2.4. Контроль и диагностика технологического процесса

и оборудования

Об объекте, удовлетворяющем всем требованиям нормативно-технической документации, говорят, что он находится в исправном состоянии. Неработоспособность технического объекта может быть определена путем указания конкретных дефектов, нарушающих исправность, работоспособность или правильность функционирования и относящихся к одной или нескольким составным частям объекта либо к объекту в целом.

Диагностирование технического состояния любого объекта осуществляется средствами диагностирования. Средства могут быть аппаратурными или программными; в качестве средства диагностирования могут выступать: человек-оператор, контролер, наладчик. Средства и объект диагностирования, взаимодействующие между собой, образуют систему диагностирования. Различают системы тестового и функционального диагностирования. В системах тестового диагностирования на объект подаются специально организуемые тестовые воздействия. В системах функционального диагностирования, которые работают в процессе применения объекта по назначению, подача тестовых воздействий, как правило, исключается: на объект поступают только рабочие воздействия, предусмотренные его алгоритмом функционирования.

Процесс диагностирования технического состояния объекта реализует некоторый алгоритм (текстового или функционального) диагностирования. Алгоритм диагностирования в общем случае состоит из определенной совокупности, так называемых элементарных проверок объекта, а также правил, устанавливающих последовательность реализации элементарных проверок, и правил анализа результатов последних. Каждая элементарная проверка определяется своим тестовым или рабочим воздействием, подаваемым или поступающим на объект, и составом контрольных точек, с которых снимаются ответы объекта на это воздействие.

Различают системы тестового диагностирования и системы функционального диагностирования. Первые предусматривают организацию тестовых воздействий на объект в целях определения способности объекта выдерживать их. Системы функционального диагностирования, как правило, взаимодействуют с оборудованием, выполняющим технологический процесс.

При разработке алгоритма диагностирования обычно составляются модели объекта наблюдения, которые могут быть формализованными или неявными. Формализованной моделью объекта является его описание в аналитической, графической, табличной или другой форме. Для простых объектов диагностирования удобно пользоваться так называемыми явными моделями, содержащими наряду с описанием исправного объекта описание каждой из его неисправных модификаций. Другим вариантом модели объекта диагностирования является одно описание, включающее описание исправного объекта, формализованных моделей дефектов и всех неисправных модификаций объекта.

Разработка алгоритмов диагностирования заключается в выборе такой совокупности элементарных проверок, по результатам которых в задачах по обнаружению дефектов можно отличить исправное или работоспособное состояние, или состояние правильного функционирования объекта от его неисправных состояний, а также в задачах поиска дефектов различать неисправные состояния.

Построение алгоритмов диагностирования по явным моделям объектов - элементарные проверки выбирают путем попарного сравнения тех описаний, технические состояния которых требуется различать. В задачах тестового диагностирования составы контрольных точек объекта часто определены предварительно, и они одинаковы для всех элементарных проверок. В таких случаях выбирают только входные воздействия элементарных проверок – это задачи построения тестов. В задачах функционального диагностирования, наоборот, входные воздействия элементарных проверок определены заранее рабочим алгоритмом функционирования объекта и выбору подлежат только составы контрольных точек.

Средства диагностирования могут быть: аппаратными или программными, внешними или встроенными, ручными, автоматизированными или автоматическими, специализированными или универсальными. Средства функционального диагностирования являются, как правило, встроенными и поэтому разрабатываются и создаются для количественной и качественной оценки гибких производственных систем с использованием таких характеристик, как оперативность, гибкость и мобильность. Оперативность характеризует возможность своевременного и обоснованного выбора управляющих воздействий в процессе функционирования системы в целях учета изменений в обстановке и ситуации. Она выражается временем цикла управления (отрезок времени между двумя очередными моментами выработки управляющих воздействий). Гибкость системы определяет возможность ее перепрограммирования или перестройки на различные условия и режимы работы. Мобильность определяет быстроту перепрограммирования или перестройки, живучесть характеризует возможность временного продолжения функционирования (хотя бы с ограничением возможностей) в случае повреждения отдельных деталей или узлов.

Создание диагностических средств обеспечения технологического процесса должно включать следующие этапы.

1. Технико-экономическое обоснование выбора вида, назначения и области применения систем диагностирования станка.

2. Анализ процессов, происходящих в станке, подлежащих диагностированию с целью выявления причин возникновения и признаков проявления повреждений и дефектов, а также нарушения технологического процесса.

3. Сбор и изучение априорной информации о характерных повреждениях и дефектах, возникающих при эксплуатации объекта, подлежащего диагностированию, или прототипа.

4. Выбор номенклатуры показателей (функциональных и структурных параметров) работоспособности станка в целом и его отдельных составных узлов.

5. Выбор периодичности и объема диагностирования и глубины поиска дефектов в зависимости от специфики эксплуатации объекта, подлежащего диагностированию.

6. Выбор метода диагностирования и разработка модели объекта диагностирования для каждого диагностического параметра.

7. Выбор диагностических параметров (прямых и косвенных), характеризующих техническое состояние станка и обеспечивающих возможность поиска дефектов.

8. Определение номинальных, допустимых и предельных величин диагностических параметров с указанием требуемой точности и достоверности измерений.

9. Разработка алгоритмов диагностирования с указанием режимов работы станка при диагностировании.

10. Выбор и разработка средств диагностирования. Подбор первичных преобразователей должен обеспечивать снятие диагностических параметров с заданной точностью в выбранном диапазоне частот и отвечать другим требованиям, вызванным спецификой измерений.

11. Разработка устройств сопряжения диагностического объекта со средствами диагностирования, обеспечивающими надежное закрепление первичных преобразователей и исключающими искажения и помехи при измерении диагностических сигналов.

12. Эксплуатационная документация по проведению диагностирования и обработке полученной диагностической информации.

13. Методика сравнения полученной диагностической информации с принятыми предельными величинами диагностических параметров и критерии для принятия решения о состоянии технологического процесса.

14. Испытания системы диагностирования в соответствии с требованиями нормативно-технической документации.

Результаты испытаний и диагностирования и данные об отказах оборудования хранятся в банке данных. При организации банка данных следует учитывать, что некоторые показатели качества в связи с приработкой изменяются в процессе эксплуатации. Поэтому они должны фиксироваться с указанием длительности эксплуатации. Данные банка позволяют: сравнивать конструкции автоматического оборудования одного назначения, разрабатывать более совершенные системы обслуживания и ремонта, оценивать результаты модернизации, сравнивать качество эксплуатации и ремонта на различных заводах.

Основная цель диагностирования металлообрабатывающего оборудования связана с оценкой его выходных параметров и выявлением причин их отклонения от заданных значений. При этом необходимо учитывать весь диапазон режимов его работы и условий эксплуатации и их вероятностную природу, а также возможность изменения выходных параметров машины во времени, т.е. ее параметрическую надежность. Задачи диагностирования машины нередко переплетаются с задачами, возникающими при ее испытании. Применение методов диагностирования позволяет сделать испытания машины более информативными и повысить их эффективность. Наибольший эффект достигается в том случае, если диагностирование осуществляется не по отдельным показателям машины и не для отдельных узлов, а для комплексной оценки работоспособности машины. Ниже рассмотрены два основных вида диагностики машины.

Эксплуатационная диагностика связана с тем, что широкий диапазон условий и режимов эксплуатации, а также вариация начальных показаний качества машины приводят к значительной дисперсии времени достижения машиной предельного состояния. Поэтому необходима разработка методов и средств для оценки и прогнозирования технического состояния машины, выявления причин нарушения работоспособности, установления вида и места возникновения повреждений.

Пред эксплуатационная диагностика проводится на стадии проектирования опытных образцов. При этом определяется выполнение требований технического задания, выявляются возможности расширения области работоспособных состояний и улучшения рабочих характеристик, а в случае необходимости уточняется техническая документация (увеличение или уменьшение норм на отдельные параметры). Приходится разграничивать дефекты, связанные с неблагоприятными динамическими характеристиками, неучтенными при проектировании, и дефекты, возникшие из-за несовершенства технологии изготовления опытного образца. Предварительно с помощью средств диагностирования проверяется качество обкатки и осуществляется более точная регулировка машины, включая ее систему управления, что облегчает выявление других дефектов.

На основании метода исследовании машин-автоматов циклического действия может быть рекомендована схема проведения испытаний и диагностирования на стадии проектирования опытных образцов или обработки уникальных машин, в основе построения которой лежит расчленение испытаний на этапы, позволяющие более оперативно использовать результаты и уменьшить трудоемкость эксперимента.

Работоспособность станка согласно ГОСТ 27.002-89 определяет такое состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической документации.

Назначение металлообрабатывающего станка - обработка деталей с заданными производительностью и качеством. Поэтому при оценке качества станка главную роль играют показатели, связанные именно с этими выходными параметрами. Причем показатели точности являются основными, определяющими возможности и области применения станка. Эти показатели должны поддерживаться в определенных пределах в течение всего периода эксплуатации.

При эксплуатации станок подвергается многочисленным внешним и внутренним воздействиям. Все виды энергии, в первую очередь механическая и тепловая, действуя на станок и его механизмы, вызывают в нем целый ряд нежелательных процессов, создают условия для ухудшения его технических характеристик.

Часть процессов, происходящих в станке и влияющих на его технические характеристики, обратимы, так как они изменяют параметры деталей, узлов и всей системы в определенных пределах, без тенденции прогрессивного ухудшения. Наиболее характерный пример обратимых процессов - деформации узлов и деталей станков, происходящие под действием внешних и внутренних сил или тепловых полей. Необратимые процессы, например изнашивание, коррозия, приводят к постепенному ухудшению с течением времени технических характеристик станка. Все процессы влияют на характеристики станка, вызывают погрешности в его функционировании и снижают качество заданного технического процесса.

На изменение показателей качества станка влияет скорость процессов, действующих на его узлы и механизмы. По скорости протекания все процессы можно разделить на три категории.

Быстропротекающие процессы имеют периодичность, измеряемую обычно долями секунды. Эти процессы заканчиваются в пределах цикла работы станка и вновь возникают при обработке следующей детали. К ним относятся: вибрация узлов, изменения сил трения в подвижных соединениях, колебания рабочих нагрузок и другие процессы, влияющие на взаимное положение инструмента и заготовки в каждый данный момент времени и снижающие точность обработки.

Процессы средней скорости протекают за время непрерывной работы станка, и их длительность измеряется обычно в минутах или часах. Они приводят к изменению начальных параметров станка. К этой категории относятся как обратимые процессы, например процессы изменения температурных полей станка и температуры окружающей среды, так и необратимые, например процесс изнашивания режущего инструмента, который протекает во много раз интенсивнее, чем процесс изнашивания деталей и узлов станка.

Медленные процессы протекают в течение всего периода эксплуатации станка и проявляются, как правило, между его периодическими ремонтами. Они длятся дни и месяцы. К таким процессам относятся: изнашивание основных механизмов станка, перераспределение внутренних напряжений в деталях, ползучесть металлов, загрязнение поверхностей трения, коррозия, сезонные изменения температуры. Эти процессы влияют на точность, а также на КПД и другие характеристики станка

Нарушение технологического процесса и, как следствие этого, снижение качества изготовляемых деталей происходит из-за неисправностей (дефектов), которые возникают в отдельных узлах и деталях технологической системы.

Дефекты в самом станке могут быть дефектами в системе управления станка, дефектами, возникающими в отдельных узлах станка, таких как привод, передачи, а также при взаимодействии отдельных, узлов друг с другом. Кроме того, дефекты могут появляться вследствие некачественной работы измерительной системы.

К наиболее часто встречающимися дефектами системы управления относятся: выход из строя узла или детали системы управления, ошибки программирования, ошибки памяти. При измерении температуры возможны ошибки, которые являются результатом того, что холодный спай термопары находится в зоне переменных температур.

В электроприводе чаще всего наблюдаются следующие дефекты: общие электрические дефекты как нарушение контакта в соединениях, повреждение изоляции и, как следствие, пробой на корпус. Кроме того, при неправильно выбранных режимах обработки может возникнуть перегруз или изменение оптимальных параметров работы.

Измерительные системы часто дают неверные показания из-за того, что имеют загрязнения шкал отсчета либо в результате нарушения юстировки, которые возникают при неквалифицированном проведении технического обслуживания или после аварийных ситуаций. Также возможно искажение показаний измерительной системой при нарушениях температурного режима измерительной системы.

К наиболее часто встречающимся дефектам передач относятся общие кинематические дефекты, такие как: ослабление посадки зубчатых колес и муфт сцепления, износ шпоночных и шлицовых соединений, нарушения центровки соединяющихся валов, усталостный износ зубьев зубчатых колес, остаточные деформации валов, износ подшипников качения.

Нарушение взаимного расположения узлов друг относительно друга происходит в результате деформации их при изменении температуры, которая всегда является переменной величиной, и зависит от продолжительности работы станка под нагрузкой.

Также нарушается взаимное расположение при износе деталей. В особенности это проявляется при износе направляющих станка. Еще одна причина нарушения взаимного расположения - недостаточная жесткость, что особо проявляется при обработке деталей с большой глубиной резания и большой подачей.

Дефектами, возникающими по вине оператора, являются ошибки, допускаемые при наборе исходных данных перед обработкой детали, или ошибки при измерении размеров детали. Также отказы возможны при плохом уходе за оборудованием, например при загрязнении станка или попадании стружки в зону резания.