[1]Область техники, к которой относится изобретение
[2]Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к средствам для позиционирования объектов сложной формы в пространстве, и может быть использовано для сборки, контроля и измерений сложных пространственных конструкций, например, трубопроводов, ферм, стержневых конструкций и других составных изделий, требующих высокой точности позиционирования составных элементов.
[4]Из уровня техники известно большое количество средств для позиционирования объектов в пространстве.
[5]В качестве наиболее близкого аналога выбрано известное средство позиционирования объектов в пространстве, раскрытое в патентном документе SU №1747866 (G01B 5/20, опубликовано 15.07.1992). Данное известное устройство содержит стойки, выполненные на базе стандартных штангрейсмусов. Устройство состоит из рамы основания с отверстиями на торцах и боковых стенках, базовых и концевых фиксаторов положения, а также подвижных вдоль рамы поперечных балок с опорными штангрейсмусами. Конструкция данного приспособления позволяет гибко и бесступенчато менять координаты узлов базирования с одновременным определением отклонений угловых и линейных координат элементов трубопровода. При работе элементы приспособления выставляются в соответствие с чертежом или шаблоном трубопровода, после чего на него устанавливается контролируемый трубопровод. Недостатком данного известного средства является высокая трудоемкость настройки приспособления. Кроме этого, в настоящее время, при переходе к безбумажным (цифровым) технологиям производства, применение шаблонов недопустимо.
[7]Задачей, на решение которой направлена настоящее изобретение, является создание средства, позволяющего позиционировать сложно-пространственные изделия или их компоненты с высокой точностью и производительностью.
[8]В ходе решения данной задачи достигается совокупность технических результатов: уменьшение времени настройки устройства и собственно позиционирования; возможность исключить шаблоны для настройки устройства; повышение универсальности и расширение сферы применения; возможность автоматизации настройки и компьютеризации позиционирования.
[9]Данная совокупность технических результатов достигается тем, что способ позиционирования объектов в пространстве состоит в том, что:
[10]- в базовых отверстиях координатного стола устанавливают необходимое количество регулируемых стоек, удерживающих позиционируемый объект, при этом каждая из стоек содержит модули углового и/или прямолинейного перемещения, а также элемент для удержания объекта;
[11]- устанавливают на каждом упомянутом модуле стойки метку, позволяющую определять ее положение в пространстве с помощью средств бесконтактных измерений;
[12]- создают цифровой прототип потребного расположения в пространстве позиционируемого объекта, представляющий собой трехмерную пространственную модель, включающую модель самого объекта/объектов, стоек, координатного стола;
[13]- используя упомянутый цифровой прототип выводят на экран визуальную информацию о потребном расположении позиционируемого объекта;
[14]- определяют положение каждой упомянутой метки с помощью средств бесконтактных измерений;
[15]- производят настройку положения каждого упомянутого модуля стойки, совмещая реальное положение каждой метки, установленной на модуле, с положением, заданным в цифровом прототипе. Совмещение производится с использованием бесконтактной системы измерения. Текущее и требуемое положение метки отображается для оператора на средстве визуализации, например, на дисплее, либо на экране очков дополненной реальности.
[16]Указанная совокупность технических результатов достигается также тем, что система для позиционирования объектов в пространстве содержит:
[17]- координатный стол с базовыми отверстиями для установки стоек, причем отверстия могут быть любой формы включая паз;
[18]- основание с установленной в нем стойкой, при этом в основании размещается механизм прямолинейного перемещения стойки и фиксатор ее положения;
[19]- по крайней мере, одну стойку, имеющую сменный элемент для удержания объекта, связанный со стойкой посредством, по крайней мере, одного соединительного модуля, выбранного из группы: модуль углового перемещения, модуль прямолинейного перемещения;
[20]- каждый модуль выполнен с возможностью регулировки перемещения. При этом он может быть выполнен с возможностью как грубой так и точной регулировки перемещения, либо с возможностью только грубой либо только точной регулировки;
[21]- на модулях установлены метки, позволяющие определять его положение в пространстве с помощью средств бесконтактных измерений. Метки могут быть установлены на каждом модуле или на отдельных выбранных оператором модулях;
[22]- система снабжена средствами бесконтактных измерений положения каждого модуля и средствами визуализации, например, экраном, либо очками с встроенным дисплеем для визуализации информации о положении позиционируемого объекта.
[23]Отличительной особенностью данного изобретения является то, что используются сменные модули прямолинейного и углового перемещений, способные соединяться между собой и с элементом для удержания объекта для образования устройства необходимой конфигурации. Размещенные на модулях метки позволяют определять их положение в пространстве и сравнивать его с положением соответствующих точек цифровой модели (прототипа) размещения в пространстве позиционируемого объекта.
[24]Краткое описание фигур чертежей
[25]На ФИГ. 1 - ФИГ. 4 показаны конфигурации стоек при различном сочетании модулей.
[26]На ФИГ. 5 показан общий вид модуля угловых перемещений.
[27]На ФИГ. 6 показан общий вид модуля прямолинейных перемещений.
[28]На ФИГ. 7 показана сборка модуля угловых перемещений и модуля прямолинейных перемещений.
[29]На ФИГ. 8 показана система в сборе.
[30]Осуществление изобретения
[31]Система для позиционирования объекта в пространстве содержит координатный стол 1 с базовыми отверстиями для установки стоек 3. Стойка 3 устанавливается в основание 2 с возможностью настройки по высоте. В этом случае основание 2 представляет собой модуль, в котором размещается механизм прямолинейного перемещения стойки 3 и фиксатор ее положения. Основание 2 с установленной в нем стойкой 3 закрепляется в базовом отверстии координатного стола 1 или, в качестве альтернативы, на любой иной базовой конструкции (например, сборочного стенда), где необходимо осуществить позиционирование объекта.
[32]Крепление стойки 3 в основании 2 и само основание 2 могут быть выполнены любым известным способом, например, в виде конуса Морзе. Механизм прямолинейного перемещения стойки и фиксатор могут также быть выполнены любым известным способом, например, в виде пары шестеренка-зубчатая рейка или винт-гайка.
[33]Стойка 3 содержит сменный элемент для удержания позиционируемого объекта. Сменный элемент для удержания объекта может быть выполнен в виде средства 6, исключающего степени свободы у объекта. В качестве элемента для удержания могут использоваться патроны различных типов (трехкулачковые, четырехкулачковые), грибовидные фланцы, центрирующие конические упоры. Выбор элемента для удержания определяется конструкцией позиционируемого объекта.
[34]В случае позиционирования объекта типа «круглая труба» могут применяться грибовидные фланцы или ступенчатые диски. При этом труба фиксируется от перемещения в осевом направлении упором торца трубы в грибовидный выступ фланца или ступенчатый переход диска, а перемещения в радиальном направлении ограничиваются тем, что труба одевается внутренним диаметром на выступ фланца или диска меньшего диаметра. Также могут применяться центрирующие конические упоры, при этом упор центрируется по внутреннему диаметру трубы.
[35]При работе с профильной трубой можно использовать все фиксирующие элементы, которые используются для работы с круглой трубой с поправкой на сечение трубы, т.е. упоры и фланцы повторяют профильное сечение трубы или имеют внутренние непараллельные контактные площадки, вместо трехкулачкового патрона используется четырехкулачковый.
[36]Для фиксации других элементов металлоконструкций типа «рамы» и «фермы», таких как уголок, швеллер или тавр, необходимо использовать упорные элементы, ограничивающие их перемещение по всем координатам - плиты с закрепленными на них упорами, пальцами или профильными накладками.
[37]В зависимости от поставленных задач элемент для удержания объекта может быть выполнен в виде средства 7, допускающего перемещение объекта по некоторым степеням свободы. В качестве таких удерживающих средств могут использоваться различные ложементы, призмы, прямоугольные упоры или угольники.
[38]При любом варианте исполнения, элемент для удержания объекта выполняется съемным с возможностью его замены, что позволяет расширить функциональные возможности устройства, упростить его настройку и уменьшить трудоемкость операций позиционирования.
[39]Элемент для удержания позиционируемого объекта соединен со стойкой 3 посредством, по крайней мере, одного соединительного модуля, выбранного из группы: модуль 4 углового перемещения, модуль 5 прямолинейного перемещения.
[40]Модуль 4 углового перемещения содержит основание 8, поворотное основание 9, приводимое в движение механизмом 10 углового перемещения и средства присоединения модуля к другим элементам (ФИГ. 5).
[41]Модуль 5 прямолинейного перемещения содержит корпус 11, средства присоединения модуля к другим элементам, при этом в корпусе 11 размещается стержень 12, механизм его прямолинейного перемещения и фиксатор 13 положения стержня (ФИГ 6).
[42]Каждый модуль 4 и 5 выполнен с возможностью грубой и точной регулировки, соответственно углового или прямолинейного, перемещения.
[43]Модуль 4 углового перемещения, который может быть также назван поворотным или вращательным, может иметь цилиндрическую форму, как показано на ФИГ. 5. Он устанавливается одним из своих оснований 8, например, на вертикальную стойку 3 или стержень 12 модуля 5 прямолинейного перемещения. На верхнем торце модуля 4 углового перемещения размещается посадочный фланец с крепежными элементами для закрепления и базирования присоединяемого модуля 5 прямолинейного перемещения. Для присоединения к стойке 3 или стержню 12 модуль 4 комплектуется сменным фланцем нужного размера. Конструкция позволяет осуществлять точный поворот модуля 5, закрепленного на поворотном основании 9 модуля 4, относительно вертикальной стойки 3 или стержня, закрепленных со стороны основания 8. Для осуществления точного поворота в модуле 4 смонтирован механизм точного поворота на базе червяной пары или планетарного редуктора. При этом поворотное основание 9 связано блокировкой с червяным колесом или водилом планерного редуктора. При необходимости ускоренного поворота (грубой настройки) поворотное основание 9 разблокируется от червячного колеса или водила, после чего вручную поворачивается относительно основания 8 модуля 4.
[44]В модуле 5 прямолинейного перемещения производится перемещение стержня 12 вдоль его оси без возможности его поворота. Стержень 12 может иметь круглое сечение с выбранной по всей длине лыской, как показано на ФИГ. 6. Базовым элементом модуля 5 является корпус 11, в частности прямоугольной формы. Внутри корпуса 11 установлен механизм прямолинейного перемещения и башмак, который при совмещении с лыской направляющей обеспечивает ее фиксацию от поворота и создает необходимый натяг в радиальном направлении. В механизме прямолинейного перемещения фрикционного типа или типа «шестерня - зубчатая рейка» перемещение производится вращением валика или шестерни совмещенного с маховиком. В корпусе 11 предусмотрен стопорный винт 13 для зажима стержня 12 в необходимом положении. На корпусе 11, параллельно оси движения стержня, предусмотрен присоединительный фланец с крепежными элементами для присоединения корпуса 11 к другому модулю или элементу устройства.
[45]На каждом модуле 4 и 5 установлена идентификационная метка, позволяющая определять положение соответствующего модуля в пространстве с помощью бесконтактного метода измерений.
[46]Отличительной особенностью конструкции устройства по настоящему изобретению является размещение на модулях 4 и 5 (в качестве одного из вариантов осуществления метки могут устанавливаться на основании 2 стойки 3 и элементе для удержания позиционируемого объекта) сменных идентификационных меток, которые позволяют отслеживать положение каждого модуля в пространстве при помощи бесконтактных методов измерения - фотометрических, фотограмметрических, оптико-электронных, лазерных или других. В зависимости от использованного метода выбирается тип идентификационной метки. Каждой метке присваивается уникальный номер в используемой системе измерений.
[47]Используемые метки могут имеют унифицированные посадочные поверхности в виде цилиндрического пальца с ограничительным фланцем. При таком исполнении метки устанавливаются в основание 2 стойки 3 или модули 4, 5 устройства в специальные гнезда с центральным отверстием для пальца и цилиндрическим углублением вокруг него. При установке метки в гнездо ее утапливают в цилиндрическое углубление до упора. Возможны и иные способы установки меток на элементы устройства.
[48]Устройство снабжено средствами 14 бесконтактного измерения положения каждого модуля. Выбор данных средством определяется типом применяемой идентификационной метки. Идентификационная метка и средства 14 бесконтактного измерения образуют бесконтактную контрольно-измерительную систему, которая может быть выполнена любым известным образом.
[49]Система снабжена экраном 15, на который выводится информация о позиционировании объекта. Так, на экран 15 может выводится цифровая модель (прототип), наглядно показывающая какое положение в пространстве должен принять объект.
[50]Применение метода бесконтактных измерений позволяет производить настройку положения элемента для удержания позиционируемого объекта с использованием цифрового прототипа изготавливаемого или контролируемого изделия (трубопровода, рамы, фермы и др.). Используя экран 15 с выводимой на него визуальной информацией, настройщик может производить настройку положения каждого модуля стойки до совмещения положения объекта в цифровом прототипе и измеряемого фактического положения объекта.
[51]Система реализует следующий способ позиционирования объекта.
[52]В базовых отверстиях координатного стола 1 устанавливают необходимое количество регулируемых стоек 3, удерживающих позиционируемый объект (как показано на ФИГ. 8). Каждая из стоек 3 содержит модули 4, 5 углового и/или прямолинейного перемещения, а также элемент 1 для удержания объекта.
[53]Устанавливают на каждом упомянутом модуле 4, 5 стойки 3 метку, позволяющую определять положение модуля 4, 5 в пространстве с помощью средств бесконтактных измерений 14.
[54]Создают цифровой прототип потребного расположения в пространстве позиционируемого объекта. Такой цифровой прототип представляет собой цифровой чертеж объекта и может быть выполнен в любом пригодном для этой цели компьютерном приложении (CAD программе, и др.).
[55]Используя упомянутый цифровой прототип (трехмерную модель) выводят на экран 15 визуальную информацию о потребном расположении позиционируемого объекта.
[56]Определяют положение каждого упомянутого модуля 4, 5 с помощью средств бесконтактных измерений 14.
[57]Производят настройку положения каждого упомянутого модуля 4, 5 стойки 3, совмещая положение каждой метки, установленной на модуле, с изображенной на экране 15 соответствующей точкой цифрового прототипа.
[58]Таким образом, предлагаемая конструкция системы в соответствии с настоящим изобретением обладает значительными преимуществами по сравнению с известными аналогами.
[59]Модульная конструкция системы позволяет собирать различные ее варианты с необходимым количеством настраиваемых координат, что позволяет осуществлять удержание деталей собираемых конструкций любой сложности. Применение в модулях 4 и 5 грубой и точной настройки позволяет производить настройку конечного положения удерживаемых объектов за минимальное время и с необходимой точностью. Использование для удержания деталей собираемых конструкций сменных конечных элементов позволяет расширить функциональные возможности устройства. Использование в конструкции стойки быстросменных идентификационных (измерительных) меток, пространственные координаты которых могут быть измерены с необходимой точностью средствами бесконтактных измерений (фотограмметрическими, лазерными и др.), позволяют осуществить автоматизацию и компьютеризацию работы устройства. Возможность устанавливать стойку на широко распространенные столы с сеткой базовых отверстий расширяет область применения устройства.
