CC BY
43
Мартынов Максим Михайлович, инженер-конструктор, Martinov_m@,bk.ru, Россия, Тула, ПАО Тульский оружейный завод
THEORETICAL-EXPERIMENTAL METHOD OF DEVELOPMENT OF TECHNICAL PROCESS OF STAMPING WITH EVERSION OF DEEP-PROFILE CORRUGATED SHELLS
M.M. Martynov
The article discusses the technological aspects of the implementation of the innovative idea of reducing the aerodynamic resistance of an aircraft by shaping the fodder fairing of preferred geometry based on plastic deformation of the original corrugated thin-walled shell by means of internal gas dynamics in flight. A theoretical-experimental method for the development of an extrusion process with inversion of deep-profile corrugated plates is proposed and substantiated. The feasibility of the proposed method is confirmed by the results of numerical simulation and the manufacture of a model version of the membrane without an intermediate thermochemical treatment.
Key words: aircraft, feed-in fairing transformable in flight, initial corrugated membrane, manufacturing process, mathematical modeling, physical experiment, extrusion hood.
Martynov Maxim Mikhailovich, engineer-designer, Martinov_m@,bk.ru, Russia, Tula, JSC Tulsky Oruzheiny Zavod
УДК 53.082
ТРЕХМЕРНЫЕ СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ ТОЧНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ В УСЛОВИЯХ СЕРИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
А.С. Хромов, Н.С. Зинец
Проводится анализ трёхмерных средств контроля геометрических параметров изделий сложной геометрической формы по точности определения размеров и времени, затраченном на измерение. По результатам исследований сделаны выводы о целесообразности применения рассмотренных средств контроля в рамках серийного производства.
Ключевые слова: контроль качества, точность измерений, 3D-сканеры.
Рыночный успех предприятия определяется конкурентоспособностью его продукции, поэтому в современных условиях постоянно меняющейся конъюнктуры рынка от предприятий требуется быстро разрабатывать и осваивать производство нового, востребованного рынком продукта.
Для перехода на качественно новый уровень проведения разработок изделий на предприятиях осваиваются программные комплексы сквозного и параллельного проектирования, внедряются в производство обрабатывающие центры с ЧПУ и автоматические сборочные линии.
364
Изменения затрагивают все сферы изготовления продукции, в том числе и процессы контроля качества изготавливаемой продукции. Основные требования, предъявляемые к методам контроля неизменны: высокая точность измерений, универсальность, скорость, низкая трудоемкость.
Одним из перспективных направлений в сфере контроля качества производимой продукции являются технологии цифрового сканирования и создания трехмерной модели объекта (ЭБ-сканирования), так как они универсальны к типам и габаритам контролируемых изделий, в ряде случаев мобильны, обеспечивают точность измерений с погрешностью ± 0,01 мм, наиболее полно отвечают опытному и мелкосерийному производству.
ЭБ-сканеры разделяют на два больших типа: контактные и бесконтактные, которые в свою очередь, делят на активные и пассивные.
Контактные сканеры исследуют объект непосредственно через физический контакт, пока сам объект располагается на проверочной плите. Если объект сканирования неровный и не может стабильно лежать на поверхности плиты, то его зажимают в специальных приспособлениях. Такие приборы называют координатно-измерительными машинами (КИМ), они используются в основном в производстве и обладают высокой точностью.
К недостаткам КИМ можно отнести необходимость непосредственного контакта с поверхностью работы, в связи с этим существует возможность повреждения поверхности объекта, а также медлительность процесса и затруднение сканирования крупногабаритных объектов.
Активные бесконтактные сканеры используют определенные виды излучения или просто свет и сканируют объект через отражение или прохождение излучения через среду или объект. В таких устройствах может применяться либо лазерный луч, либо структурированный свет.
Лазерные ЭБ-сканеры работают либо по времяпролетной, либо по триангуляционной методике. В первом случае регистрируется время прохождения луча от источника до объекта и обратно, и таким образом определяется расстояние до объекта. Данный тип сканеров используется для работы с крупными объектами и большими расстояниями до них. Во втором случае сканер также посылает на поверхность объекта лазерный луч, либо полосу, а специальная камера принимает его отражение от поверхности. Во время перемещения точки/полосы по поверхности, она появляется в различных местах поля зрения камеры. Эта технология названа триангуляцией, потому что лазерная точка, камера и излучатель образуют своеобразный треугольник. По этому методу работают как стационарные, так и ручные лазерные ЭБ-сканеры.
К недостаткам таких систем можно отнести высокую стоимость оборудования, а также длительное время сканирования крупногабаритных объектов для обеспечения необходимой точности результата, что обуславливается малой областью сканирования в один момент времени (точка или полоса).
3D-сканеры, работающие по технологии структурированного света, проецируют на объект световую сетку при помощи проектора. Камера, расположенная в стороне от проектора, фиксирует форму сетки и вычисляет расстояние до каждой точки в поле зрения. Преимущество 3D-сканеров данного типа в их высокой производительности и точности измерений. Вместо сканирования одной точки в один момент времени, они сканируют одновременно несколько точек или все поле зрения одновременно.
Пассивные бесконтактные 3D-сканеры ничего не излучают, вместо этого они используют свет, отраженный из окружающего пространства. Большинство сканеров этого типа предназначены для обнаружения видимого света, ведь это наиболее доступный вид окружающего излучения. Данный метод нашел широкое применение в области искусства, реконструкции памятников и т.д. В инженерной практике же он практически не применим из-за невысокой точности и сильной зависимости от условий окружающей среды.
Несмотря на явные преимущества в виде высокой точности и скорости измерений бесконтактные 3D-сканеры на данном этапе своего развития не получили широкого распространения в производстве в качестве средств контроля фактических размеров изделий сложной геометрической формы.
Целью данной работы является сравнение процесса контроля геометрических параметров детали при помощи технологии 3D-сканирования с контролем при помощи стандартных средств измерений с последующим анализом полученных результатов.
В процессе исследования рассмотрено следующее оборудование (рис. 1):
- 3D-сканер Atos Triple Scan немецкой фирмы GOM;
- 3D-сканер Range Vision Advanced производства ЗАО «НПО «Система»;
- координатно-измерительная машина LH 1010 немецкой фирмы WENZEL.
Все измерительные работы требуют проведения подготовительных мероприятий, заключающихся, как минимум, в ознакомлении с объектом измерений, выбором необходимой оснастки, а также, при необходимости, подборе дополнительного оборудования, подготовки поверхности детали и т.д.
Для контроля геометрических параметров детали 3D-сканером Atos Triple Scan необходимо, чтобы поверхность измеряемого объекта была матовой, глянцевые элементы и поверхности подлежат обработке специальным матирующим составом. Затем на поверхность детали наносятся маркерные точки, позволяющие впоследствии создать высокоточную цифровую модель измеряемого объекта. После подготовки деталь устанавливается в измерительную камеру при помощи специального приспособления, либо размещается на поворотном столе. Затем оператор через специализированное программное обеспечение (ПО) определяет траекторию движения и позиции сканера в целях захвата как можно большей части по-
верхности за одну установку детали, и по команде оператора начинается процесс сканирования детали. По окончании сканирования оператор, при необходимости, переворачивает деталь и вновь запускает процесс сканирования для захвата оставшейся поверхности детали. Полученные элементы объединяются в единое тело по нанесенным маркерным точкам при помощи специализированного ПО. Затем оператор выбирает на полученной трёхмерной модели контролируемые параметры и формирует файл отчета, который можно сохранить в качестве шаблона для последующих измерений.
По аналогии с Atos Triple Scan подготовка к сканированию Range Vision Advanced начинается с матирования имеющихся глянцевых поверхностей детали и нанесения на нее маркерных точек. Также перед первым сканированием необходимо провести позиционирование и ручную калибровку оборудования. В дальнейшем, если последующие сеансы сканирования не подразумевают изменения фокусного расстояния сканера, а также изменения зоны сканирования, то повторная калибровка перед каждым из них не требуется.
Подготовленную деталь располагают на поворотном столе, который приводится в движение нажатием педали. Оператор через ПК дает команду на сканирование детали, после того как сканер сделает достаточное количество снимков, стол поворачивают на угол 25 - 30°, после чего повторяют сканирование. Процедура повторяется до тех пор, пока не будет получена цифровая модель всей поверхности детали. Полученные данные обрабатываются на ПК и импортируются в специализированное ПО (например, Ge-omagic Design X), в котором оператор может измерить необходимые параметры.
Процесс подготовки к сканированию КИМ LH 1010 наиболее трудоемкий по сравнению с рассмотренным выше оборудованием. Во-первых, для ее функционирования необходим специальный компрессор с системой фильтрации воздуха, который нагнетает воздух в зазоры между подвижными частями КИМ и ее основанием. Во-вторых, перед началом работ оператор должен написать программу измерений, в которой будут указаны перемещения измерительной головки, предусматривающие обход технологической оснастки, смену измерительных щупов (при необходимости), а также скорость измерений и их последовательность.
Измерения с применением данного оборудования проходят в полуавтоматическом режиме. Процесс начинается с создания системы координат, в которой будут происходить все измерения, для этого оператор подводит измерительную головку к нескольким точкам детали, по координатам которых КИМ определяет положение детали в пространстве. Далее все измерения проводятся автоматически по заданной программе, при этом оператор может регулировать скорость перемещения измерительной головки для оптимизации скорости и качества измерений.
AT0S
SCANB0X
й1л /
¥ \
\х 1 W 1
3 * i
k._ j 1 9
3©m
а
б
в
Рис. 1. Контрольно-измерительные средства: а - SD-сканер Atos Triple Scan; б - SD-сканер Range Vision Advanced; в - Координатно-измерительная машина LH 1010
В процессе измерений в режиме реального времени на ПК, подключенном к КИМ, формируется отчет, содержащий номинальные значения, заданные допуски и фактические значения контролируемых параметров.
В данной работе в качестве объекта измерений использовалась деталь, изображенная на рис. 2. Для оценки точности результатов сканирования при помощи выше описанного оборудования, проведены измерения геометрических параметров детали с использованием стандартных средств измерения. Полученные при этом данные приняты в качестве эталонных значений контролируемых параметров.
Из табл.1 видно, что результаты измерений достаточно близки к значениям, полученным при помощи стандартных средств измерений. Также можно заметить, что размеры, полученные на КИМ WENZEL LH 1010 несколько занижены, это вызвано слоистой структурой поверхности детали. В процессе измерений высокочувствительный щуп КИМ попадает во впадины, что и приводит к заниженным значениям контролируемых па-
раметров. Оптический сканер AtosTripleScan лишен подобного недостатка, так как он контролирует размеры между плоскостями, проходящими через вершины видимой шероховатости детали. К тому же, у Atos Triple Scan есть возможность повысить точность измерений, уменьшив зону сканирования без потерь в производительности (в случае измерений малогабаритных деталей).
Таблица 1
Результаты измерений геометрических параметров детали
Номинальный размер, мм Станд. ср-ва измерения, мм Atos Triple Scan, мм LH 1010, мм Range Vision Advanced, мм
i0 il |i0- i 11 i2 |i0-i2| i3 |i0- i31
62 61,85 - 62,00 61,674 0,176 61,744 -61,809 0,106 61,9 0,05
113 112,83 112,673 0,157 112,769 0,061 112,77 0,06
20 20 - 19,867 0,133 - -
46 45,90 - 46,00 45,733 0,167 45,782 -45,963 0,037 45,87 0,03
R6 R 6,06;6,10 - - R 6,404; 6,543 0,354; 0,443 - -
24,3 24,45 - 24,50 24,342 0,108 24,292 -24,375 0,158 24,517 0,017
8,3 8,00 - 8,15 8,078 0,063 8,215 -8,300 0,15 7,98 0,02
R 112 R 112,07 - - 112,670 0,6 - -
R 10 R 9,89; 9,91 - - R 9,622; 9,928 0,018 - -
29,5 29,45-29,75 29,912 0,162 29,301 0,149 29,85 0,1
24,50 24,50 - 24,70 - 24,280 0,220 -
23,80 23,70 - 23,90 23,802 0,102 23,532 0,168 23,725 0,025
8 8,10 8,157 0,057 7,923 -7,966 0,177 8,28 0,18
5 5,01 - 5,22 - - 4,893 0,117 - -
11,25+0,25 11,28 - 11,36 - 11,077 0,203 - -
R 12 R 12,85 R 12,888 0,038 R 11,609; 11,978 0,872 - -
R 3 R 3,08 - - - -
5** 5,39 - 5,46 5,425 0,035 5,246 0,154 5,58 0,12
R 8 R 8,00 - - R 7,798; 8,298 0,202 - -
R 175 R 175,00 - - - - - -
22,5 22,90 - 22,95 - - 22,641 0,259 - -
Рис. 2. Объект измерений
369
Время, затраченное на измерения детали, приведено в табл. 2.
Таблица 2
Временные затраты на измерения
Время Станд. ср-ва измерения Atos Triple Scan LH 1010 Range Vision Advanced
Время на подготовку (1-й детали) 5 мин 5 мин 8 ч 30 мин
Время на измерения (1-й детали) 60 мин 35 мин 25 мин 30 мин
Время на подготовку (2-й и последующих деталей) 5 мин 5 мин 5 мин 5 мин
Время на измерения (2-й и последующих деталей) 60 мин 5 мин 25 мин 30 мин
Суммарное время 130 мин 50 мин 8 ч 55 мин 95 мин
Значительное время подготовки КИМ LH 1010 связано с трудоемким процессом написания программы измерений, которую затем используют для всех последующих серийных деталей данного типа.
В ходе работ рассмотренное оборудование показало достаточно высокий уровень точности, максимальное отклонение от значений полученных стандартными средствами измерений не превысило 0,2 мм.
3D-сканер Atos Triple Scan и КИМ WENZEL LH 1010 позволяют значительно уменьшить время, затрачиваемое на измерение геометрических параметров деталей в рамках серийного производства.
КИМ WENZEL LH 1010, обладает высокой точностью измерений, но подразумевает более трудоёмкий процесс написания программы измерений.
Использование 3D-сканера Range Vision Advanced для контроля геометрических параметров изделий в рамках серийного производства затруднительно из-за низкого уровня автоматизации. Данное оборудование, благодаря низкой стоимости по сравнению с другими рассмотренными вариантами, можно рекомендовать для применения в области обратного проектирования, что позволит сократить время разработки деталей на основе прототипов со сложной геометрией поверхности.
На основании проведенного анализа существующих на рынке 3D -оборудования средств контроля (3D - сканеры, КИМ) геометрических параметров изделий можно сделать выводы о целесообразности применения данного оборудования в условиях серийного производства. Это позволит при той же точности измерений, что и для стандартных средств измерений, в разы сократить время, затрачиваемое на контроль геометрических параметров, а также значительно повысить уровень автоматизации процесса контроля качества выпускаемой продукции.
Хромов Алексей Сергеевич, аспирант, инженер-конструктор 3-й категории, aleksey.khromov@,inbox.ru, Россия, Долгопрудный, ПАО Долгопрудненское научно-производственное предприятие,
Зинец Николай Сергеевич, аспирант, заместитель главного инженера, zinyets@rambler. ru, Россия, Долгопрудный, ПАО Долгопрудненское научно-производственное предприятие
THREE-DIMENSIONAL MEANS OF CONTROL OF THE ACCURACY OF MANUFACTURING DETAILS IN CONDITIONS OF SERIAL MANUFACTURE
A.S. Khromov, N.S. Zinets
The analysis of three-dimensional measuring instruments of geometrical parameters and dimensions o f a complex geometric shape by dimension and time spent on measurement is carried out. According to the results of research conducted in the framework of mass production.
Key words: quality control, measurement accuracy, 3D-scanners.
Khromov Aleksey Sergeevich, graduate student, design engineer 3-rd category, aleksey. khromov@,inbox. ru, Russia, Dolgoprudny, PJSC «Dolgoprudnenskoye Scientific-Production Enterprise»,
Zinets Nikolay Sergeevich, graduate student, deputy chief engineer, zinyets@rambler. ru, Russia, Dolgoprudny, PJSC «Dolgoprudnenskoye Scientific-Production Enterprise»
УДК 623.4
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ ПРОВЕРКИ СТВОЛЬНЫХ СИСТЕМ
С.Н. Усанин, А.А. Чурсин
Рассматривается методика определения погрешности контрольно-измерительных средств при полигонных испытаниях прицельных приспособлений для стрелкового оружия.
Ключевые слова: оптический прицел, контрольно-измерительные средства, прицельные устройства, допускаемая погрешность.
На сегодняшний день в практике полигонных испытаний прицельных приспособлений для стрелкового оружия используются контрольно-измерительные средства различного типа и принципа действия, такие как нулевые и ствольные коллиматоры, трубки холодной пристрелки, лазерные приборы холодной пристрелки, а также другие типы, например, основанные на использовании принципа автоколлимации [1].
Для оптических прицелов, на современном этапе являющихся неотъемлемой частью стрелкового оружия, одними из основных видов проверок являются испытания стрельбой. Среди контролируемых характеристик прицелов наиболее важными являются характеристики, связанные с линией визирования и определением ее положения относительно принятых баз. Само понятие прицельного устройства определяет, что линия ви-
371
