СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФОРМЫ СУДОВОЙ ЗАБОЙНОЙ ТРУБЫ И НАСТРОЕЧНЫЙ ШАБЛОН
METHOD OF DETERMINING SHAPE OF SHIP BOTTOM-HOLE PIPES AND ADJUSTMENT TEMPLATE

Изобретение относится к области метрологии, в частности к средствам измерения расстояний, размеров и формы объектов.
Важной и распространенной технологической задачей при строительстве, ремонте кораблей и судов является изготовление и установка точно геометрически заданного участка, замыкающего трубопроводную систему, так называемой пригоночной или забойной трубы.
Известен способ сборки трубопровода с использованием забойной трубы по патенту РФ №2086846, при котором устанавливают ее между ранее жестко смонтированными уплотнительными поверхностями смежных труб и соединяют при помощи фланцев и прокладок с последующим закреплением болтами и гайками. При этом за счет увеличения предельных отклонений при сборке в осевом и угловом направлениях вначале один из концов забойной трубы предварительно вставляют до упора в одну из труб, после чего забойную трубу перемещают в противоположную сторону и производят сборку второго отбортованного или розданного конца трубы с жестким фланцем или со свободным фланцем смежной трубы, а после этого производят сборку другого соединения забойной трубы, при этом обеспечивается нормальное ненапряженное состояние смонтированных труб и возможность их сборки с предварительной несоосностью. Однако этот способ достаточно трудоемкий и рассчитан на монтаж забойной трубы между конечными фланцами, находящимися только в прямой видимости.
В связи с интенсивным внедрением в последнее время трубогибочных станков с числовым программным управлением (ЧПУ) возникла актуальная задача - разработка способа формирования математической модели трубы по месту ее установки, в том числе для судовых затесненных условий, с целью создания управляющих программ для трубогибочных станков с ЧПУ.
Известно трехкоординатное устройство измерения расстояния до различных точек поверхности объекта, содержащее жезл с заостренным наконечником и пусковой кнопкой, на котором закреплены два разнесенных по длине акустических излучателя, трехмикрофонную приемную антенну, трехканальный электронный блок, подключенный к общему интерфейсу и ЭВМ, по патенту РФ №2260772. Организацией-патентовладельцем был изготовлен, испытан и передан в опытно-промышленную эксплуатацию опытный образец локационно-акустической измерительной станции «ЛАИС», реализующей указанное изобретение (журнал «Вестник технологии судостроения» №15, 2007 г.). Используя это устройство, можно определять размеры и конфигурацию забойных труб, однако этот аналог имеет следующие недостатки, выявляющиеся в судовых стесненных условиях: приемная антенна выполнена в виде жесткого треугольника, который иногда затруднительно разместить и оптимально позиционировать в условиях строящегося или ремонтируемого судна, а также отсутствие привязки к контрольным точкам, координаты которых определяют математическую модель формы объекта, и неопределенность базирования акустического жезла относительно микрофонной антенны.
Известно устройство Scopelink типа «измерительная рука» фирмы TRACTO-TECHNIK GmbH & Co. KG (Германия), содержащее настроечный шаблон и электронный блок для формирования математической модели формы забойной трубы, с помощью которых реализуется технология определения размеров и конфигурации любых гнутых труб, стыкуемых с помощью фланцев, в том числе забойных труб. Это устройство и технология приняты за прототип заявленного способа и устройства. Прототип описан в каталоге и буклете фирмы, а также представлен на сайте фирмы (см. сайт: http://pipebending.tracto-technik.com/Address-Approach).
К недостаткам прототипа можно отнести ограничение по количеству изломов моделируемой трубы (не более двух), нерегулируемые по длине звенья настроечного шаблона и технологическую сложность обслуживания этого устройства, требующее привлечение для эксплуатации высококвалифицированного персонала. К основным недостаткам можно также отнести и высокую стоимость устройства (в рублевом эквиваленте - более четырех миллионов рублей), а также и различные ограничения, имеющиеся в настоящее время на поставку из-за рубежа высокотехнологичной продукции.
Задачей заявленных способа и устройства для его осуществления является разработка более простой технологии (способа) определения оптимальных размеров и формы судовой забойной трубы по месту ее установки с использованием импортозамещающего отечественного аппаратного средства.
Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, состоит в большей универсальности используемого устройства и упрощении технологии использования.
Указанный технический результат достигается в способе определения оптимальных размеров и формы судовой забойной трубы по месту ее установки между двумя конечными фланцами трубопроводной системы, при котором соединяют фланцы настроечным шаблоном и измеряют координаты нанесенных на нем контрольных точек электронным устройством. В качестве электронного устройства для измерения предлагается использовать локационно-акустическую измерительную станцию ЛАИС, содержащую жезл с заостренным наконечником и пусковой кнопкой, на котором закреплены два разнесенных по длине акустических излучателя, трехмикрофонную приемную антенну, связанную через трехканальный электронный блок с ЭВМ. При этом жезл оснащают лазерным целеуказателем, а микрофоны антенны, используя, например, поворотные магнитные держатели, развешивают, соблюдая условия прямой видимости между контрольными точками и микрофонами, на стенках и/или оборудовании судового помещения в виде равностороннего треугольника, плоскость которого должна находиться напротив шаблона и на удалении от его ближайшей точки не менее размера стороны упомянутого треугольника, причем оси микрофонов должны быть направлены в сторону средней точки стягивающей длины шаблона, а длина сторон треугольника должна быть в пределах 0,5÷0,7 от размера стягивающей длины шаблона. Затем определяют измерительным инструментом расстояния между микрофонами с точностью до 0,5 мм и вводят их значения в память ЭВМ, а в центре плоскости упомянутого треугольника размещают отражающую мишень и после этого наконечник акустического жезла последовательно устанавливают в контрольные точки шаблона, поворачивая каждый раз жезл в положение, при котором его лазерный целеуказатель направлен в центр мишени, и нажимают пусковую кнопку жезла, в результате чего жезл посылает акустические сигналы к микрофонной антенне, от которой сигналы, преобразованные в электрические, поступают на вход электронного блока, где сигналы обрабатываются и выдаются в ЭВМ в виде координат каждой контрольной точки, а ЭВМ по полученным данным выдает чертеж забойной трубы.
Указанный технический результат достигается также и за счет используемого в способе настроечного шаблона, который содержит не менее трех прямых звеньев с шарнирными изломами в месте их соединения, на концах крайних звеньев имеются переходные пластины с набором болтовых отверстий под конечные фланцы трубопроводной системы. При этом звенья шаблона выполнены телескопическими, на концевых участках каждого звена установлены зажимные хомуты одинакового наружного диаметра, на поверхности каждого хомута выполнены кернением две контрольные точки, отстоящие друг от друга в пределах сектора 60÷90°, переходные пластины снабжены крепежными пальцами, входящими без зазора в болтовые отверстия переходной пластины и фланца трубопроводной системы, причем в торцах пальцев, обращенных в сторону корпуса шаблона, выполнены кернением центральные контрольные точки.
Заявленное техническое решение поясняется рисунком (фиг. 1), на котором представлена конструкция заявленного устройства, и фотографией рабочего места (фиг. 2), на котором показан опытный образец устройства.
На рисунке (фиг. 1) изображено судовое помещение 1, в котором между фланцами 3 оборудования 2 собран настроечный шаблон 4, имитирующий необходимую форму будущей забойной трубы, огибающей препятствие, например, какой-то элемент судового оборудования 10, установленный на фундаменте.
Настроечный шаблон содержит трубную штангу, состоящую из прямых телескопических звеньев 5, регулируемых по длине и соединяемых шарнирами 6. На концевых участках каждого звена установлены зажимные хомуты 7 одинакового наружного диаметра, по окружности каждого из которых выполнены два кернения, отстоящие друг от друга в пределах сектора 60÷90°. На концах штанги закреплены переходные пластины 8 с болтовыми отверстиями под внешние фланцы. Каждая переходная пластина снабжена крепежными пальцами 9 с нанесенным на них центральным кернением.
На стенке помещения 1 сбоку от шаблона 4 и напротив его размещены три микрофона 11 и электронный регистрирующий блок 17, закрепленные с помощью магнитных держателей 14 и поворотных шарнирных держателей 15. Микрофоны размещены по форме равностороннего треугольника. С помощью поворотных шарнирных держателей продольные оси 12 микрофонов развернуты в сторону условной средней точки 13 настроечного шаблона. Микрофоны соединены с электронным регистрирующим блоком кабелями связи 18.
В центральной области треугольника, в вершинах которого установлены микрофоны, в общей с ними плоскости размещена отражающая мишень 16 для лазерного целеуказателя 22, установленного в акустическом жезле 19. В состав жезла входят также два излучающих электродинамика 21, заостренный наконечник 20, контактирующий с контрольными точками шаблона, пусковая кнопка 23, кабель связи 24 с электронным блоком.
Электронный блок соединен с ЭВМ (ноутбуком) 25 кабелем связи 26. Лазерный луч 27 целеуказателя направлен в центр мишени с углом падения α по отношению к продольной оси 28 мишени. Акустическая связь между излучателями жезла - электродинамиками и микрофонами проходит по трассам прямой видимости 30.
Определение оптимальных размеров и формы судовой забойной трубы с использованием заявленных способа и устройства производится следующим образом.
С использованием прямых телескопических трубных звеньев 5 и шарниров 6 собирают настроечный шаблон 4, имитирующий форму будущей пригоночной трубы, расположенной между внешними фланцами 3 патрубков судового оборудования 2 и огибающей находящееся между фланцами препятствие 10. С помощью переходных пластин 8 с болтовыми отверстиями под внешние фланцы и крепежных пальцев 9 настроечный шаблон 4 закрепляется на внешних фланцах 3. На концевых участках каждого звена шаблона устанавливают зажимные хомуты 7 одинакового наружного диаметра, по окружности каждого из которых выполнены два кернения, отстоящие друг от друга в пределах сектора 60÷90°.
В пространстве сбоку от настроечного шаблона на стенке 1 судового помещения развешивают микрофоны 11 и электронный регистрирующий блок 17, соединенный кабелями связи 18, с помощью магнитных держателей 14, а также поворотных шарнирных держателей 15. При этом продольные оси 12 микрофонов разворачивают в сторону условной средней точки 13 настроечного шаблона. Микрофоны развешивают по форме равностороннего треугольника. Размер сторон устанавливают в пределах 0,5÷0,7 от размера стягивающей длины шаблона, после чего стороны измеряют с точностью до 0,5 мм и вводят их значение в память ЭВМ 25, соединенной кабелем связи 26 с электронным блоком 17.
В центральной области треугольника, в вершинах которого установлены микрофоны, в общей с ними плоскости, удаленной от ближайших точек корпуса шаблона на расстояние не менее размера стороны треугольника, размещают мишень 16 для лазерного целеуказателя 22. Акустический жезл, содержащий заостренный наконечник 20, два электродинамика 21, пусковую кнопку 23 и лазерный целеуказатель 22, подключают к электронному регистрирующему блоку соединительным кабелем 24.
Наконечник жезла 20 последовательно устанавливают в контрольные точки настроечного шаблона, полученные кернением, на зажимных хомутах 7 и крепежных пальцах 9. Жезл поворачивают в положение, при котором целеуказатель 22 направлен в центр мишени. При очередном нажатии пусковой кнопки для посылки акустических сигналов от жезла к микрофонной антенне производят измерения координат каждой контрольной точки в системе координат приемной микрофонной антенны.
Измерение трехмерных координат контрольных точек профиля настроечного шаблона производится в системе координат трехмикрофонной антенны, где началом координат является центр нижнего микрофона, ось Y проходит через центр верхнего микрофона, ось X поперечная в плоскости антенны, ось Ζ продольная, перпендикулярная к плоскости антенны.
i
i
Измерение координат осуществляется посредством измерений расстояний от центра источника акустических импульсов до каждого из приемников-микрофонов, которые определяются по формуле L=C t,
i
где L - расстояние;
C - скорость звука в воздухе в м/с;
i
t - время распространения акустического импульса от электродинамика до микрофона в сек, которое измеряется счетчиком времени, запускаемым в электронном регистрирующем блоке одновременно с излучением акустического импульса и останавливаемым в момент прихода акустического импульса к микрофону.
i
По полученным расстояниям L и известным геометрическим параметрам конфигурации расположения микрофонов по триангуляционному методу выполняются электронным блоком вычисления координат центра источника импульсов в системе координат измерительного пространства перед микрофонной антенной, при этом для управления измерительным процессом используются ЭВМ (ноутбук) и соответствующее программное обеспечение.
Измерение осуществляют циклами в два такта. В первом такте излучает один динамик, и определяются описанным выше способом координаты центра первого динамика. Во втором такте излучает второй динамик, и определяются координаты центра второго динамика. Зная расстояние от острия измерительного наконечника до центра ближнего динамика, а также расстояние между центрами динамиков, вычисляют координаты острия измерительного наконечника жезла. Полный цикл осуществляется автоматически по компьютерной программе. Таким образом определяют координаты любой контрольной точки поверхности настроечного шаблона, в которую помещают острие измерительного наконечника жезла. При этом измеренные координаты контрольных точек зажимных хомутов заданного диаметра, разнесенных по цилиндрическим прямым звеньям шаблона, дают возможность сформировать математическую модель штанги шаблона, а координаты контрольных центров крепежных пальцев дополняют информацию взаиморасположения фланцев забойной трубы.
Заявленный способ формирования математической модели с соответствующим измерительным устройством и настроечный шаблон были испытаны на лабораторной базе заявителя. Макетный образец устройства представлен на прилагаемом фотоснимке (фиг. 2). С помощью разработанного заявителем программного обеспечения в памяти ЭВМ были сформированы математические модели ряда конфигураций забойных судовых труб с аксонометрическими изображениями, чертежами и картами управляющих программ для трубогибочных станков с ЧПУ.