Автоматизированная система контроля углов установки лопаток в лопаточных решетках ГТД

Актуальность темы

В настоящее время в машиностроении применяется широкий спектр средств контроля, который устарел не только физически, но и морально. Контрольно-измерительная оснастка и приспособления обеспечивают высокую производительность контроля, но не обеспечивают необходимой сейчас точности. Контактные и бесконтактные координатно-измерительные машины (КИМ) обеспечивают высокую точность, но не обеспечивают достаточную для проведения сплошного контроля изделий скорость.

На каждой стадии производственного процесса используются различные приборы и механические средства контроля. Как правило, на начальных стадиях производственного процесса не требуется высокая точность исполнения деталей и для контроля используются быстрые и обычно менее точные средства. Однако, на стадиях производства близких к завершению требования к качеству и точности исполнения изделий ужесточаются. Для контроля таких изделий требуются более точные средства контроля.

В авиамоторной промышленности требования к качеству продукции значительно выше, чем в других отраслях промышленности. Производство современных экономичных газотурбинных двигателей (ГТД) было затруднено из-за отсутствия высокоточных, быстрых и неразрушающих средств контроля [43]. Современные двигатели должны иметь малые размеры, повышенный КПД и срок службы. Достижение этих характеристик требует повышения качества исполнения элементов ГТД [28]. Для контроля качества изготовления элементов современных ГТД необходимы новые автоматизированные быстрые высокоточные средства контроля, так как имеющиеся на производстве средства контроля не отвечают этим требованиям.

Разработки в области оптоэлектронных систем контроля ведутся: чл. корр. РАН проф. Клюев В. В., к.т.н. Кеткович A.A. [47, 53], проф. Госьков П. И., проф. Чугуй Ю. В., Сысоев Е. В., КТИ НП СО РАН (Россия) [26, 83, 84], Dr. Mario Zen University of Trento (Италия), Prof. Hab.M.Kujawinska, Warsaw University of Technology (Польша).

Автор в составе коллектива ученых межвузовской научно-исследовательской лаборатории оптоэлектронных контрольно-измерительных систем (МНИЛОКИС) при Уфимском государственном авиационном техническом университете (УГАТУ) принимал участие в разработке бесконтактных и высокоточных систем контроля геометрии объектов сложной формы [18, 19, 24, 94, 95, 96, 97, 98]. Данные системы позволяют с высокой точностью и производительностью осуществлять неразрушающий контроль геометрии лопаток и других объектов сложной формы.

Остается проблема контроля углов установки лопаток в лопаточных решетках (ЛР). Фактический угол установки паспортизованной лопатки (прошедшей контроль) может сильно отличаться от теоретического при установке ее в паз рабочего колеса или направляющего аппарата. Если угол установки лопатки в лопаточной решетке будет отличаться от номинального положения, то возможно искажение воздушного потока, возникновение резонанса и как следствие увеличение шума и ранний выход из строя всего двигателя [52, 28].

В настоящее время на производстве используются неавтоматизированные контактные средства контроля, которые не позволяют объективно контролировать тонкие лопатки [5, 43, 75]. При контакте с такой лопаткой средство контроля деформирует ее, и результаты контроля сильно отличаются от истинных параметров ее установки. Существующие средства контроля также не позволяют контролировать угол установки лопаток при зазоре между лопатками (межлопаточном расстоянии) менее 10 мм, не позволяют автоматически протоколировать результаты контроля.

Предлагаемая система позволяет полностью решить вышеизложенные проблемы существующих средств контроля. Более того, система позволяет произвести комплексную автоматизацию контроля углов установки лопаток в лопаточной решетке, практически полностью исключив человека из процесса контроля.

Цель и задачи исследования

.

Целью исследования является разработка и оценка эффективности бесконтактной автоматизированной системы контроля углов установки лопаток в лопаточных решетках (рабочих колесах и направляющих аппаратах) ГТД.

Перечислим конкретные исследовательские задачи, которые предстоит решить в соответствии с этой целью. Всесторонний анализ показал, что поставленные проблемы вызывают необходимость решения следующих исследовательских задач:

1. Разработать концепцию проектирования автоматизированной информационной системы контроля углов установки лопаток в лопаточных решетках ГТД.

2. Разработать математические модели контроля углов установки лопаток в лопаточных решетках ГТД.

3. Разработать структуру и алгоритмы системы контроля. Исследовать влияние внешних факторов на точность определения угла установки лопаток в лопаточных решетках ГТД.

4. Разработать программное обеспечение автоматизированной системы контроля угла установки лопаток ГТД

5. Проанализировать эффективность реализованной системы контроля углов установки лопаток в лопаточных решетках ГТД. Выявить основные направления дальнейшего развития автоматизированной системы контроля (АСК) данного класса.

Описание их решения составляет описание глав работы, заголовки глав порождены из формулировок задач исследования.

Структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 148 страницах текста, включающего в себя введение, пять глав основной части, заключение, список литературы, использованной при написании диссертации. В первой части диссертационной работы рассматривается проблема контроля углов установки лопаток в ЛР ГТД, рассматриваются существующие методы контроля геометрии элементов ГТД. Во второй главе разрабатывается концепция построения автоматизированной системы контроля улов установки лопаток в ЛР ГТД, на основе полученной концепции разрабатываются математические модели контроля. В третьей главе рассматриваются технические требования, предъявляемые к системе контроля улов установки лопаток в ЛР ГТД. Разрабатывается структура автоматизированной информационной системы контроля улов установки лопаток в ЛР ГТД, проводится анализ метрологических характеристик примененного метода контроля и разработанных моделей. В четвертой главе рассматривается предложенная конструкция АИСК. Разрабатываются алгоритмы работы программного обеспечения, реализуемые на основе предложенных математических моделей, а также структура ведения диалога пользователя и системы. В пятой главе проводится анализ влияния калибровочных характеристик на результаты контроля, оценивается эффективность разработанной АИСК по результатам экспериментов. Рассматриваются перспективные направления развития систем данного класса.

Методы исследования. При решении поставленных в диссертационной работе задач использованы методы системного анализа, робототехники, математического моделирования, принципы и методы теории тестирования программ и алгоритмов, принципы и методы математической статистики.

Методические основы исследования. Методические основы проведенного исследования почерпнуты из официальной научной литературы, разработок кафедры и МНИЛОКИС УГАТУ. Работа выполнена на следующем материале: библиотечная литература, справочники, патенты и авторские свидетельства, результаты наблюдений и экспериментов, информация, полученная из Интернета, и т. д. Дадим краткую характеристику основных источников получения информации. Наибольший вес имеет официальная научная литература, справочники и библиографические источники. Новейшая информация доступна в новых выпусках журналов соответствующей тематики, а также с использованием поисковых средств сети Интернет.

Научная новизна.

1. Научная новизна предложенной концепции системы контроля углов установки лопаток в ЛР ГТД заключается в том, что в основу системы положен метод контроля, который позволяет контролировать параметры установки лопатки бесконтактно и с высокой точностью теневым оптоэлектронным методом измерения, основываясь на информации о разности ширины и положения тени от контролируемой лопатки и паспортизованного эталона.

2. Научная новизна разработанной математической модели угла установки лопатки заключается в том, что она позволяет рассчитать параметры установки лопатки, основываясь на информации о ширине и положении теневой проекции контролируемой и эталонной лопаток.

3. Научная новизна структурной схемы АИСК контроля угла установки лопаток в лопаточных решетках ГТД заключается в наличии блока оценки параметров лопаток, который реализует разработанные математические модели и в оптимальной связи структурных элементов системы, с целью достижения максимальной эффективности функционирования.

4. Научная новизна проведенного анализа метрологических характеристик разработанной автоматизированной системы контроля углов установки лопаток в лопаточной решетке ГТД заключается в том, что были определены основные источники погрешностей, оценена общая погрешность разработанной системы контроля.

5. Научная новизна разработанных алгоритмов контроля заключается в том, что данные алгоритмы реализуют предложенные математические модели преобразования информации. Разработанные алгоритмы контроля углов установки лопаток методом идентификации реального объекта по его информационной модели и алгоритмы настройки и калибровки автоматизированной системы контроля служат основанием для последующей разработки специализированного программного обеспечения.

Практическая значимость исследования.

1. Создано программное обеспечение АИСК угла установки лопаток в лопаточных решетках ГТД на основании разработанных алгоритмов. Специализированное ПО обеспечивает управление АИСК, выполнение автоматизированного контроля лопаток в лопаточных решетках ГТД, идентификацию лопаточной решетки по результатам контроля и последующую генерацию протоколов результатов контроля в удобном для пользователя виде.

2. Анализ экспериментальных результатов контроля, который показал, что разработанная АИСК позволяет контролировать угол с точностью менее 3 угловых минут и производительностью до 20 лопаточных решеток в час. Практические эксперименты по контролю лопаточной решетки на производстве показали высокую эффективность разработанной АИСК.

3. Разработанная и изготовленная автоматизированная система контроля углов установки лопаток в лопаточных решетках ГТД, удовлетворяет техническим требованиям, предъявляемым к данному классу систем контроля. Разработанная автоматизированная система контроля углов установки лопаток в лопаточных решетках ГТД внедрена в процесс производства ГТД на ОАО"Казанское моторостроительное производственное объединение".

На защиту выносятся:

1. Концепция АИСК углов установки лопаток в лопаточных решетках ГТД, которая позволила разработать АИСК и ее математические модели, основываясь на выбранном оптоэлектронном методе контроля.

2. Математические и информационные модели АИСК, позволяющие формализовать зависимость параметров установки лопаток в лопаточных решетках ГТД от основных контролируемых параметров.

3. Алгоритм процесса контроля лопаточных решеток методом сравнения информационной модели лопаточной решетки и контролируемых углов установки лопаток в лопаточных решетках ГТД. Программное обеспечение АИСК, осуществляющее управление АИСК, и обработку информации на основе полученной с датчиков информации.

4. Результаты экспериментальных исследований по оценке эффективности разработанных методов контроля и алгоритмов работы АИСК на основе анализа реальной контролируемой информации.

Внедрение и апробация результатов.

Основные научные результаты и результаты, полученные в диссертационной работе, докладывались на следующих научно-технических конференциях:

— 15-ая Российская научно-техническая конференция «Неразрушающий контроль и диагностика», Москва, 1999 г.

— Международная научно-техническая конференция «Computer Science and Information Technologies» (CSIT'2000), Уфа, 2000.

— Международная научно-техническая конференция «IEEE Mediterranean Conference on Control & Automation» (MED-2000), Patras, 2000.

— Международная научно-техническая конференция «Machine Vision and Three-Dimensional Imaging Systems for Inspection and Metrology» (SPIE Vol.4189), Bellingham, 2001.

— Международная научно-техническая конференция «Seventh International Conference on Laser metrology Applied to Science, Industry and Everyday Life» (SPIE Vol. 4900), Новосибирск, 2002.

— Международная научно-техническая конференция «Computer Science and Information Technologies» (CSIT'2003), Уфа, 2003.

— IV Международная конференция «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации», Курск, 2003.

Результаты диссертационной работы непосредственно отражены в 13 публикациях, в том числе в виде научных статей в 2 всероссийских и 7 международных научных изданиях, 1 патента на изобретение и 2 свидетельств об официальной регистрации программ для ЭВМ.

Автор выражает глубокую благодарность научным сотрудникам межвузовской научно-исследовательской лаборатории оптоэлектронных контрольно-измерительных систем при кафедре технической кибернетики Уфимского государственного авиационного технического университета (УГАТУ) за высококвалифицированные консультации в области проблем разработки и автоматизации методов контроля изделий сложной формы.

Метод оптоэлектронного контроля углов установки лопаток в JIP ГТД, реализованный в АИСК, функциональная и структурная схема АИСК предложены Галиулиным P.M. и Бакировым Ж.М.

Основные выводы и результаты, полученные в ходе работы над диссертацией:

1. Проведенный анализ существующих методов и средств контроля углов установки лопаток в лопаточных решетках ГТД показал, что существующие методы не позволяют объективно и производительно контролировать углы установки лопаток в лопаточной решетке. Разработана концепция проектирования автоматизированной системы контроля, в основу которой положен оптоэлектронный теневой метод контроля. Установлено, что применение данного метода контроля позволяет существенно повысить точность и объективность контроля и, как следствие, качество изготовления газотурбинного двигателя.

2. Установлена зависимость между получаемыми данными с датчиков и местоположением лопаток в лопаточной решетке ГТД, между местоположением лопаток и их кромок и углом установки лопаток. Разработана математическая модель, позволяющая вычислить угол установки лопаток. Разработана модель настройки теневого датчика и его диагностики.

3. Определены технические требования к разрабатываемой автоматизированной информационной системе контроля. На основе разработанной концепции спроектирована структурная схема АИСК углов установки лопаток в лопаточных решетках ГТД. По результатам анализа математических моделей АСК углов установки лопаток в лопаточных решетках ГТД установлено, что теоретическая погрешность контроля составляет 02 '49″ .

4. Определены требования к специализированному программному обеспечению АИСК. Разработаны алгоритмы работы автоматизированной системы контроля по разработанным математическим моделям. Разработана структура АИСК углов установки лопаток в лопаточных решетках ГТД, отвечающая заложенным требованиям к ПО. Структура разрабатывалась, основываясь на системных принципах и полученной концепции проектирования данной автоматизированной системы контроля. Разработано и зарегистрировано специализированное ПО автоматизированной системы контроля.

5. Разработано и запатентовано устройство установки для контроля углов установки лопаток в лопаточной решетке. Проведен анализ математических моделей и функционирования АИСК в лабораторных и производственных условиях. Установлено, что разработанная АИСК углов установки имеет высокую точность и скорость контроля, на порядок, превышая точность и скорость существующих средств контроля. АИСК углов установки лопаток в лопаточных решетках ГТД изготовлена и внедрена на ОАО «КМПО», г. Казань. Система работает на производстве с 2000 года. АИСК позволяет контролировать компрессорные лопаточные решетки рабочих колес и направляющих аппаратов для ГТД нового поколения АИ-22, НК-38 и НК-93.

Созданная АИСК углов установки лопаток в лопаточных решетках ГТД имеет высокую эффективность:

— погрешность контроля углов установки лопаток менее 3 угл. минут,

— время контроля изделия: 3.8 мин.

Заключение