Разработка методики моделирования и исследование процесса измерения деталей ГТД на координатно-измерительных машинах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат технических наук Болотов, Михаил Александрович

• Болотов, Михаил Александрович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Болотов, Михаил Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР.

1.1 Газотурбинный двигатель как объект контроля.

1.2 Особенности моделирования процесса координатных измерений.

1.3 Обзор исследований точности координатных измерений геометрических параметров.

1.3.1 Исследование влияния измерительных погрешностей средств координатных измерений на погрешность измерения геометрических параметров.

1.3.2 Исследование влияния погрешностей формы поверхностей на погрешность измерения геометрических параметров.

1.3.3 Исследование достоверности контроля сложных поверхностей.

1.4 Моделирование процесса измерения.

1.5 Цель и задачи исследования.

ГЛАВА 2 ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ДВИГАТЕЛЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ.

2.1 Структурно-логическая схема обеспечения показателей качества изделий.

2.2 Обеспечение точности измерений в производстве двигателей летательных аппаратов.

2.3 Размерные комплексы, определяющие эксплуатационные характеристики ГТД.

Результаты и выводы по 2 главе.

ГЛАВА 3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ.

3.1 Метод координатных измерений. Погрешность измерения геометрических параметров. Методика измерения.

3.2 Теоретические основы для разработки моделей процесса измерения.

3.3 Разработка обобщенной методики моделирования процесса координатных измерений геометрических параметров.

3.3.1 Анализ спектральных характеристик, определение составляющих погрешностей, их фильтрация.

3.3.2 Алгоритмы моделирования измеряемых поверхностей.

3.3.3 Имитационные алгоритмы моделирования выбора точек.

3.3.4 Алгоритмы получения параметров заменяющих элементов.

3.3.5 Статистическая обработка результатов.

3.4 Разработка модели модульного представления погрешности координатных измерений геометрических параметров.

3.5 Определение достоверности разрабатываемых моделей.

3.6 Особенности моделирования погрешностей измерения геометрических параметров сложных поверхностей, контролируемых с использованием 3D моделей.

3.6.1 Алгоритм расчета сложных поверхностей и разработки управляющих программ для КИМ по 3D моделям.

3.6.2 Определение погрешности измерения координаты точки сложной поверхности.

3.7 Разработка модели определения рационального количества измеряемых точек.

Результаты и выводы по 3 главе.

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТОЧНОСТИ КОНТРОЛЯ ПРОСТЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ГТД.

4.1 Геометрические параметры цилиндрических поверхностей деталей, контролируемых заменяющими элементами «окружность».

4.2 Геометрические параметры деталей, контролируемых заменяющими элементами «плоскость».

Результаты и выводы но 4 главе.

ГЛАВА 5 ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНОГО КОЛИЧЕСТВА ИЗМЕРЯЕМЫХ ТОЧЕК ДЛЯ МЕТОДИК ИЗМЕРЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДЕТАЛЕЙ ГТД.

5.1 Исследование погрешностей измерения геометрического параметра углового расположения в деталях типа «диск» и «вал» ротора ГТД.

5.1.1 Разработка модели погрешности измерения углового параметра с использованием метода минимума-максимума.

5.1.2 Оценка погрешностей с использованием модульной модели.

5.1.3 Определение рационального количества измеряемых точек.

5.2 Исследование погрешностей геометрического параметра отклонения сложного профиля лопаток компрессора ГТД.

5.2.1 Разработка модели по методу минимума-максимума.

5.2.2 Разработка модели с использованием обобщенной методики моделирования процесса измерения.

5.2.3 Результаты исследований с использованием разработанных моделей

Результаты и выводы по 5 главе.

ГЛАВА 6 ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ ОТРАСЛИ.

6.1 Формирование стратегии разработки и оптимизации методик измерений в производстве ГТД.

6.2 Последовательность разработки методик измерения для координатно-измерительных машин и формирования управляющих программ.

6.3 Формирование методики измерения и разработка управляющей программы для контроля лопатки компрессора ГТД.

Результаты и выводы по 6 главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики моделирования и исследование процесса измерения деталей ГТД на координатно-измерительных машинах»

Современный авиационный газотурбинный двигатель (ГТД) является сложным объектом, который характеризуется высокой точностью исполнения отдельных деталей сборочных единиц и изделия в целом. Обеспечение точности геометрических параметров (ГП) деталей осуществляется технологией производства и сборки ГТД [33, 40, 49, 53, 54, 59, 67]. При этом важнейшей составляющей любого технологического процесса является технология контроля геометрических параметров.

Авиационный ГТД включает в себя широкую номенклатуру деталей, которые имеют свою специфику по сравнению с другими отраслями машиностроения. Детали отличаются сложной конфигурацией, определяемой конструкцией изделия. Поэтому к ним предъявляются жесткие требования по геометрической точности, реализуемые в применяемых технологических процессах.

Основным способом реализации технологий контроля геометрических параметров авиационных ГТД традиционно является проектирование специальных контрольно-измерительных приспособлений (КИП) [4, 75, 76, 77]. Они зачастую рассчитаны на контроль одного или нескольких геометрических параметров для одной или ряда близких по конструктивным особенностям деталей. Контрольно-измерительные приспособления позволяют определять действительные значения размеров, формы и взаимного расположения поверхностей деталей в пределах допустимой погрешности.

Такой подход имеет ограничения по своему применению в силу ряда причин. Первой из них является постоянный рост требований к снижению величины погрешности измерения геометрических параметров деталей ГТД. Второй причиной является необходимость изготовления широкой номенклатуры контрольно-измерительных приспособлений и соответственно большие затраты на контроль деталей, особенно характерные для опытного и мелкосерийного типов производств. Третьей причиной является невозможность быстрого освоения производства новых изделий, так как процесс проектирования, изготовления и аттестации КИП является достаточно длительным.

Перспективным подходом к построению технологий контроля является использование современных трех осевых координатно-измерительных машин (КИМ). Эти средства контроля характеризуются широкой универсальностью, высокими точностными характеристиками. Важным преимуществом координатно-измерительных машин по сравнению с контрольно измерительными приспособлениями является возможность исследования геометрии поверхностей деталей с требуемой дискретностью по сравнению с реализуемым двух- и трех- точечным подходом в контрольно-измерительных приспособлениях [4, 76, 77]. В комплексе с современными компьютерными технологиями поддержки, обработки и визуализации данных, применение КИМ позволяет проводить глубокий всесторонний анализ измеряемых размеров, формы и взаимного расположения участков деталей [71, 99, 125, 134].

Актуальность работы.

Обеспечение точности контроля геометрических параметров деталей требует оценки погрешности измерения и создания условий, при которых точность измерений будет находиться в допустимых пределах.

Точность измерения координатно-измерительных машин (КИМ) зависит от параметров точности КИМ (которые проходят ежегодную аттестацию [94]) и используемых методик измерения [61, 84]. В настоящее время аттестация методик измерения деталей ГТД для координатно-измерительных машин зачастую в отрасли не производится [7, 8, 47, 48]. Имеющиеся же общие рекомендации по построению методик измерения не могут гарантировать требуемого уровня погрешности измерения [106, 109, 110, 111]. Важными параметрами методик измерения деталей является количество измеряемых точек и схема их расположения по поверхности. Эти параметры влияют на результирующую точность измерения. Определение рационального количества измеряемых точек является актуальным, поскольку позволит существенно повысить эффективность использования КИМ в условиях производства при обеспечении требуемой точности контроля.

В то же время разработка методик измерений позволит исключить влияние квалификации оператора на достоверность контроля.

Цель работы. Разработка методики моделирования и исследование процесса координатных измерений для обеспечения достоверности контроля геометрических параметров деталей ГТД.

Объект исследований. Процесс производства деталей газотурбинных двигателей.

Предмет исследований. Процесс измерения геометрических параметров деталей ГТД с использованием координатно-измерительных машин.

Методы и средства исследований. Теоретические исследования осуществлялись методами математического моделирования с использованием теории вероятностей, математической статистики и аналитической геометрии путём разработки и реализации программных алгоритмов в системе МАТГАВ. Экспериментальные исследования осуществлялись на опытных образцах и серийных деталях ГТД с использованием координатно-измерительных машин в СГАУ и на ОАО «Кузнецов».

Научная новизна.

1. Предложен новый способ моделирования процесса координатных измерений, отличающийся от существующего использованием координат точек, полученных в результате измерения реальных поверхностей деталей.

2. Разработана обобщённая методика моделирования процесса координатных измерений, позволяющая получать оценки погрешностей измерения геометрических параметров деталей ГТД, в том числе для размерных комплексов.

3. Для оптимизации процесса моделирования измерений впервые предложена модель, основанная на модульном представлении измеряемых поверхностей. В основе модели заложена идея формирования и накопления «модулей» измеряемых поверхностей в базе данных. «Модули» формируются с использованием обобщенной методики моделирования процесса координатных измерений и представляют собой информацию о методах обработки поверхностей и оценках погрешностей измерения их геометрических параметров при учёте влияния на процесс измерения параметров методик измерения.

4. Сформированы критерий и дополнительные условия для определения рационального количества измеряемых точек, направленные на повышение эффективности использования КИМ.

5. Разработан регламент подтверждения достоверности оценок погрешностей измерения, получаемых с помощью обобщенной методики моделирования.

На защиту выносятся:

- обобщенная методика моделирования процесса координатных измерений геометрических параметров деталей ГТД, в том числе для размерных комплексов;

- модель «модульного» моделирования процесса координатных измерений геометрических параметров размерных комплексов;

- алгоритмы, формирующие разработанную обобщённую методику моделирования;

- модель определения рационального количества точек измерения на поверхностях деталей;

- результаты исследований погрешностей измерений геометрических параметров деталей «маложесткое кольцо», «диск» и «вал» турбины, «лопатка» компрессора ГТД.

Практическая ценность работы заключается в использовании разработанных методик и модели «модульного» моделирования процесса измерения на КИМ для обеспечения точности и повышения эффективности контроля геометрических параметров деталей типа «маложесткое кольцо», «диск» и «вал» турбины, «лопатка» компрессора ГТД.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 139 наименований и восьми приложений. Общий объём диссертации составляет 204 страниц, 74 рисунков и 7 таблиц.