ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2026-26-2-436-441ntv-607Research ArticleМАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕMODELING AND SIMULATIONМетрологический анализ бесцентровой схемы контроля овальности крупногабаритных оболочек вращенияAnalysis of a centerless control scheme for profiles of large-sized shells in the process of their shapinghttps://orcid.org/0009-0004-4893-8812ШилинА. Н.ShilinA. N.

Шилин Александр Николаевич — кандидат технических  наук, профессор, профессор

Волгоград, 400005

Aleksandr N. Shilin — PhD, Full Professor

Volgograd, 400005

shanvstu@gmail.comhttps://orcid.org/0009-0000-3123-6524АтаманюкР. Г.AtamaniukR. G.

Атаманюк Рамез Ганиевич — преподаватель

Волгоград, 400005

Ramez G. Atamaniuk — Lecturer

Volgograd, 400005

atamanuk17@gmail.comhttps://orcid.org/0009-0000-5258-5459БесединЕ. Ю.BesedinE. Yu.

Беседин Егор Юрьевич — студент

Волгоград, 400005

Egor Yu. Besedin — Student

Volgograd, 400005

egor_besedin2004@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0004-1444-307XПастуховМ. Р.PastukhovM. R.

Пастухов Михаил Романович — студент; стажер

Волгоград, 400005

Москва, 123376

Mikhail R. Pastukhov — Student, Volgograd State Technical University; Intern

Volgograd, 400005

Moscow, 123376

mixail.nbox@list.ruВолгоградский государственный технический университетРоссияVolgograd State Technical UniversityRussian FederationВолгоградский государственный технический университет; ООО «КНС ГРУПП»РоссияVolgograd State Technical University; KNS GROUP LLCRussian Federation202620042026262436441Copyright © Шилин А.Н., Атаманюк Р.Г., Беседин Е.Ю., Пастухов М.Р., 20262026Шилин А.Н., Атаманюк Р.Г., Беседин Е.Ю., Пастухов М.Р.Shilin A.N., Atamaniuk R.G., Besedin E.Y., Pastukhov M.R.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/607

Введение. Контроль геометрических параметров крупногабаритных обечаек (базовых деталей энергетического и нефтегазового оборудования) является критически важной задачей, определяющей качество и производительность их сборки. Существующие методы, основанные на измерении элементов круга, обладают существенными методическими погрешностями и требуют точного центрирования, что затруднительно для деталей больших габаритов, имеющих отклонения от круглой формы, в первую очередь овальность. Выполнена разработка и метрологический анализ бесцентрового метода контроля диаметра и отклонения от круглости формы, свободного от методических погрешностей и позволяющего повысить точность и эффективность измерений в условиях производства. Метод. В основе метода лежит фундаментальное геометрическое свойство круга, согласно которому его диаметр равен максимальному расстоянию между двумя точками на внутренней поверхности детали. Метод реализован в виде оптико-электронного прибора, содержащего лазерный дальномер, установленный на каретке, перемещающейся по контуру обечайки. Дальномер осуществляет угловое сканирование противоположного участка внутренней поверхности обечайки, а управляющий блок фиксирует массив расстояний и определяет диаметр как максимальное значение в сечении. Конструкция прибора обеспечивает соблюдение принципов Аббе и инверсии, что делает схему измерения инвариантной к погрешностям позиционирования. Для верификации метода проведено компьютерное моделирование процесса измерения для обечаек с овальной формой поперечного сечения. Основные результаты. Определено, что инструментальная погрешность лазерного дальномера (±1 мм) является основной и не превышает установленный технологический допуск в 1 % от номинального диаметра обечайки. Метрологический анализ на моделях овального сечения показал, что погрешность определения диаметра функционально зависит от величины овальности, при этом в пределах допустимых значений овальности требования технологического процесса выполняются. Обсуждение. Разработанный метод и прибор позволяют напрямую, с высокой точностью и без требования центрирования контролировать диаметр и отклонение от круглости внутренней поверхности крупногабаритных обечаек. Основными преимуществами предложенного решения являются инвариантность, автономность и простота технической реализации. Устройство может быть применено для послеоперационного и приемочного контроля в атомном, энергетическом и нефтегазовом машиностроении, а также в других отраслях для снижения трудоемкости сборки и обеспечения качества стыковки деталей.

Control of the geometric parameters of large-sized shells — the basic parts of energy and oil and gas equipment — is a critically important task that determines the quality and productivity of their assembly. Existing methods based on measuring the elements of a circle have significant methodological errors and require precise centering, which is difficult for large parts with deviations from the round shape, primarily ovality. Development and metrological analysis of a centerless method for monitoring diameter and deviation from roundness, free from methodological errors and allowing improving the accuracy and efficiency of measurements in production conditions has been proposed. The method is based on the fundamental geometric property of a circle, according to which its diameter is equal to the maximum distance between two points on the inner surface. The method is implemented in the form of an optoelectronic device containing a laser rangefinder mounted on a carriage moving along the contour of the shell. The rangefinder performs an angular scan of the opposite section of the inner surface, and the control unit captures an array of distances and determines the diameter as the maximum value in the section. The design of the device ensures compliance with the principles of Abbe and inversion which makes the measurement scheme invariant to positioning errors. To verify the method, a computer simulation of the measurement process was performed for shells with an oval cross-section shape. It is established that the instrumental error of the laser rangefinder (± 1 mm) is the main one and does not exceed the established technological tolerance of 1 % of the nominal diameter. Metrological analysis on oval cross-section models has shown that the error in determining the diameter functionally depends on the amount of ovality, however, within the permissible values of ovality, the requirements of the technological process are met. The developed method and device make it possible to directly control, with high accuracy and without the requirement of centering, the diameter and deviation from the roundness of the inner surface of large shells. The main advantages of the proposed solution are invariance, autonomy, and simplicity of technical implementation. The device can be used for postoperative and acceptance control in nuclear, energy, and oil and gas engineering as well as in other industries to reduce the complexity of assembly and ensure the quality of parts joining.

крупногабаритные обечайкиконтроль размеровотклонение от круглостиовальностьоптико-электронные приборылазерный дальномерметрологический анализпринцип Аббеинвариантная схема измеренияlarge-sized shellsdimensional controlroundness deviationovalityoptoelectronic deviceslaser rangefindermetrological analysisAbbe principleinvariant measurement schemecomputer modelingReferencesБерлинер Ю.И., Балашов Ю.А. Технология химического и нефтяного аппаратостроения. М.: Машиностроение, 1976. 256 с.Berliner Yu.I., Balashov Yu.A. Technology for Chemical and Petroleum Apparatus Engineering. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1976, 256 p. (in Russian)Шилин А.Н., Петров С.А., Заярный В.П. Автоматизация определения оптимальных условий сборки корпусов нефтегазового оборудования // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2010. No 6. С. 10–14.Shilin A.N., Petrov S.A., Zayarny V.P. Automatic definitions of optimization conditions for oil and gas equipment body assembly. Assembling in Mechanical Engineering and Instrument-Making, 2010, no. 6, pp. 10–14. (in Russian)Рубинов А.Д. Контроль больших размеров в машиностроении: Справочник. Л.: Машиностроение, 1982. 120 с.Rubinov A.D. Large-Scale Control in Mechanical Engineering: Reference Book. Leningrad, Mashinostroenie Publ., 1982, 120 p. (in Russian)Muralikrishnan B., Phillips S., Sawyer D. Laser trackersfor large-scale dimensional metrology: A review // Precision Engineering. 2016. V. 44. P. 13–28. https://doi.org/10.1016/j.precisioneng.2015.12.001Muralikrishnan B., Phillips S., Sawyer D. Laser trackers for large- scale dimensional metrology: A review. Precision Engineering, 2016, vol. 44, pp. 13–28. https://doi.org/10.1016/j.precisioneng.2015.12.001Schmitt R.H., Peterek M., Morse E., Knapp W., Galetto M., Härtig F., et al. Advances in Large-Scale Metrology – review and future trends // CIRPAnnals. 2016. V. 65. N 2. P. 643–665. https://doi.org/10.1016/j.cirp.2016.05.002Schmitt R.H., Peterek M., Morse E., Knapp W., Galetto M., Härtig F., et al. Advances in Large-Scale Metrology — review and future trends. CIRP Annals, 2016, vol. 65, no. 2, pp. 643–665. https://doi.org/10.1016/j.cirp.2016.05.002Патент на полезную модель No 240080 U1 Российская Федерация, МПК G01B 11/08. оптико-электронное устройство для измерения размеров обечаек: заявл. 04.08.2025: опубл. 24.12.2025 / А.Н. Шилин, Р.Г. Атаманюк, Е.Ю. Беседин, М.Р. Пастухов; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Волгоградский государственный технический университет».Shilin A.N., Atamanyuk R.G., Besedin E.Yu., Pastukhov M.R. Optical-electronic device for measuring sizes of shells. Patent RU 240080 U1, 2025. (in Russian)Петров В. Основы ТРИЗ. Теория решения изобретательских задач. 2-е изд., испр. и доп. Екатеринбург: Издательские решения, 2018. 752 с.Petrov V. Fundamentals of TRIZ. Theory of Inventive Problem Solving. Ekaterinburg, Izdatel`skie Resheniya, 2018, 752 p. (in Russian)Кузнецов В.А., Ялунина Г.В. Общая метрология. М.: ИПК Издательство стандартов, 2001. 268 с. 9. Chen L., Zhang S., Ji S., Chang B., Yu J. Laser scanning system for large diameter measurement // Proceedings of SPIE. 2009. V. 7506. P. 750625. https://doi.org/10.1117/12.838280Kuznetsov V.A., Yalunina G.V. Metrology. Moscow, IPK Standard Publishing, 2001, 268 p. (in Russian)Chen Q., Zhao D., Yang C., Huo Y. Self-triggering pulsed time-of- flight laser range-finding method // Optical Engineering. 2003. V. 42. N 12. P. 3608–3611. https://doi.org/10.1117/1.1621407Chen L., Zhang S., Ji S., Chang B., Yu J. Laser scanning system for large diameter measurement. Proceedings of SPIE, 2009, vol. 7506, pp. 750625. https://doi.org/10.1117/12.838280Yang T., Wang Z., Wu Z., Li X., Wang L., Liu C. Calibration of laser beam direction for inner diameter measuring device // Sensors. 2017. V. 17. N12. P. 294. https://doi.org/10.3390/s17020294Chen Q., Zhao D., Yang C., Huo Y. Self-triggering pulsed time-of- flight laser range-finding method. Optical Engineering, 2003, vol. 42, no. 12, pp. 3608–3611. https://doi.org/10.1117/1.1621407Zhang G.Y., Xu X.P., Fu X.H., Yang L., Li C.Z. The measurement and control of diameter in large-scale part processing // Journal of Materials Processing Technology. 2002. V.129. N 1-3. P. 653–657. https://doi.org/10.1016/s0924-0136(02)00675-1Yang T., Wang Z., Wu Z., Li X., Wang L., Liu C. Calibration of laser beam direction for inner diameter measuring device. Sensors, 2017, vol. 17, no.12, pp. 294. https://doi.org/10.3390/s17020294Hu C., Lv F., Xue L., Li J., Zhong X., Xu Y. Full-range static method of calibration for laser tracker // Electronics. 2023. V. 12. N 22. P. 4709. https://doi.org/10.3390/electronics12224709Zhang G.Y., Xu X.P., Fu X.H., Yang L., Li C.Z. The measurement and control of diameter in large-scale part processing. Journal of Materials Processing Technology, 2002, vol.129, no. 1-3, pp. 653– 657. https://doi.org/10.1016/s0924-0136(02)00675-1Bryan J. International status of thermal error research // CIRP Annals — Manufacturing Technology. 1990. V. 39. N 2. P. 645–656. https://doi.org/10.1016/S0007-8506(07)63001-7Hu C., Lv F., Xue L., Li J., Zhong X., Xu Y. Full-range static method of calibration for laser tracker. Electronics, 2023, vol. 12, no. 22, pp. 4709. https://doi.org/10.3390/electronics12224709Estler W.T., Edmundson K.L., Peggs G.N., Parker D.H. Large-scale metrology — an update // CIRPAnnals. 2002. V. 51. N 2. P. 587–609. https://doi.org/10.1016/S0007-8506(07)61702-8Bryan J. International status of thermal error research. CIRP Annals — Manufacturing Technology, 1990, vol. 39, no. 2, pp. 645–656. https://doi.org/10.1016/S0007-8506(07)63001-7Estler W.T., Edmundson K.L., Peggs G.N., Parker D.H. Large-scale metrology — an update. CIRP Annals, 2002, vol. 51, no. 2, pp. 587– 609. https://doi.org/10.1016/S0007-8506(07)61702-8Estler W.T., Edmundson K.L., Peggs G.N., Parker D.H. Large-scale metrology — an update. CIRP Annals, 2002, vol. 51, no. 2, pp. 587– 609. https://doi.org/10.1016/S0007-8506(07)61702-8

The authors declare that there are no conflicts of interest present.