Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Современные проблемы автоматизации и управления в машиностроении. В 4 частях. Ч.2. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 23 / 103 4 5 6 7 8 9 10 > Следующая >>>

экран компьютера, а во втором случае при возникновении отказа, который

может привести к аварии, осуществляется экстренная остановка станка.

Метод диагностирования – совокупность приёмов и способов, поз-

воляющих дать объективное заключение о состоянии ОД. На практике используют три группы методов диагностирования машин, механизмов и

СТО:

- по структурным параметрам (зазоры в сопряжениях, значение регу-

лировочных параметров и т.п.), непосредственно характеризующих состо-

яние узлов и агрегатов оборудования;

- по параметрам рабочих процессов, непосредственно характеризу-

ющих состояние оборудования;

- по параметрам сопутствующих процессов (тепловое поле, вибро-

акустические процессы и т.п.), косвенно характеризующих состояние обо-

рудования.

Первую группу методов относят к статическим, а две других – к ди-

намическим методам.

Методы диагностирования СТО, в том числе АМС, развиваются по

нескольким направлениям:

- прямое диагностирование с использованием методов неразрушаю-

щего контроля;

- по параметрам (сигналам) процессов различной скорости в СТО

(медленные, средней скорости, быстропротекающие);

- диагностирование по параметрам состояния подсистем, узлов и

блоков СТО.

При этом решаются две задачи диагностирования: контроль работо-

способности и поиск дефектов. Для этого необходимо:

- установить номенклатуру основных диагностических параметров и

соответствующих сигналов с тем, чтобы они характеризовали работоспо-

собность исследуемого СТО;

- по набору полученных данных принять решение о техническом со-

стоянии СТО и о необходимости его ремонта или о времени, в течение ко-

торого он сможет сохранить свою работоспособность;

- разработать СКД, которая включает СД, а также алгоритмы диагностирования, т. е. совокупность предписаний о проведении диагностирования, выбрать вид диагностирования – функциональное, тестовое или комбинированное.

Эти вопросы решаются обычно на основе общих положений теории надежности с использованием моделей отказов, методов прогнозирования изменений состояния объекта, изучения физики отказов и других данных. Отсюда следует, что для нового объекта необходимо проведение соответ-

ствующих исследований.

Физические и диагностические параметры АМС. СКД относятся к

информационно-измерительным системам и используются для определе-

ния технического состояния объектов. Для определения работоспособности, поиска дефектов и прогнозирования состояния станка необходимо измерять диагностические параметры (ДП). Задача выбора ДП состоит в определении из множества принципиально возможных физических параметров некоторого ограниченного их количества, содержащего достаточно

полную информацию о состоянии объекта.

По мере усложнения технических систем и повышения требований к их надежности увеличивается число контролируемых параметров и, следовательно, необходимых измерительных средств. Если учесть номенклатуру изделий современной техники, то даже перечисление известных ДП представляет определенные трудности. Базу для логической процедуры диагностирования составляет совокупность физических параметров, через измерение которых можно определить номенклатуру ДП для конкретного объекта. Физические параметры разделяют на следующие группы: кинематические, геометрические, статические и динамические, тепловые, акустические, электрические и магнитные, механические и молекулярные, излу-

чений и другие.

К кинематическим параметрам относятся: время, перемещение, ско-

рость, ускорение, частота, объемный расход и т.п.

К геометрическим – длина, площадь, плоский угол, кривизна линии, кривизна поверхности и т.п.

В статические и динамические параметры включаются: масса, сила,

давление, работа, энергия, коэффициент трения, момент инерции и т.п.

В механические и молекулярные – плотность, удельный вес, модуль упругости, твердость, вязкость и т.п.

К тепловым параметрам относятся: температура, количество тепло-

ты, температурный градиент, температурные коэффициенты и т.п.

К акустическим – звуковое давление, интенсивность звука, акустические коэффициенты, высота звука и т.п.

В электрические и магнитные параметры включаются: сила тока, электрическое сопротивление, емкость, напряженность магнитного поля,

индуктивность и т.п.

В параметры излучений – сила света, энергия излучения, яркость, освещенность, коэффициент отражения и т. п.

Число физических величин обычно ограничено и не превышает 200.

На практике ДП всегда определяются теми или иными физическими

параметрами. На измерении физических параметров основаны различные методы и средства контроля, с помощью которых анализируют и оценива-

ют состояние АМС. В частности, осуществляются измерения шума и вибраций, электрических величин, размеров и перемещений, температуры, давления, расхода газов и жидкостей, сил и деформаций и другие. Все ука-

занные измерения в той или иной степени поддаются автоматизации.

Разработке СКД предшествуют, как правило, исследования, устанавливающие связи между характеристиками диагностических сигналов и состоянием ОД. Кроме того, учитываются аналитические или графоаналитические представления основных свойств объекта в виде так называемых диагностических моделей Они могут быть представлены в векторной форме, в виде системы дифференциальных уравнений или передаточных функций, связывающих входные и выходные параметры. Для диагностической модели вход-

ным параметром X будет значение показателя качества изделия, а выходным параметром – диагностический сигнал S. В общем случае в векторной форме можно записать: S = АХ, где А – оператор, характеризующий те преобразования, которые необходимо осуществить с величинами X, чтобы получить S.

Раскрытие этих связей и разработка СКД могут осуществляться двумя основными способами или их комбинацией.

Первый способ заключается в получении большого числа сигналов, характеризующих работу отдельных узлов и элементов машин, на основании которых делается заключение о состоянии машины. При тестовом методе диагностирования для получения необходимых диагностических сигналов надо выбрать вид и последовательность специальных воздействий на машину. Полученное от датчиков большое число разнообразных данных должно быть обработано по специальной программе с тем, чтобы определить ту категорию состояния, в которой находится машина, и те действия, которые необходимо предпринять, чтобы восстановить ее работоспособность. Для этой цели на вход компьютера подаются сигналы датчиков, которые преобразуются в цифровой код. Компьютер также может по специальной программе задать испытываемому изделию определенный режим работы (при тестовых испытаниях), сравнить показания датчиков с эталонными значениями, хранящимися в его памяти, с использованием экспертной системы выбрать результат диагностирования с указанием вида и места дефекта и принять решение с ре-

комендациями по восстановлению отказавшего узла.

Для оценки состояния изделия по многим показателям может быть использована теория распознавания образов, когда по совокупности значений

множества параметров судят о принадлежности объекта к тому или иному классу, например: 1-й класс – объект работоспособен, 2-й класс – объект работоспособен, но требует подналадки, 3-й класс – объект не работоспособен и требует ремонта. В «образ» объекта включаются ДП, характеризующие его

качество, спектры эксплуатационных нагрузок и другие компоненты, опре-

деляющие работоспособность изделия.

Второй способ диагностирования заключается в применении методов,

которые позволяют судить о состоянии машины по параметрам какого-либо

динамического процесса, связанного с функционированием механизмов и отражающим состояние машины. Такой процесс можно разложить на составляющие и получить необходимую информацию о работоспособности отдельных механизмов. При этом в принципе возможно использовать ограниченное число диагностических сигналов. Примером такого подхода могут служить рассмотренные выше методы, а также методы акустической диагно-

стики механических систем.

Подробно методы диагностирования рассматриваются в специальной

литературе.

1.2.2. Организация диагностирования состояния металлорежущих станков

Трудности разработки эффективной СКД обусловлены сложностью ее

функций – автоматизированное определение работоспособности и поиска неисправностей, обеспечение сокращения времени на локализацию и устра-

нение дефектов, предотвращение аварийных отказов оборудования. Экономическая эффективность СКД достигается за счет улучшения использования производственных мощностей и основных фондов (сокращение простоев, повышение качества обслуживания и ремонта, эксплуатация оборудования до предельного состояния), сокращения потерь рабочего времени при наладке, профилактике и ремонте станков, повышения непрерывности технологических процессов. Анализ эффективности использования АМС в составе автоматизированных участков показывает, что значительные потери времени связаны с восстановлением работоспособности: на устранение отказов при-

ходится 5…15% общего фонда времени работы оборудования.

Основные принципы построения СКД формулируются следующим

образом:

1. СКД по функциям, структуре и используемым техническим сред-

ствам должна соответствовать уровню автоматизации производства и являть-

ся составной частью общей системы управления АМС.

2. В СКД для получения диагностической информации должны макси-

мально использоваться существующие устройства системы управления и

обеспечения функционирования АМС.

3. Система ЧПУ на основе компьютера должна иметь систему внут-

реннего диагностирования, построенную с использованием тест-программ.

Кроме указанных выше принципов, к системе оперативного диагно-

стирования состояния АМС предъявляются следующие требования:

– надежность устройств регистрации, выделения информации и преоб-

разования в форму, пригодную для ввода в компьютер;

– высокая достоверность в получении оценок состояния станка непо-

средственно в процессе обработки;

– быстродействие, определяемое возможностью диагностирования в

реальном масштабе времени.

Для поиска неисправностей используются СКД, построенные на основе различных методов диагностирования. Функциональное диагностирование применяют в процессе эксплуатации, а тестовое, как правило, после изготов-

ления, ремонта или техобслуживания.

Одним из критериев классификации СКД является структурная принадлежность средств диагностирования (СД) к объекту диагностирования

(ОД). В этой связи по используемым средствам различают встроенное СД,

выполненное в общей конструкции с ОД, и внешнее СД, выполненное отдельно от конструкции объекта. Действующие в настоящее время СКД, как правило, являются составной частью системы управления АМС. Работа встроенного СД базируется на дополнительном математическом обеспечении системы управления и рассчитана на поиск наиболее часто встречающихся неисправностей. Возможности встроенного СД ограничены свободной памятью и быстродействием системы управления. Внешние СД служат для работы с несколькими объектами. Применение компьютера позволяет создавать СКД на комбинированном принципе, сочетающем функциональное и тестовое диагностирование, что обеспечивает оперативность, предотвращение аварий и высокую степень локализации неисправностей, сокращение време-

ни восстановления работоспособного состояния.

В настоящее время разрабатываются СКД, которые в сочетании с возможностями современной вычислительными техники будут осуществлять прогнозирование состояния АМС и профилактику неисправностей. Однако для достижения этой цели необходимы надежные и информативные датчики ДП. Наибольшую потребность АМС испытывают в датчиках для диагностирования процесса формообразования изготавливаемых деталей (например, наблюдается потребность в датчиках, которые бы надежно измеряли параметры, характеризующие состояние режущего инструмента, контролировали

формообразующие движения рабочих органов и т.д.).

При разработке СКД станков следует повысить внимание к диагности-

рованию механической (электромеханической) части АМС, несмотря на то, что механические узлы постепенно заменяются на мехатронные. При диагностировании указанных узлов актуальны вопросы сбора и предварительной обработки данных, выбора признаков неисправности (пороговые величины, распознавание отказов и т.п.), обучения (адаптации) в целях повышения эффективности процедур диагностирования, уменьшения влияния помех и повышения точности диагностирования. В области диагностирования технических объектов накоплен большой опыт, однако СКД технологического оборудования применяют с осторожностью, ограничивая из экономических соображений число датчиков и глубину диагностирования. Перспективным здесь является создание локальных СД на основе применения встроенных

малогабаритных датчиков с первичной обработкой информации и обобщени-

ем всей информации в центральном компьютере. В этой связи актуален выбор рационального набора ДП, характеризующих техническое состояние

АМС.

Рассмотрим диагностические параметры, которые целесообразно ис-

пользовать при диагностировании технологических систем в условиях экс-

плуатации, на стадиях проверки готовности к работе, при контроле технического состояния, выполнении профилактических и пусконаладочных работ, а также для контроля качества выполнения ремонтных работ. В создаваемых СКД используются следующие ДП основных подсистем и отдельных меха-

низмов АМС:

1) временные интервалы;

2) параметры движения (частота вращения, перемещение, скорость,

ускорение);

3) деформации, биения и т.п.;

4) силовые параметры (напряжения, силы, моменты);

5) давления, перепады давлений;

6) электрические параметры (сила тока, напряжение, сопротивление,

потребляемая мощность);

7) виброакустические параметры (амплитуда, частота, уровень шума,

акустическая эмиссия, зависимости АЧХ, АФЧХ);

8) жёсткость стыков узлов, крепления инструмента;

9) состояние инструмента (износ, поломка и др.);

10) температурные поля и температурные деформации;

11) параметры электромагнитного поля;

12) расход жидкостей или газов, уровень жидкостей, утечки жидкостей

или газов;

13) линейные или угловые размеры (расстояние, длина, глубина, гео-

метрия износа, отклонение от траектории, точность конечных положений);

14) точность и качество поверхности изготавливаемых деталей;

15) параметры измерительных систем (оптические характеристики и

т.п.);

16) параметры рабочих жидкостей (температура, вязкость, химический

состав и др.);

17) параметры программного тестирования блоков системы управле-

ния.

Однако из приведённого перечня ДП рациональный их набор должен определяться и уточняться для конкретных конструкций АМС с использованием рассматриваемых далее методов. Анализируя тенденции развития современных станков, можно выделить следующие пути реализации СД по

различным параметрам;

– применение встроенных датчиков, аппаратно-технических и матема-

тических средств диагностирования АМС, отличающихся достаточной глу-

биной поиска неисправностей (до элемента замены);

– создание внешних передвижных автоматизированных диагностических систем для периодических проверок и диагностирования оборудования.

Определение числа, выбор датчиков ДП внутренней информации и применение внешних сенсорных устройств следует проводить с учетом специальных организационных, научных и технических условий, накопленного опыта и проверенных решений. Разработка комплексных методик диагности-

рования и создание типовых информационно-измерительных систем для

контроля и диагностирования АМС облегчают конструктору проработку состава встроенных СД, применяемых непосредственно в процессе эксплуата-

ции. Для этих целей используют не только специальные СД, но и средства

очувствления, аппаратуру системы управления, в частности датчики обрат-

ной связи АМС. Так, например, для диагностирования токарных АМС при эксплуатации могут применяться:

– датчики перемещений, скоростей, включенные в обратные связи при-

водов; элементы системы управления, у которых в заданных точках измеряют электрические сигналы и с их помощью определяют временные интервалы, соответствующие запрограммированным перемещениям исполнительных

органов АМС;

– датчики температуры элементов конструкции АМС, особенно прецизионных;

– датчики усилий, место установки которых определяется конструк-

цией АМС (например, тензометрические кольца подшипников, датчики

крутящих моментов для контроля шпиндельных узлов и др.);

– датчики касания (нулевые головки) для контроля состояния ин-

струмента, его размерной привязки, точности обработки и др.;

– датчики уровня и подачи СОЖ; – датчики вибраций для контроля шпиндельного узла и износа ин-

струмента.

Однако даже при наличии всех этих датчиков, встроенных в обору-

дование, остается ряд контрольно-диагностических операций, которые целесообразно выполнять с помощью внешней аппаратуры:

– проверка точности взаимного расположения основных узлов АМС

и точности позиционирования рабочих органов с помощью лазерных ин-

терферометров, автоколлиматоров;

– измерение температуры, давления, влажности окружающей среды; – контроль вибрационных характеристик временно устанавливаемы-

ми датчиками с комплектом внешней аппаратуры.

Для разработки принципов организации диагностирования АМС в его структуре можно выделить три уровня иерархии подсистем, что служит основой для исследований объекта с целью создания модели диагно-

стирования и разработки алгоритма принятия решений – алгоритма диа-

гностирования. Основная трудность при разработке последнего связана со сложностью описания диагностируемой системы соответствующей математической моделью, так как современные АМС отличаются высокой разветвленностью структуры, наличием в них большого числа элементов,

перекрещивающихся и обратных связей. Функциональные элементы

станка отличаются друг от друга по физическому принципу действия, конструктивному исполнению, долговечности, надежности и другим характеристикам, поэтому для описания подсистем АМС требуются различные математические модели (дифференциальные и разностные уравнения, передаточные функции, графы и другие типы моделей). При этом возникает проблема сопряжения разнородных математических моделей между собой, модель системы получается весьма сложной, при этом она оказывается малопригодной для диагностирования, так как в ней не описан меха-

низм появления отказов и их влияние на работоспособность АМС.

В настоящее время в теории систем выделилась методологическая концепция, называемая концепцией состояния. С этих позиций АМС рассматривается как динамическая система, описываемая моделью, которая основана на предположении, что любой технический объект находится в

каждый момент времени t в одном из возможных состояний Zi и способен

переходить из одного состояния в другое под действием внутренних и

внешних причин, совершая при этом движение Z

 

,,,,,, LFZYXT

Tt 

 

zzzzZ ,...,,...,,



 

xxjxxX ,...,,...,,



 

yykyyY ,...,,...,,



. Исходя из этого, АМС

(t)

можно представить как математический объект в виде упорядоченного

множества :

(1.1)

где Т – множество моментов времени; Х, Y – пространство входных и выходных сигналов, соответственно; Z – пространство состояний системы, F – оператор переходов, отражающий изменение состояния системы под действием внутренних и внешних возмущений; L – оператор выходов,

описывающий механизм формирования выходного сигнала как реакции

системы на внутренние и внешние возмущения.

Всякое состояние Z представляет собой совокупность величин, пол-

ностью определяющих положение системы в момент времени

. По-

этому состояние системы есть вектор

(1.2)

Множество векторов Z называют пространством состояний. По ана-

логии множества Х и Y называют пространствами входных xi, и выходных

сигналов, соответственно, тогда имеем вектор входа

и вектор выхода

Выражение (1.1) является общим и недостаточно определенным. Для

конкретного описания рассматриваемой задачи наложим ограничения на

элементы упорядоченного множества (1.2), которые вытекают из особенностей АМС как объектов диагностирования.

Состояние АМС есть набор значений (вектор) таких переменных (переменных состояния), которые хотя и полностью определяют положение объекта как динамической системы в рассматриваемый момент времени, но сами по себе не позволяют установить, исправен объект или неисправен, работоспособен или неработоспособен и т.д. Для получения ответа на этот вопрос зададим виды технических состояний станка, указав соответствующие граничные условия и проверив выполнимость этих условий

по каждой переменной состояния. Условие работоспособности АМС по некоторой переменной множества Z представляется в виде неравенства

iвiiн

zzz 

Yyk

Zzi



   













,,0

,,1

кk

УеслиУ

УУесли



, (1.3)

где ziн, ziв – нижнее и верхнее допустимые значения переменной, соответственно. Выход значений zi за пределы интервала ziн, ziв фиксируется как отказ, а соответствующее данной ситуации состояние АМС – как неработоспособное. Задача диагностирования заключается в определении состояния АМС (задача наблюдения состояния) и отнесении его к одному из заданных видов технического состояния (задача классификации), то есть фактически является задачей распознавания образов. Объектами для распознавания здесь являются состояния диагностируемой системы.

Формально распознаваемое состояние представляется в виде упорядоченного набора некоторых переменных, называемых признаками. В качестве признаков используются значения измеряемых параметров (сигналов ОД) или некоторые величины, функционально от них зависящие. Определение параметров составляет задачу параметрической идентификации, основанную на анализе результатов измерений входных и выходных сигналов функционирующего объекта. Непосредственное измерение параметров сложно, поэтому используются чаще всего выходные сигналы

АМС или отдельных его блоков для определения состояний

В ряде случаев в качестве признака необходимо использовать измеренное в данный момент времени значение выходного сигнала Yк. В других случаях признаком может быть выход данного сигнала за установленные пределы. В частности, для диагностирования используются бинарные признаки

, получаемые по правилу

(1.4)

где (Yкд) – множество допустимых значений выходного сигнала Yк.

Ввиду большого числа элементов в современных АМС задача распознавания отказа каждого элемента практически невыполнима: смысл имеет распознавание отказов на уровне сменных функциональных элементов си-

стемы (блоки, узлы, платы).

Система диагностирования АМС представляет собой систему распознавания, основные функции которой состоят в обнаружении и выделении признаков, характеризующих распознаваемые отказы, узнавании этого отказа в любой ситуации и классификации его. Среди различных методов построения модели распознавания в соответствующей теории определился структурный метод, в котором при разработке алгоритма используются де-

ревья решений, которые имеют некоторое сходство с иерархическим раз-

<<< < Предыдущая 1 23 / 103 4 5 6 7 8 9 10 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]