Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Метрология и метрологическое обеспечение

Диссертационная работа:

Гоголев Дмитрий Владимирович. Разработка и исследование методов и средств обеспечения единства измерений геометрических параметров отклонений формы сложнопрофильных поверхностей : диссертация ... кандидата технических наук : 05.11.15 / Гоголев Дмитрий Владимирович; [Место защиты: Всерос. науч.-исслед. ин-т метрологической службы]. - Москва, 2009. - 262 с. : ил. + Прил.(с. 262-329 :ил.). РГБ ОД, 61:09-5/1533

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОТКЛОНЕНИЙ ФОРМЫ СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ 19

1Л Общие положения. Предмет и методы исследования 19

1.2 Сложнопрофильные поверхности. Виды. Способы задания 21

1.3 Геометрические параметры. Особенности нормирования и измерений... 24

1.4 Состояние обеспечения единства измерений геометрических параметров сложнопрофильных поверхностей

1.4.1 Состояние научных основ 28

1.4.2 Состояние нормативно-технических документов 30

1.4.3 Анализ эталонной базы 32

1.5 Геометрические параметры отклонений формы поверхностей. Анализ понятия. Особенности нормирования и измерений 33

1.6 Существующие методы и средства измерений геометрических параметров

отклонений формы сложнопрофильных поверхностей 38

1.7 Координатные средства измерений - потенциальные исходные по

точности средства измерений геометрических параметров отклонений формы

сложнопрофильных поверхностей 43

1.8 Выводы. Постановка задач исследования 49

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИЧЕСКИХ ОСНОВ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ

КООРДИНАТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

ОТКЛОНЕНИЙ ФОРМЫ СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ 52

2.1 Общие положения 52

2.2 Математическая модель измерений координат

2.3 Обобщенная математическая модель измерений геометрических параметров сложнопрофильных поверхностей 55

2.4 Математическая модель измерений геометрических параметров отклонений формы сложнопрофильных поверхностей

2.4.1 Общие положения 58

2.4.2 Модель номинальной поверхности 64

2.4.3 Математическая модель координатной поверхности 66

2.4.4 Математическая модель реальной поверхности 69

2.4.5 Математическая модель измеренной поверхности

2.4.7 Математическая модель нормали от координатной поверхности 73

2.4.8 Математические модели координат точек, лежащих на координатной поверхности и реальной поверхности 74

2.4.9 Математическая модель измерений геометрических параметров отклонений формы сложно профильных поверхностей 79

2.5 Методические основы измерений геометрических параметров отклонений формы конкретных поверхностей 81

2.5.1 Математическая модель измерений геометрических параметров отклонений формы реальной поверхности от плоскостности 81

2.5.2 Математическая модель измерений геометрических параметров отклонений формы от округлости поверхностей тел вращения 85

2.5.3 Математическая модель измерений геометрических параметров отклонений формы профиля эвольвентой поверхности 88

2.5.4 Математическая модель измерений геометрических параметров отклонений формы турбинных лопаток 92

2.6 Выводы 97

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ИСХОДНОГО ПО ТОЧНОСТИ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОТКЛОНЕНИЙ ФОРМЫ СЛОЖНОШОФИЛЬНЬІХ ПОВЕРХНОСТЕЙ 100

3.1 Общие положения 100

3.2 Анализ существующих исходных по точности средств измерений геометрических параметров конкретных поверхностей 103

3.2.1 Исходные по точности средства измерений отклонений формы от плоскостности 103

3.2.1.1 Государственный специальный эталон ГЭТ 130-80 103

3.2.1.2 Исходные по точности интерференционные методы и средства измерений отклонения от плоскостности и сферичности прецизионных поверхностей 106

3.2.2 Исходное по точности средство измерений геометрических параметров отклонений от округлости поверхностей тел вращения 110

3.2.3 Исходное по точности средство измерений геометрических параметров эвольвентных поверхностей 113

3.2.4 Выводы. Общие элементы, связывающие средства и методы воспроизведения единицы длины в области измерений геометрических параметров конкретных поверхностей 115

3.3 Разработка обобщенной математической модели выбора исходного по точности средства измерений геометрических параметров отклонений формы сложно профильных поверхностей 117

3.3.1 Общие положения 117

3.3.2 Материализация пространственной системы координат в исходном по точности средстве измерений геометрических параметров отклонений формы сложно профильных поверхностей 119

3.3.3 Воспроизведение единицы длины вдоль каждой из координатных осей в ространственной системе координат 125

3.3.4 Реализация алгоритма, в соответствии с которым вычисляется геометрические параметры отклонений формы сложно профильных поверхностей 127

3.4 Координатно-измерительная машина ZMC-550 - исходное по точности средство измерений геометрических параметров отклонений формы сложно профильных поверхностей 130

3.4.1 Общие положения 130

3.4.2 Устройство и принцип действия КИМ ZMC-550 132

3.4.3 Анализ бюджета неопределенности 133

3.4.4 Математическая модель КИМ ZMC-550 135

3.4.5 Реализация макета исходного по точности средства измерений геометрических параметров отклонений формы сложно профильных поверхностей на базе КИМ ZMC-550 140

3.5 Выводы 142

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ И МЕТОДОВ ПЕРЕДАЧИ РАЗМЕРА ЕДИЬІИЦЬІ ДЛИНЫ В ОБЛАСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОТКЛОНЕНИЙ ФОРМЫ СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ 144

4.1 Общие положения 144

4.2 Анализ существующих средств и методов передачи размера единицы длины в области измерений геометрических параметров отклонений формы конкретных поверхностей 146

4.2.1 Средства и методы передачи размера единицы длины в области измерений отклонений от плоскостности 146

4.2.3 Средства и методы передачи размера единицы длины в области измерений геометрических параметров эвольвентных поверхностей 153

4.2.4 Выводы. Общие элементы, связывающие средства и методы передачи размера единицы длины в области измерений геометрических параметров отклонений формы конкретных поверхностей 155

4.3 Разработка обобщенной модели передачи размера единицы длины в области измерений геометрических параметров отклонений формы сложно профильных поверхностей 157

4.4 Разработка методов передачи размера единицы длины в области измерений геометрических параметров отклонений формы сложно профильных поверхностей 159

4.4.1Прямой метод передачи размера единицы длины в области измерений геометрических параметров отклонений формы сложно профильных поверхностей 159

4.4.2 Косвенный метод передачи размера единицы длины в области измерений геометрических параметров отклонений формы сложно профильных поверхностей 162

4.4.2.1 Общие положения 162

4.4.2.2 Оценка точности алгоритмов, реализованных в средствах измерений геометрических параметров отклонений формы сложно профильных поверхностей 164

4.4.2.3 Передача размера единицы длины в области измерений координат прямым методом 169

4.4.2.4 Передача размера единицы длины в области измерений координат косвенным методом 174

4.5 Выводы 177

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ПОВЕРОЧНЫХ СХЕМ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ РАЗМЕРА ЕДИНИЦЫ ДЛИНЫ В ОБЛАСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОТКЛОНЕНИЙ ФОРМЫ СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ 181

5.1 Общие положения 181

5.2 Анализ существующих систем воспроизведения, хранения единицы длины и передачи ее размера средствам измерений геометрических параметров конкретных поверхностей 183

5.2.1 Система воспроизведения, хранения единицы длины и передачи ее размера средствам измерений отклонений от плоскостности 183

5.2.1.1 Система воспроизведения, хранения единицы длины и передачи ее размера средствам измерений отклонений от плоскостности в соответствии с ГОСТ 8.420 183

5.2.1.2 Система воспроизведения, хранения единицы длины и передачи ее размера средствам измерений отклонения от плоскостности и сферичности прецизионных поверхностей 187

5.2.2 Система воспроизведения, хранения единицы длины и передачи ее размера средствам измерений отклонений от округлости поверхностей тел вращения 189

5.2.3 Система воспроизведения, хранения единицы длины и передачи ее размера средствам измерений геометрических параметров эвольвентных поверхностей 192

5.2.4 Выводы. Общие элементы, связывающие системы воспроизведения, хранения единицы длины и передачи ее размера средствам измерений определенных геометрических параметров конкретных поверхностей 195

5.3 Разработка обобщенной поверочной схемы для средств измерений геометрических параметров отклонений формы сложно профильных поверхностей 196

5.4 Выводы 201

ГЛАВА 6. РАЗРАБОТКА НОРМАТИВНОЙ БАЗЫ В ОБЛАСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОТКЛОНЕНИЙ ФОРМЫ СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ 203

6.1 Общие положения 203

6.2 Разработка документа МИ 3184-2009 «ГСИ. Меры геометрических параметров отклонений формы сложно профильных поверхностей. Методика поверки» 204

6.3 Разработка документа МИ 3185-2009 «ГСИ. Средства измерений геометрических параметров отклонений формы сложно профильных поверхностей. Методика поверки» 207

6.4 Выводы 212

ГЛАВА 7. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И АПРОБАЦИЯ ОСНОВНЫХ НАУЧНЫХ И ТЕХНИЧЕСКИХ ПОЛОЖЕНИЙ, РАЗРАБОТАННЫХ В ДИССЕРТАЦИИ 213

7.1 Общие положения 213

7.2 Проверка адекватности разработанных алгоритмических и математических моделей в области измерений геометрических параметров отклонений формы сложно профильных поверхностей 214

7.3 Реализация макета исходного по точности средства измерений геометрических параметров отклонений формы турбинных лопаток на базе KMMZMC-550 218

7.4 Экспериментальные исследования метрологических характеристик макета исходного по точности средства измерений на базе КИМ ZMC550 221

7.5 Оценка неопределенности КИМ в режиме измерений координат и геометрических параметров отклонений формы сложно профильных поверхностей 222

7.5 Разработка поверочной схемы для средств измерений геометрических параметров отклонений формы турбинных лопаток 230

7.6 Экспериментальные исследования мер геометрических параметров отклонений формы турбинных лопаток 233

7.8 Выводы 235

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 236

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 245

ПРИЛОЖЕНИЯ 2  

Введение к работе:

Актуальность

В настоящее время во всём мире наблюдается существенный рост наукоемких прецизионных производств машино- и приборостроения, аэрокосмической, автомобильной, судостроительной, топливно-энергетической, оборонном и других отраслей промышленности, основанных на высоких технологиях, обеспечивающих принципиально новый уровень эксплуатационных показателей изделий. В таких отраслях выпускается огромное количество деталей, содержащих сложнопрофильные поверхности (СПП): турбинные лопатки, цилиндрические и конические резьбы, кулачки, копиры, гребные винты, штампы, ге-ликоидные и гипоидные поверхности и т.д. СПП могут быть произвольно ориентированы в пространстве и иметь произвольно ориентированные геометрические элементы с заданной номинальной формой, которая может описываться аналитически или алгоритмически. Геометрия таких деталей обусловлена их функциональным назначением.

До тех пор, пока требования к точности изготовления деталей, содержащих СПП, были невысоки, они обеспечивались технологически, или применялся комплекс средств измерений (СИ) и специальных приспособлений: проекторов, контуроскопов, инструментальных микроскопов, нутромеров, штангенциркулей, измерительных головок и т.д.

В прецизионном машино- и приборостроении основной измеряемой физической величиной является длина, до 80 - 90 % всех измерений составляют линейно-угловые. Измерения длины, как правило, являются пространственными измерениями геометрических параметров (ГП) СПП. В настоящее время точность измерений ГП деталей, содержащих СПП, тонких пленок и покрытий, элементов трехмерных объектов нанотехнологий в прецизионном машино- и приборостроении достигла долей микрометра и может быть обеспечена только стопроцентным контролем.

Под термином «геометрические параметры» подразумеваются любые линейные и угловые величины, соотношения между ними, характеризующие

4 форму объекта и взаимное расположение его элементов. ГП используются для математического описания взаимосвязи геометрии поверхности детали и ее эксплуатационных свойств. Теоретически определенные ГП являются сложными аналоговыми функциями от координат точек, непрерывно расположенных на реальной поверхности, функционалами или результатами расчетов по алгоритмам, реализующих их математическое определение. ГП можно представить в виде:

rn = f{qK ,(7,,,,,-,9,.,,-,(7.,,,,,-,9,,,,,--9,,,,,) (1)

где 9,,,-.-,9,,,, - координаты /-он точки (/ = 1.../7, л->) в заданной СК с (ш + 1) -степенями свободы, лежащей на реальной поверхности детали. Для ортогональной декартовой СК 9,.1,-,9,,,,, соответствуют Х,,)',,!,-

Пространственные измерения ГП СПП имеют принципиальные отличия от одномерных линейных измерений длины. При измерении ГП СПП необходимо задать и сохранять в процессе измерений систему координат, в которой проводятся измерения, определить в этой системе координаты точек реальной поверхности и рассчитать ГП СПП по алгоритму (1).

Практическая реализация всех элементов системы пространственных измерений ГП СПП также вносит свои особенности. Основная проблема в этой области метрологии заключается в трудности передачи размера единицы длины с требуемой точностью от первичного эталона к рабочим средствам пространственных измерении ГП СПП. Прямая передача размера единицы длины при таких измерениях от первичного эталона единицы длины традиционными одномерными методами и средствами невозможна без существенной потери точности. Необходимы специальные методы и средства, позволяющие с требуемой точностью передавать единицу длины с одновременной реализацией системы координат и алгоритмов, в соответствии с которыми вычисляются ГП СПП.

Единство исходных по точности измерений ГП СПП должно обеспечиваться специальными эталонами для передачи в промышленность единицы длины при измерении конкретных ГП СПП. Следовательно, система обеспече-

5 ния единства измерений ГП СПП в целом должна строиться с учётом указанных выше принципиальных отличий процедуры пространственных измерений ГП СПП от одномерных измерений длины.

Для СПП наиболее характерными ГП являются ГП отклонений формы реальной поверхности от формы номинальной поверхности. Точность измерений ГП отклонений формы СПП и привязка к эталонам в настоящее время метрологически обеспечена только для некоторых видов поверхностей: тела вращения, номинально плоские поверхности и эвольвентные поверхности. Известен ряд публикаций, в которых авторы (Кононогов С.А., Лысенко В.Г. и др.) считают целесообразным реализовать единый подход к обеспечению единства измерений ГП отклонений формы поверхностей.

В общем случае задача обеспечения единства измерений ГП отклонений формы СПП и научно-обоснованная методология метрологического обслуживания деталей, содержащих СПП, в настоящее время решена не полностью. Не развита система воспроизведения, хранения единицы длины и передачи ее размера в специальных условиях, которая включает в себя исходные по точности СИ, средства и методы передачи размера единицы длины в области измерений ГП СПП. Действующая нормативно-методическая база не соответствует современному уровню развития средств и методов измерений ГП отклонений формы СПП.

В этой области метрологии известны работы, посвященные вопросам обеспечения единства измерений ГП СПП, таких отечественных и зарубежных ученых как Лукьянов B.C., Лысенко В.Г., Асташенков А.И., Кононогов С.А., Марков Н.Н., Каспарайтис А.10., Леонов В.В., Архангельский Л.А., Дич Л.З., Okafor А.С, Chen G., Lotze W., Rahman M, Heikkala J., Lappalainen K., Trapet E., Wang S-M., Wang C, Zhang G., Waldele F., Whitehouse D. и др.

Все вышеизложенное о состоянии и потребностях в обеспечении единства измерений ГП отклонений формы СПП показывает важность проблемы и представляет собой актуальную научно-практическую задачу.

Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы является создание научных, технических и нормативно-методических основ обеспечения единства измерений ГП отклонений формы СПП.

В соответствии с целью основными задачами являются:

  1. Анализ и исследование основных проблем измерений ГП отклонений формы СПП, которые необходимо решить для обеспечения их единства.

  2. Разработка методических основ пространственных координатных измерений ГП отклонений формы СПП, включая математическое обоснование и разработку необходимых математических моделей измерений, обеспечивающих их требуемую точность.

  3. Разработка макета теоретически и экспериментально обоснованного исходного по точности СИ ГП отклонений формы СПП.

  4. Разработка средств и методов передачи размера единицы длины в области измерений ГП отклонений формы СПП.

  5. Разработка системы поверочных схем для СИ ГП отклонений формы СПП.

  6. Разработка методик поверки СИ ГП отклонений формы СПП.

  7. Экспериментальные исследования и апробация основных научных и технических положений, разработанных в диссертации, и проверка их адекватности.

Методы и средство исследований

Работа выполнена на основе теоретических и экспериментальных исследований. Разработка методических основ пространственных координатных измерений ГП отклонений формы СПП, анализ бюджета неопределенности измерений осуществлялось методами математического моделирования с использованием аппаратов аналитической и дифференциальной геометрии, дифференциального исчисления, теории вероятностей и математической статистики. В работе использовались методы имитационного моделирования, системного ана-

7 лиза существующих методов и средств обеспечения единства измерений а области измерений ГП отклонений формы конкретных поверхностей (тела вращения, номинально плоские поверхности, эвольвенты). Экспериментальные исследования проводились на существующих СИ.

Научная понизил

В качестве научных результатов, впервые полученных, могут быть выделены следующие:

Разработано математическое обоснование процедуры пространственных измерений ГП отклонений формы СПП, обеспечивающих необходимую точность, и позволяющее разработать программно-алгоритмические модели измерений ГП отклонений формы СПП;

Получены аналитические выражения, связывающие неопределенность измерений координат точек реальной поверхности с неопределенностью измерений ГП отклонения формы СПП;

В результате проведенного анализа существующих систем обеспечения единства измерений ГП отклонения формы конкретных поверхностей выявлены общие элементы, связывающие их, заключающиеся в материализации криволинейной системы координат, воспроизведении единицы длины и передачи ее размера вдоль координатных осей, и наличии алгоритмов, в соответствии с которыми вычисляются ГП отклонения формы СПП;

Разработан обобщенный критерий выбора исходного по точности СИ ГП отклонения формы СПП;

Научно обоснованы и разработаны средства и методы передачи размера единицы длины в области измерений ГП отклонения формы СПП;

На основе единого научно обоснованного подхода разработана система поверочных схем для СИ ГП отклонений формы СПП;

Разработана научно обоснованная нормативно-методическая база для метрологического обслуживания СИ ГП отклонений формы СПП.

8 В диссертационной работе решена важная народнохозяйственная задача обеспечения единства измерений в области измерений ГП отклонений формы СПП для совокупности различных видов, методов и средств измерений, составляющих их техническую основу.

На защиту выносятся следующие основные положения и результаты разработок и исследовании

  1. Особенность системы воспроизведения, хранения единицы длины и передачи ее размера в области измерений ГП отклонений формы СПП заключается в материализации криволинейной системы координат, измерении координат точек реальной поверхности и наличии алгоритма, задающего математический оператор определения ГП отклонений формы СПП.

  2. Процедура измерений ГП отклонений формы СПП определяется математическими моделями номинальной, реальной и координатной поверхностей, уравнением нормали от координатной поверхности к реальной, локальным отклонением формы как расстояние между двумя точками, лежащими на реальной и координатной поверхностях, и моделью, определяющей ГП отклонении формы СПП.

  3. Разработанные математические модели объектов, методов и процедуры измерений ГП отклонений формы СПП позволяют связать неопределенность измерений координат точек реальной поверхности с неопределенностью измерений ГП отклонения формы СПП.

  4. Макет исходного по точности СИ ГП СПП на базе КИМ ZMC-550 фирмы Carl Zeiss может быть использован в качестве технической основы специального эталона для воспроизведения, хранения единицы длины и передачи ее размера в области измерений ГП отклонений формы СПП.

5. Передачу размера единицы длины в области измерений ГП отклоне
ний формы СПП можно выполнять с помощью материальных и «виртуально-
материальных» мер, физически или косвенно реализующих координатную по
верхность.

9 б. Обобщенная поверочная схема для СИ ГП отклонений формы СПП позволяет разработать поверочную схему для СИ ГП отклонений формы конкретных поверхностей, таких как турбинные лопатки.

Практическая значимості»

Практическая значимость диссертационной работы состоит в том, то полученные результаты позволили обеспечить единство измерений ГП отклонений формы СПП. Созданный в рамках диссертационной работы макет исходного по точности СИ ГП отклонений формы СПП может войти в состав Государственного специального эталона единицы длины в области измерений ГП отклонений формы СПП, осуществлять воспроизведение, хранение единицы длины и передачи ее размера в специальных условиях. Разработанные в диссертации методы и средства поверки и калибровки позволяют осуществлять передачу размера единицы длины СИ ГП отклонений формы СПП. Разработанные нормативно - методические документы прошли успешную апробацию, что позволяет говорить о создании нормативной основы обеспечения единства измерений ГП отклонений формы СПП. Основные положения и результаты работы внедрены на предприятиях, использующих координатные методы и средства измерений ГП отклонений формы СПП.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались на 2-х международных конференциях и симпозиумах, а также на 3-х всероссийских конференциях и семинарах, в том числе: Международном радиоэлектронном форуме «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития» (Харьков, 2005), 10-ой Всероссийской научно-технической конференции: «Состояние и проблемы измерений» (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 21-25 апреля 2008), 32-ом Международном семинаре-презентации и выставке «Автоматизация. Программно-технические средства. Системы. Применения» (Москва, 2008), 5-ой Научно-практической конференции «Метрологическое обеспечение

измерительных систем» (Пенза, 2008), Всероссийской научно-технической конференции «Машиностроительные технологии» с международным участием, посвященной 140-летию высшего технологического образования в МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 16-17 декабря 2008).

Публикации

По результатам исследований и разработок опубликовано б печатных работ, 4 тезисов докладов, зарегистрирован отчет по НИР и 2 методики института.

Обі.ем и структура диссертации

Диссертация содержит аналитический обзор состояния проблемы, теоретическую часть, результаты экспериментальных исследований, данные по разработке макета исходного по точности СИ ГП отклонений формы СПП, методов н средств передачи размера единицы длины в области измерений ГП отклонений формы СПП, результаты разработки нормативно-методических документов.

Работа состоит из Введения, 7 глав с выводами к каждой из них и Заключения, изложенных на 262 страницах машинописного текста, содержит 65 рисунков, библиографию из 189 наименований и 7 приложений.


© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net