Способ измерения геометрии сотовых ячеек
METHOD FOR MEASURING CELL GEOMETRY

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, в частности, к звукопоглощающим конструкциям (ЗПК), которые могут быть использованы в мотогондолах для снижения шума авиационных двигателей, в частности, к способам повышения надежности и сокращения времени измерения геометрии сотовых ячеек и сотовых панелей, составляющих ЗПК.
Вследствие технологических особенностей производства сотовые заполнители могут иметь регулярную и нерегулярную геометрию (структуру) ячеек, при этом размеры и форма всех ячеек различна. Форма ячейки сотового заполнителя может представлять собой, например, шестигранник, треугольник, квадрат.
На производстве сотовых заполнителей входной контроль осуществляется визуально и выборочно с использованием ручного инструмента (к примеру, штангенциркуль, калибр), процесс контроля имеет высокую трудоемкость (к примеру, один сотовый заполнитель длиной 600 мм и шириной 600 мм с шестигранными ячейками с размером грани ячейки 8 мм может иметь около 1900 ячеек), при этом отсутствует повторяемость, имеет место невысокая точность такого контроля, протокол контроля заполняется и оформляется вручную.
К процессу производства некоторых изделий из сотовых заполнителей, например, к геометрии ячеек (объекту), предъявляются определенные требования. Перед изготовлением сотовых заполнителей с мембранными крышками необходимо оперативно, с высокой точностью и повторяемостью выполнить полный контроль геометрии каждой ячейки и сотового заполнителя в целом и выдать результаты в электронном виде в систему управления автоматизированного или роботизированного комплекса. Полученные данные необходимы: для оценки соответствия ячеек сотового заполнителя и сотового заполнителя в целом для возможности автоматизированной вставки мембранных крышек, для оценки и выбора диаметра насадка к инструменту, осуществляющему вставку мембранных крышек внутрь ячеек, из набора сменных насадков, для создания выкройки мембранных крышек с лепестками индивидуально по типу, форме и размерам под каждую ячейку сотового заполнителя, для оценки координат центра ячеек сотового заполнителя (необходимы для инструмента вставки мембранных крышек) и другое.
Известен способ контроля профиля изделия и устройство для его осуществления (Патент RU №2263879, МПК G01B 11/24, 21/20, опубл. 10.11.2005). В известном изобретении задача контроля качества изготовления изделия реализуется направлением на поверхность изделия светового излучения и прием фотоприемниками отраженного от исследуемой поверхности излучения. Для формирования профиля поверхности изделия, исследуемый объект перемещают относительно источника светового излучения с помощью двухкоординатного стола. Полученный таким способом профиль изделия сравнивают с эталонными значениями после чего делают заключение о соответствии изделия требованиям качества.
Недостатком известного способа является отсутствие возможности трехмерного контроля изделия, позволяющего детальнее и точнее оценить форму и геометрию изделия. В известном способе сканирование осуществляется только по выбранным сечениям (осевым и основным), таким образом, для получения информации о профиле всего изделия необходимо выполнить сканирование большого количества сечений, что существенно сказывается на времени выполнения операции контроля изделия.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату и выбранным за прототип является автоматизированная система осмотра 3D контроль (Патент RU №2718769, МПК B61K 9/02, опубл. 18.11.2019) заключающийся в том, что для трехмерного контроля объекта применяют систему камер и лазерных сканеров, данные, полученные от сканирующего оборудования и камер, обрабатываются в модуле обработки сигналов и визуализируются, создавая, в результате, трехмерную модель объекта, геометрия и форма поверхности полученной трехмерной модели сопоставляется с результатами предыдущих этапов аналогичного контроля, на основании полученных данных система в автоматическом режиме формирует заключение о превышении или допустимости габаритных значений объекта.
Недостатком прототипа является применение большого количества датчиков, камер и сканирующего оборудования, что, может увеличивать точность контроля, однако, в существенной мере, усложняет систему и неизбежно приводит к ее удорожанию. Кроме того, учитывая специфику работы системы, контролируются только габаритные параметры объекта, отсутствует возможность контроля геометрии и формы отдельных его элементов.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении предлагаемого изобретения, является недостаточная точность и надежность результатов измерения, отсутствие возможности сокращения времени процесса измерения, в конечном итоге, повышенный брак в готовых изделиях при производстве сотовых звукопоглощающих панелей.
Технической задачей заявляемого изобретения является повышение надежности измерения геометрии сотовых ячеек и сотовых панелей, сокращение времени измерения, повышение качества звукопоглощающих конструкций в целом, снижение количества брака в готовых изделиях при производстве сотовых звукопоглощающих панелей.
окр
яч.
окр
яч.
2
2
Техническая проблема решается тем, что в способе измерения геометрии сотовых ячеек и сотовых панелей, заключающемся в том, что применяют сканирующее оборудование, полученные данные обрабатываются в модуле обработки сигналов и визуализируются, создавая трехмерную модель, на основании поступивших данных система формирует заключение о габаритных размерах объекта, согласно изобретению, дополнительно для сотовых ячеек определяют условие геометрии 0,65<S/S<0,91, где S- площадь вписанной в ячейку окружности, мм, S- площадь сечения ячейки, мм, для чего применяют рабочий стол, а также применяют фронтальную и/или боковую подсветку для сканирования, сотовые ячейки или сотовую панель подают на рабочий стол, выполняют сканирование, данные от сканирующего оборудования поступают в модуль обработки сигналов, где из полученной трехмерной модели сотовых ячеек или сотовой панели производят распознавание геометрии структуры сотовых ячеек или сотовой панели, выполняют геометрические построения, расчеты и визуализируют результаты работы в виде отчета, содержащего информацию о проведенных расчетах и делают заключение о соответствии геометрии сотовой ячейки заданным в программе параметрам геометрии и делают вывод о результате измерения геометрии сотовой ячейки и в целом сотовой панели.
Кроме того, согласно изобретению, выделяют одну или несколько областей сотовой панели для выборочного контроля ячеек.
Кроме того, согласно изобретению, сканирующее оборудование выполнено в виде бесконтактной лазерной системы 3D контроля.
Кроме того, согласно изобретению, в качестве бесконтактной лазерной системы применяют 2D лазерные триангуляционные датчики.
Кроме того, согласно изобретению, сканирующее оборудование выполнено в виде бесконтактной оптической системы 3D контроля.
Кроме того, согласно изобретению, в качестве бесконтактной оптической системы контроля применяют широкоформатный плоттерный сканер, оптический 3D сканер, камеру или набор камер технического зрения.
Кроме того, согласно изобретению, для размещения сканирующего оборудования рабочий стол содержит кронштейн на вертикальной стойке с возможностью поворота относительно плоскости рабочего стола.
Кроме того, согласно изобретению, рабочий стол содержит подвижные элементы для перемещения объекта относительно сканирующего оборудования.
Кроме того, согласно изобретению, сканирующее оборудование размещено на портальной установке.
Кроме того, согласно изобретению, сканирующее оборудование размещено на промышленном роботе-манипуляторе.
окр
яч.
окр
яч.
2
2
В отличии от прототипа, дополнительно для сотовых ячеек определяют условие геометрии 0,65<S/S<0,91, где S- площадь вписанной в ячейку окружности, мм, S- площадь сечения ячейки, мм, для чего применяют рабочий стол, а также применяют фронтальную и/или боковую подсветку для сканирования, сотовые ячейки или сотовую панель подают на рабочий стол, выполняют сканирование, данные от сканирующего оборудования поступают в модуль обработки сигналов, где из полученной трехмерной модели сотовых ячеек или сотовой панели производят распознавание геометрии сотовых ячеек или сотовой панели, выполняют геометрические построения, расчеты и визуализируют результаты работы в виде отчета, содержащего информацию о проведенных расчетах и делают заключение о соответствии геометрии сотовой ячейки заданным в программе параметрам геометрии и делают вывод о соответствии результата измерения геометрии сотовой ячейки и сотовой панели в целом заданному критерию годности.
Изобретение повышает надежность измерения геометрии сотовых ячеек и сотовых панелей, обеспечивает возможность сокращения времени процесса измерения, определяет годность сотовых панелей и повышает качество звукопоглощающих конструкций в целом, снижает количество брака в готовых изделиях при производстве сотовых звукопоглощающих панелей, повышает производительность процесса изготовления звукопоглощающих конструкций.
В предлагаемом способе сотовый заполнитель в виде сотовых ячеек и сотовых панелей подают на рабочий стол, сканирующим оборудованием сканируют сотовый заполнитель, полученные данные со сканирующего оборудования передаются по сети в модуль обработки сигналов, установленный в ПЭВМ. По результатам работы модуля обработки сигналов формируют отчет о проведенных расчетах и предоставляется вывод о годности или непригодности каждой ячейки сотового заполнителя и всего сотового заполнителя в целом. Рабочий стол для размещения объекта исследования (сотовой панели, сотовой ячейки) может быть выполнен с неподвижным основанием (стационарно) или иметь в своей конструкции подвижные элементы для перемещения объекта исследования относительно сканирующего оборудования в зависимости от типа сканирующего оборудования (оптический или лазерный) и геометрии самого объекта. Для лучшего восприятия сканирующим оборудованием элементов исследуемого объекта, рабочий стол оборудован подсветкой, которая обеспечивает фронтальный, расположенный над или под сотовой панелью, и/или боковой свет.Источник света может быть выполнен в виде прожекторов, ламп, светодиодных лент видимого и инфракрасного спектра излучения. Размещение сканирующего оборудования может быть выполнено, например, на кронштейне на вертикальной стойке над объектом исследования с возможностью поворота оборудования относительно плоскости рабочего стола или выполнено, например, на портальной установке или на промышленном роботе-манипуляторе для возможности перемещения сканирующего оборудования относительно объекта исследования. Модуль обработки сигналов, полученных по сети от сканирующего оборудования, представляет собой программу для ЭВМ (ПЭВМ), суть работы которой заключается в распознавании ячеек сотовой панели, выполнении геометрических построений, расчетов и визуализации результатов работы в виде отчета, содержащего информацию о проведенных расчетах и итоговое заключение о соответствии геометрических параметров ячейки заданным в программе параметрам и формирует вывод о пригодности каждой конкретной ячейки и всей сотовой панели в целом. Модуль обработки сигналов также может быть установлен на отдельном компьютере (ноутбуке) или встроен в систему управления автоматизированного или роботизированного комплекса.
окр
яч.
окр
яч.
2
2
Для ячейки выполняют условие геометрии 0,65<S/S<0,91, где S- площадь вписанной в ячейку окружности, мм, S- площадь сечения ячейки, мм.
Обеспечение стабильности геометрии сотовых ячеек сотового заполнителя является важным и трудоемким процессом, который влияет на итоговое качество ЗПК.
Например, если отношение Sокр/Sяч равно 0,65, то имеется значительное отклонение геометрии ячейки от регулярной структуры (нерегулярная структура).
Например, если отношение Sокр/Sяч равно 0,80, то ячейка имеет более регулярную структуру (правильную) геометрию, позволяющую выполнить качественную приклейку выкройки мембранной крышки.
Например, если отношение Sокр/Sяч равно 0,87, то форма ячейки еще более близка к регулярной структуре (правильной), что позволяет обеспечить высокое качество приклейки мембранной крышки любой формы и стабильность акустических характеристик ЗПК.
Изобретение позволяет обеспечить автоматизированный контроль качества изготовления сотовых панелей, снизить количество бракованных изделий, поступающих на производство, повысить производительность процесса изготовления звукопоглощающих конструкций за счет исключения операций ручного или органолептического контроля.
На фиг. 1 представлены обозначения площадей шестигранной сотовой ячейки правильной формы и вписанной в нее окружности, определяющие условие геометрии с заданными геометрическими характеристиками.
На фиг. 2-4 представлены примеры сечений сотовых заполнителей (форма ячеек шестигранная) с нерегулярной структурой ячеек.
На фиг. 5 и 6 представлены примеры сечений сотовых заполнителей (форма ячеек шестигранная) с регулярной структурой ячеек.
На фиг. 7 представлен пример 3D поверхности сотового заполнителя, полученный с помощью сканирующего оборудования.
На фиг. 8 представлен пример сечения сотового заполнителя (форма ячеек шестигранная) с нумерацией ячеек.
На фиг. 9 представлен пример сечения сотового заполнителя (форма ячеек шестигранная), программное обеспечение вписало окружность максимального диаметра в каждую ячейку (нумерация ячеек не показана).
На фиг. 10 представлен пример графика (гистограммы), дающий визуальное и численное представление о разбросе геометрии ячеек (к примеру, распределение количество ячеек с тем или иным максимальным диаметром вписанной окружности).
На фиг. 11 представлен пример визуального представления результата о годности каждой ячейки в зависимости от заданного критерия годности.
На фиг. 12 и 13 представлены варианты исполнения рабочего стола, дополнительной подсветки и размещения сканирующего оборудования.
Способ измерения геометрии структуры сотовых ячеек и сотовых панелей, в котором сотовый заполнитель подают на рабочий стол (фиг. 12, 13), далее сканирующим оборудованием сканируют сотовую панель в 2D (фиг. 5) или 3D (фиг. 7). Сканирующее оборудование может представлять собой бесконтактную лазерную (к примеру, один или несколько 2D лазерных триангуляционных датчиков LMI Gocator 3200 series, установленных на устройстве перемещения, для выполнения сканирования всей поверхности сотового заполнителя и получения 3D поверхности объекта измерения) или бесконтактную оптическую систему контроля (к примеру, оптический 3D сканер, например, типа GOM ATOS, широкоформатный плоттерный сканер, например, VersaScan 3650, камеру или набор камер технического зрения. Полученные данные со сканирующего оборудования автоматически обрабатываются в модуле обработки (например, выделяют необходимые области, удаляют лишнюю информацию, выполняют преобразования цвета изображения, выполняют построения плоскостей, сечений и примитивов, выполняют геометрические построения и измерения, вычисляют площадь ячейки, диаметр максимальной вписанной окружности в ячейку, площадь максимальной вписанной окружности).
окр
яч
В предлагаемом способе работа модуля обработки строится следующим образом: со сканирующего оборудования в модуль обработки по сети передают сканированное изображение/поверхность сотового заполнителя, производят построение сечения/фронтального вида сотового заполнителя (фиг. 1-5), модуль обработки в автоматическом режиме определяет контур каждой ячейки (фиг. 7), нумерует каждую ячейку (например, по порядку начиная с 1 или буквенно-цифровым обозначением (фиг. 7), вписывает в ячейки окружность максимального диаметра (фиг. 7 и 8), максимальный диаметр рассчитывается на основе размеров ячейки, выполняет расчет соотношения площади максимальной вписанной в ячейку окружности к площади данной ячейки S/S, выполняет автоматический контроль качества геометрии ячеек сотового заполнителя (к примеру, определяет размеры сторон профиля ячейки или определяет габаритные размеры, криволинейность плоских поверхностей и/или краев/торцов сотового заполнителя), выполняет сравнение с заданными критериями, критерий годности ячейки задается в виде диапазонов значений, представленных в виде численного соотношения площади максимальной вписанной в ячейку окружности к площади ячейки, критерий годности панели сотового заполнителя задается в виде минимального значения процента годных ячеек в общем количестве ячеек сотового заполнителя, который определяется экспериментально в условиях опытного производства.
окр
яч
На основе заданных критериев модуль обработки предоставляет вывод о годности каждой ячейки в отдельности и сотового заполнителя в целом и формирует отчет, который может содержать, например, текст, таблицы, рисунки, графики (фиг. 10), информацию по каждой ячейке (к примеру, номер ячейки по порядку, радиус/диаметр максимальной вписанной окружности в ячейку, площадь максимальной вписанной окружности в ячейку, площадь ячейки, координаты центра окружности, соотношение площади максимальной вписанной окружности в ячейку к площади данной ячейки S/S, вывод о годности ячейки), вывод о годности или негодности всей панели сотового заполнителя, изображение сечения сотового заполнителя с пронумерованными ячейками, окрашенными в соответствующие заданным критериям годности цвета (к примеру, применительно к задаче выходного контроля сотовых заполнителей на производстве сотовых заполнителей: зеленый - годные, красный - негодные, к задаче входного контроля сотовых заполнителей перед изготовлением сотового заполнителя с мембранными крышками (колпачками): зеленый - годные для автоматической вставки мембранных крышек, желтый - годные для ручной вставки мембранных крышек, красный - не годные для ручной и автоматической вставки мембранных крышек, (фиг. 11) и прочее.
По окончании контроля выполняется сортировка сотовых панелей по группам (к примеру: годные, негодные, годные для автоматической вставки мембранных крышек, годные для ручной вставки мембранных крышек, не годные для ручной и автоматической вставки мембранных крышек).
Способ измерения геометрии структуры сотовых ячеек и сотовых панелей успешно прошел экспериментальные испытания в опытном производстве предприятия и в настоящее время внедряется в производстве, обеспечивая повышение надежности измерения геометрии структуры сотовых ячеек и сотовых панелей, обеспечение возможности сокращения времени процесса измерения, повышение качества звукопоглощающих конструкций в целом, снижение количества брака в готовых изделиях при производстве сотовых звукопоглощающих панелей. Также повышается производительность процесса изготовления звукопоглощающих конструкций за счет исключения операций ручного или органолептического контроля.
Таким образом, выполнение предлагаемого изобретения с вышеуказанными существенными признаками в совокупности с известными признаками, повышает надежность измерения геометрии сотовых ячеек и сотовых панелей, позволяет снизить количество бракованных изделий, поступающих на производство, повысить производительность процесса изготовления звукопоглощающих конструкций за счет исключения операций ручного или органолептического контроля, повысить надежность и снизить временные затраты выполняемых измерений.