книги / Надежность и диагностика технологических систем

11.1. Структуры систем диагностики автоматизированного производства 381

Технические средства могут размещаться как в рабочей зоне станка, так и вне ее. При размещении технических средств кон­ троля и диагностики в рабочей зоне станка достигается наи­ большая оперативность в сборе измерительной информации. Практически все ВСТД размещены в рабочей зоне станка, по­ этому необходимы дополнительные мероприятия по повыше­ нию их надежности: защита от СОТС, стружки, вибраций и др.

Оборудование ТС (объект диагностики) представляет собой совокупность взаимосвязанных управляемых подсистем, объе­ диненных общей целью — размерным формообразованием при обработке поверхностей. Станочное оборудрвание можно отнести к классу больших систем, элементы которых объединены мате­ риальными, размерными, энергетическими и информационными связями. До начала эксплуатации оборудование обладает совокуп­ ностью количественных и качественных показателей (точностью наладки, жесткостью конструкции, тепло-, вибро-, износоустой­ чивостью и др.). В процессе работы под действием различных видов энергии в его узлах происходят различные физические явления, которые можно оценить какими-либо информативны­ ми параметрами и проконтролировать. В табл. 11.1 приведены основные функции технических средств контроля и диагности­ ки, используемые в ГПС.

При автоматическом управлении процессами металлообра­ ботки можно использовать текущую информацию о физическом состоянии оборудования ТС: электрическом, размерногеомет­ рическом, тепловом, вибрационном, упругодеформационном (рис. 11.1). Управление можно осуществлять по входным, вы­ ходным и возмущающим воздействиям. Эти воздействия могут быть как управляемые, так и неуправляемые. Вся диагностиче­ ская информация (о состоянии элементов ТО, возмущающих воздействиях, параметрах точности, жесткости, упругих и теп­ ловых деформациях) поступает в СУ, обрабатывается, после чего задающее устройство (ЗУ) выдает сигналы управления ТО.

Структура и состав АСД. Можно выделить два основных эта­ па функционирования системы диагностики: 1) этап обучения; 2 ) этап эксплуатации.

На этапе обучения в функции СД входит определение (выявле­ ние) совокупности i-x диагностируемых параметров у-х физиче­ ских состояний объекта диагностики, которые наиболее пред­ почтительны для оценки его работоспособности в конкретных

Управляемые выходные параметры

Рис. 11.1. Схема управления технологическим оборудованием на основе диагностической информации:

ЗУ — задающее устройство системы управления; входные, выходные и возмущающие воздействия: управляемые — Х(т), У(т), F(r) и не­ управляемые — Х'(т), Y'(x), F'{T)

условиях эксплуатации. При этом определяют уровни допусти­ мых состояний объекта диагностирования, устанавливают их взаимосвязь с возможными причинами отказов.

Для большинства основных функциональных элементов ТО можно выделить четыре предельных уровня, соответствующих четырем характерным состояниям:

1) работоспособному, когда все лимитирующие параметры на­ ходятся в допустимой зоне, которую устанавливают с учетом специфики заданных эксплуатационных показателей;

2) предельно допустимому работоспособному, когда выходные параметры находятся у одной из границ зоны предельно допус­ тимых изменений;

3)предварительному (т.е. непосредственно перед наступле­ нием отказа);

4)катастрофическому (когда отказы должны произойти не­ отвратимо и, возможно, с тяжелыми последствиями — полом­ ки, аварии).

Результатом этапа обучения является разработка словаря (банка) информативных признаков отказов ТО.

На этапе эксплуатации СД оперативно выявляет неисправно­ сти узлов оборудования путем непрерывного сопоставления теку­

11.1. Структуры систем диагностики автоматизированного производства 383

щего технического состояния ОД с перечнем наиболее вероятных, априорно установленных неработоспособных состояний.

СД формирует команды управления по аварийной остановке оборудования или выработке технических мероприятий по под­ держанию работоспособного состояния оборудования в пределах всего непрерывного цикла функционирования. Для решения указанных задач по обеспечению работоспособности ТО струк­ туру СД формируют из ряда взаимосвязанных функциональных блоков (рис. 11.2). Представленная схема СД является общей (типовой) для всех типов станочного оборудования ГПС.

Рис. 11.2. Укрупненная структурная схема системы диагностирования оборудования ТС:

F(x) — возмущающие воздействия; Х/;- — вектор исходного состояния; Х\} — измеренное значение исходного состояния

Каждый элемент (узел, блок, отдельная деталь) оборудования ТС характеризуется определенной совокупностью из ;-х физических состояний (размерно-геометрических, упругодеформационных, вибрационных, электрических, тепловых), для каждого из кото­ рых объективно существует i диагностируемых параметров. Техническое средство диагностики (ТСД) выдает сигнал, харак­ теризующий состояние объекта.

Блок формирования диагностической информации (БФДИ) преобразует полученную диагностическую информацию соглас­ но алгоритмам, разработанным на этапах обучения и эксплуата­ ции ТС.

образует) выданный сигнал Ху в вид, удобный для последующего использования. В блоке уставок (БУ) содержится комплект уста­ вок, которые получены на этапе обучения. Этот комплект представ­ ляет собой набор эталонныхдиагностических сигналов, характе­ ризующих возможные отказы элементов ТО. Блок идентификации состояний (БИС) сравнивает текущую и эталонную диагностиче­ скую информацию и выдает решение о соответствии диагности­ руемого параметра допустимым уровням состояния. В результате этого блок дает заключение о текущем состоянии ОД.

Блок формирования управляющих команд (БФУК) на основе результатов измерения и анализа состояния ТО формирует управ­ ляющее воздействие на объект диагностирования (например, команды для аварийного останова оборудования в случае ката­ строфического состояния диагностируемого элемента).

ТСД являются основным инструментом при диагностирова­ нии оборудования ТС. Они выполняют наиболее важное функ­ циональное назначение — выдают первичную диагностическую информацию. От качества выполнения этой процедуры зависит работоспособность ТО. Процедуру выбора ТСД можно реализо­ вать посредством графов предпочтений.

Основные блоки системы диагностики (например, БФДИ, БФУК, БУ) можно практически реализовать на базе персональ­ ных компьютеров или микропроцессоров.

Типовые схемы применения ВСТД. Для оперативной техниче­ ской диагностики оборудования ТС целесообразно использовать встроенную структуру средств диагностики. Существует несколь­ ко типовых схем реализации ВСТД (рис. 11.3, 11.4).

Схемы на рис. 11.4 отличаются друг от друга исполнением и взаимодействием основных компонентов: ЧЭ и ПНП. Реали­ зуемое по любому из указанных вариантов ВСТД имеет ряд пре­ имуществ по сравнению с внешними средствами диагностики: высокую надежность, обусловленную защищенностью от внешних дестабилизирующих воздействий; инвариантность конструкции относительно геометрических параметров и материалов исполь­ зуемого режущего инструмента; блочно-модульный принцип по­ строения основных элементов; сохранение первоначально имев­ шихся (исходных) эксплуатационно-технических характеристик ТО; свободное рабочее пространство оборудования; незначитель­ ные затраты на практическую реализацию и внедрение.

11.1. Структуры систем диагностики автоматизированного производства 385

Рис. 11.3. Схема применения ВСТД вместо диагностируемой детали узла станка:

ЧЭ — чувствительный элемент; ПНП — первичный неэлектрический пре­ образователь; ЛК — локализация контакта; ПЭП — первичный электриче­ ский преобразователь; ПН — предварительный натяг; ВЭП — вторичный электрический преобразователь

Рис. 11.4. Типовые схемы применения ВСТД дополнительно

кконструкции штатной детали узла станка:

а— с чувствительным элементом и локализацией контакта;

б— с чувствительным элементом и первичным неэлектрическим преобразователем (обозначения, как на рис. 11.3)

Диагностирование ТО можно выполнять по информации о фи­ зическом состоянии его элементов (размерно-геометрическому, электрическому, тепловому, вибрационному, упругодеформаци­ онному), что дает наиболее полную характеристику функциони­ рования оборудования.

Для анализа упругодеформационного состояния узлов ста­ ночного оборудования ВСТД должно иметь структуру, в которую входят специальные функциональные элементы. Основным эле­

ментом в данном случае является ПНП. Для обеспечения его рабо­ тоспособности необходимо создать предварительный натяг, чтобы локализовать контакт между сопрягаемыми поверхностями чув­ ствительного элемента и первичного неэлектрического преобразо­ вателя с объектами диагностирования. Эти функции реализуют практически посредством упомянутых выше элементов ПН и ЛК. Данные элементы выполняют на базе штатных деталей станка или дополнительно изготовляемых узлов.

Каждый элемент ВСТД имеет определенное функциональное назначение. Например, ЧЭ воспринимает физическую величину (диагностируемый параметр), которая является характеристикой состояния ОД. В функции ПНП входит масштабное преобразо­ вание неэлектрического сигнала, вызванного трансформацией (изменением) параметра диагностики, в другую физическую величину, более удобную для дальнейшего восприятия и преоб­ разования. ПЭП обеспечивает промежуточное преобразование неэлектрического сигнала, который преобразует диагностируе­ мое состояние ОД в пропорциональный сигнал. ВЭП служит для последующего активного или пассивного преобразования элек­ трического сигнала с целью его дальнейшего использования.

Для определения и анализа упругодеформационного состоя­ ния ОД функции ПЭП выполняют тензорезисторы, которые транс­ формируют упругие деформации ПНП в пропорциональные элек­ трические сигналы. В качестве ВЭП используют тензоусилители.

Для создания предварительного натяга в ПНП применяют как штатные детали ОД, так и дополнительно введенные в конструк­ цию ВСТД узлы и детали. Элементы приведенной на рис. 11.3 и 11.4 структуры представляют собой электрический динамо­ метр, который обеспечивает электрическое измерение механи­ ческой величины — силы нагружения ОД. В конструкциях ВСТД один из элементов структуры может выполнять функции несколь­ ких элементов. Обычно в одном элементе объединены функции ЧЭ и ПНП. Это значительно упрощает конструкцию, уменьшает количество деталей, повышает надежность работы ВСТД. Одна­ ко в конструкциях ВСТД, которые имеют элементы, раздельно выполняющие функции ЧЭ и ПНП, путем максимального при­ ближения размеров и форм ПНП к размерам и форме высокоин­ формативных типовых упругих элементов можно обеспечить большую чувствительность к изменению диагностируемого де­ формационного состояния оборудования.

1 2

X д

Рис. 11.6. Цепь преобразования сигнала при измерении датчиками диагностируемого параметра:

НП — нормирующий преобразователь (блок 1); АЦП — аналого-циф­ ровой преобразователь (блок 2); х — контролируемый параметр объекта; у — стандартизованный сигнал

ДВИ применяются встроенными в систему для контроля техни­ ческого состояния, блокировки и адаптации ТО (станков с ЧПУ, ПР, АТСС, режущего и вспомогательного инструмента).

Для обеспечения стабильного и надежного процесса функцио­ нирования ГПС необходимо контролировать множество парамет­ ров элементов, блоков, устройств (иногда даже отдельных деталей), отражающих их физическое состояние и влияющих на работо­ способность ТС в целом (табл. 11.2).

ДВН' можно условно разбить на две большие группы. Первая группа — это датчики для измерения параметров, яв­

ляющихся конкретными физическими величинами:

•датчики контроля времени (таймеры, электросекундомеры);

•датчики температуры (термопары, терморезисторы, термо­ метры);

•датчики давления, уровня и расхода жидкостей и газов (фо­ тоэлектронные, оптоволоконные, ультразвуковые);

•датчики контроля геометрических параметров (электро­ микрометры, пневмомикрометры, фоторастровые, индуктивные

иэлектромагнитные).

Большой информативностью обладают: датчики, измеряющие напряжения в конструкциях (тензометры, силомоментные й тензорезисторные датчики, динамометры, датчики крутящих момен­ тов); датчики контроля электрических параметров (силы тока, напряжения, сопротивления, частоты); датчики контроля виб­ раций (датчики виброперемещений и скоростей, ускорений — акселерометры).

Вторая группа — это датчики контроля параметров точности выполнения ТП (микровыключатели, концевые выключатели, датчики перемещений, скорости и частоты вращения, магнито­ управляемые контакты — герконы).