АВТОРЕФЕРАТ -...

ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ – СОФИЯ Машиностроителен факултет

Катедра „Прецизна техника и уредостроене“

маг. инж. Велизар Ангелов Василев

РАЗРАБОТВАНЕ И ИЗСЛЕДВАНЕ НА СИСТЕМА ЗА

ИЗМЕРВАНЕ НА ГЕОМЕТРИЧНИ ПАРАМЕТРИ НА

ГОЛЯМОГАБАРИТНИ ВАЛОВЕ

АВТОРЕФЕРАТ

за придобиване на образователна и научна степен

„доктор“

Професионално направление:

5.1. Машинно инженерство

Научна специалност:

„Методи, преобразуватели и уреди за измерване и контрол на

физико-механични и геометрични величини“

Научен ръководител:

доц. д-р Георги Кирилов Дюкенджиев

Рецензенти:

1. доц. д-р Виолета Йосифова Станчева

2. доц. д-р Димитър Андонов Дичев

София

2014

Дисертантът е зачислен в редовна докторантура в катедра „Прецизна

техника и уредостроене“ на Машиностроителния факултет на ТУ-София.

Дисертационният труд е обсъден и насочен за защита от катедра

„Прецизна техника и уредостроене“ на ТУ-София.

Защитата на дисертационния труд ще се състои на открито заседание

пред научно жури, назначено от ректора на ТУ-София на 07.11.2014, от

10:00 часа, в зала 2140 на Машиностроителния факултет на ТУ-София.

Материалите по защитата са на разположение заинтересованите в

канцеларията на МФ – каб. 3242

Авторефератът е публикуван на Сайта „Развитие на академичния

състав на ТУ-София“.

Автор: маг. инж. Велизар Ангелов Василев

Тема: „Разработване и изследване на система за измерване на

геометрични параметри на голямогабаритни валове“

Тираж: 30 броя

Издателство на ТУ-София

1

ОБЩА ХАРАКТЕРИСТИКА НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД

Актуалност на проблема

Измерването на геометричните параметри (диаметри, отклонение на

формата и разположението на повърхнините и осите) на отговорни

голямогабаритни детайли като турбинни, прокатни валове, колянови валове

и др. в транспортното, тежкото машиностроене и хартиената промишленост

и енергетиката е сериозен проблем, свързан със спецификата на

измерваните обекти. Поради големите им габарити и маса използването на

класическите схеми за точни измервания на форма и разположение е силно

ограничено или практически невъзможно.

Това прави разработването на система за измерване, решаваща този

проблем особено актуално.

Цел и задачи

Цел: Разработване и изследване на система за измерване и контрол на

геометрични параметри на голямогабаритни валове с повишени

метрологични и експлоатационни показатели.

Основни задачи:

1. Анализ на състоянието на метрологичното осигуряване на

производството на голямогабаритни валове в страната и чужбина.

2. Анализ и изследване на възможностите за определяне на

отклоненията на формата и разположението по резултатите от

измерването на радиалното и челно биене.

3. Разработване на система за измерване на геометрични параметри на

голямогабаритни валове.

4. Изследване на метрологичните и функционални възможности на

разработената измервателна система.

5. Апробация на системата в производствени условия.

Научна новост

Разработване на измервателна система за определяне на 12

геометрични параметъра на голямогабаритни валове чрез измерване на

радиалното и челно биене спрямо виртуална базова ос.

2

Практическа приложимост

Резултатите от дисертационния труд намират пряко практическо

приложение при измерване и контрол на геометричните параметри на

голямогабаритни валове в тежкото машиностроене, хартиената

промишленост и енергетиката.

Апробация

Разработката е докладвана изцяло на заседания на Катедрения съвет

на катедра „Прецизна техника и уредостроене“ и частично на следните

издания и конференции: Национален научен симпозиум с международно

участие „Метрология и метрологично осигуряване“ – Созопол, България,

2010, 2011, 2012; списание „Метрологiя та приклади“, бр. 2, 2013, ISSN:

2307-2180, Украйна, 2013.

Публикации по дисертацията

Във връзка с дисертационния труд са направени 7 публикации, от

които 2 в научно-технически списания, 4 в реферирани материали на научни

конференции и симпозиуми и една заявка за патент.

Структура и обем на дисертационния труд

Дисертационния труд е в обем от 218 страници и съдържа увод, пет

глави, заключение, списък на използваната литература, 5 приложения и

списък на публикациите по дисертацията. Има 95 фигури, 68 таблици, а

също и 40 формули.

Библиографията обхваща 126 литературни източника, от които 73 на

кирилица и 89 на латиница.

3

СЪДЪРЖАНИЕ НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД

Глава 1. Състояние на проблема и формулиране на целта и

задачите за изследване

Разгледани са нормирането на геометричните параметри на

голямогабаритните валове и методите и средствата за тяхното измерване.

Анализирано е състоянието на измерването и контрола на тези

параметри в метрологичната практика в България, Украйна и Русия и по-

специално при производството и експлоатацията на подобни изделия в:

АЕЦ „Козлодуй“; „Леко Ко“ – Радомир; „Бесттехника ТМ“ – Радомир;

„Ваптех“ – Плевен; „Новокраматрорски машиностроителен завод“ – гр.

Краматорск, Украйна; „Турбоатом“ – Харков, Украйна; „Електротяжмаш“ –

Харков, Украйна; „Уралмаш“ – Екатеринбург, Русия; „ОРМЕТО-ЮУМЗ“ –

Орск, Русия.

Типичните изисквания към геометрията на голямогабаритните валове

са показани на фиг. 1.6.

Фиг. 1.6 Типични изисквания към геометрията на голямогабаритни

ротационни детайли

Изводи и констатации по Глава 1

1. Голямогабаритните валове използвани в тежкото и транспортното

машиностроене, хартиената промишленост и енергетиката (турбинни,

прокатни, колянови и др. валове) са отговорни изделия т.е. детайли с

4

високи изисквания към геометричните им параметри (диаметри и

отклонения на формата и разположението). Допуските на диаметрите са

от 36 до 86 µm, а на отклоненията на формата от 5 до 50 µm, при дължина

до 10 m и маса до 80-100 t.

2. Измерването и контрола на геометричните параметри е сериозен

метрологичен проблем, свързан както със спецификата на измерваните

обекти (големи маса и габарити), така и с високите изисквания към тези

параметри.

3. Поради тази специфика използването на класическите схеми за точни

измервания е силно затруднено или практически невъзможно или не

осигурява необходимата точност.

4. Измерването на диаметри се осъществява с универсални измервателни

средства (микрометри и индикаторни скоби). При двуточковата схема на

измерване се определя само местния диаметър на извлечения кръгов

профил.

5. Предлагането на пазара на средства за измерване на геометричните

параметри на голямогабаритни валове е силно ограничено. Тези

средства представляват сложни и скъпи съоръжения и осигуряват

измерването само на отделни геометрични параметри. В определени

случаи оценените с тях отклонения на формата и разположението не

отговарят на определянето им в стандартите.

6. Проблемът за измерването и контрола на геометричните параметри на

отговорни голямогабаритни валове е особено актуален и може да бъде

решен успешно чрез привеждане на резултатите от измерването на

радиалното и челно биене към виртуална базова ос.

7. Измерването при посочения подход може да се осъществи в цехови

условия на специален стенд или непосредствено на металорежещата

машина (стругова или шлайф машина). Изборът на единия от двата

варианта зависи от икономически съображения, свързани с

натоварването на металорежещата машина с несвойствени

метрологични дейности, осигуряването на работен (специализиран)

участък със съответен стенд и транспортирането и установяването на

вала на измервателна позиция.

Въз основа на изложеното в гл. 1 са формулирани целта и задачите

на дисертационния труд.

5

Глава 2. Определяне на отклоненията на формата и

разположението по резултатите от измерване на радиалното и

челното биене

2.1. Измерване спрямо точна ос на въртене

Това е най-точният и най-широко разпространеният метод на

измерване, чрез който е възможно да бъде определено отклонението от

кръглост и останалите отклонения на формата и разположението му в

съответствие с определението им, дадени в стандарта.

Измерването извършва чрез сравняване на реалния профил с

траектория (изходна база), образувана в резултат на въртене на точно

вретено.

Детайлът се установява на въртяща се маса (с минимално биене на

оста на въртене) и след центриране и регулировка, при завъртане на 360° се

определя изменението на радиус вектора на измервания профил.

По същество се определят координатите 𝑥𝑖𝑗 и 𝑦𝑖𝑗 на точките 𝐴𝑖𝑗 на

𝑖−тия измерван профил в координатната система 𝑋𝑌𝑍, като оста 𝑧 съвпада с

остана на въртене.

Приложението на този перспективен подход за точни измервания (а

той има практически смисъл само за такива измервания) се възпрепятства

от изискванията за точност на изходната база – оста на въртене.

В общ случай е налице блуждаещо биене в радиално и осово

направление, което се отразява непосредствено върху резултата от

измерването и оказва доминиращо влияние върху точността.

Приложението на кръгломерите се ограничава и от габаритните

размери и маса на измерваните детайли и максималните стойности на

измерваното отклонение от кръглост.

2.2. Измерване спрямо точна ос на въртене

Отклоненията на формата и разположението на повърхнините и осите

на ротационните детайли се определя чрез измерване на радиалното и челно

биене на съответните ротационни и челни повърхнини при базиране на

призми, в собствените лагерни гнезда или на центри и последваща

обработка на тази първична измервателна информация.

6

Принципната схема на измерване при базиране на детайла в центри е

показана на фиг. 2.2.

Към крайните челни повърхнини на детайла 3 (фиг. 2.2.) са закрепени

приблизително съосно гривните 1 и 2, чието отклонение от кръглост в

маркирани напречни сечения и отклонението от равнинност на челната

повърхнина на едната от тях (гривна 2) по маркиран радиус r са

предварително известни или пренебрежително малки. Тези отклонения

могат да бъдат установени при калибриране, например с кръгломер.

Фиг. 2.2 Принципна схема на измерване спрямо виртуална базова ос

При завъртане на детайла посредством измервателните глави 4 се

измерват едновременно радиалното и челно биене на необходимия брой

напречни сечения и челни повърхнини, включително и на маркираните на

двете гривни.

В общ случай радиалното биене включва следните съставки:

Отклонението от кръглост на профила в измереното сечение;

Ексцентрицитета на центъра на асоциираната окръжност на

измервания профил спрямо оста на въртене;

Блуждаещото биене в радиално направление.

7

Челното биене включва следните съставки:

Отклонението от равнинност на измервания профил на

съответната челна повърхнина по зададен радиус;

Отклонението от перпендикулярност на асоциираната равнина

на измерения по зададен радиус профил спрямо оста на въртене;

Осово блуждаещо биене (непостоянство на осовото положение

на детайла при въртеливото му движение);

Съставка, свързана с неуспоредността на мигновените оси на

въртене в резултат на радиалното блуждаещо биене,

респективно на перпендикулярните на тях равнини,

изпълняващи ролята на мигновени изходни бази.

Съставките, свързани с радиалното и осово блуждаещо биене се

изключват чрез привеждане на резултатите от измерването към нова

виртуална ос, а резултатите от челното биене – към равнина,

перпендикулярна на виртуалната базова ос чрез въвеждане на поправки,

изключващи влиянието на блуждаещото радиално и осово биене.

Виртуална изходна база – виртуалната базова ос се дефинира като

права в дадена координатна система XYZ, преминаваща през центроидите на

точките от мигновените оси на въртене в маркираните напречни сечения на

двете гривни.

Радиалното блуждаещо биене се изразява като непостоянство на

разстоянието на точките от мигновените оси на въртене в маркираните

напречни сечения на гривните до техните центроиди по линията на

измерване на радиалното биене, а осовото блуждаещо биене – като

непостоянство на положението на проекциите на коя да е фиксирана точка

на едната от гривните до центроида на проекциите на тази точка по линията

на измерване на челното биене.

2.2.1. Варианти на измерване на радиалното и челно биене спрямо

виртуална ос на въртене

Разгледани са шест варианта на измерване на радиалното и челно

биене при реализация на метода.

Варианти А1 и В1 – съответно при измерване на радиално и челно биене

При еднократна реализация на виртуалната базова ос (ВБО) –

едновременно измерване на биенето във всички измервани сечения,

включително и на еталонните гривни (фиг. 2.2).

8

Методът и процедурата са патентовани1.

Предимства: пълно изключване на блуждаещото биене (както на

неговата систематична съставка Δбл.бсист, така и на случайната му съставка

Δбл.бсл).

Недостатъци: сложност на измервателната система и процедурата на

измерване, висока цена, голям брой датчици, трудност при тяхното

установяване на измервателна позиция, практическа невъзможност при

измерване непосредствено на обработващата машина. Приложението на

вариантите е целесъобразно при стендови уредби.

Варианти А2, А3, В2 и В3 – многократна реализация на ВБО при

неедновременно, в различна последователност измерване на биенето

Предимства: Опростяване на измервателната система за измерване

непосредствено на измервателната машина, ниска цена, намаляване на броя

на измервателните преобразуватели (датчици).

Недостатъци: увеличение на времето за измерване, понижаване на

точността поради непостоянството на виртуалната базова ос при повторните

реализации.

Приложението на вариантите А2, А3, В2 и В3 се определя от

постоянството на ВБО под влияние на блуждаещото биене, обект на

изследване в т. 2.3.

2.3. Изследване на постоянството на виртуална базова ос при

многократна реализация на радиално и челно биене

Целта на настоящото изследване е да се оцени влиянието на

случайната съставка на радиалното блуждаещо биене, с оглед опростяване

и оптимизация на схемите на измерване.

2.3.1. Постановка на задачата

Ексцентрицитетът, отклонението от кръглост на измервания профил и

систематичната съставка на блуждаещото биене не се променят при

повторни измервания – следователно не влияят върху постоянството на

положението на центроидите в съответните напречни сечения. Влияещият

фактор е случайна съставка на блуждаещото биене. Това влияние може да

1 Радев Хр., "Метод за измерване на отклоненията на формата и разположението на повърхнините и осите на ротационни детайли спрямо виртуална изходна база" (Патент №65461 В1 от 27.10.2008)

9

бъде оценено като непостоянство на центъра на асоциираната средна

окръжност при измерване на отклонението от кръглост.

При отсъствие на ексцентрицитет, отклонение от кръглост и

систематично блуждаещо биене, оцененото отклонение от кръглост при

измерване на даден профил отразява единствено случайното блуждаещо

биене. Това позволява, чрез задаване на различни профили (отклонения от

кръглост) да се симулира случайно блуждаещо биене и да се оцени неговото

влияние върху постоянството на положението на центроида в използваната

координатна система.

2.3.2. Изследване

При изследването на блуждаещото биене се задава като отклонение от

кръглост в съответните точки на измервания профил. Стойностите се

задават като реални случайни числа. [1]

Варира се със следните фактори:

Интервал на блуждаещото биене (като интервал на изменение

на 𝐸𝐹𝐾) 𝐴;

Разположението на отклоненията по окръжността на профила;

Борят на измерваните точки от профила 𝑚 (включително и тези

имащи нулеви отклонения);

Броят и разположението на точките, в които се проявява

блуждаещо биене – 𝑛;

Броят на сериите измервания 𝑝 (при всяко ново измерване

отклоненията имат случайна стойност в границите на зададения

интервал).

Разгледани са следните случаи:

1. Наличие на блуждаещо биене в една екстремна точка (фиг. 2.14).

Фиг. 2.14 Отклонение от кръглост (блуждаещо биене) в една екстремна

точка

10

2. Наличие на блуждаещо биене в две екстремни точки (фиг. 2.15).

Фиг. 2.15 Отклонение от кръглост (блуждаещо биене) в две екстремни

точки

3. Наличие на блуждаещо биене в равномерно и произволно

разположение и различен брой точки (фиг. 2.16)

Фиг. 2.16 Отклонение от кръглост (блуждаещо биене) в произволен брой

неравномерно разположени точки от профила

𝐴 – Интервал на блуждаещото биене:

𝐴 = ±(10, 20, 40, 60, 80 и 100) 𝜇𝑚

𝑛 – брой на точките с отклонение от кръглост (блуждаещо биене):

𝑛 = 1 ÷ 512.

𝑚 – брой на точите, участващи в изчисленията на 𝑒𝑥 и 𝑒𝑦,

включително и тези с нулеви отклонения:

𝑚 = 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256 и 512.

𝑝 – брой на повторените реализации на блуждаещото биене при

зададен интервал на блуждаещо биене и разположение на точките:

𝑝 = 1 ÷ 10.

11

Разгледани са общо 976 комбинации на посочените параметри.

Максималните стойности на отношенията 𝑒𝑥

2𝐴 [%] и

𝑒𝑦

2𝐴 [%] в общ

случай (при различен брой и разположение, в които се проявява

блуждаещото биене) в зависимост от 𝑚 са дадени в табл. 2.1.

Таблица 2.1

𝒎 4 8 16 32 64 128 256 512 𝑒𝑥

2𝐴 [%] 50 41 24 15 7.6 3.8 1.9 1.2

𝑒𝑦

2𝐴 [%] 53 35 20 24 12.4 6.2 3.1 1.5

Отношенията 𝑒𝑥1

2𝐴 [%] и

𝑒𝑥2

2𝐴 [%] в екстремните случаи съответно на

фиг. 2.13 и 2.14 са дадени в табл. 2.2.

Таблица 2.2

𝒎 4 8 16 32 64 128 256 512 𝑒𝑥1

2𝐴 [%] 50 25 12.5 6.3 3.1 1.6 0.8 0.4

𝑒𝑥2

2𝐴 [%] 100 50 25 12.5 6.3 3.1 1.6 0.8

При многократни случайни реализации на различни интервали на

блуждаещото биене, брой и разположение на точките, в които то се

проявява, отношенията 𝜎𝑒𝑥

2𝐴 и

𝜎𝑒𝑦

2𝐴 в зависимост от 𝑚 е дадено в табл. 2.3.

Таблица 2.3

𝒎 4 8 16 32 64 128 256 512 𝜎𝑒𝑥

2𝐴 [%] 17.3 11.6 7 3.7 1.9 1 06 0.3

𝜎𝑒𝑦

2𝐴 [%] 12.9 9.3 6.6 4.9 2.5 1.3 0.7 0.4

Анализът на този масив от данни показва следното:

1. Стойностите на 𝑒𝑥 и 𝑒𝑦 (проекциите на ексцентрицитета на

средната окръжност 𝑂′) нарастват пропорционално на интервала

на блуждаещото биене на задаваните отклонения и в зависимост

от броя и разположението на точките, в които се проявява

12

блуждаещото биене, отношенията 𝑒𝑥

2𝐴 [%] и

𝑒𝑦

2𝐴 [%] при 𝑚 = 128

не надхвърлят съответно 3.8% за 𝑒𝑥 и 6.2% за 𝑒𝑦.

2. Стойностите на 𝑒𝑥 и 𝑒𝑦 намаляват с увеличаването на броя 𝑚 на

точките, участващи в изчисленията им, включително и на точките

с нулеви отклонения (фиг. 2.17).

Фиг. 2.17. Зависимост на отношението 𝑒𝑥

2𝐴 [%] в зависимост от броя

на точките 𝑚, участващи в изчисленията (за случая от фиг. 2.15)

Изводи и констатации по глава 2

1. Определянето на отклонението на формата и разположението чрез

измерване на радиалното и челно биене спрямо точна ос на въртене (т.н.

кръгломерна схема) при голямогабаритни ротационни детайли е силно

ограничено или практически невъзможно поради високите изисквания

към точността на изходната база – оста на въртене, както и от масата и

габаритите на измерваните обекти.

2. Методът на измерване основан на привеждане на резултатите от

измерването на биенето към виртуална ос на въртене и изключване на

влиянието на блуждаещото биене е особено перспективен.

3. Заложената в патентните претенции на метода, методика предполага

едновременно измерване на биенето във всички разглеждани сечения и

последваща обработка на тази първична измервателна информация.

4. Разгледани са по три варианта на радиалното и челно биене спрямо

виртуална базова ос, включително и тези от патентните претенции на

метода, анализирани са техните предимства и недостатъци. Анализът

показва, че най-целесъобразен от икономическа и експлоатационна

13

гледна точка е третия вариант (при последователно, неедновременно

измерване на биенето в съответните сечения).

Основна предпоставка за прилагане на тези варианти е

постоянството на виртуалната базова ос при многократна реализация на

радиалното и челно биене.

5. Направеното изследване на база числен експеримент, показва, че

случайното блуждаещо биене при оптимален (достатъчен) брой

измерени точки от профила на детайла не оказва съществено влияние

върху постоянството на положението на центроидите на точките от

мигновените оси на въртене, респективно на виртуалната базова ос. Това

дава основание за разработване на схеми на измерване спрямо виртуална

базова ос при неедновременно измерване на биенето в съответните

сечения.

Глава 3. Система за измерване на геометрични параметри на

голямогабаритни валове

3.1. Структура на измервателната система

Измервателната система е разработена въз основа на анализа и

изследванията, отразени в гл. 2 и изискванията за:

Универсалност – изследване на максимален брой геометрични

параметри на голямогабаритни валове;

Точност – измерване с изпълнение на условието

неопределеността на измерването 𝑈 да е по-малка или равна на

целевата неопределеност 𝑈𝑇 т.е. 𝑈 ≤ 𝑈𝑇;

Мобилност – малка маса и габарити, транспортируемост,

възможност за установяване на металорежещи машини (ММ) и

на специализирани уредби (измервателни стендове);

Модулност – възможност за изграждане на различни варианти в

зависимост от условията и изисквания на потребителите;

Ниска (разумна) цена;

Простота на структурата – минимизиране на броя на

елементите;

Удобство при обслужване и експлоатация – бързо и удобно

монтиране (установяване) на измервателна позиция, нулиране и

отчитане на биенето;

14

Дружелюбни програмни продукти, позволяващи решаването на

широк кръг задачи;

Висока производителност на измервателния процес.

Системата е изградена на базата на универсални средства за

измерване, оригинално програмно осигуряване и специализирана

измервателна екипировка.

Системата позволява измерването на следните параметри:

• Отклонение от кръглост 𝐸𝐹𝐾;

• Отклонение от равнинност 𝐸𝐹𝐸;

• Отклонение от профила в надлъжно сечение 𝐸𝐹𝑃;

• Отклонение от праволинейност от образуваща 𝐸𝐹𝐿;

• Отклонение от праволинейност на ос 𝐸𝐹𝐿;

• Отклонение от цилиндричност 𝐸𝐹𝑍;

• Отклонение от съосност 𝐸𝑃𝐶;

• Отклонение от перпендикулярност (на челата) спрямо базова ос 𝐸𝑃𝑅;

• Радиално биене 𝐸𝐶𝑅;

• Челно биене 𝐸𝐶𝐴;

• Ъгъл на конусните шийки 𝛼;

• Диаметри на ротационните повърхности 𝐷ср𝑖.

Разработените схеми и методики позволяват използването на всеки

един от разгледаните в гл. 2 варианти с и без изключване на блуждаещото

биене при различни начини на установяване на детайла (между центри, на

призми и план-шайба и люнет).

3.2. Схеми и методики за измерване

От икономическа, технологична и експлоатационна гледна точка най-

целесъобразно е използването на вариантите А3 и В3 т.е. измерване при

последователно (неедновременно) измерване на биенето в съответните

сечения и повърхнини. Използването на тези опростени варианти на

измерването се базира на резултатите и изводите от изследването на

постоянството на виртуалната базова ос отразено в т. 2.3 на гл. 2.

Схемите и методиките за измерване зависят от начина на базиране на

вала на измервателна позиция и значимостта на блуждаещото биене.

Базирането на вала (на измервателна позиция) може да се осъществи

по три начина: на центри, на призми и на план-шайба и люнет, а измерването

с или без изключване на влиянието на блуждаещото биене.

15

На фиг. 3.15 е показана схема на измерване без изключване на

блуждаещото биене при установяване на вала на план-шайба и люнет.

Еталонната гривна е калибрирана по диаметри и EFK се установява на

магнити към челото на вала и се използва при определяне на диаметрите на

средните окръжности на напречните сечения на вала (фиг. 3.18).

Фиг. 3.15 Измерване без изключване на блуждаещото биене при

установяване на план-шайба и люнет

Фиг. 3.8. Калибрирана по 𝐸𝐹𝐾 и 𝐷 еталонна гривна, закрепена към едното

от челата на вала (НКМЗ)

16

При схемите с изключване на блуждаещото биене се използват две

еталонни гривни, разположени двустранно или едностранно на челата на

вала.

Фиг. 3.21 Измерване при базиране на призми (на стенд) с изключване на

блуждаещото биене

Фиг. 3.22 Измерване с изключване на блуждаещото биене при

установяване на план-шайба и люнет

Разработени са методики за измерване на диаметри на

голямогабаритни валове, както и методика за изключване на грешките,

17

свързани с неправолинейността и неуспоредността на движение на супорта

(шейната при установяване на призми на стенд) спрямо оста на въртене.


1. Измервателната система е реализирана въз основа на анализа и

изследванията отразени в гл. 2 (т.е. при неедновременно измерване на

биенето в съответните сечения и повърхнини) и изискванията за:

универсалност, мобилност, модулност, разумна цена, простота на

структурата, удобство при обслужване и експлоатация, висока

производителност на измервателния процес.

2. Схемите и методиките на измерване зависят от начините на базиране на

вала на измервателна позиция и от значимостта на блуждаещото биене.

3. Разгледани са три начина на базиране на вала на измервателна позиция:

на центри, на призма и на план-шайба и люнет. Изборът на едно от трите

решения се прави въз основа на конкретните условия и възможностите

и изискванията на потребителя.

Използването на ММ като стендова уредба (при базиране в центри

или на план-шайба и люнет) е особено целесъобразно както от

икономическа, както и от експлоатационна и точностна гледна точка.

4. Разработената методика за оценка на значимостта на блуждаещото

биене при конкретна схема на измерване и начин на базиране на вала на

измервателна позиция, позволява да се направи обективен и обоснован

избор на съответен програмен пакет за обработка на измервателната

информация (с или без изключване на блуждаещото биене).

5. Разработената измервателна система позволява определянето на

практически всички геометрични параметри (12 на брой) на

голямогабаритните валове при различни начини на базирането им на

измервателна позиция и обработката на измервателната информация (с

или без изключване на блуждаещото биене) по съответни методики.

6. Разработена е оригинална методика (обект на патентна заявка) за

определяне на диаметрите на средните окръжности на профилите в

отделните напречни сечения.

7. Разработената методика за изключване на грешките, свързани с

неправолинейността и неуспоредността на движението на супорта на

ММ (шейната при установяване на призми на стенд) спрямо оста на

въртене, позволява да се повиши точността на измерване.

18

8. Разработената измервателна система може да се използва успешно за

оценка (проверка) на параметри на геометричната точност на ММ.

Глава 4. Изследване на метрологичните и функционални

възможности на измервателната система

Разгледани са нормирането на геометричните параметри на

голямогабаритните валове и методите и средствата за тяхното измерване.

С изследването се преследват следните две основни цели:

1. Апробация на измервателната система в лабораторни условия;

2. Оценка на влиянието на основните смущаващи фактори върху

точността на измерването.

4.1. Апробация на измервателната система в лабораторни условия

4.1.1. Експериментална уредба

Уредбата съдържа два стенда, комплект еталонни гривни и

стъпалообразен експериментален вал.

Стенд №1

Принципната схема на стенда е показана на фиг. 4.1.

Фиг. 4.1 Принципна схема на стенд №1

19

Стенд №2

Принципната схема на стенда е показана на фиг. 4.2.

Фиг. 4.2 Принципна схема на стенд №2

Експерименталния стъпалообразен вал и еталонните гривни са

калибрирани по отклонение на формата, разположението и по диаметър.

4.2.1. Експериментални изследвания

Задачи за изследване

1. Сравнителна оценка на възможностите за измерване по вариантите

определени в т. 2.2.2 на гл. 2.

2. Изследване и потвърждаване на възможностите на метода на

измерване при двустранно и едностранно установяване на еталонните

гривни.

3. Изследване и анализ на схемата и методиката на измерване на

диаметри на средните окръжности (при едностранно и двустранно

разположение на еталонните гривни).

4.2.1.1. Сравнителна оценка на възможностите за измерване (различни

варианти на измерване)

На изследване подлежат описаните в гл. 2 три варианта на измерване,

а именно:

20

I Вариант – при едновременно измерване на биенето във всички

напречни сечения и челни повърхнини на вала, включително и на

еталонните гривни (фиг. 2.7).

II Вариант – при неедновременно (последователно) измерване на

радиалното биене в отделните напречни сечения на вала, но едновременно

в маркираните сечения на еталонните гривни т.е. с помощта на три линейни

датчика (фиг. 2.8). Едновременното измерване на челното биене на еталонна

гривна 2 и на съответната челна повърхнина на вала. В измерването участват

два линейни датчика.

III Вариант – неедновременно (последователно) измерване на

радиалното биене в дадените напречни сечения на вала и в маркираните

напречни сечения на еталонните гривни (фиг. 2.9) т.е. с един линеен датчик.

Последователно неедновременно измерване на челното биене на

еталонната гривна 2 и съответните челни повърхнини на вала. В

измерването участва един линеен датчик.

Експериментална уредба

Експерименталната уредба съдържа: стенд №1, еталонният вал и

стъклената плоскопаралелна пластина, закрепена на свободното му чело.

В следните таблици са представени част от резултатите от

експерименталните изследвания.

В табл. 4.23 се представя отклонението от кръглост на

експерименталния вал без изключване на блуждаещото биене и с

равнението му със стойностите при калибрирането. Табл. 4.24 и 4.25 са

аналогични, но при изключване на блуждаещото биене.

Таблица 4.23

Отклонение от кръглост на експерименталния вал без изключване

на блуждаещото радиално биене (Вариант III)

Сечение

i 𝑬𝑭𝑲 𝑬𝑭𝑲′′ 𝒆𝒙

′′ 𝒆𝒚′′

𝑬𝑭𝑲′′ − 𝑬𝑭𝑲

𝑬𝑭𝑲𝟏𝟎𝟎%

2 0.0804 0.1302 -0.0001 -0.0002 62

3 0.0521 0.0855 0.0121 0.0014 64

5 0.0486 0.0739 0.0036 0.0050 52

6 0.1350 0.1564 -0.0299 -0.0165 16

Забележки:

1. 𝐸𝐹𝐾 – отклонение от кръглост при калибриране;

2. 𝐸𝐹𝐾′′ – отклонение от кръглост при измерване с изключване на блуждаещото биене;

3. 𝑒𝑥′′ и 𝑒𝑦

′′- при измерване с изключване на блуждаещото биене.

21

Таблица 4.24

Отклонение от кръглост на експерименталния вал след изключване

на блуждаещото радиално биене при двустранно разположение на

еталонните гривни (Вариант III)

Сечение


′′ 𝒆𝒚′′



2 0.0804 0.0803 -0.0001 -0.0002 0

3 0.0521 0.0539 0.0121 0.0014 3

5 0.0486 0.0479 0.0036 0.0050 1

6 0.1350 0.1321 -0.0299 -0.0165 2

Забележки:





Таблица 4.25

Отклонение от кръглост на експерименталния вал след изключване

на блуждаещото радиално биене при едностранно разположение на

еталонните гривни (Вариант III)

Сечение


′′ 𝒆𝒚′′



2 0.0804 0.0792 -0.0001 -0.0002 1

3 0.0521 0.0509 0.0121 0.0014 2

5 0.0486 0.0471 0.0036 0.0050 3

6 0.1350 0,1317 -0.0299 -0.0165 2

Забележки:





От таблиците се вижда, че след изключване на блуждаещото биене

относителната грешка на измерване е в границите на няколко процента,

докато без изключване тя е десетократно по-голяма.

Анализирани са и са оценени източниците на неопределеност при

измерване на всеки един от геометричните параметри на голямогабаритните

валове.


1. Изследванията преследват следните две основни цели:

- Апробация на измервателната система в лабораторни условия;

- Оценка на влиянието на основните смущаващи фактори върху

точността на измерването.

22

2. Разработените два експериментални стенда позволяват:

- Реализирането в лабораторни условия на измерване и по трите

варианта описани в гл. 2 и изследване на влиянието на нестабилността

на виртуалната базова ос;

- Оценка на значимостта на блуждаещото биене и възможностите за

изключване и ограничаване на неговото влияние;

- Изследване и потвърждаване на възможностите на метода на

измерване при едностранно и двустранно установяване на еталонните

гриви към челата на вала;

- Изследване и анализ на схемата и методиката на измерване на

диаметрите на средните окръжности на измерваните профили.

3. Сравняване на стойностите на геометричните параметри на

експерименталния вал получени при калибрирането им на кръгломер с

тези при измерването с разработената система, доказва ефективността на

разработените методики и схемни решения.

Изключването на влиянието на блуждаещото биене позволява да се

намали многократно грешката на измерване на отклоненията на

формата.

4. За оценка на точността на формата на геометричните елементи е

необходима предварителна информация за тяхната топография. Тази

информация се получава в процеса на измерване, в резултат на което се

определя положението на реалните повърхнини и профили т.е.

реализира се извлечения елемент (повърхнина или профил).

Оценяването на отклонението на формата на геометричен елемент

се свежда до определяне на разликата между разстоянията на две

екстремални точки от извлечения елемент до асоциирания елемент или

до еквидистантен на него елемент по нормалата към него.

5. Неопределеността на оценката на отклонението на формата се формира

от три групи фактори (съставки), свързани с реализацията на извлечения

елемент, построяването на асоциирания елемент и обекта на измерване.

Към първата група се отнасят съставките на неопределеността,

свързани с измервателния уред, условията на измерване и изходната

база.

Към втората група се отнасят съставките на неопределеността,

свързани с обработката на резултатите от измерването, в зависимост от

вида на асоциирания елемент и броя и разположението на точките, по

които той се определя.

23

Към третата група се отнасят съставките, свързани с броя и

разположението на измерваните точки на реалния елемент и характера

на неговата форма.

6. Оценяването на неопределеността на измерването на отклоненията на

формата изисква конкретен анализ за всеки разглеждан случай, при

който съставките и относителния дял на неопределеностите в

посочените три групи могат да варират, без да се изменя разгледания

подход за нейното определяне.

7. Направеният анализ на влиянието на основните смущаващи фактори и

разработените бюджети на неопределеност при измерване на отделните

геометрични параметри, позволява да се откроят доминиращите

съставки на неопределеността и оценките на неопределеността като

цяло.

Глава 5. Апробация на системата за измерване на

геометрични параметри на голямогабаритни валове в

производствени условия

Разработената измервателна система е реализирана като завършено

изделие и се предлага на заинтересовани организации под наименованието

„Универсален автоматизиран измервателен комплекс за цехов контрол на

геометрични параметри на голямогабаритни ротационни детайли МАРИЦА

3“ (Приложение 5.1).

Измервателния комплекс „МАРИЦА“ позволява:

Определяне на фактическите геометрични параметри на готовия

детайл и оценка на съответствието с предписаните на чертежа

изисквания;

Определяне на геометричните параметри на голямогабаритни

кухи валове и изместването на свредлото при обработка.

Конструкцията на измервателния комплекс предвижда бърз и удобен

монтаж на измервателна позиция, настройка и демонтаж:

На струг при операционен контрол на геометричните параметри

на детайлите;

На шлифовъчна машина при финишен контрол на геометрични

параметри на детайл;

24

На стругова и шлифовъчна машина при окончателен контрол на

геометричните параметри на детайлите при искане от страна на

клиента;

На пробивна (свредловаща) машина при обработка на кухи

валове;

На каруселен струг при операционен и финишен контрол на

геометричните параметри на обработвания детайл.

Комплексът позволява също така контрол на геометричната точност

на ММ чрез определяне на блуждаещото биене и неправолинейността на

движение на супорта на машината и неуспоредността на това движение на

оста на въртене.

Програмното осигуряване на комплекса „МАРИЦА 3“ осигурява

приемането на първичната измервателна информация, обработката на

данните и представяне на резултатите от измерването. То съдържа

дружелюбни програмни пакети, позволяващи изпълнението на

измервателните задачи на всеки етап от производството.

Резултатите от измерването се документират във вид на съответен

протокол, предоставящ информацията в текстови и графичен вид.

Апробацията на комплекс „МАРИЦА 3“ е осъществена в

Новокраматорския машиностроителен завод – гр. Краматорск, Украйна

(НКМЗ). Обект на измерване и контрол са отклоненията на формата и

разположението на прокатен вал 625с-511 след окончателната му обработка.

Валът се базира на план-шайба и люнет на струг №18428 модел

1КЖ1627593. Резултатите са отразени в протокол (Приложение 5.2).

Времето за измерване и обработка на информацията не надхвърля 50

минути.

Високите метрологични и експлоатационни възможности на

комплекса – простотата и удобство при високо качество на измерванията на

геометричните параметри е потвърдено от ръководството на НКМЗ

(Приложение 5.3).

За демонстриране на метода на измерване на отклонението от

кръглост спрямо виртуална изходна ос със и без изключване на

блуждаещото биене е разработен демонстрационен стенд (фиг. 5.1). Той е

използван при презентация на комплекс „МАРИЦА 3“ в УРАЛМАШ – гр.

Екатеринбург, Русия, ОРМЕТО – гр. Орск, Русия, Машиностроителния

завод за прокатни валове в Магнитогорския металургичен комбинат – гр.

25

Магнитогорск, където към комплекса е проявен интерес за придобиване и

внедряване в производството им.

Фиг. 5.1 Демонстрационен стенд

В приложение 5.4 са предоставени анализи за технико-

икономическите показатели на комплекса, които потвърждават

функционалните и метрологичните му възможности.

Стендът намира приложение в учебния процес на студентите от

магистърския курс.


1. Разработената система е реализирана като завършено изделие и се

предлага на заинтересувани организации под наименованието

„Универсален автоматизиран измервателен комплекс за цехов контрол

на геометрични параметри на голямогабаритни ротационни детайли

МАРИЦА 3“.

2. Експерименталната експлоатация на комплекса потвърждава високите

му метрологични и експлоатационни възможности, простотата и

удобството при високо качество на измерването на геометрични

параметри на голямогабаритни валове.

3. Сравнението на техническите показатели на комплекса „МАРИЦА 3“ с

аналозите показва неговата конкурентоспособност.

4. Към комплекса „МАРИЦА 3“ е проявен реален интерес от

заинтересовани организации за неговото придобиване и внедряване в

производството.

26

Заключение

Направените анализи и проведените теоретични и експериментални

изследвания на разработените схемни и конструктивни решения на

измервателната система позволяват да се направят следните констатации и

изводи, отразяващи основните приносни моменти в дисертационния труд:

1. Голямогабаритните валове използвани в тежкото и транспортното

машиностроене, хартиената промишленост и енергетиката (турбинни,

прокатни, колянови и др. валове) са отговорни изделия с високи изисквания

към геометричните им параметри (отклонения на формата и

разположението).

Измерването и контрола на геометричните параметри е сериозен

метрологичен проблем, свързан както със спецификата на измерваните

обекти (големи маса и габарити), така и с високите изисквания към тези

параметри.

Поради тази специфика използването на класическите схеми за точни

измервания е силно затруднено или практически невъзможно или не

осигурява необходимата точност.

2. Проблемът за измерването и контрола на геометричните параметри

на отговорни голямогабаритни валове е особено актуален и може да бъде

решен успешно чрез измерването на радиалното и челно биене на

ротационните повърхнини на вала и привеждането на тези резултати към

виртуална базова ос.

По този начин отпада необходимостта от реализиране на точна ос на

въртене т.е. блуждаещото биене се измерва чрез въвеждане на поправки.

3. Разгледани са три варианта на измерване на радиалното и челно

биене. Анализирани са техните предимства и недостатъци, което позволява

в зависимост от конкретните условия и възможности да се избере оптимален

от икономическа и експлоатационна гледна точка вариант.

4. Направеното на базата на числен експеримент изследване на

постоянството на виртуална базова ос под действие на блуждаещото биене,

показва нейната висока стабилност, което позволява да се използват

опростени схеми на измерване.

5. Измервателната система е реализирана въз основа на анализа и

изследванията за стабилност на виртуалната базова ос и изискванията за

универсалност, мобилност, модулност, разумна цена, простота на

структурата, удобство при обслужване и експлоатация, висока

производителност на измервателния процес.

27

Системата позволява определянето на практически всички

геометрични параметри (12 на брой) на голямогабаритните валове при

различни начини на базирането им на измервателна позиция и обработката

на измервателна информация (с или без изключване на блуждаещото биене)

по съответни методики.

Системата позволява реализирането на измерването както на стендова

уредба, така и непосредствено на металорежеща машина, което е особено

ефективно от икономическа и експлоатационна гледна точка.

6. Разработена е оригинална методика (обект на патентна заявка) за

определяне на диаметрите на средните окръжности на профилите в

отделните напречни сечения.

7. Разработената измервателна система може да се използва успешно

за оценка (проверка) на параметри на геометричната точност на

металорежещи машини.

8. С разработените две експериментални уредби и съответни методики

е осъществена апробация на измервателната система в лабораторни

условия. Апробирани са всички възможни варианти на нейното използване

и схемни решения.

9. Оценено е влиянието на основните източници на неопределеност на

измерване във всеки от измерваните геометрични параметри на вала. Това

позволява да се открият доминиращите смущаващи фактори с оглед

целенасочено въздействие за тяхното ограничаване.

10. Разработената измервателна система е реализирана като

завършено изделие и се предлага на заинтересовани организации под

наименованието „Универсален автоматизиран измервателен комплекс за

цехов контрол на геометрични параметри на голямогабаритни ротационни

детайли МАРИЦА 3“.

Измервателния комплекс позволява както определяне на

фактическите геометрични параметри на готовия детайл и оценка на

съответствието с предписаните на чертежа изисквания, така и контрол на

геометричната точност на металорежещите машини чрез определяне на

блуждаещото биене и неправолинейността на движение на супорта на

машината и неуспоредността на това движение спрямо оста на въртене.

11. Апробацията на комплекс „МАРИЦА 3“ е осъществена в

Новокраматорския машиностроителен завод (НКМЗ) – гр. Краматорск,

Украйна. Високите метрологични и експлоатационни възможности на

комплекса – простотата и удобство при високо качество на измерванията на

28

геометричните параметри установени по време на експерименталната му

експлоатация са потвърдени от ръководството на НКМЗ, от страна на което

е проявен интерес за придобиването му и внедряването му в

производството.

Публикации по дисертацията

1. Богев В., Василев В. „Разработване на софтуер за кръгломерни

измервания“, Сборник с доклади на Национален научен симпозиум с

международно участие „Метрология и метрологично осигуряване 2010”.

2. Радев Х.К., Богев В.Й., Василев В.А., „Неопределенность оценок

отклонений формы геометрических элементов“, Системи Обробки

Iнформацiї, випуск 1(91), 2011, Харков, Украйна, ISSN 1681-7710

3. Радев Хр., Богев В., Василев В., Благов И. „Новая технология измерения

геометрических параметров крупногабаритных ротационных деталей“,

Метрологията та приклади, бр. 2, ISSN 2307-2180, Украйна, 2013.

4. Василев В., Радев Хр., Богев В., Благов И., „Изследване на

непостоянството на виртуалната базова ос при измерване на

отклоненията на формата и разположението на ротационни детайли“.

Сборник с доклади на Национален научен симпозиум с международно

участие „Метрология и метрологично осигуряване 2012”.

5. Василев В., „Измерение отклонения от параллельности и

прямолинейности траектории перемещения суппорта относительно оси

вращения крупногабаритнх металлорежущих станков“, Метрологията та

приклади, бр. 2, ISSN 2307-2180, Украйна, 2013.

6. Василев. В., Дюкенджиев Г., „Относно измерването на отклоненията на

формата и разположението на повърхнините и осите на голямогабаритни

валове“. Сборник с доклади на Национален научен симпозиум с

международно участие „Метрология и метрологично осигуряване 2014”.

7. Радев Хр., В. Богев, В. Василев, Н. Панчев, М. Джамбазов, И. Надуев, А.

Волошин, В. Самойлов, Е. Игантова, „Метод за измерване на диаметри

на голямогабаритни валове“ – Заявка за патент №111501/14.06.2013 г.

29

Справка за приносите

Научно-приложни приноси:

1. Разработени са методики и измервателна система за определяне на 12

геометрични параметъра на голямогабаритни валове чрез измерване на

радиалното и челно биене спрямо виртуална базова ос.

2. Изследвано е постоянството на виртуалната базова ос под влияние на

блуждаещото биене, което дава възможност за реализация на различни

схемни решения.

3. Направен е анализ на влиянието на основните смущаващи фактори

върху неопределеността на измерване на геометричните параметри на

голямогабаритни валове.

4. Разработен е метод за определяне на диаметрите на средните

окръжности на профилите на напречните сечения на голямогабаритни

валове.

Приложни приноси:

1. Разработената като завършено изделие измервателната система е

успешно апробирана при експерименталната ѝ експлоатация в

Новокраматорския машиностроителен завод (НКМЗ) – гр. Краматроск,

Украйна.

2. Анализирани са метрологичните и експлоатационни възможности на

различни варианти на реализация на измерване спрямо виртуална базова

ос.

3. Разработена е методика за определяне на отклоненията от

праволинейност и перпендикулярност на движението на супорта на

металорежещи машини спрямо оста на въртене и изключване на

свързаните с тези отклонения грешки.

30

DEVELOPMENT AND TESTING OF A SYSTEM FOR

MEASURING OF THE GEOMETRICAL

PARAMETERS OF LARGE SHAFTS

The main subject of the thesis is the development and testing of a system

for measuring of the geometrical parameters of large shafts.

Abstract:

The deviations of the form and position are determined based on the

measurement of run-out and subsequent retrofitting to a virtual reference axis.

Various schemes of measurement are examined and analyzed, depending

on the mode-based workpiece and the significance of the run-out. The

performance and the capability of the system were tested in a laboratory that

provides controlled conditions. The sources of uncertainty were calculated.

The system has been tested in real conditions in experimental operation at

“Novokramatorsky Mashinostroitelny Zavod” – Kramatorsk, Ukraine.

АВТОРЕФЕРАТ -...

Documents