Материал: ВКР

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования «Рыбинский государственный авиационный

технический университет им. П.А. Соловьева»

Пояснительная записка

Введение

Обоснование актуальности темы.

Предприятия, занимающиеся разработкой и производством изделий по авиационной, космической, транспортной тематике, военного вооружения и др., сталкиваются с необходимостью обеспечения и проверки центра масс этих изделий на соответствие техническому заданию заказчика. Заказчику же в свою очередь необходим этот параметр для обеспечения последующей балансировки (самолета, вертолета, автотранспорта, баллистических снарядов). Балансировка - процесс уравновешивания сил и моментов изделия, производится для придания устойчивости и управляемости. В виду того что любое готовое изделие представляет собой сборку множества изделий, имеющих свои центры масс, ещё на этапе проектирования конструкторами просчитывается теоретическое их расположение и определяют результирующий центр масс. А для того чтоб проект совпал с фактической сборкой назначают допуски, в некоторых случаях весьма жесткие. Производству и службам контроля необходимо измерительное оборудование, которое обеспечивало бы производительно и с высокой точностью выполнение данной операции.

Цель работы.

Диссертация нацелена на анализ существующих методик и выявление оптимальной для измерений центра масс изделий, а также получение авторских предложений по их оптимизации.

Задачи данной работы:

- критический анализ существующих методик и оборудования

- предложить оптимизацию оборудования и методики

- выполнить математическое и схематическое обоснование новой методики

- рассмотреть возможность автоматизации оборудования на базе современных систем управления, сложность создания программного обеспечения

- проработать конструкторское решение предложенного метода, возможное для реализации на конкретном предприятии

- проверить работоспособность устройства в среде SolidWorks

- рассчитать выгоду производительности по сравнению с базовым методом контроля центра массы

- определить точность метода, учесть погрешности

Объект и предмет исследования.

Объектом исследования является увеличение производительности операций контроля центра масс изделий с сохранением или улучшением точности измерения.

Предметом исследования служит разработка, на основании современных достижений и работ, оборудования позволяющего измерять положение центра масс изделий в трёх координатах за одну установку с максимальной производительностью без потери в точности, а также описание и обоснование новой методики.

Метод исследования, решения задачи.

На первом этапе важно узнать все особенности текущего метода измерения, с помощью экспериментальных исследований выявить зависимости в точности и времени выполнения операции. Систематизация полученных знаний позволит выполнить поиск решения проблемы в верном направлении.

На втором этапе необходимо найти и изучить научно-технические источники информации по исследовательской программе, монографии в данной и смежных областях, современные публикации в научных журналах, выполнить патентный поиск с целью выявления устройств и методов, позволяющих оптимизировать процесс контроля центра масс. Оценка, анализ и систематизация известных современной промышленности знаний должна позволить выбрать лучшую из известных методик и средств для решения поставленной задачи и разработать техническое задание на создание новой эффективной технологии.

Третьем этап заключается в разработке и апробации новой методики, а также контрольно-измерительного устройства для его осуществления. Новая методика должна иметь математическое обоснование, должна быть проверена на точность и производительность, а также иметь возможность реализации идеи в условиях конкретного предприятия.

Теоретическая значимость и прикладная (практическая) ценность.

В работе описан современный эффективный метод, вобравший лучшие качества аналогов. Автоматизация процесса измерения с использованием предложенного устройства позволит значительно сократить время операции и повысить точность определения координат центра масс изделий радиоэлектронной промышленности. Тем самым решает прикладную задачу производства. Описан принцип действия нового оптимального устройства, разработаны схемы, выведены формулы, произведены расчёты точности и производительности, делающие метод возможным в использовании в других отраслях промышленности, при создании оборудования с установочной площадкой требуемых габаритов.

Степень разработанности данной темы.

Исходя из изученных источников, в авиационной, космической, судовой, радиоэлектронной, автомобильной, военной промышленности страны на предприятиях используют разнообразные методы измерения центра масс и специальные приспособления для их осуществления, различающиеся универсальностью, точностью, производительностью, удобством и функциональностью. Соответственно существует большое разнообразие различных полезных моделей и изобретений, не учитывающих наработки авторов других научно-технических школ, нет классификации методов и обобщающих работ.

Научная новизна, личный вклад, основные положения, выносимые на защиту.

Результатом выполненной работы является разработанная на основе трёх наиболее эффективных и целесообразных способов контроля положения центра масс изделий в различных областях машиностроения методика, позволяющая измерять все три координаты за одну установку с максимальной производительностью без потери точности в автоматическом режиме. Описан способ автоматизации нового оборудования и алгоритм работы программного обеспечения. При обосновании новой методики была выведена полезная формула, позволяющая находить две горизонтальные координаты и вертикальную без использования весоизмерительного оборудования за счёт измерения в восьми положениях расстояний до уравновешивающего груза.

Апробация результатов и публикация результатов.

Основные положения диссертации были представлены на международной научно-практической конференции «Наука сегодня: глобальные вызовы и механизмы развития», проведенную Научным центром «Диспут» 29 апреля 2020 года в Вологде и на международном научном форуме «Наука и инновации - современные концепции» 24 апреля 2020 года в Москве. По итогам опубликованы статьи в сборниках:

Автоматизация определения действительного центра масс изделий радиоэлектронной промышленности / Сборник научных статей по итогам работы Международного научного форума «Наука и инновации-современные концепции» – Москва: Издательство Инфинити, 2020. – 106-115 с.;

Зависимость погрешности определения действительного центра масс изделий от применяемого оборудования / Наука сегодня: глобальные вызовы и механизмы развития [Текст]: материалы международной научно-практической конференции, – Вологда: ООО «Маркер», 2020г. – 48-50 с.

Объём и структура работы.

Пояснительная записка содержит 85 листов. К работе оформлена презентация в количестве 15 слайдов. В первой главе рассмотрены и оценены все известные научные методы и способы измерения центра масс. Во второй главе работы описаны конкретные аспекты измерения и предложен путь решения проблемы с теоретическим обоснованием. Последняя глава содержит доказательства возможности применения метода на производстве и вариант реализации способа.

1 Методики нахождения действительного центра масс

1.1 Обзор научной литературы и патентный поиск

Согласно описанию полезной модели, к патенту [1], существует способ гравитационного определения смещения центра масс относительно точки приложения ножа. В патенте используется для сортировки (поворота и закрепления необходимой стороной) заготовок тел вращения в системах автоматической загрузки. Но данный способ можно использовать и для контроля центра масс любых изделий по принципу ПР и НЕ калибров. Для определения годности изделия в одной координате необходимо поочереди расположить его, относительно общей базы, на точке опоры, приложенной по верхнему и нижнему отклонению поля допуска. Реализация возможна на приспособлении с подвижной сферической опорой (посредствам приводов) под установочной сбалансированной площадкой.

К достоинствам метода можно отнести простоту замера и приспособления, надёжность. К недостаткам: не универсальность оснастки и применение метода в исходном виде возможно только в массовом производстве, измерения проходят в одной плоскости несколько раз и для контроля в 3 координатах потребуется не менее 6 замеров изделия, для изделий сложной геометрической формы необходим переходник.

В работе [2] рассмотрен метод определения массы груза по осадке судна, а также проанализированы погрешности данного измерения. Здесь может использоваться обратный способ. Результат получают по изменению центра масс судна до и после разгрузки судна. Для этого снимают показания осадки в носовой, кормовой частях судна и миделе. Таким образом теоретически можно спроектировать оснастку сравнительно простой конструкции, с резервуаром и аналогом судна (с известным отбалансированным центром масс), в которой, по измерению осадки, датчикам или мерным трубками, можно определить действительный центр масс изделия. Для этого потребуется вывести математическую модель для перевода измеренных показаний углов наклона плоскостей и глубины просадки в конкретные значения размеров. Нужно отметить что предлагаемый метод будет точнее, ввиду того что будут отсутствовать волны, уменьшится температурная погрешность из-за незначительного изменения плотности воды, а также он позволит определить все три координаты центра масс за одну установку. К недостаткам можно отнести габариты предлагаемой установки, трудности в эксплуатации открытого резервуара с жидкостью, необходимость датчиков и желательно программной обработки математической модели метода с поправкой на температуру и плотность жидкости.

Проблема замера координат центра масс крупногабаритных изделий с несколькими звеньями (машин типа - кран) рассмотрена в статье [3]. В работе используется методика определения координат по показаниям датчиков давления в полостях силовых гидроцилиндров. А для нахождения центра масс отдельных звеньев при помощи многофакторного эксперимента авторами была выведена математическая модель, позволяющая оценить положение центра масс конструкции в любом положении звеньев, основываясь на показаниях давления, постоянных конструктивных параметрах и значениям углов звеньев в конкретный момент. В данной задаче стояла задача определения центра масс в одной координате, но сам способ представляет интерес и возможно его применение для изделий разных конструктивных форм, больших и малых размеров, как мобильных, так и стационарных. Возможна конструкция универсального приспособления. К минусам можно отнести относительную сложность конструкции приспособления с гидроборудованием и необходимость датчиков с устройствами вычисления.

Существует похожий способ [22] определения веса и положения центра тяжести самолета перед его загрузкой и после загрузки в процессе движения по аэродрому. Включает установку датчиков давления в цилиндр амортизационных опор шасси самолета. Вычисление производится на основе усреднения изменений давления действующей на каждую опору шасси для продольной координаты центра тяжести самолёта.

В патенте [27] описан аналогичный [22] способ, только для измерения нагрузки на шасси автор применяет пьезоэлектрический датчик.

Ввиду проблем в нахождении беспилотными летательными аппаратами (БЛА) собственного положения центра масс во время длительных полётов, автором методики [4] был предложен метод коррекции координат, получаемых от бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС), с помощью сравнивания информации с показаниями от глобальных спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS. Таким образом для контроля центра масс в реально времени предложен интересный, основанный на современных достижениях метод измерения центра масс изделий.

Данный метод возможен для применения в производстве. Изделие должно иметь соответствующие размеры, чтобы расстояние между датчиками не влияло на погрешность принимающего и анализирующего сигнал устройства. Для данного способа контроля необходим целый ряд условий: наличие не менее 6 дорогостоящих приёмников спутникового сигнала, приёмо-передающего и вычислительных устройств, оснастки (в данном случае - шпангоуты) для принятия изделием независимого положения в пространстве. Перезакрепление датчиков на каждое конкретное изделие скажется на производительности измерения. В данном примере находятся только две координаты изделия. К возможным улучшениям методики можно отнести разработка и применение стационарной, находящейся на предприятии системы, аналога ГЛОНАСС/GPS. Но при наличии обилия более простых и экономический менее затратных методов контроля центра масс, это не целесообразно. Данный метод может быть полезен в судостроении.

В работе [5] рассмотрено устройство, использующее для определения координаты центра масс изделия, метод взвешивания. Данное приспособление предназначено для определения продольной координаты центра масс газотурбинного авиационного двигателя на предприятии НПО «Сатурн». Представляет собой рычажную систему измерения, подвешенной на крановых весах. Она состоит из горизонтальной балки, с возможностью подвешивания к ней изделия в двух точках крепления и подвижной каретки, для уравновешивания системы относительно оси подвеса. Метод измерения основан на перерасчете координаты из плеча момента силы. Конкретная величина смещение центра масс относительно оси подвеса определяется по разности показаний шкалы 7, учитывая массу системы в моменты до и после крепления изделия, по формуле: