Національний АВІАЦІЙНИЙ університет

БОРКОВСЬКА ЛЮБОВ ОЛЕКСІЇВНА

УДК 531.7

ПРЕЦИЗійНА іНФОРМАЦійНО-вИМіРюваЛЬНА СИСТЕМА визначення ГЕОМЕТРИЧнИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЕТАЛЕЙ СкЛадної ФОРМи

Спеціальність 05.11.16 – інформаційно-вимірювальні системи

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

КИЇВ - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі інформаційних технологій Національного авіаційного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Квасніков Володимир Павлович,
Національний авіаційний університет,
професор кафедри інформаційних технологій.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Ніженський Анатолій Данилович,
Інститут електродинаміки НАН України;
провідний науковий співробітник;

доктор технічних наук, професор
Чичикало Ніна Іванівна,
Донецький національний технічний університет,
професор кафедри електронної техніки.

Провідна установа: Національний технічний університет України
Київський політехнічний інститут,
Міністерство освіти і науки України, м. Київ.

Захист відбудеться “ 05 ” червня 2007 р. о 14 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.01 при Національному авіаційному університеті за адресою:
03680, м. Київ-680, просп. Космонавта Комарова, 1, корп. 1, ауд. 002.

З дисертацією можна ознайомитися в науково-технічній бібліотеці Національного авіаційного університету за адресою: 03680, м. Київ-680, просп. Космонавта Комарова, 1.

Автореферат розісланий “____” _______________ 2007 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради В.С. Єременко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У сучасних умовах розвитку промислового виробництва України надзвичайно актуальним є автоматизація вимірювання геометричних розмірів деталей з складною просторовою поверхнею із заданою точністю. Від точності виготовлення вузлів і деталей складних механізмів і машин залежить якість і надійність їх функціонування. У зв’язку з інтенсивним розвитком метрології, інформаційних технологій приладобудування, все більше застосування знаходять інформаційно-вимірювальні системи (ІВС) для вимірювань геометричних величин деталей, вузлів та просторових поверхонь складної конфігурації.

Для проведення вимірювання геометричних розмірів деталей промисловість отримала універсальні, автоматичні координатно–вимірювальні машини (КВМ).

Однак, існуючі координатно-вимірювальні машини малопродуктивні, мають невисоку точність, завадостійкість, надійність та не можуть бути використані для вимірювання прецизійних деталей. Ці засоби вимірювання не забезпечують автоматичний контроль об’єктів із складною просторовою поверхнею (СПП) в складі гнучких виробничих систем та не відповідають сучасним вимогам щодо точності та швидкодії вимірювання. Більшість відомих координатно-вимірювальних машин використовується тільки в лабораторних умовах і не пристосована для роботи в цехових умовах.

Має місце відставання в розробці прецизійних ІВС геометричних параметрів складних просторових поверхонь. Існуючі методи підвищення точності вимірювання геометричних величин у координатно-вимірювальних машинах не задовольняють потреби виробництва при вимірюванні об’єктів із складною просторовою поверхнею.

Всі геометричні параметри деталей, особливо склад--ної конфігурації, можуть бути визначені по координатах окремих точок з використанням векторної і лінійної алгебри та інших обчислювальних методів. Здійснювати вимірювання та обробку їх результатів в режимі реального часу можливо тільки обробляючи великі масиви даних та з використанням інтелектуальних технологій.

До складу КВМ повинен входити інформаційно–керуючий комплекс, оснащений системою програм по виконанню алгоритмів необхідних розрахунків координатних вимірювань складних просторових поверхонь та підсистем редагування програм вимірювань, керування вимірювальною головкою, та діагностування систем.

Інтелектуальні КВМ якісно відрізняються від відомих засобів автоматизованого контролю відхилення від форми і розташування поверхонь, як по призначенню, так і по принципах керування. Все це викликає безліч нових, раніше не досліджених питань, в тому числі автоматичної корекції похибок вимірювання трикоординатних інформаційно–вимірювальних систем.

Тому роботи по створенню інтелектуальних КВМ із застосуванням експертних систем, нових методів та алгоритмів вимірювання геометричних параметрів, а також розробки прог-рамно–математичного забезпечення стають все більш актуальними.

Питанням розробки інформаційно–вимірювальних систем геометричних розмірів складних просторових об’єктів, траєкторного управління вимірювальною головкою, програмно-математичного забезпечення КВМ, автоматизації та оптимізації процесів вимірювання присвячені роботи відомих українських вчених О.М. Новікова, П.П. Орнатського, І.Б. Сірод-жа, Ю.М.Туза та інших, вчених Росії, Литви та далекого зарубіжжя А.Е. Кобринського, Л.М. Бойчука , В. С. Медвєдева, А. Г. Лєскова, А. С. Ющенко, В.Л.Воронова, Е. І. Дружиніна, В. М. Лохіна, І. В. Мірошника, Ю.А. Борцова, Е.П. Балашова, Д.В. Пузанкова, І. Б. Юнгера, В.І. Соболєва, А.А. Гап-шиса, А.Ю. Каспарайтиса, І.М. Макарова, В.А. Ратмірова, М.Б. Модестова, В. А. Раманаускаса, H.Asada, M.Kazerooni, M.Liu, M.Vukobratovic, A.West та ін.

Однак більшість теоретичних та прикладних досліджень нових прецизійних методів автоматизованого та інтелектуального вимірювання складних просторових поверхонь з мінімальною похибкою, побудови на їх основі тривимірних зображень, не мають практичного застосування. З одного боку, це пов’язано із значними технічними складностями, з другого боку – із зниженням дії дестабілізуючих факторів, що є причиною значних похибок вимірювання. Між тим, подальше підвищення точності та швидкодії вимірювання ІВС геометричних розмірів об’єктів неможливі без вирішення задачі розробки інтелектуальних КВМ.

Тому розробка методів та алгоритмів вимірювання прецизійних деталей на КВМ, представляє собою актуальну, важливу, складну наукову задачу, вирішення якої значно підвищить точність вимірювання, швидкодію, забезпечить високий ступінь інтелектуалізації процесу контролю об’єктів із складною просторовою поверхнею.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана на кафедрі інформаційних технологій Національного авіаційного університету у відповідності з планами науково-дослідних робіт, які виконувались за рахунок коштів державного бюджету Міністерства освіти і науки України, таких як: науково–дослідна робота “Розробка методів та технологій інформаційної підтримки життєвого циклу продукції авіаційних виробництв на базі ISO/CALS стандартів” (№ держреєстрації 0105U001815), етап 3. Розробка математичних моделей управління технологічної підготовки виробництва, етап 4. Розробка технічних вимог до програмних інтерфейсів автоматизованих систем (проміжний ) (2006 р.); науково–дослідна робота “Розвиток методів нестандартної аеродинаміки з урахуванням зовнішніх впливів” “Розробка математичних моделей нестаціонарного руху, моделювання траєкторій польоту літального апарату, що виконує коливальні рухи” (проміжний – НДР № –ДБ05) (№ держреєстрації 0105U001817) (2006 р.); науково–дослідна робота (№  – ДБ–07) № держреєстрації 0107U002818) “Методологія та системи інтелектуального керування екстремальними робототехнічними комплексами”), госпдоговірна тема (договір № Х06) на створення науково–технічної продукції для Управління магістральних газопроводів “Черкаситрансгаз”.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення точності і швидкодії автоматичного контролю геометричних розмірів деталей за рахунок комплексного використання інформації інтелектуальних координатно-вимірювальних машин.

Для досягнення поставленої мети в роботі були вирішені наступні задачі:

1. Розробити метод підвищення точності вимірювання відхилення від форми та розташування поверхонь і алгоритми зменшення впливу випадкових похибок на результати вимірювання тривимірних деталей в умовах дії дестабілізуючих факторів.

2. Розробити методику, алгоритми і програмно-математичне забезпечення вимірювання геометричних розмірів об'єктів зі складною просторовою поверхнею в реальному часі.

3. Розробити нові та удосконалити існуючі структурні схеми координатно-вимірювальних машин з використанням інтелектуальних технологій, що дають можливість підвищити вірогідність вимірювання геометричних параметрів прецизійних деталей.

4. Розробити математичні моделі та алгоритми апроксимації при побудови тривимірних просторових поверхонь для підвищення точності вимірювання та розширення функціональних можливостей координатно-вимірювальних машин з підвищеними метрологічними характеристиками, що забезпечують контроль об'єктів зі складною просторовою поверхнею.

5. Провести експериментальні дослідження, що підтверджують адекватність розроблених математичних моделей, на базі яких розроблена інтелектуальна координатно-вимірювальна машина.

Об’єкт дослідження. Процес інтелектуального перетворення інформації координатно-вимірювальних машин при обробці та побудові тривимірних зображень деталей.

Предмет дослідження. Математичні моделі, методи та алгоритми автоматизованого контролю геометричних параметрів деталей.

Методи дослідження. Вирішення поставлених у дисертаційній роботі проблем базувалось на використанні методів математичного моделювання, теорії прийняття рішень, методи системного аналізу, методів штучного інтелекту, теорії систем автоматичного керування, теорії графів, теорії ймовірностей, методів планування та проведення експериментів.

Наукова новизна одержаних результатів. В роботі отримані наступні наукові результати по підвищенню точності та швидкодії прецизійного вимірювання геометричних розмірів деталей на інтелектуальних координатно-вимірювальних машинах, побудови тривимірних зображень по координатам вимірюваних точок в умовах дії дестабілізуючих факторів:

1. Вперше розроблено математичну модель об'єкту зі складною просторовою поверхнею, яка базується на апроксимації кінцевої множини виміряних точок з використанням поліномів Церніке, що дає можливість обробляти зображення тривимірних геометричних об'єктів і ідентифікувати їх з високою точністю.

2. Вперше розроблено методичне і програмне забезпечення процесу вимірювання геометричних параметрів прецизійних деталей, в основу якого покладені аналітичні методи, алгоритми і моделі перетворення геометричної інформації, що забезпечує подальше підвищення точності вимірювання, що досягається за рахунок використання алгоритму суміщення контрольних обводів математичної моделі та вимірюваного об'єкта.

3. Розроблено алгоритми інтелектуального процесу контролю відхилення від форми і розташування поверхонь на координатно-вимірювальних машинах, що побудовані на застосуванні експертних систем за умов оптимального обходу поверхні об'єкту, самонавчання, що дають можливість підвищити точність вимірювання прецизійних деталей у 1,7 рази та швидкодію вимірювання в 1,4 рази.

4. Розроблено новий підхід до оптимізації числа поперечних перерізів виміряних деталей з метою підвищення якості побудови тривимірних об'єктів з використанням бази даних, модуля  моделювання і бази знань  допустимих станів вимірювальної системи, що дає можливість підвищити точність вимірювання в 1,5 раза.

Новизна отриманих результатів підтверджена заявкою на патент України на винахід.

Практичне значення одержаних результатів дисертаційної роботи полягає у наступному:

1. Розроблено нові уточнені математичні моделі об'єктів зі складною просторовою поверхнею, придатні для практичного застосування у вимірювальних системах, що забезпечують більш високу точність (10 мкм) та швидкодію (1,5 с) вимірювання.

2. Розроблено нові структури інтелектуальних координатно-вимірювальних машин з покращеними метрологічними характеристиками, що доведені до інженерного застосування, а також алгоритми вимірювання індуктивними датчиками, які забезпечують більш високу чутливість системи та високоточне позиціювання вимірювальної головки.

3. Розроблено алгоритми прецизійних вимірювань та програмно-математичне забезпечення координатно-вимірювальних машин по траєкторному керуванню вимірювальною головкою, збору, обробці та реєстрації вимірювальної інформації, що дають можливість автоматизувати процес вимірювання, створювати бази даних для автоматичної корекції похибок вимірювання та геометричного представлення відхилення від форми і розташування поверхонь деталей по трьох координатах.

4. Отримано результати експериментальних досліджень у частині підвищення точності і швидкодії вимірювання, що підтвердили якість запропонованих моделей вимірювання геометричних розмірів і траєкторного керування вимірювальною головкою трикоординатної інформаційно–-вимірювальної системи.

5. Матеріали дисертаційної роботи використані при розробці математичних моделей, алгоритмів вимірювання, структур координатно-вимірювальних машин використовуються при проведенні високоточних вимірювань складних просторових деталей на підприємствах: державному науково-дослідному інституті “Акорд” м. Черкаси; державному підприємстві “Завод 410 цивільної авіації”, м. Київ; товаристві з обмеженою відповідальністю “Екотранс” м. Тюмень, Росія.

Особистий внесок здобувача. Наукові положення та прикладні результати, що містяться в дисертаційній роботі, здобувач отримала самостійно.

У наукових працях, опублікованих у співавторстві, безпосередньо здобувачу належить наступне: [3, 23]–алгоритм високоточного вимірювання турбінних лопаток; [4]–алгоритм контрольних обходів вимірювальної деталі, оптимальна кількість точок вимірювання геометричних розмірів турбінної лопатки; [5]–структурна схема системи автоматичного управління вимірювальною головкою; [8, 15]– розроблена математична модель похибки вимірювання турбінної лопатки; [9]– структурна схема системи інтелектуального управління КВМ; [11]–методика високоточного автоматичного вимірювання поверхонь складної форми; [16]– структура інформаційно–керуючої системи; [17]–математична модель оптимального обходу траєкторії; [18]– правила експертної системи при вимірюванні деталей; [19]–структура апаратно–програмного керуючого комплексу інтелектуальної системи вимірювання; [20]–оцінка похибки вимірювання; [21]–алгоритм керування вимірювальною головкою; [22]–структура системи інтелектуального вимірювання геометричних розмірів; [25]– структура інтелектуальної системи аналізу діагностичних параметрів КВМ; у роботі [12] ідея винаходів належить співавторам в однаковій мірі.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи та основні наукові положення доповідались на 12 міжнародних науково-технічних конференціях та симпозіумах. Основні з них такі: Міжнародні науково-технічні конференції “Інтегровані комп’ютерні технології в машинобудуванні" (Харків, 2004, 2005 рр.); IV,V науково-технічні конференції “Прила-добуду-ван-ня: стан і перспективи” (Київ, 2005,2006 рр.);Міжнародна конференція “Контроль і управління в складних системах” (Вінниця, 2005 р.); Рroceedings of the second world congress “Аviation in the XXI-st century”, “Safety in aviation” (Кyiv, 2005 year); ІІІ Міжнародна науково-практична конференція “Математичне та програмне забезпечення інтелектуальних систем”(Дніпропетровськ, 2005 р.); VII, VIIІ Міжнародні конференції “Метрология и измерительная техника” (Харків, 2005, 2006 рр.) ; Міжнародна науково-практична конференція ( Чернівці, 2006 р. ) ; XIII Міжнародна конференція з автоматичного управління (Автоматика–2006) (Вінниця, 2006 р.); VII Міжнародна науково-технічна конференція “Авіа-2006” (Київ, 2006 р.); VI Міжнародна наукова конференція “Интеллектуальный анализ информации ИАИ – 2006” (Київ, 2006 р. ).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 25 наукових праць, в тому числі 11 статей у фахових науково-технічних виданнях, із них 5 одноосібних та заявка на патент України на корисну модель.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 4 розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг роботи складає 218 сторінок, 48 рисунків, 9 таблиць, списку використаних джерел з 143 найменування на 13 сторінках, 4 додатків на 41 сторінці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі викладені актуальність теми дисертації, мета та задачі дослідження, наукова новизна, практичне значення отриманих результатів роботи, зв’язок її з науковими програмами та планами НДР, визначено особистий внесок здобувача, представлена інформація щодо апробації та публікації результатів дисертації, наводяться результати впровадження основних положень роботи.

В першому розділі проведено аналіз задачі, сформульовані основні напрямки досліджень, проведений аналітичний огляд робіт в області координатних вимірювань об'єктів із складною просторовою поверхнею та розробки інформаційно–вимірювальних систем геометричних величин. Аргументована актуальність вирішуваної науково-технічної задачі і сформульовані задачі підвищення точності і швидкодії вимірювання з мінімальною похибкою параметрів об’єктів із складною просторовою поверхнею. Одним із важливих етапів аналізу КВМ є дослідження їх роботи в умовах дії дестабілізуючих факторів.

У роботах, присвячених дослідженню робочих органів КВМ, не знайшли відображення такі питання, як синтез структури інтелектуальної системи вимірювання складних просторових поверхонь, алгоритми інтелектуального керування вимірювальною головкою КВМ.

Показано, що для цифрового моделювання та порівняльного аналізу алгоритмів програмного і адаптивного управління роботи КВМ розроблений пакет програм, який включає наступні елементи: модель руху вимірювальної головки вподовж об’єкту вимірювання, алгоритми побудови програмного руху КВМ, що забезпечують необхідну траєкторію переміщення вимірювальної головки з врахуванням конструктивних обмежень і перешкод, алгоритм інтелектуального вимірювання об'єктів, які дозволяють імітувати функціонування КВМ.

Проаналізовано відомі конструкції координатно-вимірювальних машин, на підставі чого зроблено висновок, що, з точки зору досягнення високої точності просторових переміщень вимірювальної головки з індуктивним перетворювачем, необхідна розробка КВМ на лінійних двигунах з газовим змащенням (з метою забезпечення мінімальних витрат енергії на подолання тертя механізмів). Приведена характеристика збурюючих факторів.

Сформульовано загальний підхід до інтелектуалізації процесу контролю об’єктів із складною просторовою поверхнею, що передбачає створення нового класу машин, які враховують вплив навколишнього середовища та особливості вимірювання геометричних параметрів прецизійних об’єктів.

В другому розділі викладено основні методи вимірювання геометричних розмірів об’єктів на координатно-вимірювальних машинах. Запропоновано метод побудови об’єктів із складною просторовою поверхнею по результатам вимірюваних координат точок на координатно–вимірювальних машинах.

Показано, що при вимірюванні складних просторових поверхонь виникають труднощі, які пов'язані зі складністю визначення координат точки дотику Хk, Yk по координатах Хе, Ye центра кульки вимірювального наконечника, що фактично вимірюються.

Показано, що визначення довжини кроку вимірювання залежить від використаної схеми інтерполяції точок вимірювання, від кривизни та шорсткості поверхні деталі. При використанні лінійної інтерполяції встановлюють допуск на максимальне відхилення дійсної кривої від хорди по нормалі, яка з’єднує дві послідовні точки вимірювання. При малих кроках вимірювання (3 мм) здійснюється апроксимація кривої її спряженою сферою, і довжина кроку визначається

(1)

де – довжина кроку, – відхилення, – радіус кривизни.

Досліджено взаємовплив форми головки датчика і кривизни поверхні деталі в напрямку нормалі поверхні об’єкту на точність вимірювання. Розроблена методика нанесення координат точок вимірювання; проведена оцінка точності проведених вимірювань. Похибка визначення точки дотику поверхні об’єкту сферичною або циліндричною вимірювальною головкою датчика може бути представлена рівнянням

(2)

де –радіус вимірювального наконечника, – кут між вектором швидкості та горизонтальною віссю.

На рис.1. показана точка дотику однозначної гладкої поверхні із сферою вимірювального наконечника радіуса .

Рис. 1. Геометрія дотику

вимірювального наконечника до поверхні деталі | Показано, що максимальна похибка результату вимірювання на КВМ є функцією координатної похибки КВМ, вимірюваного розміру геометричного об’єкту, застосованої схеми та методу вимірювання і оцінюється як

де ,,– координатні похибки КВМ по вісям X, Y, Z відповідно.

Отримано оцінку похибки визначення координат поверхні прецизійних деталей при використанні трикоординатного самоке-рова-но-го датчика, що складає 0,1 мкм.

Показано, що однією з основних проблем обробки результатів вимірювання складних просторових поверхонь є суміщення об'єкту вимірювання та його математичної моделі. Методика суміщення полягає в тому, щоб

де , , – координати точки математичної моделі, , , –координати перетворених виміряних точок.

Для побудови тривимірного зображення деталі розроблена математична модель опису складної просторової поверхні, що складається із сукупності просторових кривих, яка визначає каркас деталі, розподіляючи поверхню на сукупність криволінійних восьмикутників–порцій, забезпечуючи безперервність градієнта на поверхні деталі. При описі граничної поверхні деталі використовувалися параметричні кубічні сплайни у формі Ерміта. Рівняння, що описує частину поверхні деталі представлено в матричному вигляді

(4)

де – вектор лінії інтерполяції, – допоміжні функції зміщення.

Для опису кривих та поверхонь об’єкту введена кубічна інтерполяційна функ-ція Ерміта на відрізку [0,1]. Сегменти кривих описуються в вигляді

(5)

де ,

- напрям інтерполяції.

Програмна реалізація цього методу показала, що алгоритми на його основі характеризуються обчислювальною стійкістю і швидкодією, що забезпечує безперечні переваги в задачах візуалізації, попередньої апроксимації дискретного набору даних.

Для зменшення похибки вимірювання запропоновано спеціальні аналітичні, апаратні, алгоритмічні та програмні методи, що дозволили отримати похибку вимірювань турбінної лопатки з точністю до 1,5 мкм.

Рис. 2. Геометричне представлення похибки вимірювання | На рис. 2 введені позначення: r0 – вектор, що визначає положення об'єкту вимірювання; ri – вектор, що визначає положення вимірювальної головки, відстань Ri – результат вимірювання.

При дії дестабілізуючих факторів маємо:

; (6)

Штрих означає транспонування; — похибка вимірювання, обумовлена дією дестабілізуючих факторів; — похибка вимірювання відстані, обумовлена неточністю базування.

фактичної тривимірної поверхні по вимірювальним даним. Для цього використовується метод сплайнової апроксимації симплексним методом із застосуванням сплайн-функції:

(7)

де – точка апроксимації; , - постійні коефіцієнти сплайнової апроксимації; , – квадратичні поліноми, які зв’язані з вершиною кута та з середньою точкою ребра відповідно; -номер вершини симплексу; - кількість вершин апроксимуючих трикутників; - номер ребра симплексу; - кількість ребер апроксимуючих трикутників.

На основі аналізу функціональних задач трикоординатних ІВС запропонована об’єктно –орієнтована структура трикоординатної ІВС в трьох ієрархічних рівнях.

В третьому розділі запропоновано метод оптимальної побудови з заданою точністю перерізів поверхні, на яких задаються експериментальні точки для побудови тривимірного зображення деталі з відхиленням від форми та розташування поверхонь.

Розроблено інтелектуальну трикоординатну ІВС геомет-ричних величин, що представлена на рис.3.

Рис. 3. Структурна схема ІВС геометричних величин:

МК-1 –механізм керування вимірювальними головками; БВІ – блок відображення інформації; БЗС – блок звукової сигналізації; ЗШ – загальна шина; ПЕОМ – персональна електронно-обчислювальна машина; ППЗП – постійно програмуючий запам’ятовуючий пристрій; ЗУ1, ЗУ2 – відповідно блоки оперативних даних обходу траєкторії та результатів вимірювання; БОІ – блок обробки інформації; X, Y, Z, Кi – координати вимірювальної головки

Розроблений алгоритм вимірювання деталей показаний на рис. 4.

Похибка вимірювання визнача-ється наступною залежністю:

; (8)

де – векторна похибка положення точки вимірюваної поверхні з радіусом-вектором ; – матриці перетворень координат від 0-ї до i-ї та від i-ї до l-ї ланок механічної частини відповідно, – варіація вектора ; – радіус– вектор вимірювальної головки; – функція зв'язків; L – число зв'язків; – змінні, що входять в матрицю А; – варіація змінних ; ,…, – похибка зв'язків.

Рис. 4. Алгоритм вимірювання деталей
на КВМ | Визначено сумарну абсолютну похибку за формулою

, (9)

де Дg – основна абсолютна похибка вимірювального перетворювача (датчика); ДП – основна абсолютна похибка вимірювального приладу; – сума абсолютних похибок інших елементів ІВС.

Запропоновано використання інтелектуальних технологій для побудови траєкторій руху вимірювального наконечника. В якості критерію оптимуму геометричної кривої вибирається мінімум довжини траєкторій в рімановому просторі узагальнених координат

(10)

В роботі проведена оптимізація числа вертикальних перетинів складної просторової поверхні деталі і їх розміщення при математичному моделюванні. Запрпонований алгоритм оптимізації, що складається з трьох етапів.

На першому етапі наближаємо функцію R(z, ц) за відомими даними двомірним сплайном f(z, ц) ступеня m, m = 1, 2, 3 за кожною змінною. На другому етапі розробляється математична модель з використанням r відомих горизонтальних перерізів z1 = 0, z = zi (H – висота деталі). На третьому етапі визначаємо з умови мінімуму функціоналу

(11)

Запропоновано математичну модель побудови тривимірних об'єктів на основі R-функцій. Систематизовані, узагальнені і розроблені нові конструктивні засоби методу R-функций для побудови рівнянь стандартних поверхонь в 3D.

Проведена оцінка похибки вимірювального каналу КВМ (рис.5.).

Рис. 5. Структурна схема вимірювального каналу КВМ:
1 – об’єкт вимірювання; 2 – датчик; 3 – зразкова вимірювальна система; 4 – ключовий елемент; 5 – АЦП; 6 – ЦАП; 7 – ЕОМ; 8 – машинний контролер; 9 – засоби відображення інформації

Розроблена структура системи інтелектуального управління рухом вимірювальної головки КВМ (рис. 6.).

Рис. 6. Структурна схема системи інтелектуального управління КВМ

Для імітаційного моделювання процесу вимірювання розроблена програма на мові програмування С++. В бібліотеці функцій передбачена додаткова можливість обробки результатів моделювання, що базується на методі зменшення дисперсії з використанням таблиці випадкових чисел.

В четвертому розділі розглянуто синтезовані системи управління інтегрованою координатно-вимірювальною машиною.

Розроблені математична модель сканування вимірювальною головкою по поверхні деталі та алгоритм визначення координат деталі при її обході із заданим кроком.

Розроблена нова класифікаційна схема програмно–математичного забезпечення КВМ. У відповідності з прийнятим об’єктно–орієнтованим підходом розроблена структура інформаційно-керуючої системи, до складу якої входять: еталонна зразкова система, система управління режимами роботи і інтегрована експертна система інтелектуальної підтримки процесу вимірювання.

Показано, що задача розробки апаратно-програмного комплексу для КВМ пов’язана із створенням програмних компонентів для виконання процесу вимірювання в складі гнучких виробничих систем регулювання основних параметрів (температури, вологості, вібрації).

В роботі розроблена нова система вимірювання високоточних деталей. Показано, що відхилення ДZ від заданої поверхні W може бути представлено у вигляді степеневого полінома:

, (12)

або у вигляді лінійної комбінації кругових поліномів Церніке:

де с, И – полярні координати, sin відповідає випадку, коли n – 2m > 0, cos – коли
n – 2m > 0 (для n – 2m > 0) і задовольняє співвідношенню .

В цілях підвищення точності лінійної інтерполяції запропоновано метод модифікованої оціночної функції.

Метрологічні характеристики розробленої трикоординатної ІВС геометричних розмірів об’єктів представлені в табл. 1.

Таблиця 1

Метрологічні характеристики трикоординатної ІВС геометричних величин

Назва характеристики | Значення метрологічної характеристики ІВС

Діапазон вимірювання X,Y,Z, мм, не більше | 8500х3500х2500

Абсолютна похибка вимірювання лінійних розмірів‚ мкм

Похибка вимірювання кутових величин, сек | 0,2

Максимальна швидкість переміщення головки вимірювання, не більше, м/с | 0,25

Дискретність відліку координат: лінійних, мкм

кутових, сек | 0,2

0,01

Похибка позиціювання по вісі Z, мкм | 0,5

Проведені дослідження та отримані результати дозволяють оптимізувати параметри режимів вимірювання геометричних розмірів складних деталей та сформувати вимоги до параметрів інформаційно-вимірювальних систем складних просторових поверхонь.

ВИСНОВКИ

1. Вперше розроблені нові математичні моделі процесу вимірювання прецизійних деталей, в основі яких лежать апроксимація та побудова тривимірного зображення по виміряним координатах точок сплайн-функцією третього порядку, що дозволяє ідентифікувати об'єкт і прийняти рішення про придатність деталі.

2. Вперше розроблене алгоритмічне і програмне забезпечення вимірювання геометричних характеристик об'єктів для контролю відхилення від форми та розташування поверхонь в інтелектуальних системах з розширенням діапазону вимірювання і функціональних можливостей КВМ, сумарна похибка вимірювальної системи не перевищує 0,05%.

3. Вперше розроблена структура інформаційно-керуючої системи в трьох ієрархічних рівнях координатно-вимірювальних машин з використанням самокерованих та самонастроюваних датчиків, що забезпечують більш точне траєкторне керування вимірювальним наконечником вподовж поверхні вимірюваної деталі в умовах дії дестабілізуючих факторів.

4. Розроблено метод побудови тривимірних деталей, що включає кінцеву множину криволінійних порцій об'єкта з використанням параметричних кубічних сплайнів у формі Ерміта в різних динамічних режимах з високою степеню точності (10 мкм).

5. Запропоновано класифікаційну схему програмно-математичного забезпечення координатно-вимірювальних машин, що дає можливість розв’язання траєкторних задач по створенню інформаційної просторової поверхні для визначення геометричних характеристик прецизійних деталей із заданою довірчою ймовірністю P=0,98.

6. Запропоновано використання поліномів Церніке для опису високоточних прецизійних деталей. З метою підвищення точності лінійної інтерполяції по виміряним координатам точок запропонований алгоритм модифікованої оціночної функції, в результаті чого зменшується похибка вимірювання в 1,5 рази.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Борковська Л.О. Інформаційно-керуючий, програмний комплекс координатно-вимірювальної машини // Автоматика, автоматизация, електротехнические комплексы и системы. – Херсон: ХДНТУ, 2005. – № (15).
– С. 99–105.

2. Борковська Л.О. Динамічна модель інформаційної системи координатно-вимірювальної машини // Вісник Інженерної академії України.–2005.–№2–3.– С. 96–102.

3. Квасников В.П., Борковская Л.А., Налисный Н.Б. Алгоритм контроля геометрических параметров деталей газотурбинных двигателей // Вісник Хмельницького національного університету. – 2005. – Т. 1, №6. – С. 165-168.

4. Налісний М.Б., Борковська Л.О. Автоматичний контроль турбінних лопаток газотурбінних двигунів // Вісник НТУУ “КПІ”: Серія “Приладобудування”. – К.: НТУУ “КПІ”. – 2005. – Вип. 30. – С. 47–53.

5. Квасніков В.П., Налісний М.Б., Борковська Л.О. Синтез системи управління вимірювальною головкою при контролі геометричних розмірів складних просторових об’єктів // Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології.– Вінниця: ВНТУ, №1(11).– 2006.– С. 202–206.

6. Борковська Л.О. Інформаційні технології розробки програмно-математичного забезпечення координатно-вимірювальних машин” // Радіоелектроніка. Інформатика. Управління, Запорізький НТУ. – 2005. – №2. –С. .

7. Борковская Л.А. Информационные технологии для создания интегрированной координатно-измерительной машины // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2006. – Спецвипуск. – С. 15-17.

8. Квасников В.П., Борковская Л.А. Интеллектуальная система контроля геометрических параметров деталей газотурбинных двигателей // Авиационно-космическая техника и технология.- Харьков. – 2006. – № /31. – С. 51-54.

9. Квасніков В.П., Борковська Л.О. Моделювання системи вимірювання геометричних розмірів об’єктів на координатно–вимірювальних машинах // Вісник Інженерної академії України. – 2006. – № 1. – С. 47-52.

10. Борковская Л.А. Разработка интеллектуальной интегрированной системы измерения геометрических величин на основе современных информационных технологий // Збірка наукових праць Донецького національного технічного університету: Серія “Обчислювальна техніка та автоматизація”. – Донецьк: ДонНТУ, 2006. – Вип. 106. – С. 176-181.

11. Babak V., Kvasnikov V., Borkovskaya L. Information technologies of aviation details measuring // Proceedings of NAU. – 2006. – № 3. – Р. 5-7.

12. Відновлюючий фільтр. Заявка на патент України u 2006 13245 /
Л.О. Борковська, І.А. Бороденко, Ю.В. Куц, Д.П. Орнатський. – Чинний від 14.12.2006.

13. Борковская Л.А. Информационные технологии проектирования автоматизированных систем управления // Міжнародна науково-технічна конференція “Інтегровані комп’ютерні технології в машинобудуванні". – Харків: ХАІ, 2004. – С. 194.

14. Налісний М.Б., Борковська Л.О. Автоматичний контроль турбінних лопаток газотурбінних двигунів // Збірка наукових праць IV науково-технічної конференції “Приладобудування 2005: стан і перспективи”. – К.: НТУУ “КПІ”, 2005. – С. 143-144.

15. Квасніков В.П., Налісний М.Б., Борковська Л.О. Синтез системи управління вимірювальною головкою при контролі геометричних розмірів складних просторових об’єктів // VIII Міжнародна конференція “Контроль і управління в складних системах” (КУСС-2005). – Вінниця: ВНТУ, 2005. – С. 63-64.

16. Налісний М.Б., Борковська Л.О., Борковський О.В. Концептуальний підхід до розробки програмного забезпечення координатно–вимірювальних машин // Міжнародна науково-технічна конференція “Інтегровані комп’ютерні технології в машинобудуванні". – Харків: ХАІ, 2005. – С. 149-150.

17. Borkovskaya L., Nalisnyy M. Intellectual system of diagnostic parameters determination of coordinate measuring machines // Рroceedings of the second world congress “Аviation in the XXI-st century”, “Safety in aviation”. – Кyiv, 2005. – P. 2.17-2.21.

18. Налісний М.Б., Борковська Л.О., Борковський О.В. Програмно-математичне забезпечення координатно-вимірювальних машин з елементами штучного інтелекту // Збірник тез доповідей ІІІ міжнародної науково-практичної конференції “Математичне та програмне забезпечення інтелектуальних систем”. – Дніпропетровськ: ДНУ, 2005. – С. 121-122.

19. Костріков О.Л., Борковська Л.О., Борковський О.В. Інформаційні технології розробки програмно–математичного забезпечення координатно-вимірювальних машин // 2-й Международный радиоэлектронный форум “Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития” МРФ-2005. Сборник научных трудов. Т. VII.– Международная конференция “Метрология и измерительная техника”. – Харьков: АНПРЭ, ХНУРЭ. 2005. – С. 120-123.

20. Налісний М.Б., Борковська Л.О., Борковський О.В. Особливості контролю геометричних розмірів прецизійних деталей газотурбінних двигунів // Збірник тез доповідей V науково-технічної конференції “Приладобудування 2006: стан і перспективи”. – К.: НТУУ “КПІ”, 2006. – С. 129-130.

21. Квасніков В.П., Налісний М.Б., Борковська Л.О. Система керування вимірювальною головкою при контролі геометричних розмірів деталей // Матеріали Міжнародної науково-практичної конференції. – Чернівці: Рута, 2006. – С. 216-217.

22. Квасніков В.П., Борковська Л.О. Автоматизована система вимірювання геометричних розмірів прецизійних авіаційних деталей// XIII Міжнародна конференція з автоматичного управління (Автоматика–2006). – Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця. – ВНТУ, – 2006. – С. 161.

23. Борковская Л.А., Копыл В.К. Высокоточные измерения прецизионных крупногабаритных деталей на основе новых информационных технологий // Наукові праці V Міжнародної науково-технічної конференції „Метрологія та вимірювальна техніка” (Метрологія – 2006). – Харків: ННЦ „Інститут метрології”, 2006. – Т. 2. –
С. 144-146.

24. Борковська Л.О. Нові інформаційні технології побудови тривимірних об’єктів // Матеріали VII міжнародної науково-технічної конференції „Авіа-2006”.– К.: НАУ, 2006. – Т.1. – С. 11.37-11.41.

25. Налисный Н.Б., Борковская Л.А. Интеллектуальный анализ диагностических параметров координатно-измерительних машин // VI международная научная конференция „Интеллектуальный анализ информации ИАИ – 2006”. – К.: НТУУ “КПІ”, 2006. – С. 199-206.

АНОТАЦІЯ

Борковська Л.О. Прецизійна інформаційно-вимірювальна система визначення геометричних характеристик деталей складної форми. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.16 – інформаційно–вимірювальні системи.-Національний авіа-цій-ний університет, Київ, 2007.

Дисертацію присвячено задачі розробки трикоординатних ІВС геометричних розмірів величин з підвищеною точністю та швидкодією вимірювання об’єктів із складною просторовою поверхнею. В дисертації розроблено нові методи для високоточного вимірювання на трикоординатних ІВС геометричних величин на лінійних двигунах з газовим змащенням та на аеростатичних опорах, які базуються на інтелектуальних технологіях, інформативної надлишковості та адаптивності. Розроблено математичну модель об’єкту із складною просторовою поверхнею, методики, алгоритми та програмне забезпечення процесу вимірювання об’єктів із СПП.

Запропоновано структури трикоординатних ІВС геометричних величин з поворотним столом, розроблена система інтелектуального керування вимірювальною головкою КВМ. Основні результати роботи впроваджено на промислових підприємствах України при проектуванні зразків нових автоматизованих приладів з підвищеними метрологічними характеристиками при виконанні науково-дослідних робіт в Державному підприємстві “Завод 410 цивільної авіації”, м. Київ.

Ключові слова: інформаційно-вимірювальна система, складні просторові поверхні, інтелектуальні технології, вимірювальна головка.

АННОТАЦИЯ

Борковская Л. А. Прецизионная информационно-измерительная система определения геометрических характеристик деталей сложной формы.– Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.16 – информационно-измерительные системы.– Национальный авиационный университет, Киев, 2007.

Диссертация посвящена задаче разработки методов и алгоритмов измерения сложных пространственных поверхностей на трехкоординатных информационно-измерительных систем геометрических величин на линейных двигателях с газовой смазкой на аэростатических опорах.

Разработаны новые структуры построения трехкоординатных ИИС, которые базируются на методологии системного подхода, интеллектуальных технологиях.

Разработаны математическая модель объекта измерения со сложной пространственной поверхностью, методики, алгоритмы и программное обеспечение процесса измерения объектов.

Предложены математические модели сложной пространственной поверхности при помощи полиномов Цернике и аппроксимации с помощью сплайн–функции, что позволило с высокой степенью точности описать объект измерения и как следствие, комплексно решить задачу измерения.

Разработаны и теоретически обоснованы методы повышения точности линейной интерполяции по методу модифицированной оценочной функции системы скорости движения измерительного наконечника.

Развиты алгоритмические, а также новые методы уменьшения влияния случайных погрешностей на результаты измерения геометрических величин.

Разработана методика расчета погрешности измерительных каналов измерительных каналов и трехкоординатной ИИС в целом.

В результате имитационного моделирования процесса управления измерительной головкой ИИС предложен и описан метод измерения деталей с использованием искусственного интеллекта на базе экспертных систем и прогнозного планирования траектории измерительного наконечника в рабочей зоне измерения с препятствием произвольной формы.

Предложен и описан метод управления линейными двигателями исполнительных органов с газовой смазкой. В его основу положено использование управляющего напряжения, полученного в результате введения дополнительного канала с датчиком перемещения. Разработана система совместного контурного управления с последовательной коррекцией для линейных двигателей КИМ.

Предложены и построены законы управления трехкоординатных ИИС, которые обеспечивают за время t=0,2 с полную компенсацию начальных отклонений выходного сигнала измерительной головки.

Показано, что использование датчиков с индуктивными преобразователями позволило повысить точность измерения линейных параметров до 1 мкм.

На основе разработанной математической модели построено трехмерное изображение объекта с использованием R–функций.

Развита теория измерения и описаны способы компенсации систематических погрешностей результатов измерения при действии дестабилизирующих факторов.

Решен ряд важных прикладных задач метрологии, автоматической коррекции погрешностей результатов измерения геометрических величин.

Предложены новые структуры трехкоординатной ИИС с использованием искусственного интеллекта на линейных двигателях, что позволяет повысить быстродействие и точность измерения.

Разработано методическое и программное обеспечение процесса измерения геометрических параметров прецизионных деталей, в основу которого положены аналитические методы, алгоритмы и модели преобразования геометрической информации, что обеспечивает дальнейшее повышение точности измерения, которая достигается за счет использования алгоритма совмещения контрольных обводов математической модели и измеряемого объекта.

Разработаны алгоритмы интеллектуального процесса контроля отклонения от формы и расположения поверхностей на координатно-измерительных машинах, которые построены на применении экспертных систем при условиях оптимального обхода поверхности объекта, самообучения и дают возможность повысить точность измерения прецизионных деталей.

Разработан новый подход к оптимизации числа поперечных сечений измеренных деталей в целях повышения качества построения трехмерных объектов с использованием базы данных модуля моделирования и базы знаний допустимых состояний измерительной системы, что дает возможность повысить точность измерения. Новизна полученных результатов подтверждена заявкой на патент Украины на изобретение.

Основные результаты работы используются при проведении высокоточных измерений сложных пространственных деталей на предприятиях: Государственном научно-исследовательском институте “Аккорд” г. Черкассы; Государственном предприятии “Завод 410 гражданской авиации”, г. Киев; ООО “Экотранс” г. Тюмень, Россия.

Ключевые слова: информационно-измерительная система, сложные пространственные поверхности, интеллектуальные технологии, измерительная головка.

THE SUMMARY

Borkovskaya L.A. The precision informative-measuring system of determination of geometrical descriptions of details of difficult form. - Manuscript.

The dissertation for a candidate of technical sciences by specialty 05.11.16– informational measuring systems.–National Aviation University, Kyiv, 2007.

The dissertation is devoted to the task of development of the three–coordinate informational measuring systems of geometrical sizes with the promoted exactness and fast-acting of measuring objects with a composite spatial surface. New methods for the high-fidelity measuring on the three–coordinate informational measuring systems of geometrical sizes on linear engines with the gas greasing and on aerostatics resistances which are based on intellectual technologies are developed in the dissertation. The mathematical model of object with a composite spatial surface, methods, algorithms and process software of objects measuring are developed in the dissertation.

The structures of the three–coordinate informational measuring systems of geometrical sizes with turning table are offered, a system of intellectual management by a measuring head of coordinate measuring machine is developed. The main outcomes of activity have found intrusions in the industrial enterprises of Ukraine at planning of standards of new automated devices with the promoted metrological descriptions at implementation of research works in the State enterprise “The 410 civil aviation Factory”, Kiev.

Key words: informative-measuring system, composite spatial surface, intellectual technologies, measuring head.