации уголкового отражателя и ошибкой базирования угол-
Рис. 2. Проекции точки А в системе координат ХУ2 ТИС и в системе координат xyz объекта
кового отражателя относительно прибора ТИС.
Угол у наклона зрительной трубы прибора относительно оси уголкового отражателя из условия полного внутреннего отражения лазерного луча при максимальном смещении а последнего принимают обычно не более 9°. При малых углах у смещение оси зрительной трубы относительно оси уголкового отражателя также невелико: а! ~у2а.
Ошибка базирования уголкового отражателя относительно прибора ТИС определяется углом у и расстоянием точки пересечения осей уголкового отражателя и зрительной трубы прибора до основания уголкового отражателя, устанавливаемого на контролируемую точку, при максимальном значении величины а.
При измерениях ТИС обычно контролируют некоторое количество точек объекта для определения какого-либо параметра, объединяющего эти точки по той или иной математической модели, например от-
Рис. 3.
Ошибки базирования уголкового отражателя на контролируемой точке объекта и зрительной трубы прибора ТИС на уголковом отражателе:
1 — ось уголкового отражателя; 2 — контролируемая точка объекта; 3 — уголковый отражатель; 4 — зрительная труба прибора ТИС; 5 — ось зрительной трубы прибора ТИС; у — угол наклона зрительной трубы прибора относительно оси уголкового отражателя; а — смещение лазерного луча прибора относительно оси уголкового отражателя; а1 — смещение оси зрительной трубы относительно оси уголкового отражателя; Ь — размер аттестации уголкового отражателя; с и d — смещение уголкового отражателя относительно контрольной точки
клонения от круговой формы или отклонения от плоскостности. Для оценки точности измерений помимо точности измерений координат точек следует также оценить ошибки математической модели, а затем рассчитать суммарную погрешность определения требуемого параметра объекта.
В условиях судостроения на работу ТИС оказывают влияние следующие факторы:
• сложность размещения и базирования ТИС в судовых помещениях;
• упругий характер основания, вызывающий малые угловые перемещения ТИС, установленной на конструкциях судна, в процессе измерений;
• наклон основания при работе на наклонном стапеле;
• качающееся основание при работе на плаву;
• изменение температуры воздуха;
• запыленность и наличие газов, выделяющихся при резке и сварке металлов;
• градиент температур и потоки воздуха от естественной и принудительной вентиляции;
• промышленные вибрации и сотрясение объектов измерения и оснований;
• шум от работы различного оборудования — газорезательного, сварочного, механического оборудования для зачистки деталей и сварных швов, вентиляторов и т. п.;
• постоянные и переменные магнитные поля и электромагнитные излучения.
Влияние многих внешних факторов благодаря принятию специальных технологических ограничений в зоне измерений может быть существенно уменьшено или исключено. Введение этих ограничений требуетопре-деленных затрат, которые должны быть учтены при выборе средств и методов измерений.
При установке ТИС на упругое основание, каким является объект измерения в судостроении, следует иметь в виду возможное изменение положения измерительного средства относительно объекта в процессе измерений. Для
ОРГАНИЗАЦИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ СУДОСТРОЕНИЯ
СУДОСТРОЕНИЕ 2'2014
исключения влияния упругого основания на результаты измерений следует выполнять обход контролируемых точек объекта в прямом и обратном направлениях. Разность результатов измерений в прямом и обратном направлениях не должна превышать в относительной мере величины 0,1 д, а сам процесс измерений должен производиться в кратчайшее время.
Создание стандартных методик выполнения измерений и соответствующ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.