Маркер устройства для отслеживания формы изделия

Полезная модель относится к области производства и эксплуатации объектов, подверженных статическим и динамическим нагрузкам и вследствие этих нагрузок меняющих свою форму и свойства (со сложной формой поверхности, низкой жесткостью, без выраженных базовых поверхностей).
Известно устройство для бесконтактных измерений геометрических параметров объекта, включающее средство нанесения маркеров на поверхность исследуемого объекта, устройство регистрации центральной проекции маркеров в виде изображения, средство определения параметров внешнего ориентирования устройства регистрации центральной проекции, блок измерения координат проекций маркеров на изображении и блок вычисления искомых геометрических параметров объекта (см. A.W. Burner, N. Liu. «Videogrammetric Model Deformation Measurement Technique». Journal of Aircraft, vol. 38, No.3, 2001).
Недостаток устройства заключается в том, что предусматривается измерение только координат точек поверхности объекта в пространстве, при этом, для нахождения обобщенных параметров из измеренных координат требуются дополнительные данные, дополнительные процедуры и дополнительные вычисления, что приводит к возрастанию погрешности измерений. Это особенно проявляется при оптимизации результатов исследований, так как измерение координат точек без учета модели процесса требует одних критериев оптимизации, а привязка процесса к координатам - других. И эти критерии оптимизации часто оказываются взаимно несовместимыми, что зачастую может приводить к конфликтам в многомерной минимизации и, как следствие, к неконтролируемым ошибкам измерений и снижению их достоверности.
Известен также маркер устройства для отслеживания формы изделия, выполненный в виде геометрического объекта, с возможностью фиксации на изделии в процессе его производства (см. RU №2551396, МПК G01B 11/16, G01B 11/25, G01C 11/00, 2015).
Недостаток устройства заключается в том, что оно способно обеспечить только сопровождение производственных операций в процессе изготовления изделия (контроль деформаций, в процессе изготовления и монтажа, как изделия, так и деформаций деталей стапеля) или испытаний изделия для получения его каких-либо эксплуатационных характеристик, и не обеспечивает отслеживание формы изделия в течение его жизненного цикла и поддержку ремонтно-эксплуатационных работ.
Задача, на решение которой направлена заявленная полезная модель, выражается в обеспечении, как отслеживания формы изделия в процессе его производства, но и на последующем этапе его жизненного цикла и поддержке ремонтно-эксплуатационных работ.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является обеспечение поддержки процесса производства изделия и его ремонтно-эксплуатационных работ за счет обеспечения сохранности маркера.
Технический результат достигается тем, что маркер устройства для отслеживания формы изделия, выполненный в виде геометрического объекта, с возможностью фиксации на изделии в процессе его производства, отличается тем, что маркер выполнен в виде выпуклого осесимметричного тела с плоским основанием с локализованной на нем реперной точкой, кроме того, маркер выполнен с возможностью сохранения и дистанционного считывания с него информации произвольного содержания, для чего его основание снабжено слоем магнитного напыления, при этом ось симметрии маркера проходит через его реперную точку. Кроме того, маркер выполнен с возможностью сохранения и дистанционного считывания с него, например, указания на привязку точки установки маркера к математической модели поверхности изделия и/или индивидуальные данные детали и сборочной единицы, и/или другую информацию, связанную с жизненным циклом изделия.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Совокупность признаков формулы полезной модели обеспечивает поддержку процесса производства изделия и его ремонтно-эксплуатационных работ за счет обеспечения сохранности маркера.
Работа устройства иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показана «работа» маркеров на этапе обработки припусков и сверления отверстий на литой или выклеенной детали; на фиг. 2 показан маркер на этапе сборки изделия на стапеле; на фиг.3 показана «работа» маркеров на этапе измерения деформации изделия под нагрузкой; на фиг.4 показана «работа» маркеров на этапе отслеживания деформации объекта по маркерам в течение жизненного цикла; на фиг.5 показано использование информации зафиксированной на маркере при идентификации, поиске, хранении и замене узлов и деталей.
На чертежах показаны 1 - маркер, 2 – контур обрезки детали, 3 – отверстия, 4 – деталь, 5 - изделие, 6 - стапель, 7 - измерительное устройство, 8 - паспорт деформаций, 9 - слой магнитного напыления, 10 – основание, 11 – реперная точка, 12 - ось симметрии репера.
Маркеры 1 представляют собой выступающую геометрическую фигуру (конус, пирамида и т.п.), при этом реперная точка 11 локализована на основании 10 маркера. При этом, ось симметрии маркера 12 проходит через его реперную точку 11. Маркеры выполнены легко выделяемыми при автоматическом сканировании и распознавании и обеспечивают возможность восстановления ориентации нормали конуса по частично разрушенному маркеру. Кодирование информации непосредственно в маркере 1 может осуществляться любым известным способом, например, нанесением механической штриховки, слоя магнитного напыления 9, изменением его размера или формы.
В качестве стапеля 6 используют известную пространственную жесткую конструкцию, размеры которой обеспечивают возможность размещения изготавливаемых деталей 4 или сборку изделия 5 (при отсутствии деформаций под весом изделия).
Для считывания маркеров 1 используют измерительное устройство 7, смонтированное на устройство перемещения рабочего органа станка или робота с рабочим инструментом (на чертежах не показано). В качестве измерительного устройства 7 может использоваться: лазерный сканер, лазерный трекер, контактный щуп, магнитная головка, устройство технического зрения и т.п. известные устройства.
Система маркеров 1 позволяет представить поверхность детали 4 или изделия 5 с необходимой для представления поверхности точностью.
Маркеры 1 первоначально можно создавать на оснастке (на чертежах не показана), используемой для изготовления детали 4 и переносят на нее копированием или вклеиванием в специально формируемые на поверхности детали 4 углубления (на чертежах не показаны), получаемые при контакте поверхности детали 4 с маркерами 1, инвертно сформированными (или закрепленными) на оснастке. Причем изготовленную или измеренную с большой точностью поверхность оснастки с маркерами 1 используют, как основу базовой математической модели, применяемой при обработке всех изготовленных с ее помощью деталей 4.
Таким образом, на трёхмерной поверхности детали 4 и ее математической модели (оснастке) формируют маркеры 1, как дополнительные элементы поверхности, легко выделяемые при автоматическом сканировании посредством измерительного устройства 7 и распознавании, местоположение которых, заранее задано.
Такие же маркеры размещают на поверхности стапеля 6. Далее в процессе измерений известным образом фиксируют координаты положения точек маркеров 1 на поверхности детали 4, всего изделия 5 в целом и на стапеле 6 с заданной погрешностью. Кроме того, каждый маркер 1 привязывают к соседним с ним маркерам 1, как этой же, так и соседних деталей. Эту информацию фиксируют известным образом в цифровой форме.
Таким образом, получают совокупность маркеров, с известной точностью привязанных к математическим моделям деталей, сборочных единиц, изделию, оснастке, используемой в технологическом процессе и стапелю, считывание которой позволяет определить как точную фактическую форму деформированной детали, так и взаимное расположение любых объектов в сборе на протяжении всего жизненного цикла изделия.
Считывание положения маркеров может осуществляться как локально (для определения их взаимного пространственного расположения в окрестности), например, ручным сканером, так и глобально – для целей, например, построения модели большой детали или сборки целиком – при помощи лазерного трекера, специального стенда или мобильного манипулятора.
При частичном повреждении выступающей части маркера (ударов или нечаянным воздействием абразивного инструмента и т.п. известным образом фиксируют параметры наклона  его боковых стенок (т.е. стенок конуса или пирамиды),  что позволяет восстановить ориентацию нормали конуса (оси симметрии 12  репера 1) и, соответственно, местоположение реперной точки 11.
События жизненного цикла изделия (технологические операции и этапы эксплуатации), на которые распространяется измерение геометрических параметров посредством заявленной маркировки следующие:
1. Производство (например, обработка отливок, производство деталей из ПКМ):
- измерение поверхности формообразующих с зафиксированными маркерами, использующихся для отливки/выклейки деталей и сборочных единиц;
- измерение деформаций и усадок заготовок простых деталей с припуском; дефектовка;
- сборка промежуточных сборочных единиц при помощи маркеров (оперативное управление взаимным положением деталей при помощи маркеров);
- измерение деформаций и усадок после застывания отливок/полимеризации сборочных единиц; дефектовка; модели конкретных сборочных единиц при этом хранятся в базе данных и используются для виртуальной сборки, планирования селективной сборки, коррекции сопряженных размеров деталей сборки;
- обрезка литниковой системы, черновая и чистовая обработка отливок, резка больших тонкостенных нежестких заготовок и сборочных единиц на основе маркеров;
- измерение деформаций (выходной контроль после резки).
2. Другие производственные операции:
- измерение деформаций деталей стапеля (в примере на рис.2 – вертолета);
- использование маркеров для настройки (сборки) стапеля;
- использование маркеров для контроля и дефектовки силового набора изделия;
- использование маркеров в процессе установки набора на стапель;
- измерение текущего состояния взаимного пространственного положения деталей набора и стапеля (имеются в виду температурные, силовые и технологические деформации, которые таким образом можно выявить и скомпенсировать непосредственно в процессе сборки);
- использование маркеров для установки деталей оболочек на стапель;
- измерение текущего состояния взаимного пространственного положения деталей набора, оболочек и стапеля;
- измерение результирующей сборки планера;
- использование маркеров для измерения деформаций планера в процессе установки узлов и агрегатов (фиг.3).
3. Эксплуатация:
- использование маркеров для измерения деформаций планера в процессе испытаний и эксплуатации машины (предполетный и иные периодические виды контроля состояния планера с целью сопоставления его с математической моделью и выдачи заключения о допустимости эксплуатации) (фиг.4);
- на основе накопленных статистических данных прогнозирование состояния машины в сборе при произвольной установке агрегатов и вооружения, оперативная проверка прогноза до вылета;
- использование маркировки при расследовании нештатных ситуаций: просканировав локально поверхность летательного аппарата в районе, например, пробоины, можно в полевых условиях получить точную информацию для анализа остаточной прочности планера и агрегатов, а также причин нештатных ситуаций.
4. Хранение, ремонт, утилизация:
- часто бывает затруднительно спустя долгое время определить точное наименование детали для подбора замены, тем более, что при мелкосерийном производстве существует множество модификаций и версий, поэтому дополнительно маркеры могут использоваться для маркировки деталей и сборочных единиц с целью хранения и гарантированного распознавания;
- детали и сборочные единицы авиатехники часто являются составными и чрезвычайно насыщенными в смысле токсичности, пожароопасности и т.п., поэтому знание точного наименования позволит выбрать безопасный и быстрый способ утилизации.
Таким образом, с помощью маркеров может создаваться база данных, непрерывный паспорт состояния изделия в течение всего жизненного цикла. Измерение геометрических параметров генерирует численные данные для оптимизации всех этапов производства и эксплуатации изделия.