Автоматизация контрольно-измерительных операций при производстве крупногабаритных деталей атомного энергомашиностроения

t.

Место измерительно-вычислительных комплексов на производстве.

В нашей стране повсеместное внедрение методик координатных измерений в производство сдерживается из-за ряда факторов: '.

• Высокая стоимость (100—500 тыс. евро) новой ' координатно-измерительной машины (КИМ) и программного обеспечения (ПО) для неё (примерно 10 — 20 тыс. евро за базовое ПО и 5—15 тыс. евро дополнительно за каждый специализированный программный модуль, например, для контроля зубчатых колёс, турбинных лопаток и т. д.).

• Большая часть КИМ и ПО поставляются на наш рынок зарубежными производителями (DEA, Carl Zeiss, Coord3, Delcam и т. д.), что увеличивает время поставки оборудования и запчастей, ставит предприятия России (в том числе оборонные) в зависимость от политической конъюнктуры и законодательных ограничений других государств. В России универсальные КИМ серийно выпускают, например, фирмы ЛА-ПИК (г. Саратов) и ИТЦ Интеграл (г. Санкт-Петербург).

• Отсутствие на большинстве машиностроительных предприятиях подготовленных кадров: инженеров-метрологов, контролёров, операторов КИМ. В отличии от зарубежной практики [151, 152] нет целевых образовательных программ по подготовке и переподготовке специалистов в области автоматизации технического контроля и координатной метрологии.

• Практически отсутствует методическое обеспечение координатной метрологии: стандарты, технические регламенты, методики выполнения координатных измерений типовых деталей.

• Существующие российские стандарты, определяющие методы контроля допусков формы и расположения, ориентированы на оценку всей поверхности детали, в то время как КИМ измеряет только дискретное множество точек на поверхности.

В мире за последние сорок лет [134] координатная метрология стала доминирующим универсальным инструментом в технологии машиностроения, которому помогают развиваться вычислительная техника и системы числового программного управления (ЧПУ). В машиностроении сегодня широко распространена практика измерения геометрических параметров изделий с помощью координатно-измерительной техники различной конфигурации, производительности и степени автоматизации [30, 31] - так называемых измерительно-вычислительных комплексов (ИВК)1 [12, 22]. Универсальность использования, гибкость pi близкое родство вычислительных моделей для контроля деталей и технологий СAD/САМ в машиностроении оказали положительное влияние на развитие и распространение ИВК в промышленности.

Признание в промышленности координатная метрология получила с момента её появления в 70-е годы. Она применима в различных областях производства: ведь размеры и отклонения формы и расположения могут быть определены на КИМ. По результатам исследований Пфайфера и др. [134] 75% общего числа геометрических параметров может быть определено с использованием координатно-измерительной техники.

В первые три десятилетия развития КИМ внимание разработчиков было сконцентрировано на конструкции, математических основах ПО [80, 66], системах управления машиной и стандартизации2 базовых методов выполнения измерений [62, 63]. Сегодня актуальными являются вопросы совершенствования методов контроля геометрических параметров [70, 71, 72, 68], интеграции измерительно-вычислительных систем в технологические процессы [134, 83], определения точности выполняемых измерений [92, 81]. Среди отечественных работ следует отметить работу [33] и книги Н. Н. Маркова [48, 49]. Новая фаза в развитии ИВК приводит к новым требованиям и в отношении производителей промышленной продукции, и в отношении пользователей координатно-измерительной техники, а также к адаптации про.

1 Граница между терминами «координатно-измерительная машина», «измерительно-вычислительных! комплекс» и «координатно-измерительная техника» в сфере геометрических измерений в настоящее время расплывчата, поэтому в данной работе они будут использоваться как синонимы для обозначения всего спектра ИВК.

2Обзор проблем отечественного опыта стандартизации понятийного аппарата цифровых измерений можно найти в (18, 19]. мышленности под современные возможности информационных технологий. Стандарты качества на промышленные продукты возникают и изменяются за очень короткие циклы, приводя к тому, что подготовка, обновление и освоение новых методов контроля качества должны быть полностью интегрированы в поток данных, начиная от конструирования (CAD) и заканчивая изготовлением (САМ), контролем готовой продукции (CAQ) и обслуживанием.

Различные этапы автоматизированной компьютерной обработки данных в машиностроении принято разделять на несколько типов [134]:

• САПР (CAD) — системы автоматизированного проектирования (computer-aided design) [45];

• САПП (САМ) — системы автоматизированной подготовки производства (computer-aided manufacturing) [46];

• САКК (CAQ) — системы автоматизированного контроля качества (computer-aided quality management) [134].

Координатно-измерительная техника сегодня используется в процессах обмена данными между всеми вышеперечисленными этапами автоматизации производства. Когда встаёт вопрос о такой интеграции, сам процесс измерения играет уже не главную роль. Из-за постоянно возрастающего объёма связей между различными этапами производственного процесса технология промышленных измерений должна также обмениваться всё большим количеством информации с другими этапами. На современном уровне развития технологии эта задача может быть решена различными способами (рис. 1.0 на стр. 8, адаптировано из [153]).

Входными данными для процесса координатных измерений является информация о номинальной форме изделия. Эта информация должна быть задана в форме, понимаемой компьютером, — в виде CAD-модели. Для использования её в процессе измерения необходимо, чтобы данные были переданы в метрологическое программное обеспечение для создания программы измерения.

При классических подходах, до компьютерно-автоматизированной передачи данных, в качестве исходных данных использовался напечатанный.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ.

Эпределение геометрий Детали. Задание допусков 'юрмы и расположения, а соответствии со Ьтандартами.

ПЛАНИРОВАНИЕ.

Разработка технологии Изготовления деталиНазначение припусков на~ изготовление.

Создание программ ЧПУ для изготовления детали.

Разработка технологии измерения детали (Calypso].

Создание планов контроля дл^ измерения детали на 'AXYZ, Spabal Analyzer/Ма1и5иН,^координатио-измеритсльной'-[и.тп.) j1 технике (Calypso Planner,!

UMESS и.тп.) ].

ВЫПОЛНЕНИЕ.

Изготовление детали. готовая деталь ипи. заготовка.

Измерение детал rCalypso, АХУ2, Spatial Analyzer, MahrSurfn.T.n.) i /"+ ОМС. | CWW OS и др.

Контроллер коорд’инатно-измерительной техники (CD9, PCV и J f TCP/IP. RS-2S2.

I у Op Kgординатноиэмерительмая техника (Zeiss, Leica, Mahr и др.).

Сравнение измеренныйзначений с номинальными 'характеристиками детали '(Calypso, Но[os NT, Gea* Pro, MahrSurf и.т.п). j.

DW$ и др.

PostScnpl. PDF, ASCII, BMP, JPEG. TIFF и tV Генерация отчетов об «ся.ри'5.1,зморвнии (Word).

Рис. 1.0: Интеграция технологии измерений на разных этапах производства (ось времени идёт горизонтально). чертёж, который служил основой для программирования измерений. Обычно программирование выполнялось прямо на измерительной машине с применением материальной модели или образца изготовленной детали.

В настоящее время, при наличии CAD-модели детали в электронном формате, программа измерения может быть практически всегда полностью составлена вне измерительной машины. Тем самым достигается экономия машинного времени, так как можно использовать измерительную машину для контроля других деталей по уже созданным программам измерений.

Для передачи CAD-модели в метрологическое программное обеспечение часто используются следующие форматы данных, стандартизованные национальными или международными организациями:

• IGES (Initial Graphics Exchange Specification);

• VDA-FS (Verband der deutschen Automobilindustrie Flachenschnittstelle);

• SAT/SAB (Standard ACIS Text/Binary);

• SET (Standard d’Excange et de Transfer);

• STEP (Standard for the Exchange of Product Model Data [109]).

Например, в немецкой промышленности наиболее широкое распространение получили форматы IGES и VDA-FS. Формат SET используется в Европейской аэрокосмической промышленности, хотя сейчас становится всё более востребованным формат STEP. Следует отметить, что из вышеназванных форматов поддерживают хранение и передачу допусков на размеры только IGES, STEP и SET, но, как правршо, такая функция не реализована в ПО, экспортирующем CAD-модели в эти форматы, поскольку на практике реализуется только часть данных стандартов.

Для эффективной передачи данных о форме изделия из CAD-системы необходимо, чтобы эти данные удовлетворяли следующим критериям: имели масштаб 1:1- имели единицы измерения, соответствующие единицам измерения, принятым на КИМсодержали систему координат, связанную с деталью и воспроизводимую на КИМсодержали правильную информацию об ориентации поверхностей детали (нормали к поверхностям). Если эти условия не выполняются, то необходимо будет отдельно обрабатывать CAD-модель таким образом, чтобы обеспечить вышеперечисленные требования.

Если процесс измерения требует компьютерной симуляции, например, для поверки отсутствия столкновений [123] в прогоне измерения, необходимо использовать данные, полученные из САПР. Большинство систем выполняют симуляцию прогона измерения путём графического представления измерительной машины, её рабочих органов и измеряемой детали. Обязательным требованием для этого является наличие трёхмерной модели детали3. Для эффективного анализа столкновений необходимо, чтобы в симуляции принимали участие все детали, расположенные на столе машины (крепёжные приспособления, устройства загрузки и т. п.). Если столкновение было определено, то прогон измеренрш должен быть исправлен вручную. Некоторые системы уже позволяют частично делать автоматическую коррекцию прогона измерений при обнаружении столкновений путём задавдш так называемых плоскостей безопасности.

Связь между метрологическим программным обеспечением и КИМ на сегодняшний день осуществляется с помощью специфичных для каждого производителя интерфейсов. Совершенствование контроллеров КИМ, повышение доли использования стандартных сетевых технологий pi запросы потребителей об унификации ПО для координатно-Р1змерительных систем различных производителей — всё это ведёт к разработке «драйверов КИМ», т. е. метрологическое ПО взаимодействует с КИМ через драйвер. В качестве ана.

3Хотя и существуют альтернативные разработки, не требующие CAD-модели, например [157], но они пока ещё не нашли практического применения. логии этой концепции может быть приведена связь офисного программного обеспечения для редактирования текстов с принтером посредством драйвера принтера. Для работы с интерфейсом такого драйвера необходимо, чтобы он был стандартизован. В настоящее время широко известен такой проект, как I++ DME (Dimensional Measuring Equipment Interface) [138, 93], который широко применяется в том числе и для автоматизации измерений [82].

Широко распространён драйвер CMM-OS, разрабатываемый фирмой Carl Zeiss и применяемый на их КИМ. Для взаимодействия метрологического программного обеспечения с CMM-OS используется отдельный порт сетевого протокола TCP/IP. После запуска CMM-OS между ним и метрологическим программным обеспечением устанавливается ТСР/1Р-соединение, по которому программное обеспечение может передавать команды управления для КИМ и получать подтверждения выполнения этих команд. Так CMM-OS позволяет изолировать конкретную аппаратную реализацию КИМ от программного обеспечения.

В названии работы. использован термин «контроль», под которым понимается соответствие объекта некоторым требованиям. Исходя из терминологии контроля качества слово «контроль» описывает задачу измерения деталей и проверку соответствия одной или нескольких их характеристик требованиям конструкторской документации [17]. Контроль, геометрической формы деталей обычно основан на результатах измерений: они сравниваются с установленными величинами допусков соответствующих параметров в конструкторской документации.

Для определения соответствия геометрических параметров детали конструкторским значениям в ИВК должна передаваться информация о номинальной форме изделия. Эти данные, как правило, подготавливаются в различных САПР. Они необходимы, чтобы обеспечить возможность координатных измерений.

Результаты такого сравнения либо непосредственно отображаются средствами метрологического программного обеспечения, либо передаются для обработки с помощью других пакетов прикладных программ. Здесь важную роль играют механизмы и стандарты передачи данных, обеспечивающие взаимосвязь вышеупомянутых систем.

Базовая задача контроля может быть сформулирована как сравнение измеренных данных с номинальными и представление результатов в тексто-во-визуальной форме. Обычно эта задача выполняется внутри метрологического программного обеспечения самой КИМ, но часто могут применяться и внешние программы (например, для расчёта статистических характеристик и т. п.). Для передачи результатов измерения во внешние программы можно использовать текстовые форматы данных (ASCII). Для передачи уже готовых отчётов можно воспользоваться различными графическими форматами, например, форматами хранения растровых изображений (BMP, JPEG, TIFF), а также PDF или PostScript для передачи протокола как готового текстово-графического документа. При использовании текстового формата ASCII возможна передача внутренней информации из метрологического программного обеспечения во внешнее прикладное программное обеспечение.

Кроме вышеназванных, поддерживаемых практически повсеместно форматов многие производители программного обеспечения для координат-но-измерительной техники используют ещё два формата экспорта данных — это DMIS и Q-DAS. Эти форматы обеспечивают передачу результатов измерений и статистической информации.

Актуальность темы

.

Атомное энергомашиностроение — одна из передовых отраслей современной промышленности, а эффективность эксплуатации и изготовления деталей АЭС зависит от степени автоматизации их контроля. В настоящее время контроль таких деталей занимает весьма значительное время, требует применения специальных приспособлений и в ряде случаев не автоматизирован. Применение современных измерительно-вычислительных комплексов на основе ПК позволит автоматизировать контрольно-измерительные операции, отказаться от применения дорогостоящих специальных приспособлений, значительно сократить время контроля и оперативно влиять на точность изготовления, тем самым увеличить надёжность и долговечность эксплуатации АЭС. Автоматизация контрольно-измерительных операций широкой номенклатуры деталей, в том числе и прецизионных, может быть выполнена на одном универсальном координатном измерительно-вычислительном комплексе (ИВК).

В связи с вышеизложенным, автоматизация контрольно-измерительных операций при производстве крупногабаритных деталей для атомного энергомашиностроения является решением актуальной научной задачи, имеющей важное народнохозяйственное значение. Работа выполнена в соответствии с Постановлением Правительства РФ от 6 октября 2006 г. № 605 О Федеральной целевой программе «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007;2010 годы и на перспективу до 2015 г». Работа награждена грантом Правительства Санкт-Петербурга per. № 3.4/15−04/001.

Цель работы.

Целью диссертационной работы является создание средств и методов, обеспечивающих автоматизацию контрольно-измерительных операций при производстве крупногабаритных деталей атомного энергомашиностроения, с помощью программных средств для современных координатных ИВК. Для достижение этой цели требуется решить следующие задачи:

1. Разработать метод автоматизации контроля крупногабаритных деталей с перебазированием на КИМ на базе программного обеспечения Calypso, позволяющий выполнять измерение деталей, габариты которых превосходят диапазон измерения координатно-измерительных машин (КИМ).

2. Создать программный комплекс для автоматизации контроля позиционных отклонений на КИМ с применением перебазирования, расширяющий функциональную полноту программного обеспечения КИМ.

3. Смоделировать характеристики точности контроля позиционных допусков деталей на КИМ.

4. Разработать методики автоматизации работы с программным обеспечением КИМ, позволяющие повысить производительность контроля деталей.

5. Выявить проблемы, возникающие при контроле крупногабаритных резьб атомного энергомашиностроения, с целью указать слабые места существующих методов и стандартов.

6. Разработать математическую модель для автоматической оценки влияния скорости сканирования на КИМ на точность измерения резьб.

Научная новизна работы.

1. Разработан метод автоматизации технологии контроля крупногабаритных деталей с перебазированием на КИМ на базе программного обеспечения Calypso.

2. Создан и опробован автоматизированный программный комплекс на ПК для оценки точности контроля позиционных допусков.

3. На основе созданной математической модели и результатов экспериментальных исследований точности базирования резьбовых калибров большого диаметра на приборах измерения профиля, определены границы применимости данного вида приборов к задачам измерения резьб.

4. Разработана математическая модель оценки влияния скорости сканирования крупногабаритных резьб на точность измерения их внутреннего диаметра, что позволяет автоматически оценивать точность измерений при сканировании.

5. Разработана методика автоматизации операций контроля крупногабаритных деталей атомного энергомашиностроения на КИМ.

Методы исследования.

Методологические и теоретические основы исследования базируются на научных трудах отечественных и зарубежных авторов в областях теоретической и прикладной технологии машиностроения, автоматизации производства, прикладной метрологии, математической статистики и теории вероятностей. Разработка программных модулей осуществлялась методами структурного и объектно-ориентированного программирования. Экспериментальные исследования выполнялись с применением современных координатно-измерительных комплексов.

Достоверность и обоснованность.

Достоверность результатов исследования подтверждается согласованностью теоретических зависимостей с результатами экспериментов и работоспособностью деталей и изделий, к которым были применены методы, разработанные в данной работе.

Практическая ценность.

1. Разработан автоматизированный метод контроля крупногабаритных деталей с перебазированием на КИМ.

2. Разработаны методы автоматизации работы с программным обеспечением КИМ Calypso.

3. Создан программный комплекс для контроля позиционных допусков отверстий в корпусных деталях с перебазированием на КИМ.

Положения, выносимые на защиту.

1. Разработанный метод автоматизации технологии контроля крупногабаритных деталей с перебазированием на КИМ на базе программного обеспечения Calypso.

2. Предложенные методики автоматизации работы с программным обеспечением Calypso, позволяющие повысить производительность контроля деталей на КИМ.

3. Разработанный автоматизированный программный комплекс для контроля позиционных допусков отверстий крупногабаритных деталей с помощью координатно-измерительной техники на основе существующих методов и исследование точностных характеристик одного из них.

4. Созданная математическая модель оценки точности базирования резьбовых калибров па приборах измерения профиля и её влияние на точность измерения шага резьбы на данных приборах.

5. Созданная математическая модель и полученные экспериментальные данные по влиянию скорости сканирования крупногабаритных резьб на точность измерения их внутреннего диаметра.

6. Проведённый комплекс экспериментальных исследований по деформации калибров-колец большого диаметра при их контроле с помощью неполных непроходных гладких калибров-пробок.

Апробация работы.

Основные положения научной работы докладывались на: I международном форуме молодых учёных (Ижевск, 2008) — конференции «Современные технологические направления в механообрабатывающем производстве» (Санкт-Петербург, 2008) — IV международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения» (Томск, 2008) — IX международной научно-технической конференции «Информационно-вычислительные технологии и их приложения» (Пенза, 2008) — I международной конференции «Трёхмерная визуализация научной, технической и социальной реальности. Кластерные технологии моделирования» (Ижевск, 2009) — X международной научно-технической конференции «Информационно-вычислительные технологии и их приложения» (Пенза, 2009) — научно-технических семинарах кафедр «Технологии машиностроения» и «Резание, станки и инструменты» Санкт-Петербургского института машиностроения.

Результаты работы используются в учебном процессе по дисциплинам «Метрология» и «Качество и точность в атомном энергомашиностроении».

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ. Из них 8 в журналах, входящих в перечень ВАК РФ- 1 в зарубежном журнале, входящем в индекс «Web of Science: Science Citation Index Expanded" — 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объём диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, общих выводов, списка литературы, предметного указателя и приложений. Основная часть изложена на 120 страницах машинописного текста. Работа содержит 42 рисунка, 16 таблиц, список литературы из 157 наименований, предметный указатель, 6 приложений. Общий объём работы 142 страницы.

Общие выводы.

В свете объединения координатных измерительных систем с другими компьютеризированными системами производства процесс измерения играет уже не первую роль, поскольку он стоит между функциями, обеспечивающими подготовку измерений, внедрение их в технологический процесс, и анализом результатов измерений. Сближение средств координатного контроля с операциями изготовления дает больше возможностей по управлению производственными процессами и снижает вероятность изготовления бракованных изделий. Координатные измерительные машины — это очень гибко настраиваемый инструмент, который позволяет быстро переключаться от проверки одного типа проверяемых деталей к другому. Интеграция КИМ с производственными системами всё ещё представляет сложную техническую задачу, которую берутся решать различные производители измерительно-вычислительного оборудования. И хотя аппаратное обеспечение является очень важной их составляющей, программное обеспечение играет главную роль. Всё новое программное обеспечение для КИМ сейчас имеет развитый графический интерфейс и систему подсказок, что во многом способствует облегчению использования. Кроме того, существует множество готовых программ для выполнения специальных видов измерений, например, контроль турбинных лопаток, зубчатых колёс, тонколистовой продукции и т. п. Программное обеспечение следующего поколения даст возможность сторонним разработчикам добавлять свои модули для работы с КИМ, что позволит адаптировать стандартные метрологические пакеты практически к любым конкретным измерительным задачам.

Проведённый комплекс исследований позволил сделать следующие выводы по работе, с целью определения точности методов контроля геометрических параметров деталей атомного машиностроения с помощью современных координатных измерительно-вычислительных комплексов, повышения точности и эффективности процесса контроля:

1. Автоматизация технологических процессов контроля деталей атомного энергомашиностроения с помощью применением современных координатных измерительно-вычистительных комплексов имеет большое значение, поскольку позволяет повысить точность и эффективность контроля деталей, тем самым увеличить надёжность и долговечность эксплуатации АЭС.

2. Разработанный метод контроля крупногабаритных деталей с перебазированием на КИМ на основе программного обеспечения Calypso, позволяет выполнять измерения деталей, габариты которых выходят за диапазон измерения КИМ, а также деталей, измерение которых за один установ невозможно. Это расширяет возможности применения контроля на КИМ к крупногабаритным деталям атомного машиностроения.

3. Предложенные методики автоматизации практической работы с про-граммым обеспечением Calypso, позволяют частично отказаться от ручной обработки результатов измерений деталей на КИМ и повысить производительность контроля. В свою очередь уменьшение влияния оператора повышает надёжность измерений.

4. Разработанный автоматизированный программный комплекс для контроля позиционных допусков отверстий крупногабаритных деталей на КИМ с перебазированием позволяет моделировать методом Монте-Карло неопределённость измерения позиционных допусков в зависимости от неопределённости измерения координат на КИМ, что даёт возможность оценивать точность измерений деталей.

5. Выполненный комплекс экспериментальных исследований по деформации калибров-колец большого диаметра для резьбы главного разъёма реактора ВВЭР-1000 при их контроле стандартными методами с помощью неполных непроходных гладких калибров-пробок, показывает несовершенство существующей методики контроля калибров МИ 190 488 в части её применимости к крупногабаритным резьбам.

6. Разработанная математическая модель и полученные экспериментальные результаты исследования по оценке точности базирования крупногабаритных резьбовых калибров на приборах измерения профиля позволяют определить границы применимости приборов данного типа к задачам измерения резьб большого диаметра.

7. Предложенная математическая модель влияния скорости сканирования крупногабаритных резьб на точность измерения их внутреннего диаметра, что позволяет автоматически оценивать точность измерений и повысить производительность контроля.

8. Разработанные программные модули, для автоматизации взаимодействия внешних программ с программным обеспечением КИМ Calypso позволяют выполнять расчёт результатов:-! измерений и составлять протоколы без участия оператора, тем самым сократив время контроля. Применение данных модулей позволяет расширять стандартную функциональность по обработке результатов, предусмотренную в программном обеспечении Calypso.

9. Разработанный автоматизированный программный комплекс для контроля позиционных отклонений крупногабаритных деталей GeomFit успешно используется на предприятии атомного машиностроения ОАО «Ижорские заводы» при сдаче изделий «Труба» для реактора ВВЭР-1000 заказчику, что подтверждается документами о внедрении.

10. Разработанный план контроля для программного обеспечения КИМ Calypso используется на ОАО «Ижорские заводы» для выполнения измерений крупногабаритных деталей с перебазированием, что подтверждается документами о внедрении.