CC BY-NC
45
Черняев И.Ю., Лукин Е.А.
ФГУП «Крьшовский государственный научный центр». С'анкт-Петербург. Россия
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ ТОЧЕК ПОВЕРХНОСТИ МОДЕЛИ ГРЕБНОГО ВИНТА
Методика создана для соответствия требованиям заказчика, а также для контроля в соответствии с государственными и мировыми стандартами. Методика позволяет выполнить:
■ определение математической модели лопастей гребного вннта(ГВ) по ОСТ 5.0317-80:
■ построение «теоретической» ЗБ-моделн ПВ *.stl;
анализ расхождения формы лопастей по осевой координате теоретической и физической моделей (ИМЯН МП-452-17 МП).
При выполнении измерении применяют метод сбора облака точек посредством бесконтактного лазерного сканирования поверхности. Результат измерений - файл с «облаком точек» поверхности f .xyz
Методика обмера моделей винтов может стать основой для создания современной методики обмера натурных ГВ с помощью новейших лазерных технологий. Для соблюдения условий Международной конференции опытовых бассейнов (МКОБ. ГТТС) необходимо определение геометрических параметров в цилиндрической системе координат гребного винта с переходом в локальные системы координат в плоскостях разверток каждого сечения каждой лопасти. Данная методика позволяет получать исходные координаты для дальнейшей работы и автоматизировать процесс. Ключевые слова: лопасть, координаты точек, модель гребного впита, лазерный сканер, координатно-нзмеритель-ная машина, методика, измерение точек. МКОБ. ITTC. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
Для цитирования: Черняев И.Ю.. Лукин Е.А. Методика измерения координат точек поверхности модели гребного впита. Труды Крыловского государственного научного центра. 2018; специальный выпуск 1:
"УДК 629.5.037.2.001.24 DOI: 10.2493 7/2542-2324-2018-1-S-I-89-9 5
Chernyaev I., Lukin Ye.
Krylov State Research Centre. St. Petersburg. Russia
COORDINATE MEASUREMENT PROCEDURE FOR PROPELLER MODEL SURFACE POINTS
This procedure is developed to comply with the Customer's requirements, as well as to perform control in accordance with national and global standards. The procedure enables:
■ determination of mathematical model for propeller blades as per standard OST 5.0317-80:
■ construction of "theoretical" 3D propeller model (as *.stl file);
■ deviation analysis of blade shape in terms of axil coordinate for theoretical and physical model (as per document IMJAN MP-452-17 MI).
The measurements are taken as per point cloud collection method by means of non-contact laser scanning of surface. Measurement data file with "point cloud'" of surface has *.xyz extension.
This measurement procedure for propeller models can become a basis for developing a modem measurement procedure for full-scale propellers by means of the latest laser technology. To comply with ITTC conditions, geometric parameters must be determined in the cylindrical coordinate system of propeller, with transition to local coordinate systems in each section plane of each blade. This procedure yields input coordinates for further work and makes it possible to automate this process. Key words: blades, points of coordinates, propeller model, laser seamier, coordinate measurement machine, procedure, measurement of points. ITTC:.
Authors declare lack of the possible conflicts of interests.
For citations: Chernyaev I.. Lukin Ye. Coordinate measurement procedure for propeller model surface points. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2018: special issue 1:
UDC 629.5.037.2.001.24 DOI: 10.24937/2542-2324-2018-l-S-I-89-95
Современные модельные испытания предъявляют повышенные требования к точности и скорости изготовления моделей гребных винтов. Эффективность испытаний в опытовых бассейнах и в ка-витационных трубах находится в прямой зависимости от степени соответствия модели гребного винта конструкторскому чертежу [1, 2], поэтому контролю точности изготовления моделей гребных винтов уделяется большое внимание во всех гидродинамических лабораториях мира. ФГУП «Крылов с кий государственный научный центр» для этих целей в настоящее время применяет ко-ординатно-измерительную машину со сканирующей лазерной головкой (КИМ). Ее использование значительно увеличивает эффективность контроля точности изготовления моделей гребных винтов по сравнению с использовавшимся ранее контактным методом, т.к. позволяет выявлять отклонения от чертежа на всей поверхности лопасти, а не только в фиксированных сечениях. Также такой метод быстрее и точнее, т.к. при контактном методе точки собираются по одной, а при бесконтактном - облако точек. Метод позволяет проводить измерения с точностью 9 микрон, которая подтверждена сертификатами о метрологической аттестации фирмы Nikon Metrology.
В связи с тем, что на кромках резко меняется кривизна, такая точность является необходимым условием должного контроля за геометрическими характеристиками моделей гребных винтов - шага винта и качества поверхности. Из этого может быть сделан вывод об актуальности разработки данной методики.
Методика используется в модельном производстве и позволяет измерять координаты точек поверхности модели гребного винта в диапазоне от (30x30*25) до (300*300*250) мм бесконтактным способом с использованием координатно-измерительной машины и лазерного сканера. Методика разработана в соответствии с требованиями стандарта предприятия СТП ИМЯН.073—2013 «Методики измерений. Разработка и аттестация».
Измерения происходят следующим образом: лазер сканирует физический объект (рис. 1). После сканирования формируется облако точек (рис. 2). По точкам выстраивается поверхность (рис. 3). Засасывающая и нагнетающая поверхности совмещаются, и формируется единая 3D- модель. Измеренная модель сравнивается с номиналом, и производится построение графической схемы отклонений (рис. 4).
Рис. 1. Сканирование винта Fig. 1. Propeller scanning
4f.
ч
-
щ
Рис. 2. Облако точек лопасти Fig. 2. Blade point cloud
\
\
4 \
/
Рис. 3. Поверхность лопасти Fig. 3. Blade surface
Показатели точности измерений
Measurement accuracy indicators
Границы погрешности измерения координат точек поверхности при доверительной вероятности 0,95 равны ± 9 мкм в диапазоне от (30x30*25) до (300*300x250) мм (расширенная неопределенность 9 мкм).
Требования к средствам измерений, вспомогательным устройствам
Requirements to instrumentation and auxiliary equipment
При выполнении измерений применяют следующие средства измерений и вспомогательные устройства : координатно-измерительная машина LK V 8.7.6, погрешность измерения 1.80+L/350, где L - длина измеряемого объекта, мм; лазерный сканер LC 15Dx, погрешность измерения не более 6 мкм;
калибровочная сфера, диаметр 30,0 мм, погрешность не более 1,5 мкм; гигрометр психрометрический ВИТ-1, диапазон измерения температуры от 0 до 25 °С, погрешность измерения не более 0,2 °С. Координатно-измерительная машина и лазерный сканер должны иметь действующий документ о поверке (калибровке) на период их использования. Допускается применение других средств измерений. имеющих метрологические характеристики не хуже указанных выше.
Метод измерений
Measurement method
При выполнении измерений применяют метод сбора облака точек посредством бесконтактного лазерного сканирования поверхности. При выполнении измерений производится проецирование полос на поверхность объекта проектором, считывание информации при помощи камеры, а затем специальным программным обеспечением вычисляются трехмерные координаты каждой точки поверхности. В целях контроля или обратного инжиниринга лазерный сканер захватывает всю геометрию детали целиком - как поверхности произвольной формы, так и геометрические характеристики. Полученная в результате цифровая копия лежит в основе рационализации процедуры контроля.
При последовательном сканировании нескольких сторон детали с перекрытием программное
Рис. 4. Засасывающая поверхность Fig. 4. Suction surface
обеспечение аппаратуры позволяет осуществить «сшивку» участков по маркам, специально располагаемым на измеряемой поверхности.
Количество измеренных точек должно быть достаточно для построения триангуляционной поверхности из множества треугольников. Для этого подбирается угол поворота сканера к нормали поверхности таким образом, чтобы камера максимально считывала спроецированные лазером полосы.
Требования безопасности охраны окружающей среды
Environmental protection requirements
При выполнении измерения гребного винта соблюдают требования безопасности, производственной санитарии, охраны окружающей среды предприятия. Лица, проводящие измерения в условиях мо-дельно-производственного отдела с использованием коордннатно-измернтельнон аппаратуры, должны озанкомиться с методикой по работе с координатно-измеритель ной машиной Nikon LK V 8.7.6 и проходить плановые инструктажи по технике безопасности.
Измерение координат точек поверхности гребного винта на станке не оказывает влияния на окружающую среду.
Требования к квалификации операторов
Qualification requirements for operators
К выполнению измерений на коордннатно-изме-рительной аппаратуре и обработке результатов из-
Таблица. Требования к условиям измерений Table. Requirements to measurement conditions
Температура окружающего воздуха. ° 18-22
Относительная влажность воздуха. % 20-80
Напряжение сети переменного тока с частотой 50 Гц 220 В±10 %
Допустимая вибрация, двойная амплитуда при частоте 3.5—90 Гц. мкм 1,27
Подача воздуха, атм 6
мерений допускаются лица с квалификацией «инженер», прошедшие курс обучения с данной аппаратурой и ознакомленные с методикой по работе с координатно-измерительной машиной Nikon LK V 8.7.6. изучившие технические описания и имеющие навык работы на аппаратуре.
Требования к условиям измерений
Requirements to measurement conditions
При выполнении измерений соблюдают условия, изложенные в таблице.
Подготовка к выполнению измерений
Preparation for measurements
При подготовке к выполнению измерений проводят следующие действия:
включение кондиционера, достижение температуры 20 С в помещении, включение компрессора. контроль температуры и влажности в помещении по пирометру психрометрическому:
Рис. 5. Калибровка сканера Fig. 5. Scanner calibration
проведение внешнего осмотра винта, очистка от стружки и смазочно-охлаждающей жидкости. Наклеивание на кромки первой, второй и третьей попасти винта по одной марке-сфере. Марки располагаются на максимальном отдалении от теоретической оси вращения винта: осмотр гранитного стола на предмет загрязнений и посторонних предметов. Протирание стопа и направляющих от пыли, включение КИМ. обнуление осей для задания системы координат КИМ;
включение компрессора, шкафа управления, подачи воздуха рукояткой на приборе: включение и прогрев сканера в программе управления на ПК. добавление углов, калибровка сканера (рис. 5), установка сферы, квалификация углов по сфере. В основном при работе используются углы поворота сканера с шагом вдоль плоскости XV в 15 градусов, с шагом в плоскостях ¿X и ZY в 30 градусов. Углы поворота лазерного сканера перед измерением координат точек поверхности модели гребного винта должны быть откалиброваны по калибровочной сфере каждый раз, когда в программе калибровки появляется окно «Откалибруйте углы». Калибровочная программа проверяет установку угла сканера, а в случае, если погрешность превышает 6 мкм. необходимо повторить калибровку. После квалификации углов сферу необходимо убрать с гранитного стола. Если не производить процедуру калибровки углов, то программа сканирования не запустится, и провести измерения будет невозможно. Органолептическим методом убедиться, что в соседних помещениях не ведутся строительно-монтажные работы, и по улице не проезжает тяжелый транспорт, во избежание повышенной вибрации во время измерения и калибровки;
выставление и закрепление винта на оснастке, создание файла С АО модели винта в формате
Fie Allele Hunter fefe-i r-a
k Ч, Tie: Номер винта Adher Dab Wuiii/if'VI Ifriaej-i Sea'*
a>!nt Get Rswt P-oie ¡%dijs: 1
Рис 6. Форма протокола
Рис 6. Format of measurement records
Порядок выполнения измерений
Measurement sequence
При выполнении измерений координат поверхности
гребного винта выполняют следующие операции:
1. Сканирование облака точек для предварительной привязки. Необходимо установить следующие параметры сканера: режим плоского сканирования. интенсивность лазера 5, расстояние между страйпами в полосах 0,2 мм. Выбирается начальная и конечная точка перемещения сканера. Запускается процесс сканирования. Аналогично полосами сканируется вся доступная поверхность модели винта. По окончашш процесса все точки объединяются в один массив. Предварительная привязка к номиналу. Объединение облаков точек. Загрузка файла *.igs, перевод *.igs в формат *.stl. Предварительная привязка методом совмещения облака точек с обработанной CAD-моделью по 3 точкам для нахождения путей сканирования. После притягивания номинала к обмеренному облаку точек возможна установка путей сканеру по номиналу, т.к. модель номинала перемещается в систему координат рабочей зоны измерений.
2. Сканирование засасывающей поверхности винта. Сканирование кромок, ступицы, вала. Сканирование сфер отдельным облаком точек проводится с установкой расстояния между страйпами в 0,05 мм. Обработка облака точек, построение триангуляционной модели, построение сфер.
3. Перевернуть винт, выставить на оснастке. Повторить п. 2.
Измерение координат точек на поверхности
винта выполняют методом сбора облака точек посредством бесконтактного лазерного сканирования поверхности. Минимальное расстояние между сканером и поверхностью измеряемого объекта должно быть 60 мм. Для каждого последующего измерения, если необходимо перевернуть или сместить относительно стола модель винта, необходимо захватывать 3 специализированных маркера из предыдущего измерения для перевода измеренной части в систему координат последующих измерений и совмещения облаков точек.
Обработка и оформление результатов измерений
Test data processing and presentation
Обработка результатов измерений выполняется следующим способом:
1. Построение триангуляционной модели поверхности из множества треугольников производится после фильтрации точек. Соединение верхней и нижней поверхности винта по маркам-сферам выполняется после сканирования марок-сфер на верхней части винта и после переворота относительно оси Z стола на нижней части винта поверхности.
2. Сопоставленне(сшивка) по маркам и объединение засасывающей и нагнетающей поверхности измеренной модели гребного винта.
3. Результаты измерений оформляются в виде протокола измерений. Форма протокола представлена на рис. 6. Результат измерения координат точек представляется в электронном виде в форме файла с расширением *.xyz.
Рис. 7. Цилиндрические сечения
Fig. 7. Cylindrical sections
4. В результате измерений получаем файл с «облаком точек» поверхности *.xyz. После преобразования получаем файл с расширением*.stl с триангуляционной моделью в системе координат станка, которая может быть сравнена с номинальными CAD-данныш! модели винта, что позволяет получать изображения имеющихся геометрических отклонений в программе EXCEL (MS Office). С помощью программного обеспечения (ПО) Focus триангуляционная модель винта, построенная из облака точек, притягивается к лопастям винта CAD-модели с шагом 0,001 мм. При сравнении средствам: ПО Focus методом наименьших квадратов выполняется наилучшее совмещение облака точек и заданной 3D-модели. В случае моделей гребных винтов совмещение производится по поверхностям всех лопастей и по наружной поверхности ступицы.
5. Выдача графического отчета в виде изображения имеющихся геометрических отклонений по нормали к поверхности. Программное обеспечение анализирует координаты точек CAD-модели и измеренной модели. После этого в системе координат CAD-модели мы видим разницу(Ое\-.) между координатой выбранной точки поверхности CAD-модели (Nominal) и координатой выбранной точки поверхности измеренной модели (Measured) на выносках.
6. Необходимо вывести на экран линейку предельных отклонений и отрегулировать ее в зависимости от технического задания. На схеме отмечаются номера лопастей и выноски зон наибольших отклонений. В правой части изображения строится цветовая шкала отклонений с шагом 0,05 mi. где зона +0,3 мм отмечена красным цветом, зона -0,3 мы отмечена синим цветом. В таблице указы-
Рис. 8. Высота подъема винтовой линии Fig. 8. Elevation height of helical line
вается дата измерения, температура, при которой производились измерения, и номер винта.
7. Плоские и цилиндрические сечения отсканированного объекта могут быть представлены файлами в форматах *.iges, *.asc, *dxf.
8. После построения цилиндров или конусов ступицы и вала по облаку точек, можно, используя ПО Focus, проверить соосность теоретической оси вращения винга с осью отверстия под вал модели винта.
9. Результаты измерений могут быть использованы для контроля геометрии изготовленных моделей гребных винтов на основании РД ИМЯН. 7200.0022016 «Порядок заказа, технические требования, транспортировка и хранение моделей гребных винтов. Инструкция».
10. Построение соосных цилиндрических сечений гребного винта. Правилами математического представления поверхности лопасти гребного винта предусмотрено построение цилиндрических сечений лопасти [3]. Цилиндрические сечения 5-ти лопастного гребного винта представлены на рис. 7. Гидродинамические, эксплуатационные качества гребного винта, технологичность его изготовления во многом определяются выбором профиля лопастных сечений, под которым понимается след сечения лопасти винта соосны-ми с винтом круговыш! цилиндрами различного радиуса [3].
Метод вычисления шага гребного винта по CAD-модели
CAD model-based calculation method for propeller pitch
Важнейшей характеристикой гребного винта является шаг [2]. Разработана методика измерения шага вин-
та no CAD-мод ели с использованием координатного метода подсчета по формуле
H = Z 360с/а° (1)
где Z - высота подъема винтовой линии (рис. 8); а - центральный угон между измеряемыми точками [2].
Контроль точности результатов измерений
Accuracy control of measurement results
Для контроля точности результатов измерений средство измерения «Машина трехкоординатная измерительная» и лазерный сканер подвергаются ежегодной поверке предприятием, аккредитованным Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии, и на основании результатов поверки признаются соответствующими установленным в описанш! типа метрологическим требованиям и пригодными к применению в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений. о чем выдается свидетельство.
В заключении отметим, что КИМ с лазерным сканером используется для сканирования, контроля геометрии объектов со сложной формой, таких как модели гребных винтов, турбинные лопатки. Также в рамках применения КИМ разработаны такие методики. как контроль геометрических характеристик и соответствия моделей гребных винтов чертежу с использованием лазерного сканирования, метод вычисления шага гребного винта по CAD-модели, метод совмещения поверхностей винта с использованием сферических марок, анализ геометрии поврежденных лопастей методом привязки по оси и сравнения с неповрежденной лопастью, метод контроля
отлнвки на предмет вписывания и оптимизации размещения модели для станка с ЧПУ
Библиографический список
References
1. Жученко М.М., Иванов В.М. Расчеты гребных винтов. М.: 1953. [ZinichenkoM. , Ivanov V. Propeller calculations. M.: 1953. (inRussian)].
2. Кацман Ф.М., Кудреватый Г.M. Конструирование винто-рулевых комплексов морских судов. Л. : 1974. [Katzman F., Kadrevaty G. Design of marine rudder & propulsion systems. L: 1974. (in Russian)].
3. Винты гребные фиксированного шага морских судов. Правила математического представления поверхности лопастей. ОСТ 5.0317-80 [Fixed-pitch, propellers of seagoing ships. Mathematical representation rules for blade surface. Standard OST 5.037-18 (in Russian)].
Сведения об авторах
Черняев Илья Юрьевич, инженер 2 категории ФГУП «Крыловскпй государственный научный центр». Адрес: 196158. Россия. Санкт-Петербург. Московское шоссе, д. 44. Тел.: 8 (812) 415-46-80; E-mail: ilia.cherniaev@ gmail.com.
Лукин Евгений Александрович, начальник стенда ФГУП «Крыловскнй государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия. Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Телефон: 8 (812) 415-46-80: E-mail: krylov@krylov. spb.ru.
About the authors
Chemyaev I., 2nd Category Engineer. Krylov State Research Centre. Address: Moskovskoye sli. 44. St. Petersburg. Russia, 196158. Tel.: 8 (812) 415-46-80: E-mail: ilia.cherniaev@ gmail.com.
Lukin Ye., Test Rig Manager. Krylov State Research Centre. Address: Moskovskoye sh. 44, St. Petersburg. Russia. 196158. Tel.: 8 (812)415-46-80; E-iuail: [email protected].
Поступила / Received: 14.02ЛЕ Принятав печапъ/Accepted: 18.04ЛЕ © Черняев И.Ю., Лукин E.A., 2018
