Обеспечение угловой соосности блок-модулей при сборке основного корпуса подводного корабля с применением локальных измерительных сетей

Будниченко Михаил Анатольевич; Голубкин Александр Сергеевич; Кузьмин Дмитрий Васильевич

DOI: 10.24937/2542-2324-2019-3-389-180-184 УДК 629.585: 629.5.021

М.А. Будниченко1, A.C. Голубкин2, Д.В. Кузьмин1

1 АО «ПО «Севмаш», Северодвинск, Россия

2 АО «ЦКБ МТ «Рубин», Санкт-Петербург, Россия

ОБЕСПЕЧЕНИЕ УГЛОВОЙ СООСНОСТИ БЛОК-МОДУЛЕЙ ПРИ СБОРКЕ ОСНОВНОГО КОРПУСА ПОДВОДНОГО КОРАБЛЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЛОКАЛЬНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ

Объект И цель научной работы. Рассматривается одна из задач точного позиционирования крупногабаритных блок-модулей подводного корабля на стапеле при реализации позиционно-сборочной технологии строительства. Цель работы - разработка и теоретическое исследование метода обеспечения угловой соосности блок-модулей, основанного на применении локальных измерительных сетей и высокоточных оптико-электронных средств измерения. Материалы И методы. Теоретическое исследование разработанного метода обеспечения угловой соосности выполнено на основе аналитической модели системы из двух соединяемых между собой блок-модулей, которая получена векторно-матричным способом, широко используемым в задачах кинематики пространственных механических систем.

Основные результаты. Разработан метод обеспечения угловой соосности блок-модулей подводного корабля на стапеле. Получена аналитическая модель системы из двух соединяемых между собой блок-модулей, на основе которой показана корректность данного метода и выявлены его свойства, полезные с точки зрения практической реализации. Заключение. Предложенный метод обеспечения угловой соосности блок-модулей является корректным, нечувствительным к линейной несоосности блок-модулей; результат его применения не зависит от очередности устранения угловых несоосностей в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Данный метод может быть положен в основу технологии сборки с повышенной точностью основного корпуса подводного корабля из крупногабаритных блок-модулей. Ключевые слова: блок-модули подводного корабля, соосность, локальные измерительные сети. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.

DOI: 10.24937/2542-2324-2019-3-389-180-184 UDC 629.585: 629.5.021

M. Budnichenko1, A. Golubkin2, D. Kuzmin1

1 JSC Sevmash, Severodvinsk, Russia

2 JSC CDB MT Rubin, St. Petersburg, Russia

ANGULAR ALIGNMENT OF MODULES IN MAIN HULL ASSEMBLING OF UNDERWATER PLATFORM BY MEANS OF LOCAL MEASUREMENT GRIDS

Object and purpose of research. This paper discusses one of the tasks in accurate positioning of large modules during construction of underwater platform as per modular assembling technology. The purpose of the study was to develop and theoretically investigate the method of ensuring angular alignment of the modules by means of local measurement grids and high-precision optical & electronic instrumentation.

Дня цитирования: Будниченко M.A., Голубкин А.С., Кузьмин Д.В. Обеспечение угловой соосности блок-модулей при сборке основного корпуса подводного корабля с применением локальных измерительных сетей. Труды Крыловского государственного научного центра. 2019; 3(389): 180-184.

For citations: Budnichenko M., Golubkin A., Kuzmin D. Angular alignment of modules in main hull assembling of underwater platform by means of local measurement grids. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2019; 3(389): 180-184 (in Russian).

Materials and methods. Theoretical study of the suggested method for ensuring angular alignment of assembling modules relies on the analytical model of system made up by two interconnected unit modules. This analytical model was constructed as per vector-matrix method commonly used in kinematics of spatial mechanical systems.

Main results. The study yielded the method for ensuring angular alignment of underwater platform modules at the berth. The analytical model made up by the two interconnected unit modules has confirmed the correctness of this method and identified its advantages that could be useful for construction practice.

Conclusion. The method suggested in this paper is correct and insensitive to linear misalignment of unit modules; the result of its application does not depend on correction sequence of angular misalignments in horizontal and vertical planes. This method could become the basis of high-precision assembling technology for main hull of underwater platform made up by large unit modules.

Keywords: unit modules, alignment, local measurement grids.

Authors declare lack of the possible conflicts of interests.

Эффективные технологии кораблестроения, основанные на принципе взаимозаменяемости и позволяющие строить корабли из крупных блоков с высоким уровнем насыщения [2-5], прямо связаны с разработкой, внедрением и эксплуатацией единых локальных измерительных сетей. Под локальной сетью понимается стабильная совокупность точек в пространстве, зафиксированных на жестких конструкциях, сборочно-монтажных единицах корабля и стапеля при помощи кернов, магнитных оснований, марок, реперов и пр., которая служит для обеспечения единого цифрового информационно-измерительного пространства. Локальные сети образуют систему точных баз, необходимых для разметки, сборки, монтажа и размерного контроля конструкций. Указанные операции выполняются с применением трехмерных средств измерения (лазерные трекеры, тахеометры [1,7], сканеры, механические координатно-измерительные машины) и высокоточного технологического оборудования (специализированные сборочные устройства [8], лазерные проекторы, станки с числовым программным управлением, робототехнические комплексы).

В настоящее время очень актуальна разработка методов, которые могут быть положены в основу отечественных крупноблочных технологий. Одной из задач, решение которых требует нового методического обеспечения, является позиционирование с повышенной точностью блоков кораблей. Такая задача возникает при стапельной сборке основного корпуса корабля из блок-модулей. Блок-модуль представляет собой изготовленную точно «в размер», высоконасыщенную сборочную единицу корпуса корабля, длина которой превышает 12 м. Для обеспечения высокого качества сварного шва, а также требований к стыковым соединениям элементов размещенного внутри блок-модулей оборудования необходимо обеспечить жесткие требования к точности относительного положения соеди-

няемых блок-модулей (угловая, линейная несоосность, допуск на величину сварочного зазора). Обоснованные величины допусков на взаимное положение конструкций при сборке корпуса должны определяться в автоматизированном режиме, на основании расчетов по размерно-технологической модели корабля [9]. Ввиду больших габаритных размеров и массы конструкций их позиционирование с повышенной точностью представляет собой сложную техническую задачу, решать которую предлагается с помощью измерения лазерным трекером абсолютных координат точек соединяемых блок-модулей (рис. 1).

Современные лазерные трекеры от ведущих производителей (API, Leica) способны определять координаты с высокой точностью, особенно при работе в отражательном режиме, а также транслировать эти координаты в реальном времени, что позволяет применять результаты измерений в задачах управления положением конструкций.

Рис. 1. Измерение абсолютных координат точек соединяемых блок-модулей лазерным трекером

Fig. 1. Measurement of absolute coordinates for the points of unit modules to be assembled (by means of laser tracker)

базовые точки ДП БМ о - базовые точки МБП БМ

чины. Если они равны, то угловая соосность блок-модулей достигнута.

Корректность данного метода покажем на аналитической модели системы из двух соединяемых блок-модулей, расчетная схема которой представлена на рис. 2. Матрица перехода (4x4), описывающая положение БМ1 в системе координат БМ0, имеет вид

А-

R

ООО

где R =

Рис. 2. Расчетная схема системы из двух соединяемых блок-модулей

Fig. 2. Design layout of the system made up by two unit modules

В качестве опорных возьмем точки 1—4 мон-тажно-базовых плоскостей (МБП) блок-модулей, входящие в состав их локальных сетей, т.к. эти точки жестко зафиксированы на конструкциях и являются базовыми. Обеспечение угловой соосности осуществляется в следующем порядке (рис. 2).

На стапельное место устанавливается блок-модуль БМ0, который неподвижно закрепляется и привязывается к цеховой локальной измерительной сети.

Блок-модуль БМ1 неподвижно закрепляется на близком расстоянии от БМ0 таким образом, чтобы точки 3 и 4 МБП1 с требуемой точностью совпадали с диаметральной плоскостью ДП0 (технически это реализуемо, т.к. транспортировка соединяемых блок-модулей на стапеле выполняется по одним и тем же прямолинейным рельсовым путям).

С помощью лазерного трекера в системе координат цеха измеряются положения точек 7, 2 МБП0 и МБПь по значениям координат этих точек вычисляются векторы pi и р2.

Векторы pi, р2 сравниваются; если pi Ф р2, то БМ1 поворачивается в горизонтальной плоскости на фиксированный угол Aß, направление поворота определяется знаком разности |р2| - |pi|.

Пункты 3 и 4 выполняются, пока не будет достигнуто pi = р2 с точностью, определяемой допусками на несоосность.

Пункты 3-5 выполняются для точек 3 и 4; ориентация БМ1 ведется аналогично, по углу а в вертикальной плоскости.

Измеряется положение точек 1—4, вычисляются векторы pi_4 и сравниваются их абсолютные вели-

Р 1

-sßsa -sßca cßsa cßca -ca sa

ф 0

- матрица поворота,

описывающая угловую несоосность [6]; р = [Ах 0 Az]г - вектор переноса, описывающий линейную несоосность БМ0 и БМЬ Здесь и далее яф = БШф, сф = соБф. Векторы (4x1) положений базовых точек МБП1 в системе координат БМ0 определяются равенством

Гг=А-г}9 (1)

где г,1 - положения базовых точек МБПХ в системе координат БМь /=1,2,3,4. Подставляя в (1) значения г\ = [0 Ъ а 1]г, г21 = [0 Ъ -а 1]г, Г31 = [а Ъ 0 1]г, г\ = [-а Ъ 0 1]г, получим

1Г

Ьсаф + оф Ьз а + 1 ; (2)

(-bcas$+ l^+acß + Ax

г, =

-bcasfi --аф + Ах

-asocsß --bcasfi + Ах

r asas$--bcas$ + Ах

6cacß - as$ bsa + Az 1

( asacß +

V

-aca + +bsa + Az

\ '-asacß нЛ 'аса + л

У У+Ьсаф )

(3)

;(4)

; (5)

где а - половина диаметра блок-модулей; Ъ - расчетное расстояние между МБП0 и МБПЬ учитывающее величину зазора под сварку. Дальнейшие вычисления не требуют преобразования координат, поэтому в равенствах (2)-(5) исключим четвертый столбец, переходя к векторам размерности (3x1). Выражения для рг имеют вид

р.=г.-а.9 / = 1,2,3,4, (6)

где fl,=[a 0 0] ; a2 = [-a 0 0]'; a3 = [0 0 -a\ a4 = [0 0 af.

Подставив в (6) равенства (2)-(5), получим

Pi =

p2 =

Рз

P4 =

-bccts$ +

ч+а(ф -1) + Ar J

йсаф +

-йсаф - ^ ( Ьсаф --a(c P-l) + ArJ ^-аф

-дааф - W дааф + -èco«P + ArJ ^+6саф

У

bsa + Az

-a(ca-\) + +bsa + Az

'дааф- Л [/-дааф+л| (a(ca-X) + v-èco«P + AxJ ^+йсаф ) \y+bsa + Az

(7)

(8)

,(9)

■ (10)

Разности выражений (8), (7) и (10), (9) составят р21 = [-2а(ф-1) -2аф of ;

р43 = [2длтхф -2д\аф 2а(са - 1)]' .

(И) (12)

Из (11) ясно, что р21 = 0 тогда и только тогда, когда (3 = 0 + 2т, п е '/.. Следовательно, угловая соосность блок-модулей в горизонтальной плоскости обеспечивается выполнением условия р! = р2. Аналогично для (12) имеем р43 = 0, а = 0 + 2т, п е У. для любых значений угла (3. Из (7)—(10) следует, что

| р]_4 |= -^Ах2 +Ь2 + Ау2 имеет место только при

а, (3 = 0. Поэтому равенство расстояний между одноименными базовыми точками МБП0 и МБП1 действительно является критерием угловой соосности соединяемых блок-модулей.

Из всего вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

■ очередность приведения к нулю углов а и (3 не влияет на конечный результат;

■ метод нечувствителен к линейной несоосности блок-модулей;

■ метод является корректным и может быть положен в основу технологий стапельной сборки основного корпуса корабля из блок-модулей;

■ полученная аналитическая модель системы из двух соединяемых блок-модулей может быть использована для теоретического исследования точности обеспечения соосности.

Библиографический список

1. БлащукВ.Н., Бунов И.А., Хоанг Шон Минь, Лубен-ко В.Н. Теоретические основы применения лазерных

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

тахеометров в измерительной системе, привязанной к корпусу судна // Вестник Астраханского государственного технического университета. Морская техника и технология. 2011. №2. С. 13-19.

2. Будниченко М.А., Спиридонов А.Ю. Модернизация конструкторско-технологической подготовки производства и процессов строительства кораблей // Труды Крыловского государственного научного центра. 2015. Вып. 374. С. 187-194.

3. Будниченко М.А., Спиридонов А.Ю., Кузьмин В.В. Разработка и перспективы внедрения позиционно-сборочной технологии строительства атомных подводных лодок // Труды Крыловского государственного научного центра. 2017. Вып. 381. С. 133-138.

4. Будниченко М.А., Спиридонов А.Ю. Реализация метода «точной геометрии» при строительстве атомных подводных лодок // Морской вестник. 2018. №2. С. 25-27.

5. Будниченко М.А., Кузьмин Д.В., Спиридонов А.Ю. Пути достижения полной взаимозаменяемости корабельных конструкций, изготавливаемых на крупном судостроительном предприятии // Сборник статей Научно-исторической конференции «220 лет военно-морскому инженерному образованию России». Ч. 1. СПб.: ВИ (ВМП) ВУНЦ ВМФ «ВМА», 2018. С. 280-285.

6. Кузьмин Д.В., Спиридонов А.Ю. Математическое описание звеньев размерных цепей по корпусу судна векторно-матричным способом // Оборона России. 2018. №12. С. 46^19.

7. ЛубенкоВ.Н., Трофимова С.С. Анализ возможности применения тахеометров для контроля проверочных работ при сборке корпусов судов // Вестник Астраханского государственного технического университета. Морская техника и технология. 2012. № 1. С. 25-29.

8. Розинов А.Я., Догадин А.В., Бескровный А.Ю. Совершенствование технологий сборки монтажных соединений наружной обшивки корпусов судов и кораблей // Технология машиностроения. 2012. № 10. С. 17-21.

9. Сурков КМ. Автоматизированная разработка технологических процессов сборки корпуса судна // Вестник Астраханского государственного технического университета. 2005. №2(25). С. 182-187.

References

1. V. Blashuk, I. Bunov, Hoang Son Minh, V. Lubenko. Theoretical fundamentals for application of laser tache-ometers in hull-attached instrumentation system // Vest-nik of Astrakhan State Technical University. Marine Engineering & Technologies. 2011. N0. 2. P. 13-19 (in Russian).

2. M. Budnichenko, A. Spiridonov. Upgrading design & technological support of ship production and construction processes // Transactions of the Krylov State Research Centre. 2015. Issue 90(374). P. 187-194 {in Russian).

3. M. Budnichenko, A. Spiridonov, V. Kuzmin. Development and introduction prospects of positional assembling technology in construction of nuclear submarines // Transactions of the Krylov State Research Centre. 2017. Issue 381. P. 133-138 {in Russian).

4. M. Budnichenko, A. Spiridonov. Implementation of "accurate geometry" method in construction of nuclear submarines // Morskoy Vestnik. 2018. No. 2. P. 25-27 (in Russian).

5. M. Budnichenko, D. Kuzmin, A. Spiridonov. Striving for complete interchangeability of ship structures manufactured at a large shipyard // Compendium of papers, Scientific & Historical Conference 220 Years to Naval Engineering Teaching in Russia. Part 1. St. Petersburg: N.G. Kuznetsov Naval Academy, 2018. P. 280-285 (in Russian).

6. D. Kuzmin, A. Spiridonov. Vector-matrix based description of dimensional chain links along the hull of ship // Oborona Rossii (Russian Defense). 2018. No. 12.P. 46-49 (in Russian).

1. V. Lubenko, S. Trofimova. Exploring the possibility of applying tacheometers for hull assembling checks // Vestnik of Astrakhan State Technical University. Marine Engineering & Technologies. 2012. No. 1. P. 25-29 (in Russian).

8. A. Rozinov, A. Dogadin, A. Beskrovny. Refinement of assembling technology for outer plating joints of ships and vessels // Tekhnologiya mashinostroyeniya (Mechanical Engineering Technology). 2012. No. 10. P. 17-21 (in Russian).

9. K. Surkov. Automated development of hull assembling processes // Vestnik of Astrakhan State Technical University. 2005. No. 2(25). P. 182-187 (in Russian).

Сведения об авторах

Будниченко Михаил Анатольевич, к.т.н., генеральный директор АО «ПО «Севмаш». Адрес: 164500, Россия, Архангельская обл., Северодвинск, Архангельское шоссе, 58. Тел.: 8 (8184) 50-47-17. E-mail: [email protected]. Голубкин Александр Сергеевич, д.т.н., первый зам. генерального конструктора АО «ЦКБ МТ «Рубин». Адрес: 191126, Россия, Санкт-Петербург, ул. Марата, 90. Тел.: 8 (812)494-14-72. E-mail: [email protected]. Кузьмин Дмитрий Васильевич, к.т.н., ведущий инженер-конструктор АО «ПО «Севмаш». Адрес: 164500, Россия, Архангельская обл., Северодвинск, Архангельское шоссе, 58. Тел.: 8 (999)250-40-97. E-mail: [email protected].

About the authors

Mikhail A. Budnichenko, Cand. Sci (Eng.), Director General, JSC PO Sevmash. Address: 58, Arkhan-gelskoye shosse, Severodvinsk, Arkhangelsk Oblast, Russia, post code 164500. Tel.: 8 (8184) 50-46-01. E-mail: [email protected].

Aleksandr S. Golubkin, Dr. Sci. (Eng.), First Deputy Director General, JSC CDB MT Rubin. Address: 90, Marata st., St. Petersburg, Russia, post code 191126. Tel: 8 (812)494-14-72. E-mail: [email protected]. Dmitry V. Kuzmin, Cand. Sci. (Eng.), Lead Naval Architect, JSC PO Sevmash. Address: 58, Arkhangelskoye shosse, Severodvinsk, Arkhangelsk Oblast, Russia, post code 164500. Tel.: 8 (999)250-40-97. E-mail: [email protected].