Рассмотрены основные требования и этапы обеспечения точности изготовления корпусных конструкций, применяемые в АО «Адмиралтейские верфи». Этапы контроля корпусных конструкций координатно- измерительными системами.

Ключевые слова: контрольные линии и опорные точки, допустимые отклонения, сварочные усадки.

Применять координатно-измерительные системы при постройке надводных судов «Адмиралтейские верфи» начали в конце 90-х годов.

Применение координатно-измерительных систем для измерений на этапах изготовления и монтажа корпусных конструкций рассматривается как инструмент для получения достоверной информации о размерах изготавливаемых корпусных конструкций, для совершенствования технологии их изготовления, с целью минимизации объемов пригоночных работ при монтаже их на этапе сборки корпуса, и является обязательной частью процесса изготовления и монтажа корпусных конструкций.

За истекший период на предприятии было построено 27 надводных судов и кораблей разных типов. По опыту постройки определены основные выводы и условия минимизации объемов пригоночных работ.

На каждой секции должны быть контрольные линии, параллельные основным плоскостям заказа, в соответствии со схемой, выпускаемой для данного проекта судна.

Контрольные линии не должны совпадать с линиями разметки и установки набора секции. Желательно располагать их как можно ближе к монтажным кромкам секции. На «Адмиралтейских верфях» они располагаются на расстоянии 50 мм от стыков и пазов секций.

Контрольные линии должны иметь заданные координаты в системе координат корабля. Например:

• КЛ 75 шп +250 мм,
• КЛ батокса 3000 мм от диаметральной плоскости,
• КЛ ватерлинии 8050 мм от основной плоскости.

Контрольные линии вносятся в чертежи секции, размечаются при разметке деталей и сохраняются до окончания формирования корпуса. При ручной разметке они являются базовыми линиями для построения размерных цепей, при механизированной разметке нанесенные на деталях и узлах линии служат ориентиром для правильного совмещения элементов между собой.

Точки пересечения продольных и поперечных контрольных линий являются опорными точками и служат для правильного ориентирования секций в системе координат корабля, при оценке их геометрических параметров и установке на стапеле.

При наличии трехмерной модели корпуса и обработке результатов измерений в программе SpatialAnalyzer за опорные точки могут приниматься произвольные точки, зафиксированные на конструкциях секции, координаты которых известны после измерений геометрии секции. Ориентирование секции при установке на стапеле в системе координат корабля производится сравнением измеренных координат опорных точек с координатами этих точек, указанными в отчете по обмерам секции после изготовления.

Количество опорных точек на секциях для достоверной оценки положения должно быть не менее четырех на плоских секциях и не менее восьми на объемных секциях. Схема размещения опорных точек на днишевой секции приведена на рисунке 1.

Допустимые отклонения на положение корпусных конструкций назначаются на размеры этих конструкций от контрольных линий секций. В этом случае они соответствуют отклонению координат этих конструкций и применимы как для измерений линейными средствами, так и координатно-измерительными системами.

Например, размер до конструкции 5000 ±3 мм от контрольной линии 3000 мм от диаметральной плоскости соответствует координате этой конструкции Y = 8000 ±3 мм.

Численные значения допустимых отклонений должны обеспечивать заданное допустимое смещение элементов смежных секций при сборке на стапеле, при этом принятые значения применяются ко всем корпусным конструкциям независимо от их размеров.

На предприятии допустимое смещение корпусных конструкций смежных секций на монтажных соединениях принято по ОСТ5Р.9613−2015 — 10 мм и приняты следующие допустимые отклонения:

Обмеры секций после изготовления выполняются координатно-измерительными системами по кромкам секций, так как именно кромки стыкуются между собой. Количество точек измерений должно быть достаточным для оценки геометрических характеристик секции.

В среднем в состав отчета входят 8 эскизов отклонений измеренных корпусных конструкций. Кроме аттестации геометрических параметров, по результатам отклонений выявляются систематические отклонения и передаются в инженерные службы предприятия для разработки мероприятий по их компенсации.

Чтобы изготовить секцию с размерами, максимально близкими к теоретическим, размеры вырезаемых деталей должны быть увеличены на величину ожидаемых усадок от сварочных и правочных работ.

При применении сварки монтажных стыков на керамической подкладке с зазором 6⁺² мм возможно изготовление секций с отклонением кромки от плоскости стыка +0/-3 мм без дополнительной обработки, однако вероятность получения таких результатов невысока.

Поэтому выравнивание кромок секции после изготовления является обычной технологической операцией. Для этого секции должны иметь минимальный припуск: на предприятии он принят 5 мм для секций средней части и увеличивается до 20 мм для оконечностей. Припуски вносятся в чертежи секций, что исключает ошибки при подготовке деталей.

Процесс обеспечения требуемой точности изготовления и установки корпусных конструкций включает ряд последовательных этапов.

Разработка конструкторской документации выполняется на основе трехмерной модели корпуса в теоретических размерах. Модель имеет посекционную структуру, а поверхность наружной обшивки строится в твердотельном варианте, позволяющем определять координаты любой точки.

После выпуска схемы разбивки корпуса разрабатываются схема контрольных линий и схема формирования корпуса. Контрольные линии вносятся в модель, а схема формирования используется для проектирования монтажных разъемов секций.

Перед разработкой чертежа секции определяется плоскость сборки, которая не меняется в процессе изготовления, так как от нее зависит назначение коэффициентов сварочных усадок.

При разработке чертежей в них вносятся контрольные линии, припуски, компенсаторы деформаций и параметры сварочных зазоров.

Детали корпуса проектируются в теоретический размер, после чего с помощью программных средств учитываются сварочные усадки. При выводе данных на производство контур детали уже содержит необходимые корректировки.

При вырезке деталей выполняется механизированная разметка контрольных линий и линий установки набора. Далее детали собираются в узлы и панели, которые передаются в цеха объемной сборки.

В процессе объемной сборки координатно-измерительными системами производятся следующие операции:

• проверка перпендикуляра при разметке сборочной площадки под сборку секции;
• проверка соответствия обводам и правильности разметки набора на узлах наружной обшивки с погибью после сварки листов;
• проверка правильности установки крупногабаритных узлов;
• аттестация геометрических параметров секции после изготовления.

При аттестации секции производятся измерения:

• координат опорных точек;
• отклонений от теоретических значений монтажных кромок секции по листам и набору;
• отклонений от теоретических значений положений обшивки, набора, настилов палуб и платформ по кромкам секции.

При установке секций на стапеле, вхождение в систему координат корабля производится по планкам стапельной разметки и дополнительным базовым точкам на подкрановых путях стапеля.

Для оценки положения секции производятся измерения координат опорных точек устанавливаемой секции и смежных с ней установленных секций. Схема измерений при установке бортовой секции на стапеле показана на рисунке 4.

Применение координатно-измерительных систем в сочетании с использованием контрольных линий и учетом сварочных деформаций позволило обеспечить требуемую точность изготовления корпусных конструкций, снизить объем пригоночных работ и повысить качество сборки корпуса судна.

Рассмотрено технологическое решение, применяемое в АО «Силовые Машины» для ускорения процедур разметки под механическую обработку литых металлических деталей, с применением системы лазерного проецирования «Маяк Оптимум» и системы оцифровки поверхности «AM.TECH TrackScan».

Ключевые слова: система лазерного проецирования, система оцифровки поверхностей, механическая обработка.

Основной областью применения систем лазерного проецирования считается производство изделий из полимерных композитных материалов. На таких производствах, лазерные проекторы используются для отображения на поверхности обратной матрицы контуров, которые указывают рабочему-укладчику, куда, в каком порядке и какие детали из предварительно раскроенного композитного материала (стекло- и углеволокно, препреги на их основе и другие материалы) нужно укладывать.

Компании «Нева Технолоджи» засчет тесного сотрудничества с заказчиками и производителями и применения иных технологий из области цифровой метрологии и реверс-инжиниринга, имеющихся в расположении ООО «Нева Технолоджи», удалось расширить сферу применения лазерных систем и разработать готовые решения для ускорения процедур разметки, сварки и сборки металлоконструкций.

Далее описывается интеграция лазерной системы в машиностроительное производство для решения задачи разметки черновой литой детали для последующей механической обработки.

На каждой секции должны быть контрольные линии, параллельные основным плоскостям заказа, в соответствии со схемой, выпускаемой для данного проекта судна.

Контрольные линии не должны совпадать с линиями разметки и установки набора секции. Желательно располагать их как можно ближе к монтажным кромкам секции. На «Адмиралтейских верфях» они располагаются на расстоянии 50 мм от стыков и пазов секций.

Контрольные линии должны иметь заданные координаты в системе координат корабля. Например:

• КЛ 75 шп +250 мм,
• КЛ батокса 3000 мм от диаметральной плоскости,
• КЛ ватерлинии 8050 мм от основной плоскости.

Контрольные линии вносятся в чертежи секции, размечаются при разметке деталей и сохраняются до окончания формирования корпуса. При ручной разметке они являются базовыми линиями для построения размерных цепей, при механизированной разметке нанесенные на деталях и узлах линии служат ориентиром для правильного совмещения элементов между собой.

^{Рис. 1 Деталь, рассматриваемая в данной задаче.}

Оператору системы лазерного проецирования на разметку поступает необработанная литая деталь. Оператору (он же разметчик) требуется нанести разметку под обработку резанием ответственных поверхностей: плоскость разъема, вырезы под уплотнения на плоскости разъема, высоту и диаметр фланцев, пазы для стыковки детали с остальными корпусными деталями. Задача системы лазерного проецирования в этом процессе – заменить собой используемые ранее аналоговые методы измерения и нанесения разметки (штангенциркуль, рейсмус); ускорить процесс нанесения разметки и обеспечить более высокую точность и повторяемость.

Ключевой особенностью работы с системой лазерного проецирования является набор данных, необходимый для организации работы. Обычно в него входит:

• Математическая модель объекта, с которым проводятся работы.
• База данных точек привязки, коррелирующая с объектом и его математической моделью – рабочий объект должен быть оснащен видимыми для проектора точками привязки – светоотражающими марками, которые приклеиваются, ставятся на магниты или вставляются в заранее предусмотренные отверстия.
• Набор контуров для высвечивания – как правило, связанный с математической моделью и сформированный на ее основании.

При решении задачи разметки, наиболее сложная подзадача – это совмещение математической модели, точек привязки и контуров. В отличие от предыдущих поколений систем лазерной разметки, управляющая программа системы «Маяк Оптимум» не требует использования других программ для формирования контуров. Так как металлоконструкции намного более простые в обращении, нежели матерчатые композиты, дополнительные программы, такие как «Fiber SIM» или «САРУС+ Композиты» не нужны, а контуры можно сформировать на базе математической модели в управляющей программе лазерного проектора Маяк Оптимум.

При решении задачи разметки, наиболее сложная подзадача – это совмещение математической модели, точек привязки и контуров. В отличие от предыдущих поколений систем лазерной разметки, управляющая программа системы «Маяк Оптимум» не требует использования других программ для формирования контуров. Так как металлоконструкции намного более простые в обращении, нежели матерчатые композиты, дополнительные программы, такие как «Fiber SIM» или «САРУС+ Композиты» не нужны, а контуры можно сформировать на базе математической модели в управляющей программе лазерного проектора Маяк Оптимум.

Для набора базы данных точек привязки необходимо использовать измерительное оборудование. В рамках представленного решения в качестве такого оборудования выступает система оцифровки поверхностей «AM.TECH TrackScan», также поставляемая компанией «Нева Технолоджи». Эта система позволяет и отсканировать деталь, и снять положение светоотражающих марок. Скан детали также понадобится для учета геометрических погрешностей отливки, так как ее форма сильно отличается от математической модели. Управляющая программа системы оцифровки поверхностей позволяет совместить скан детали с ее математической моделью, тем самым позволяя перенести контрольную геометрию (оси, плоскости сечения, базовые поверхности) с математической модели на фактическую поверхность объекта. Далее, контуры набираются в этой же программе. Это позволяет связать контуры именно с фактической формой объекта и, благодаря этому, обеспечить точность.

В рамках инструктажа после поставки оборудования, специалисты ООО «Нева Технолоджи» не только показывают пользователю системы основы работы с оборудованием, но и прорабатывают меры применения оборудования в контексте задачи пользователя: помогают решить задачу с помощью оборудования, работая с производственными деталями. Во время инструктажа, для разметчика, которому предстоит работать с системой, был определен следующий порядок проведения работ:

1. Деталь устанавливается, клеятся светоотражающие марки;
2. Деталь вместе с марками сканируется;
3. Скан детали совмещается с математической моделью детали;
4. Формируются контуры разметки;
5. Базы данных, содержащие контуры и точки привязки, выгружаются в систему проецирования;
6. Проектор привязывается к детали, контуры высвечиваются;
7. Пользователь наносит разметку в соответствии с высвеченными контурами.

На примере рассмотренной задачи доказано, что система лазерного проецирования не только применима в контексте производства металлических конструкций, но и может оказаться наиболее оптимальным и технологичным способом решения задач разметки. Применение системы способно сократить время, затрачиваемое на производственный этап, и обеспечивает повторяемость. К другим, менее очевидным плюсам применения системы лазерного проецирования относятся:

• Выявление недостатков предыдущих этапов производства – если высвечивать контуры, набранные с идеальной модели, отклонения становятся видны на проекции.
• Оптимизация производства засчет систематизации труда разметчика – у работника имеется единый алгоритм для обработки любых деталей.
• Сбор дополнительных данных об изделии.
• Гибкость применения – система способна работать с деталями любых размеров и форм.
• Устранение необходимости применения специализированных инструментов, таких как оснастки для позиционирования (более актуально для задач сборки и сварки).
• Потенциал к расширению комплектации системы при необходимости.

Для изучения возможности и необходимости интеграции системы лазерного проецирования в производство рекомендуется проводить пилотный проект на производственной площадке.

Рассмотрен общий объединяющий принцип для подготовки и решения задач разметки, сборки, сварки с применением системы лазерного проецирования с последующей оценкой эффективности и окончательным внедрением решения в производство.

Ключевые слова: система лазерного проецирования, лазерный трекер, машиностроительное производство, сварка, разметка под механическую обработку.

Основной областью применения систем лазерного проецирования является производство изделий из полимерных композиционных материалов. В данной отрасли проекторы используются для последовательной засветки цветового шаблона для указания места выкладки. Использование проекторов в этих целях получило широкое применение на предприятиях, занимающихся производством изделий из ПКМ для авиационной и космической отрасли.

Компания ООО «Нева Технолоджи» является пионером в интеграции проекционных технологий на территории Российской Федерации. Первые поставки систем начались в 2007 году, в данное время в России на разных заводах функционирует более 100 поставленных приборов. Специалисты компании проводят регулярные консультации для пользователей, а также осуществляют полную поддержку поставленного парка оборудования.

Обратная связь от действующих и потенциальных заказчиков, глубокое погружение в поставленные задачи и тесная взаимосвязь с производителями проекционных систем привели к расширению сфер применения проекторов и на другие отрасли и задачи. Специалистами ООО «Нева Технолоджи» было разработано, продемонстрировано и интегрировано в производственный процесс несколько концепций использования систем лазерного проецирования под разметку, сборку и сварку на различных машиностроительных производствах. Были разработаны решения «под ключ», которые включили в себя этапы отработки процессов на конкретных единичных объектах и внедрение лазерных проекторов в существующие процессы производства.

Основным отличием решения задач интеграции лазерных систем проецирования в процесс ручной выкладки изделий из ПКМ от интеграции в процесс разметки/сборки/сварки (кроме условий эксплуатации) является подготовка данных. В большинстве случаев для производства изделий из композитов используется специализированное ПО, которое делает послойное моделирование с учетом особенностей материала, а потом экспортирует эти данные (расположение точек для привязки проектора, данные для проецирования) в формат системы лазерного проецирования (Spatial Analyzer, PolyWorks). Для решения задач последовательных операций создания объемных конструкций подобного специализированного ПО нет. Кроме этого, данные программы используются для управления измерительными приборами, которые необходимы для создания системы привязок, ввода проектора в систему координат объекта, создание данных для проецирования. Классическим примером такого прибора является лазерный трекер. ООО «Нева Технолоджи» поставляет и выполняет измерительные работы трекерами API и АЛЬТАИР, а также проводит полный цикл поддержки данных приборов. Требования по метрологическому сопровождению исходят из основных принципов работы системы лазерного проецирования: лазерный проектор понимает свое положение относительно объекта проецирования после того, как отсканирует светоотражающие марки на объекте, причем положение этих марок должно полностью соответствовать их координатам в математической модели. После успешной привязки оператор может поочередно засветить с помощью проектора световые шаблоны с высокой точностью и в требуемой последовательности. Именно лазерный трекер позволяет оптимизировать и усовершенствовать рабочее место, делая использование системы лазерного проецирования более оптимальным.

Далее необходимо выделить несколько общих принципов для внедрения системы лазерного проецирования:

1. Предварительные работы, которые включают в себя:

• ознакомление с существующим процессом разметки (сборки, сварки) и его подробным анализом, который позволяет выявить его слабые места;
• оценку времени производства при существующем процессе;
• изучение и анализ рабочего места;
• измерение получаемых изделий (выборка из нескольких изделий партии) и сравнение с заданными по технической документации параметрами;
• разработку предварительного процесса разметки на основе полученных данных с использованием проекционного и измерительного оборудования.

Примечание. Для работы с системой лазерного проецирования необходимо работать с математической моделью объекта, которая содержит в себе объект проецирования, а также контуры, которые будет необходимо высвечивать, в зависимости от задачи. Также трехмерная модель может быть использована для работы с лазерным трекером. Таким образом, в случае наличия только двумерных чертежей, существует необходимость создания трехмерных объектов.

^{Рис. 1 Пример измерения объекта лазерным трекером для дальнейшего вписывания в математическую модель объекта и создания системы привязки на рабочем месте.}

Далее необходимо выделить несколько общих принципов для внедрения системы лазерного проецирования:
2.Подготовительные работы, которые позволят отработать и откорректировать разработанный процесс разметки. К таким работам относятся:

• создание математической модели;
• моделирование модернизированного рабочего места под работу с системой лазерного проецирования (с учетом особенностей процесса, необходимости размещения системы привязки, удобства работы, фиксации объекта и т.д.);
• возможность размещения марок привязки проектора;
• доработку существующего рабочего места для фиксации объекта разметки;
• работы по измерению объекта, вводу в систему координат этого объекта, измерение системы привязок в системе координат объекта и выдачу данной информации для добавления в базу для проецирования.

Помимо выше указанных пунктов, этот этап включает в себя предварительную подготовку баз данных требуемых контуров для проецирования на основании математической модели с использованием программного продукта, такого как Verisurf (или современного аналога – PolyWorks). Также при подготовке данных для проецирования можно подготовить информацию с дополнительными инструкциями для рабочего, чтобы облегчить понимание процесса интеграции новой системы и работы с ней на начальном этапе. Для определения общей площади нового рабочего места, оснащенного технологией лазерной разметки, рекомендуется сделать моделирование рабочего места. Данная модель позволит определить близкое к оптимальному расположению системы/систем лазерного проецирования, проанализировать удобство рабочего места для рабочего, определить, какая потребуется общая площадь.

3.Третий этап включает в себя окончательную отработку и корректировку технологического процесса с использованием лазерных проекторов. Так, например, в реализованных проектах при отработке на реальном объекте были откорректированы следующие моменты:

• количество положений объекта для разметки;
• расположение системы привязки;
• доработка системы фиксации объекта в процессе разметки;
• определение реального оптимального положения проектора.

Помимо выше указанных пунктов, этот этап включает в себя предварительную подготовку баз данных требуемых контуров для проецирования на основании математической модели с использованием программного продукта, такого как Verisurf (или современного аналога – PolyWorks). Также при подготовке данных для проецирования можно подготовить информацию с дополнительными инструкциями для рабочего, чтобы облегчить понимание процесса интеграции новой системы и работы с ней на начальном этапе. Для определения общей площади нового рабочего места, оснащенного технологией лазерной разметки, рекомендуется сделать моделирование рабочего места. Данная модель позволит определить близкое к оптимальному расположению системы/систем лазерного проецирования, проанализировать удобство рабочего места для рабочего, определить, какая потребуется общая площадь.

После окончательной отработки процесса проводится оценка эффективности внедрения системы лазерного проецирования для разметки, сборки и сварки. Для этого, например, делается замер времени на изготовление одного изделия серии, а также измерения выборки изделий на соответствие чертежным размерам.

На конкретных примерах было показано, что внедрение новой технологии позволяет снизить трудоемкость процессов разметки, сварки и сборки до 50% в зависимости от задачи. При этом новая технология показывает хорошую повторяемость получающегося итогового результата, а также позволяет вскрыть недочеты предыдущих этапов производства (отклонения поставляемых на сборку/сварку изделий от чертежей).

К основным преимуществам внедрения данной технологии можно отнести:

• оптимизацию производственных процессов;
• структуризацию процесса разметки на программном уровне, что позволяет обучать новых рабочих производственному процессу гораздо быстрее, чем при классическом подходе;
• автоматическое создание отчета по завершению процесса производства, что позволяет отследить все этапы выполнения работ по разметке, сборке или сварке;
• гибкость в доработке процесса разметки с учетом внесения изменений в техническую документацию;
• минимизацию времени на отдельные операции, связанные с использованием специальных приспособлений для разметки и установки заготовки.

Дополнительно надо отметить, что наиболее оптимальным вариантом внедрения систем лазерного проецирования в технологические процессы производства является проведение опытного пилотного проекта, который позволит не только оценить эффективность новой методики, но также поможет заказчику убедиться в компетентности поставщика данного решения.