WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

УДК 620.179.18 На правах рукописи

ЧИЧИГИН Борис Анатольевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ЛАЗЕРНОГО КОНТРОЛЯ ГЕОМЕТРИИ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05.11.13 – Приборы и методы контроля

природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва, 2007

Работа выполнена на кафедре Электротехники и Интроскопии Московского Энергетического Института (Технического Университета)

Научный руководитель:

кандидат технических наук, Чернов

доцент Леонид Андреевич

Научный консультант:

кандидат технических наук, Кеткович

старший научный сотрудник Андрей Анатольевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, Владимиров

старший научный сотрудник Лев Владимирович

доктор технических наук, Коннов

профессор Владимир Васильевич

Ведущая организация: ОАО «НИИизмерения»

Защита состоится «31» октября 2007 г. в ___ часов на заседании диссертационного совета Д 520.010.01 в ЗАО «НИИИН МНПО «СПЕКТР» по адресу: 119048, г. Москва, ул. Усачева, д. 35, стр.1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЗАО «НИИИН МНПО «СПЕКТР».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью просьба направлять по адресу: 119048, г. Москва, ул. Усачева, 35, стр.1, ученому секретарю совета.

Автореферат разослан «1» октября 2007г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Королев М.В.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

  1. ГТД – газотурбинный двигатель
  2. ДПФ – прямое дискретное преобразование Фурье
  3. ИСФ – изделие сложной формы
  4. МСС – метод светового сечения
  5. ОДПФ – обратное дискретное преобразование Фурье
  6. ОПФ – оптическая передаточная функция
  7. ПЗС – прибор с зарядовой связью
  8. ФРЛ – функция рассеяния линии
  9. ЧКХ – частотно-контрастная характеристика

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Научно-технический прогресс в таких ведущих отраслях экономики как авиакосмический и нефтегазовый комплексы, электроэнергетика, атомная промышленность требует применения изделий все более сложной формы с одновременным ужесточением требований к точности их изготовления.

В этом ряду особо выделяется область авиационного двигателестроения. Достижения в этой отрасли в большой мере определяет политическую и экономическую безопасность страны. Наряду с этим, технологии, созданные для авиационных двигателей, с успехом применяются в других национально приоритетных областях: энергетике, транспорте, при транспортировке газа и многих других.

Основной современного авиадвигателестроения является газотурбинный двигатель. Лопатки ГТД являются наиболее массовыми деталями, их общее число в двигателе может доходить до 3000.

Надежность газотурбинных двигателей в значительной степени зависит от надежности работы лопаток компрессора и турбины, так как они являются наиболее нагруженными деталями. Они находятся в потоке газа и предназначены для изменения его параметров. Температура газа в турбине достигает 800...1200 °С, в компрессоре - 300...600 °С. Многократное изменение тепловых режимов работы двигателя – быстрый нагрев в момент пуска и быстрое охлаждение при остановке двигателя – вызывает циклическое изменение термических напряжений. Лопатка помимо растяжения и изгиба от центробежных сил, изгиба и кручения от газового потока испытывают переменные напряжения от вибрационных нагрузок, амплитуда и частота которых изменяются в широких пределах.

Контроль лопаток – важная и неотъемлемая часть технологического процесса их изготовления. В процессе производства контролю подлежат десятки геометрических параметров лопаток, определяемые требованиями технических условий, конструкторской и технологической документации, утвержденными образцам, эталонам и условиями поставки. Лопатка ГТД представляет собой изделие с очень сложной геометрической формой, и задача контроля геометрии лопаток ГТД стоит очень остро.

Принимая к рассмотрению пространственную сложность формы лопаток ГТД для обеспечения подобных объемов контроля необходимо проводить измерения многих десятков геометрических параметров для каждой лопатки.

Средства измерения, используемые в настоящий момент на отечественных серийных авиастроительных предприятиях, в большинстве своем, устарели. С течением времени становится все сложнее продлевать срок их эксплуатации. Подобные средства измерения связанны с субъективной человеческой составляющей.

Современные методы контроля геометрии изделий можно разделить на два больших класса – контактные (координатно-измерительные машины, щуповые приборы, измерительные проекторы и т. д.) и бесконтактные, среди которых наиболее распространены МСС, триангуляционные и стереоскопические. Стереоскопические средства контроля отличаются низкой производительностью и малой точностью. Триангуляционные средства контроля конструктивно сложны, и как следствие – проигрывают в эффективности. Особый интерес представляет МСС. Его сущность заключается в проектировании на поверхность объекта узкой световой полоски и наблюдении ее формы, адекватной профилю изделия под углом, отличным от направления освещения. Достоинства метода – бесконтактность, высокая точность измерений, получение полной информации о профиле изделия в реальном времени в выбранном сечении.

Несмотря на давнюю историю метода, он непрерывно развивается и широко применяется в промышленности. Исследованию метода посвящен рад работ – Линник В.Н., Кучин А.А. и Обрадович К.А., Beekman P. и др. Однако их результаты не отражают достижений современного оптического приборостроения, в котором широко применяются лазеры, матричные фотоприемники и цифровые методы обработки изображений. Отдельным аспектам эффективности применения этих инновационных технологий в МСС посвящен ряд исследований (Демкин В.Н., Филинов М.В., Галиулин Р.М., Кеткович А.А.). В результате этих исследований созданы предпосылки для системного анализа влияния основных факторов, определяющих точность измерений методом МСС.

В число этих факторов, прежде всего, относятся передаточные функции лазерных оптических систем, структура матричных приемников и распределение чувствительности внутри пикселя, микрогеометрия реальных поверхностей, оптические шумы (блики, спеклы и др.), оптимизация алгоритмов цифровой обработки изображений.

Для решения этой задачи необходимо провести комплекс теоретических и экспериментальных исследований влияния этих факторов на точность и производительность МСС. В связи с этим сформулируем цель диссертационной работы.

Цель работы – разработать метод и средство бесконтактного измерения геометрии лопаток ГТД, позволяющее проводить быстродействующий и прецизионный контроль.

Основные задачи. Для достижения данной цели требуется решение следующих основных задач:

  • Выявить и исследовать основные факторы, влияющие на точность измерений и предложить их оптимизацию
  • Исследовать оптические свойства поверхности лопаток и установить закономерности их влияния на точность измерений
  • Разработать алгоритм апостериорной обработки цифрового изображения лопатки ГТД, полученного МСС, позволяющий получить однородный контур и уменьшить погрешность измерения
  • Провести измерения геометрических параметров лопатки ГТД, подлежащих контролю по технологической карте предприятий отрасли в реальных производственных условиях
  • Провести исследование метрологических характеристик разработанной системы с учетом апостериорной обработки изображения и автоматических измерений геометрических параметров

Методы исследования. Анализ теоретических аспектов исследованной в диссертационной работе проблемы бесконтактного измерения геометрии лопаток ГТД проводился с использованием методов:

Фурье-анализа, аппарата оптических передаточных функций, теории переноса излучения, теории рассеяния света поверхностями с различной микрогеометрией, метода приближения функций, математической статистики, методов цифровой обработки изображения и математического моделирования. Обработка данных проводилась на ЭВМ по стандартным и оригинальным программам, разработанным на языке программирования Delphi 7.0 и в среде MathCAD 11.

Научная новизна заключается в следующем.

В диссертации с единых методологических позиций проведен комплекс теоретических и экспериментальных исследований, позволяющий разработать основы создания высокоточных быстродействующих лазерных измерителей геометрии лопаток ГТД с различной шероховатостью поверхности.

Для этого:

  1. Предложена аналитическая модель оптико-электронной системы с использованием аппарата оптических передаточных функций, позволяющая оценить предельную точность системы измерения геометрии лопаток ГТД методом светового сечения.
  2. Впервые получены зависимости, описывающие закономерности рассеяния света поверхностью лопаток ГТД и предложен метод бесконтактного экспресс-контроля параметра шероховатости поверхности лопаток Ra, основанный на учете пространственного распределения рассеянного света.
  3. Предложена математическая модель деформации пространственно-частотного спектра лазерного осветителя шероховатой поверхностью лопатки с использованием теории переноса излучения и получено выражение соответствующей частотно-контрастной характеристики, что позволило получить сквозную передаточную функцию системы.
  4. Предложен алгоритм эффективной апостериорной обработки изображения сечения лопатки ГТД с целью устранения шумов, спеклов и бликов, позволяющий получить контрастный однородный уверенно распознаваемый контур.

Основные положения, выносимые на защиту

  1. Метод и аппаратура высокоточного многопараметрового автоматического контроля геометрии лопаток ГТД.
  2. Математическая модель оптико-электронного тракта системы контроля геометрии лопаток ГТД методом светового сечения с учетом влияния шероховатости их поверхности на качество изображения и проведение оптимизации по критерию максимальной точности.
  3. Метод определения параметров лазерного прибора контроля геометрии лопаток ГТД и границы его применимости при контроле шероховатых поверхностей с учетом реального распределения световой чувствительности внутри элемента фотоприемной системы.
  4. Алгоритм цифровой обработки изображения контура лопатки ГТД для подавления шумов и однозначного распознавания.

Практическая ценность работы состоит в том, что:

  1. Разработан пилотный образец системы лазерного контроля геометрии лопаток ГТД. Образец прошел апробацию в условиях ОАО «Наро-Фоминский Машиностроительный Завод» ММПП «Салют» и показал хорошие эксплуатационные и метрологические характеристики. Созданный пилотный образец позволяет проводить измерений линейных размеров лопатки с точностью 0.01 мм со скоростью 20 сечений в минуту.
  2. Разработан метод бесконтактного измерения параметра шероховатости Ra для широкого класса лопаток ГТД.
  3. Разработана универсальная методика юстировки и калибровки системы лазерного контроля лопаток ГТД с применением корреляционного анализа, которая применима для широкого класса лазерных измерителей геометрии объектов различной формы.
  4. Прибор успешно применялся в качестве инструмента управления качеством продукции машиностроительного предприятия ОАО «Наро-Фоминский Машиностроительный Завод». По результатам его применения были разработаны рекомендации по снижению уровня дефектности продукции.
  5. Разработана программа апостериорной обработки лазерных изображений контура лопатки ГТД, которая может применяться в системах лазерного измерения геометрии.
  6. Методы лазерного освещения и формирования цифрового изображения, представленные в диссертации могут применяться для других объектов контроля.

Реализация результатов. Система лазерного контроля геометрии лопаток ГТД нашла применение на ОАО «Наро-Фоминский Машиностроительный Завод» ММПП «Салют» и ЗАО НПЦ «Молния».

Апробация работы. Основные результаты исследований, выполненных в диссертации, неоднократно докладывались на Российских и международных конференциях по неразрушающему контролю и диагностике и получили положительные отзывы на семинарах и конференциях: «Современные методы и приборы контроля качества и диагностики» (Могилев, 2004); «Неразрушающий контроль и диагностика» (г. Екатеринбург, 2005); Литье и металлургия (Минск, 2005); «Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика» (МЭИ, Москва 2005, 2006) в 2005 г. получен диплом первой степени за лучшую работу.

Информация о приборе опубликована в каталоге Лазерной Ассоциации РФ. Пилотный образец прибора измерения геометрии лопаток экспонировался на международной выставке «Инновации 2006» на ВВЦ.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, приведенных в списке литературы диссертации и автореферате.

Личный вклад автора. Диссертация написана по материалам исследований, выполненных лично автором или при его непосредственном участии. Автором выполнены исследования, определяющие защищаемые положения и методики.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и списка литературы из 108-ти наименований. Основной текст изложен на 147 страницах, содержит 107 рисунков, 8 таблиц и 102 формулы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность и значимость темы диссертационной работы, сформулирована цель и основные задачи проводимых исследований и определена научная новизна и практическая ценность решаемой проблемы.

В первой главе проведен анализ методов измерения трехмерной геометрии, а также приведен обзор реальных установок, представляющих наиболее перспективные для контроля лопаток методы.

Известны различные бесконтактные методы измерения геометрии. Предложено их классифицировать по критерию геометрической размерности измерительной информации об объекте, получаемой за одно экспонирование датчика. Таким образом, системы подразделяются на одномерные, двумерные и трехмерные.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»