Контроль геометрии цилиндрических вращающихся промышленных объектов путем многократных измерений дальностей до их поверхности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.32, кандидат технических наук Тюрин, Сергей Вячеславович

• Тюрин, Сергей Вячеславович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Тюрин, Сергей Вячеславович

Оглавление.

Введение.

Глава 1. Средства и методы определения геометрических характеристик вращающихся промышленных объектов.

1.1 Средства контроля вращающихся объектов.

1.2 Триангуляционные лазерные датчики.

1.3 Методы обработки информации.

1.4 Выводы по главе.

Глава 2. Выявление деформаций сечения вращающегося объекта путем измерения дальностей до поверхности объекта с одной точки.

2.1 Определение периода вращения.

2.2 Определение отклонений от формы объектов, вращающихся без контакта с другими.

2.2.1 Фильтрация «белого шума».

2.2.2 Выделение влияния эксцентриситета.

2.2.3 Определение отклонений от формы.

2.3 Разложение ряда на аддитивные компоненты с помощью метода анализа сингулярного спектра «Гусеница» - SSA.

2.3.1 Основы метода «Гусеница» - SSA.

2.3.2 Использование метода.

2.3.3 Выбор параметров алгоритма.

2.3.4 Общие замечания о применении метода «Гусеница» - SSA.

2.4 Замечания по использованию изложенных методов.

Глава 3. Определения координат центра вращения и среднего радиуса сечения объекта по синхронным измерениям дальностей до поверхности объекта с трех точек.

3.1 Измерения и предварительная обработка.

3.1.1 Уравнивание свободных пространственных сетей.

3.1.2 Переход от пространственной системы координат xyz в плоскую систему координат XY.

3.2 Определение радиуса и координат точки вращения.

3.3 Определение периода вращения по данным с нескольких датчиков.

3.4 Порядок обработки данных с группы датчиков.

Глава 4. Практическое использование предложенных методов.

4.1 Объект работ.

4.2 Обмер бандажа и роликов работающей печи.

4.3 Сравнение результатов полученных с помощью датчиков и с помощью электронного тахеометра.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Контроль геометрии цилиндрических вращающихся промышленных объектов путем многократных измерений дальностей до их поверхности»

Определение геометрических характеристик вращающихся агрегатов в условиях современного производства является важной задачей. Подобные агрегаты присутствуют на многих промышленных объектах. Это и вращающиеся печи, и валы бумагоделательных машин, бронировочные машины и многое другое. От своевременности и качества проводимых контрольных обмеров зависит эффективность и качество работы оборудования, его безаварийность. Требования, предъявляемые к точности изготовления и выверки подобных агрегатов, всегда были высокими и со временем только ужесточаются. Так, например, допуск на овальность по наружному диаметру бандажа вращающейся печи составляет 0.0005 диаметра [61], то есть при диаметрах в 4-6 метров он составит 2-3 мм. Как указано в [61] погрешность измерений при этом должна быть не хуже 0.4 мм. Допуски же для формы валов бумагоделательных машин составляют 0.05-0.7 мм [3], что требует проведения прецизионных измерений.

В связи с повышением требований к точности деталей машин и механизмов, их усложнением особую важность приобретает задача проведения контрольных обмеров без остановки производственного цикла. Это связано с тем, что работающие агрегаты претерпевают деформации, связанные с тепловым режимом оборудования, неравномерным износом его частей, деформациями фундаментов и т.п. Эти деформации невозможно выявить на остановленном оборудовании, а их игнорирование может привести к аварийной ситуации. Как справедливо отмечено в [3], «геодезический контроль должен производиться на работающем агрегате, так как контроль и рихтовка остановленного агрегата могут привести к нарушениям его работы или даже аварии». Кроме этого важным является и экономический фактор, ведь простой оборудования ведет к убыткам предприятия.

Такого рода задачи, особенно на крупногабаритных агрегатах, всегда решались с привлечением геодезических методов[3; 6; 9; 61; 78]. Однако большинство из них, так же как и традиционные способы измерений в машиностроении не могут применяться на работающих агрегатах, так как требуют контакта с объектом, что зачастую невозможно. Те же геодезические методы, которые позволяют выполнять бесконтактный обмер оборудования, трудоемки и не позволяют получать данные с достаточной точностью и в непрерывном режиме.

Положение изменилось с появлением электронных приборов, позволяющих автоматически в бесконтактном режиме определять расстояние (или его изменение) до поверхности объектов с заданной частотой и высокой точностью. В этом качестве могут выступать как геодезические приборы (лазерные рулетки и тахеометры с безотражательным дальномером), так и устройства, разработанные для измерений в машиностроении, например, лазерные триангуляционные датчики положения.

Появление таких приборов в сочетании с достижениями математической теории и ростом производительности вычислительных машин создает предпосылки к разработке измерительно-программных комплексов, предназначенных для определения характеристик вращающихся агрегатов. Одной из проблем, возникающих на этом пути, является отсутствие методов обработки получаемых данных, позволяющих воспользоваться преимуществами нового оборудования. Подобного рода методы должны обеспечивать расчет геометрических^параметров объекта, i">\-t>L<Lu<l £;с//7-е -w<c«T ^actutct »Г y fr выявлять источникйувозмущении рВ- положении объекта и обладать ' устойчивостью к зашумлению данных, возникающему вследствие

-£с*с /£члГ цс tz^^se fit.S различных технологическихшричин (вибрация, запыленность и др.1). > •,

Целью настоящей работы является:

Разработка методов определения геометрических параметров вращающихся объектов цилиндрической формы по измеренным дальностям до их поверхности.

В соответствии с целью были сформулированы следующие задачи исследования:

- Анализ существующих способов определения геометрических параметров вращающихся объектов.

- Изучение средств автоматического, дистанционного измерения расстояния до объекта.

- Изучение математических методов анализа временных рядов.

- Разработка методов выявления отклонений формы сечения объекта от окружности по измеренным дальностям до поверхности объекта.

- Разработка способа определения координат центра вращения и среднего радиуса сечения объекта по измеренным дальностям до поверхности объекта.

В исследовании применялись методы математической обработки геодезических измерений, матричной алгебры, спектрального и корреляционного анализа. Предлагаемые методы и алгоритмы тестировались на математических моделях, создаваемых при помощи специально разработанной программы на ПВЭМ. Также проводилась экспериментальная проверка предлагаемых методов на промышленных предприятиях.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- Показана возможность использования методов анализа сингулярного спектра для выделения из измеренных дальностей до tx./V .'о ил. V- ^ ^oyu^v ti7<fCAbX вращающегося объекта данных^соответствуюЩих деформациям формы-и \J другим возмущающим факторам. <-\t о --лк ли „со J и t'jt (■)■.( .'met- • .сг/:.ts L :

7 О .

С * I •

- Предложен способ определения периода выделенных при анализе сингулярного спектра составляющих, что необходимо для их интерпретации.

- Разработан алгоритм расчета координат точки вращения и радиуса сечения по измеренным дальностям до поверхности объекта с трех точек.

В диссертации предложены:

- Решение задачи выявления отклонений формы сечения объекта от окружности путем измерения дальностей до поверхности объекта с одной точки.

- Способ определения координат центра вращения и среднего радиуса сечения объекта по синхронным измерениям дальностей до поверхности объекта с трех точек.

Практическое значение работы заключается в следующем:

- Разработанные методы позволяют осуществлять контроль геометрических параметров вращающихся цилиндрических промышленных объектов в динамике.

- Предложенные алгоритмы реализованы в виде программ для пвэм.

Разработанные методики прошли апробацию в ЗАО «БУМТЕХНО» при выполнении работ на комбинате «Фосфорит» и Сыктывкарском ЛПК.

Диссертация содержит 114 страниц и состоит из введения, четырех глав, заключения, двух приложений и списка литературы из 77 наименований. Основные результаты исследований опубликованы в 3 печатных работах: [55; 70; 71].

Заключение диссертации по теме «Геодезия», Тюрин, Сергей Вячеславович

Заключение

В соответствии с целями и задачами исследования получены следующие результаты:

- Решена задача выявления отклонений формы сечения объекта от окружности путем измерения дальностей до поверхности объекта с одной точки. Ее решение основано на разделении ряда данных на компоненты соответствующие различным факторам и определении их периодов. Таким образом, можно выделять влияние отклонения формы объекта от окружности, эксцентриситета, влияние на вращение других, сопряженных, объектов. Работоспособность способа проверена на моделях и на промышленном объекте.

- Предложен способ определения координат центра вращения и среднего радиуса сечения объекта по синхронным измерениям дальностей до поверхности объекта с трех точек. Способ позволяет определять вероятнейшие значения таких геометрических характеристик сечения объекта как средний радиус и координаты точки вращения. Работоспособность способа проверена на моделях.

- Разработана последовательность обработки рядов измеренных дальностей до поверхности объекта.

- Создана компьютерная программа для пакета по обработке данных наблюдений за вращающимися объектами, реализующая предлагаемые методы.

В разработанных методиках впервые для обработки геодезических данных был применен новый метод анализа временных рядов «Гусеница»-SSA. Автор полагает, что в будущем он найдет применение и в других задачах геодезии.

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждены экспериментальными исследованиями, проведенными на математических моделях, а также опытом практического применения на производственных объектах.

Автор надеется, что использование разработанных способов позволит повысить эффективность и качество обмеров вращающихся объектов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Тюрин, Сергей Вячеславович, 2006 год

1. Алиев Т.А., Таирова Х.С. Робастные алгоритмы спектрального анализа измерительной информации. Автометрия, 2001, № 5, с. 4450.

2. Асташенков Г.Г. Геодезические работы при эксплуатации крупногабаритного промышленного оборудования. М.: Недра, 1986,151 с.

3. Асташенков Г.Г. Определение оптимального положения оси корпуса вращающейся печи. Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1988, №2, с. 39-45.

4. Асташенков Г.Г., Тимошенко Е.И. Интервальные оценки параметров осей прямолинейных инженерных объектов значительной протяженности. Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1992, №2, с. 16-24.

5. Асташенков Г.Г., Фархан Диб. Разработка математической модели процесса деформаций крупногабаритных промышленных агрегатов с точки зрения геодезического контроля их прямолинейности. Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1994, №1, с. 13-21.

6. Байбаков А.Н., Гуренко В.М., Патерикин В.И., Юношев С.П., Плотников С.В., Сотников В.В., Чугуй Ю.В. Автоматический контроль геометрических параметров колесных пар во время движения поезда. Автометрия, 2004, Т. 40, № 5, с. 94-103.

7. Байбаков А.Н., Ладыгин В.И., Пастушенко А.И., Плотников С.В., Тукубаев Н.Т., Юношев С.П. Лазерные триангуляционные датчики положения в промышленных системах контроля и диагностики. -Автометрия, 2004, Т. 40, № 2, с. 105-113.

8. Баран П.И. Геодезические работы при монтаже и эксплуатации оборудования. М.: Недра, 1990. - 233 с.

9. Ю.Бойко Е.Г., Чан Ван Минь. Определение параметров преобразования координат по трем совмещенным пунктам. Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1989, №4, с. 3-8.

10. Бокс Дж. Дженкинс Г. Анализ временных рядов прогноз и управление. Выпуск 1. М.: Мир, 1974. - 402с.

11. Болыиаков В.Д., Ямбаев Х.К., Карамышев Е.В., Окунев Д.В., Шаров Г.И. Разработка и исследование приборов вертикального проектирования. Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1988, №3, с. 101-105.

12. З.Борисов В.Д., Садовой Г.С. Метод фрактального анализа временных рядов. Автометрия, 2000, № 6, с. 10-19.

13. М.Браммер К., Зиффлинг Г. Фильтр Калмана-Бьюси. М.: Наука, 1982.

14. Буюкян С.П. Видеоизмерение в инженерной геодезии. Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 2002, №6, с. 27-34.

15. Бывшев В.А. О алгебраической структуре множества матриц, g-обратных к симметричной матрице, в задаче уравнивания по методу наименьших квадратов свободных геодезических сетей. Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1983, № 4, с. 11-19.

16. Бывшев В.А. Об интерпритации результатов уравнивания свободных геодезических сетей. Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1985, №2, с. 7-14.

17. Бывшев В. А., Алексашина Е.В. Методика вычисления псевдорешений уравнений ошибок с требуемыми экстремальнымисвойствами. Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1993, №4, с. 817.

18. Валеев С.Г., Валеев А.С. Детерминированные и аппроксимирующие преобразования координатных систем. Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1999, №5.

19. Васильев В.А., Панкрушин В.К. Методика рекуррентного оценивания и анализа параметров движений и деформаций по геодезическим данным. Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1983, №6, с. 3-12.

20. Венедиктов А.З., Пальчик О.В. Измерение геометрических параметров сложных цилиндрических объектов. Датчики и системы, 2005, №1, с.

21. Вентцель Е.С., Овчаров JI.A. Теория случайных процессов и ее инженерные приложения. Учеб. Пособие для втузов. - 2-е изд., стер. -М.: Высш. шк., 2000.-383 с.

22. Вертопрахов В.В. Влияние формы объекта и ориентации его поверхности на точность лазерных триангуляционных измерений-Автометрия, 1995, №6 с. 64-68

23. Главные компоненты временных рядов: метод «Гусеница» // Под. ред. Д.Л. Данилова, А.А. Жиглявского. СПб: Пресском, 1997. 307 с. http://www.gistatgroup.com/gus/

24. Голяндина Н.Э. Метод «Гусеница» SSA: анализ временных рядов: Учеб. пособие. - СПб., 2004. 76с.

25. Грибов М.Г., Хачумов В.М. Определение геометрических параметров объектов по растровым изображениям. Автометрия, 2001, №1.

26. Губанов B.C. Обобщенный метод наименьших квадратов. Теория и применение в астрометрии. СПб.: Наука, 1997. - 318 с.

27. Гуляев Ю.П. Алгоритм оценивания параметров динамической модели и прогнозирования процесса перемещений наблюдаемых точек сооружения. Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1984, №3, с. 26-32.

28. Гуляев Ю.П. Идентификация динамической модели деформации сооружения по геодезическим данным. Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1983, №4, с. 35-41.

29. Демин В.В., Половцев И.Г. Фотоэлектрические датчики в задачах промышленного контроля геометрии объектов. Датчики и системы, 2001, №8, с. 55-61.

30. Захаров В.В., Каско Ф.С., Амин О. Оценка спектра сигналов с помощью рекурсивного алгоритма наименьших квадратов. -Автометрия, 2001, № 4, с. 85-94.

31. Ильин В.А., Позняк Э.Г. Аналитическая геометрия. 6-е изд. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. - 240 с.

32. Карамышев Е.В., Окунев Д.В., Шаров Г.И., Ямбаев Х.К. Прибор вертикального проектирования. Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1990, №3, с. 157-163.

33. Князев А.Г. О способах вычисления псевдообратной матрицы при уравнивании свободных геодезических сетей. Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1987, №5, с. 25-34

34. Кремер Н.Ш. Теория вероятностей и математическая статистика: Учебник для вузов. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. - 543 с.

35. Крылов В.И., Буй Йен Тинь. Итеративный способ спектрального анализа. Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 2005, №2, с. 3-14.

36. Кузьо И.В., Микольский Ю.Н., Шевченко В.Г. Современные методы контроля установки оборудования. Вища школа, 1982.

37. Кулешов E.J1. Декомпозиция стационарных случайных процессов на гармонические компоненты как основа спектрального анализа высокого разрешения. Автометрия, 2000, № 4, с. 26-35.

38. Кулешов E.J1. Оптимальные сглаживающие окна в спектральном анализе случайных процессов. Автометрия, 1999, № 2, с. 44-52.

39. Макаревич Б.К., Новиков Н.И., Сапожков А.И. Автоматические методы измерения наружных диаметров. Тр. ЦНИИТмаш, 1961, №20, с. 86-101.

40. Маркузе Ю.И. Основы уравнительных вычислений: Учеб. Пособие для вузов. М.: Недра, 1990. -240 с.

41. Машимов М.М. Геодезия. Теоретическая геодезия: Справочное пособие / под ред. В.П. Савиных и В.Р. Ященко. М.: Недра, 1991. -268 с.

42. Микольский Ю.Н., Кравченко В.М. Выверка и центровка промышленного оборудования. изд. 2-е, переработанное и доп. -К.: «Буд1вельник», 1979. - 188 с.

43. Миллер Б.М., Панков А.Р. Теория случайных процессов в примерах и задачах. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. - 320с.

44. Михляев С.В. Триангуляционное зондирование нестационарной поверхности. Автометрия, 2001, № 1, с. 67-74.

45. Мориц Г. Современная физическая геодезия. М., Недра, 1983.

46. Панкрушин В.К., Васильев Е.А. К теории системного анализа и рекуррентного оценивания движений и деформаций по многомерным временным рядам геодезических наблюдений. Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1983, №3, с. 44-52.

47. Панкрушин В.К., Васильев Е.А. Рекуррентное решение задачи обработки многомерных временных рядов геодезических наблюдений современных движений земной коры. Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1982, №4, с. 8-16.

48. Петров В.В., Тюрин С.В. Контроль геометрических характеристик вращающихся печей. М.: Целлюлоза. Бумага. Картон, 2005, №7, с.66-70.

49. Петров В.В., Шкавера К.Н. Исследование точности измерения расстояния лазерной рулеткой "DISTO Pro" (Leica) в различных условиях.

50. Плотников С.В. Сравнение методов обработки сигналов в триангуляционных измерительных системах. Автометрия, 1995, №6, с. 58-63

51. Привалов И.И. Аналитическая геометрия. М., Физматгиз, 1962, 272 с.

52. Рао С.Р. Линейные статистические методы и их применение. М., Наука, 1968, 548 с.

53. Рубинов А.Д. Контроль больших размеров в машиностроении. Л., Машиностроение, 1982.

54. Руководство по геодезическому обеспечению монтажа и эксплуатации технологического оборудования цементной промышленности. М., Недра, 1983.

55. Свешников А.А. Прикладные методы теории случайных функций. -М., Наука, 1968,464 с.

56. Спиваков Г.П. Разработка и исследование комплексного метода измерения отклонений формы вращающихся печей в производственных условиях. Автореферат дисс. На соис. уч. ст. к.т.н. -М., 1969.

57. Справочник геодезиста: В 2-х книгах. Под ред. В.Д. Большакова и Г.П. Левчука. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра 1985.

58. Справочник металлиста в 5-ти томах. Под. Ред. С.А. Чернавского. -М., Машиностроительная литература, 1957.

59. Тарасов В.В., Егоров С.Н., Шистко А.П. Новый метод динамической автокалибровки и его реализация в сканирующем лазерном измерителе диаметров СЛИД. - Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1989, №5, с. 128-135.

60. Технический контроль в машиностроении: Спр. Проектировщика / Под общ. Ред. В.Н. Чупырина, А.Д. Никифорова. М.: Машиностроение, 1987.

61. Триангуляционные лазерные датчики. Серия РФ600. Техническое описание. ООО «Рифтэк», 10 с. http:// www.riftek.com.

62. Трифонов С.Д. Фотоэлектрическое устройство для измерения больших размеров. В кн.: Взаимозаменяемость и размерный контроль. Тр. НИИ Метрологии высших учебных заведений. М.: Изд-во стандартов, 1971, вып. 3, с. 104-109.

63. Тюрин С.В. Определение скорости вращения по многократным измерениям дальностей до объекта. СПб., 2005, 8 с. - Деп. в ВИНИТИ 22.11.05, № 1519В2005.

64. Тюрин С.В. Применение метода сингулярного разложения для обработки данных с датчика расстояний при наблюдениях за вращающимися объектами. СПб., 2005, 20 с. - Деп. в ВИНИТИ 22.11.05, №1520В2005.

65. Урмаев М.С. К теории преобразований координат в геодезии. Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 2003, №2, с. 8-13.

66. Хропот С.Г. Эффективные средства геодезического контроля установки вращающейся печи. Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1988, №6, с. 49-55.

67. Цветков В.Я. Определение динамических характеристик фотограмметрическим методом. Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1997, №1, с. 73-76.

68. Чибуничев А.Г. Исследование цилиндрических поверхностей фотограмметрическими методами. Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1992, №1, с. 56-63.

69. Чибуничев А.Г. Оптимизация проектирования фотограмметрических съемок инженерных сооружений. Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1990, №5, с. 87-95.

70. Шевченко Т.Г., Третяк К.Р. Влияние конструктивных особенностей крупногабаритных агрегатов на точность установки их инженерно-геодезическими методами. Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1985, №6, с. 50-57.

71. Brian Duval. Analog Distance Sensing // Sensors magazine online. 2004. N 9 Электронный ресурс.: http://www.sensorsmag.com/articles/0904/ index.htm.

72. Martin Dumberger. Taking the pain out of Laser triangulation // Sensors magazine online. 2002. N 7 Электронный ресурс.: http://www.sensorsmag.com/articles/0702/index.htm

73. Mike Snow. Laser triangulation sensors in the Tire Industry // Sensors magazine online. 2002. N 3 Электронный ресурс.: http://www.sensorsmag.com/articles/0302/index.htm

74. William P. Kennedy. The basics of triangulation sensors // Sensors magazine online. 1998. N 5 Электронный ресурс.: http://www.sensorsmag.com/articles/0598/index.htm