книги / Надежность и диагностика технологических систем

Человек получает возможность активно участвовать во всех стадиях подготовки и управления производством, максимально используя широкие возможности современных технических средств автоматизации.

При проектировании ТП и подготовке УП последовательно выполняются типовые этапы и специальные функции:

1)разработка маршрутной технологии — определение соста­ ва и последовательности операций;

2)разработка операционной технологии с расчетом режимов резания;

3)расчет траектории движения режущих инструментов — координат опорных точек;

4)формирование технологических команд и функций;

5)кодирование информации в кодах ISO;

6)запись УП на программоноситель (или в память ЭВМ);

7)проверка и отладка УП (внесение коррекции).

При разработке маршрутной технологии определяют состав операций, целесообразность выполнения которых на станках с ЧПУ устанавливают на основе технико-экономических расче­ тов. При автоматизированном проектировании ТП обработки на станках с ЧПУ требуется большая детализация: разбиение всего процесса на операции, установы, позиции, переходы, рабочие и вспомогательные ходы, технологические и вспомогательные команды.

Чертеж изготовляемой детали представляют в виде получен­ ной от САПР технической документации (на магнитных или электронных носителях). Визуальный контроль такого чертежа (и технической документации) возможен с помощью дисплея ЭВМ.

Программирование ТП изготовления деталей на станках с ЧПУ — качественно новый этап, когда выполняется часть рабо­ ты (см. этапы 3-7), перенесенная из сферы производства в область технологической подготовки. Действия рабочего при обработке заготовки на обычном станке (после этапов 1-2) выполняются на станках с ЧПУ в автоматическом режиме по УП.

Подготовка УП требует переработки большого объема специ­ фической информации. Применение ЭВМ для автоматизации про­ граммирования и подготовки УП потребовало разработки для решения различных технологических и геометрических задач специальных видов обеспечения.

Совокупность математического и программного обеспечения, а также проблемно-ориентированного языка для записи и ввода в ЭВМ исходной информации при подготовке УП называют си­ стемой автоматического программирования (САП). В на­ стоящее время в мире разработаны десятки видов САП, которые различаются степенью и уровнем автоматизации этапов подго­ товки УП.

Если чертеж изготовляемой детали представлен в традици­ онном виде, то данные чертежа вводятся в САП с помощью кла­ виатуры. САП перерабатывает данные чертежа и выдает УП в коде ISO (стандарт ISO 6983). Полученная УП от САП обычно фиксируется в накопителе на магнитном диске (НМД — гибкая дискета или жесткий диск).

Ввод УП производится либо путем установки в дисковод УЧПУ станка ЧПУ, либо путем пересылки УП из САП (жесткого диска) в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) процессорного мо­ дуля УЧПУ, где формируются сигналы управления и подаются на автоматический привод станка. При одновременном управ­ лении движением по, двум координатам можно обрабатывать конические и криволинейные поверхности.

Надежность ТС и ТП повышается за счет диагностической информации, поступающей непрерывно от датчиков внутренней и внешней информации, контролирующих состояние основных узлов ТС, а также за счет коррекции УП.

АСД выдает постоянную информацию о состоянии режущего инструмента и основных элементов ТО, участвующего в процес­ се изготовления деталей.

САК обеспечивает надежный (регламентируемый) контроль точности изготовления деталей и по результатам измерений вы­ дает информацию для принятия решений в процессе функцио­ нирования ТС.

Повысить общий уровень надежности при разработке и управ­ лении ТП позволит информация, накопленная в специальных АСНИ объектов металлообработки и БД.

366 10. Научный подход и принципы диагностирования ТС

вающий поддержание на требуемом уровне степени эксплуата­ ционной готовности системы. В программе эксплуатации закла­ дываются режимы эксплуатации, контроль и диагностирование состояния системы, выявление отказов и повреждений, обеспе- - чение ее ремонта и восстановления.

Диагностирование повышает уровень надежности, что обес­ печивает новое качество функционирования ТС: возможность управления процессом функционирования ТС посредством свое­ временного введения в действие резервных элементов; сигнали­ зация о моменте наступления отказа, его быстрое обнаружение и локализация; предупреждение о возможном появлении повре­ ждения или отказа. Например, используя вибродиагностическую аппаратуру, можно заранее по величине вибросигналов спрог­ нозировать (предсказать) момент наступления отказа.

При наличии средств контроля и диагностики состояния инструмента появляется возможность своевременно в автомати­ ческом режиме ввести в действие резервный инструмент. Напри­ мер, в ГПС при организации «безлюдного» функционирования для выполнения одного и того же перехода может быть преду­ смотрено до 5...6 комплектов резервного инструмента.

Контроль целостности осевого инструмента, выполняемый с использованием фотоэлектрических датчиков или датчиков момента резания, позволяет вовремя зарегистрировать момент поломки.

Диагностирование состояния блоковсистемы ЧПУ позволяет программным способом установить место неисправности с боль­ шой глубиной проникновения в структуру системы ЧПУ. Боль­ шими возможностями самодиагностирования обладают совре­ менные компьютеры и локальные компьютерные сети.

При разработке УП закладываются специальные диагности­ рующие подпрограммы, позволяющие проводить диагностику основного ПО. Эксплуатация ТС может быть организована на основе применения трех основных стратегий, значительно раз­ личающихся по своей экономической и технической эффектив­ ности.

Первая стратегия основывается на календарном времени эксплуатации ТС. Так, при работе АЛ с жесткой связью и высо­ ким коэффициентом загрузки оборудования может быть реализо­ ван почасовой или суточный график проведения регламентных работ по очистке АЛ от загрязнений и стружки, смазке станка,

смене, наладке и подналадке режущих инструментов. Режимы резания могут быть рассчитаны и учтены в календарном графи­ ке проведения регламентных работ.

Для оборудования с высокой степенью надежности (напри­ мер, для универсальных металлорежущих станков) реализуется система планово-предупредительного ремонта (текущего, сред­ него, капитального), который проводится по специально установ­ ленной календарной схеме в течение года или даже ряда лет.

Вторая стратегия основывается на учете фактического вре­ мени работы основных элементов ТС. С этой целью обеспечива­ ется учет фактического времени работы каждого контролируемого или диагностируемого элемента. Как только время фактической эксплуатации некоторого элемента системы достигает установ­ ленного заранее предельного уровня, выдается сигнал о необхо­ димости замены этого элемента или проведения регламентных работ. Такая стратегия достаточно часто используется в автомати­ зированном производстве. При этом заранее необходимо устано­ вить с достаточной степенью надежности ресурсные характеристи­ ки элементов ТС и вести регистрацию времени их использования по своему служебному назначению. Подобная стратегия эконо­ мически целесообразна при достаточно малых диапазонах рас­ сеяния контролируемых параметров.

Третья стратегия использует возможности диагностирова­ ния ТС. Она базируется на контроле текущего и предельного со­ стояния элементов ТС. При этом контроль и диагностика могут проводиться как непрерывно, так и периодически. Чем стабиль­ нее во времени основная характеристика параметра, тем реже может проводиться его контроль.

Могут применяться комбинированные варианты стратегий. Например, механические элементы станков контролируются

иобслуживаются по первой стратегии, электромеханические

иэлектронные блоки — по второй, а режущие инструменты — по третьей.

Рассмотрим возможности и оценим эффективность каждой из трех приведенных стратегий (рис. 10.3). Допустим, что кон­ тролируемый по лимитирующему параметру элемент ТС имеет произвольную случайную функцию Р - F(t) своей реализации во времени, характеризуемую математическим ожиданием М(£), средним квадратическим отклонением а (£) и автокорреляци­ онной функцией К [*i(£), x2(f)]. Допустим, что практические

пределы рассеяния установлены с некоторой достаточно малой зо­ ной риска, которая меньше погрешности измерения параметра. Учитывая нестабильность процесса, которая всегда присутствует при обработке, можно установить зоны проведения регламент­ ных работ для всех трех стратегий эксплуатации ТС.

Рис. 10.3. Схема реализации стратегий эксплуатации

технологических систем по i-му параметру

Зона I соответствует стратегии, основывающейся на кален­ дарном времени эксплуатации системы. Момент начала ее реа­ лизации Ti можно определить по формуле

Ti = М т-1 /2г1а:(0 - г2с2(£)- АТХ,

где Мт— математическое ожидание времени достижения кон­ тролируемым элементом (параметром) ТС предельного состояния при гамма-процентном ресурсе 50 %; гъ Gi (£) — соответственно уровень риска и среднее квадратическое отклонение поля рас­ сеяния контролируемого параметра в направлении временной оси; г2, с2(£) — соответственно уровень риска и среднее квадра­ тическое отклонение поля рассеяния в направлении оси t при непрерывной работе рассматриваемого элемента ТС; ДТХ— по­ грешность измерения времени фактической работы ТС.

Рассеяние с параметром a2(t) связано с тем, что фактическое время непрерывной работы ТС за некоторый календарный срок есть величина переменная. Это обусловлено случайным харак-

тером загрузки оборудования. Кроме того, часто устанавливают запас по стойкости инструмента в автоматизированном производ­ стве. При работе ГПС в третью смену (без людей) принимают рег­ ламент смены инструмента порядка 50-70 % от его фактической стойкости. За счет этого надежность функционирования ГПС значительно возрастает.

Время Т2начала реализации второй стратегии эксплуатации элемента ТС, который подвергается контролю, определяется с уче­ том ряда особенностей. Необходимо учесть конкретную величину математического ожидания М т времени Тмдостижения контро­ лируемым элементом предельного состояния, действительную величину поля рассеяния этого же показателя rLOi(t), а также погрешность контроля фактического времени работы рассмат­ риваемого элемента АТ2. С учетом перечисленных параметров время

Т2 = Мт— —АТ2.

Математическое ожидание времени срабатывания диагности­ рующего сигнала по третьей стратегии Т3 зависит от погрешно­ сти АР контроля параметра. Ей соответствует погрешность ДГ3. Используя обратную функцию (if) = Ф(Р) = Р-1(^), величину АТ3 можно определить по формуле

АТ3 =Ф(Р)-Ф(Р-АР)

или

Т3= Мг —АТ3.

Очевидно, что Т1 < Т2< Т3. Следовательно, ресурс контроли­ руемого элемента по третьей стратегии используется полнее.

Производительность ТС при применении любой стратегии экс­ плуатации ее элемента будет меньше теоретической из-за затрат времени на замену отказавшего элемента. Если взять достаточно большой отрезок времени эксплуатации Тэ(год), значительно пре­ вышающий ресурс эксплуатации элемента ТС (например, инст­ румента), то за этот период общие непроизводительные потери времени на его замену по каждой из трех стратегий соответст­ венно равны:

T„i=t,TJTu Тп2 = t0T,/T2, Г„з = t,TJT3,

где t3 — время замены отказавшего инструмента.

Потери производительности в годовом исчислении можно рас­ считать по каждой стратегии следующим образом:

где Гц — длительность цикла обработки.

Экономические потери связаны с уменьшением производи­ тельности ТС и повышенным расходом рассматриваемых эле­ ментов. Например, годовые затраты на инструмент Яи в случае массового производства деталей одного наименования по каж­ дой стратегии можно определить по формуле

Cpi = N{(H +П •K)T0/[Ti(K+ 1)] + ДПГ Сд /Г ц},

где N — годовая программа выпуска деталей; Сд— себестоимость рассматриваемой операции, руб.; Н — прейскурантная стоимость инструмента (определяется по данным завода-изготовителя ин­ струмента), руб.; П — затраты на переточку инструмента; К — число переточек до полного износа (определяется по справоч­ никам для каждого типоразмера инструмента); — стойкость инструмента между двумя переточками; Т0 — основное время обработки детали на рассматриваемой операции.

Срок окупаемости Ток при внедрении диагностирования по стра­ тегии третьего типа (по сравнению с первой без применения ТД) можно определить по формуле

Гок=К3/(Ср1-С р2),

где К3— разовые капитальные затраты на внедрение устройства ТД для контроля состояния инструмента при выполнении рас­ сматриваемой операции.

Очевидно, что срок окупаемости затрат на внедрение СТД дол­ жен быть небольшим. В условиях массового производства такие затраты в большинстве случаев экономически оправданны. Для условий серийного производства средства СТД должны обладать относительно невысокой стоимостью, универсальностью примене­ ния и не требовать существенных затрат времени на подготовку и настройку при переходе на изготовление других изделий.