Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Выберите тип работыЧасть дипломаДипломная работаКурсовая работаКонтрольная работаРешение задачРефератНаучно - исследовательская работаОтчет по практикеОтветы на билетыТест/экзамен onlineМонографияЭссеДокладКомпьютерный набор текстаКомпьютерный чертежРецензияПереводРепетиторБизнес-планКонспектыПроверка качестваЭкзамен на сайтеАспирантский рефератМагистерская работаНаучная статьяНаучный трудТехническая редакция текстаЧертеж от рукиДиаграммы, таблицыПрезентация к защитеТезисный планРечь к дипломуДоработка заказа клиентаОтзыв на дипломПубликация статьи в ВАКПубликация статьи в ScopusДипломная работа MBAПовышение оригинальностиКопирайтингДругое

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

В комплексном подходе к технологической подготовке сбороч­ного производства так же, как и для механической обработки, предусмотрены тщательная проработка технологичности изделия, типизация процессов сборки, проработка вспомогательных про­цессов транспортирования собираемых изделий, их установка па сборочных позициях, контроль и испытание, широкое внедрение нормализованного и переналаживаемого сборочного оборудования.

Важным условием разработки рационального ТП автоматизи­рованной сборки является унификация и нормализация соедине­ний, т. с. приведение их к определенной номенклатуре видов и точ­ностей. На основе унификации и нормализации соединений в сбо­рочных единицах и изделиях разрабатывают типовые сборочные процессы (операции и переходы), выполняемые на типовом сбо­рочном оборудовании с использованием типовых инструментов и приспособлений.

В условиях крупносерийного и массового производства автома­тизированная сборка изделий выполняется на сборочных автома­тах и автоматизированных линиях (АЛ). В зависимости от сложнос-

28

ти изделий могут использоваться одно- и многопозиционные сбо­рочные автоматы. Последние применяют, например, при сборке подшипников качения. В АЛ сборочные автоматы размещаются линейно или по замкнутому контуру. Перемещение изделий осу­ществляется с помощью шаговых транспортеров или на приспо­соблениях-спутниках.

Главным отличием роботизированного производства является использование сборочных роботов взамен сборщиков и выполне­ние контроля контрольными роботами или автоматическими кон­трольными устройствами.

Если в условиях автоматизированного производства сборка из­делий может выполняться методом полной или частичной взаи­мозаменяемости, с применением методов селективной сборки и использованием контрольно-сортировочных автоматов, а также с ограниченным применением методов пригонки и регулировки, то роботизированная сборка должна выполняться по принципу пол­ной взаимозаменяемости или (реже) по принципу групповой вза­имозаменяемости. Исключается возможность методов подгонки и регулировки. Строго должны быть соблюдены принципы выбора и постоянства баз, которые определяют качество собираемых изде­лий и надежность работы сборочных роботизированных техноло­гических комплексов (РТК). Помимо этого в целях обеспечения точностных параметров сборочного процесса, необходимых про­изводительности и эффективности в сборочных автоматах приме­няют принципы адаптивного управления.

Основные этапы автоматизированной сборки следующие:

• автоматическая ориентация деталей и основных частей изде­лия для использования автоматизированных транспортно-захват-ных устройств, контроль и очистка деталей;

• автоматическое выполнение соединений;

• транспортирование деталей и узлов;

• межоперационный контроль;

• окончательный контроль;

• упаковка.

Выполнение операций сборки должно идти от простого к слож­ному: детали — в подузлы, подузлы — в узлы, узлы — в агрегаты, узлы и агрегаты — в изделие, что учитывается при составлении схем сборки. В зависимости от сложности и габаритов изделий вы­бирают форму организации сборки: стационарную или конвейер­ную. Стационарная сборка возможна без перемещения изде­лия, с подводом сборочных узлов и деталей к базовой сборочной единице (детали, узлу и т.д.). Конвейерная сборка возможна, когда роботы обслуживают рабочие места с разными ориентиров­кой и погрешностью позиционирования деталей и узлов.

Структура РТК должна включать в себя сборочное оборудова­ние и приспособления, объединенные с транспортно-зафузочной

29

системой и системами управления разных уровней и расположен­ные в технологической последовательности, поэтому для опреде­ления структуры и состава РТК необходимы разработка и оптими­зация общей и узловой сборки. Состав РТК — это сборочное обо­рудование и приспособления, транспортная система, операционные сборочные роботы, контрольные роботы, система управления.

В условиях многономенклатурного производства весьма актуаль­ным является применение переналаживаемого сборочного обору­дования (прежде всего, сборочных роботов) и сокращение времени на его переналадку. Время на переналадку оборудования в подавля­ющем большинстве существующих сборочных систем составляет от нескольких часов до нескольких рабочих смен. За время, затрачива­емое на переналадку оборудования, можно собрать вручную значи­тельную часть партии изделий, поскольку, например, в электро­технической промышленности длительность выполнения 37 % сбо­рочных операций не превышает 30 с, а для 42 % она не более 3 мин.

При разработке технологического процесса сборки в РТК пред­почтительна высокая концентрация операций, определяющая мо­дели роботов, их функции, точность, оперативность, быстродей­ствие. Особенно важно уточнение временных связей элементов РТК, так как и они могут определить операционные возможности, мо­дели и число сборочных ПР. С этой целью целесообразно построе­ние циклограммы как отдельных роботизированных рабочих мест и ПР, так и РТК в целом. На основе операционной технологии и циклограмм РТК может быть проведена подготовка управляющих программ для сборочных роботов с ЧПУ и для всего РТК.

Перспективным направлением роботизации сборки является использование ПР, построенных по блочно-модульному принци­пу, а также обучаемых ПР. В системы модулей ПР обычно включа­ют модули линейных и угловых перемещений, комплекты пере­ходных элементов для соединения модулей, сменные захватные устройства. На рис. 2.1 приведены схемы системы модулей и ком­поновок роботов типа ПР5-2 с разными степенями свободы.

Разработаны ПР модульной конструкции, предназначенные для автоматизации таких основных и вспомогательных операций в сбо­рочном производстве, как соединение деталей, запрессовка, мар­кировка, склеивание, загрузка-разгрузка изделий. Такие манипу­ляторы в зависимости от принятой последовательности сборки ком­понуются из двух, трех, четырех модулей линейных и угловых перемещений. Унификация модулей позволяет существенно уве­личить число модификаций роботов, снизить затраты на автома­тизацию сборочного производства.

Обучаемые ПР — это роботы, имеющие возможность приспо­сабливаться к ряду случайных факторов, сопровождающих запрог­раммированную работу. Приспособляемость выражается в коррек­тировке своей же программы на основе полученного опыта — ре-

30

Ж                      3

Рис. 2.1. Схемы системы модулей (а) и компоновок с пятью (б), четырь­мя (в, г), тремя (д, е) и двумя (ж, з) степенями подвижности роботов

типа ПР5-2:

/ — линейный модуль МЛ-3; 2 — комплекты переходных модулей; 3 — линей­ный модуль МЛ-7; 4 — линейный модуль МЛ-2; 5— угловой модуль МУ-13; 6—

линейный модуль МЛ-4

зультатов анализа, классификации возникающих отклонений и методов их устранения. Подобные роботы программируют мето­дом обучения, когда на первом цикле оператор, управляя роботом вручную на малой скорости, имитирует необходимые движения по программируемому циклу. Вся последовательность действий робота, координаты позиций, траектории перемещения, напри­мер схвата, запоминаются и воспроизводятся в последующих цик­лах автоматически (на рабочих скоростях).

2.2. Производительность автоматизированных систем

Эффективность автоматизации определяется прежде всего эко­номической эффективностью, а также взаимосвязью технических

31

и экономических показателей производства. Техническими по­казателями являются /_ро — обшее время рабочих ходов; /_х — время холостых ходов цикла; д, я_у — число рабочих позиций и участков, на которые подразделено автоматизированное производство; 2/_Пр — временные потери (простои). Экономические показатели — это стоимость, срок службы, экономический эффект и пр. Произ­водительность труда и коэффициент роста производительности тру­да являются обобщенными показателями автоматизирован­ного производства (АП). На взаимосвязи технических и экономи­ческих показателей АП основана теория производительности тру­да и машин (ТПТМ), которая обеспечивает выбор наиболее эф­фективного варианта проекта при необходимости непрерывной мо­дернизации производства.

Методы расчета и оценки производительности автоматизированных систем

Производительность определяется числом годных дета­лей, изделий, комплектов, выпускаемых машиной в единицу вре­мени.Время обработки детали машиной является величи­ной, обратной производительности.

При расчете, анализе и оценке производительности автомати­зированного оборудования с учетом разных видов затрат времени используют четыре вида ее показателей: технологическую, цикло­вую, техническую и фактическую производительности.

1. Технологическая производительность К — максималь­
ная теоретическая производительность при условии бесперебой­
ной работы машины и обеспечения ее всем необходимым:

* = 1//_р,

откуда t_p = 1 / К — время рабочих ходов.

2. Цикловая производительность С?_ц — теоретическая произ­
водительность машины с реальными холостыми и вспомогатель­
ными ходами (/_х> 0; ^ > 0) и при отсутствии простоев (Х'пр = 0):

Q ₌ _ L ₌    I  

^,( т / +/ +/ '

* U      ' р      " X ^т 'ВСП

где Т_ц — общее время цикла; (_кп — вспомогательное время на загрузку-разгрузку оборудования, смену инструмента по циклу.

В автоматах и автоматических линиях непрерывного действия (при /_х = 0) цикловая производительность Q_u равна технологичес­кой К. В остальных случаях (/_х ф 0) она меньше и определяется по формуле (при t_Kn = 0):

{?=—i—=------- '---- = К—¹-—=Кх\,

32

где л=-—------- коэффициент производительности,

\ + Kt_x

который характеризует степень непрерывности протекания техно­логического процесса.

Например, величина г\ = 0,8 означает, что в рабочем цикле 80 % составляют рабочие ходы, а остальные 20 % — холостые, т.е. возможности технологического процесса используются на 80 %.

3. Техническая производительность Q_T — теоретическая про­изводительность машины с реальными холостыми ходами и уче­том ее собственных простоев £/_с, связанных с выходом из строя инструментов, приспособлений, оборудования, т.е. при условии

^Т Ср +' х +' всп ) + £> с '

4. Фактическая производительность (?_ф — производитель­ность, учитывающая все виды потерь:

^Ф   Гц+Х'пр  ('р+'х+^пИЕ'с + Е'орг+Х'пср)'

где 2/пр = (£/_с + X^;opr+ SW ~ суммарное время всех внецикло­вых простоев, в том числе ^^ — время простоев по организаци­онно-техническим причинам, не связанным с работой оборудова­ния; 2'пер — суммарное время переналадок оборудования.

Для количественной оценки фактической производительности С?ф можно также общее число деталей z разделить на период их изготовления 6:

0 ф = 2/е.

В общем случае при выпуске за цикл р деталей

z = p %/ T_u . Если за рабочий цикл выдается одна деталь (р = 1), то

* = е_р / г_ц ,

где 0_Р — время безотказной работы оборудования; Т_и — длитель­ность цикла.

Чем чаще и длительнее простои, тем ниже производительность. Влияние внецикловых простоев на производительность можно оценить, используя следующий ряд коэффициентов и показате­лей: коэффициент использования оборудования г|_исп; коэффици­ент технического использования т]_тсх; коэффициент загрузки х]^; показатели внецикловых потерь— простоев, приходящихся на одну деталь 2Х и на единицу бесперебойной работы ^В.

Показатель внецикловых потерь, приходящихся на одну деталь:

Z

где Х^пр ~ суммарное время внецикловых простоев.

Показатель внецикловых потерь, приходящихся на единицу бесперебойной работы:

пр

2* = ^

где Ор — время безотказной работы.

Несложные преобразования показывают, что показатели £/„и 2 В соотносятся между собой следующим образом:

Vt — 2~i " р _ 2^ °пр _ Z ^" np у _ у пф

откуда

v я — ^ ^п ₌ 2^ с⁺ 2 j wn

7"«             Гц

где JX— собственные потери оборудования; 2^⁽вс_П~ суммарное вспомогательное время на загрузку-разгрузку оборудования.

Коэффициент т|_исп численно равен доле времени работы маши­ны 6_р в общем плановом фонде времени В_пл:

Мисп —

в™ , е_{р +} Х 0 пр , ₊ 5 Ж > 1 + Х *'

Коэффициент использования т]_исп и фактическую производи­тельность Оф можно выразить через время цикла Т_и и суммарное время простоев £/_пр, приходящихся на один цикл:

_ 1    1

1 + - 1 1

Мисп

 

г« 1 + £* т - цО + Х ^)"

Коэффициент технического использования ц_пх численно равен доле времени работы машины при условии обеспечения ее всем необходимым (т.е. в периоды, исключающие организационные простои £0_орг):

34

Чтсх ""'

1 ₊ 2Ь иЪк

Q „              Г..

где ^ 6_С — суммарные собственные простои за некоторый период времени 6; 6_Р — общее время работы за период времени в; ]^/_с — собственные внецикловые потери.

Производительность машины с учетом только собственных по­терь (техническая производительность)

п -п   -_!_  - ¹  * ₌  '

■" ц

Коэффициент загрузки i)_w показывает, какую долю времени машина обеспечена всем необходимым. Так, величины т]_тех= 0,7 и Лзаг= 0,8 означают, что в общем фонде времени машина обеспече­на всем необходимым для бесперебойной работы (заготовками, инструментом, электроэнергией и пр.) только на 80 % времени и время ее работы за этот период составляет только 70 %, остальные 30 % времени машина простаивает по техническим причинам (из-за отказов, смены инструментов, наладок и др.). Между коэффи­циентом использования оборудования п_исп и коэффициентами л_Т(:х и Лиг существует следующее соотношение:

"1 исп⁼ ЛтехЛзаг»

например, при г|_тсх = 0,7 и т^ = 0,8 коэффициент использования

Лисп = 0,7-0,8 = 0,56.

Все виды производительности оборудования (К, Q_H , Q_T , £)_ф) свя­заны между собой посредством безразмерных коэффициентов г\, Лтех, Лисп, Лзаг- В частности, если К= 1//_р, то

(2.,= Kl \\ Qt = С?_цЛтех = #Ф1тех; <2ф = С?цЛисп = А-ЛЛтсхЛзаг; ^> Сц > Or > (?ф-

Все показатели и коэффициенты производительности в общем случае являются функциями времени и изменяются в процессе эксплуатации машин в результате действия разных факторов, на­пример износа, старения, коррозии, коробления, вибраций, раз­регулирования, повреждений, поломок и др. На рис. 2.2 показаны типовые примеры изменения коэффициента использования обо­рудования п_исп и коэффициента технического использования л.^ в процессе эксплуатации машин.

Величина т}_исп, определяемая в каждый момент времени отно­шением требуемой производительности к цикловой, монотонно растет пропорционально производственной программе. Изменение

	1 Чтгх^,--------
	Чисп
Л|	%	Nm

Чтех. Чисп

0,5

Рис. 2.2. Изменение показателей оборудова­ния в процессе эксплуатации:

#, — период пуска и освоения; N_n — период ста­бильной эксплуатации; N_m — период проявле­ния износа; х\_пх — коэффициент технического ис­пользования; ^„.п — коэффициент использования

коэффициента т^ подчинено более сложному закону в соответ­ствии с основными периодами эксплуатации автоматов или АПС: 7V, — период пуска и освоения, N » — период стабильной эксплуа­тации, N_m — период проявления износа.

Анализ производительности действующих автоматизированных систем

Чтобы определить фактическую производительность, необхо­димо учесть потери времени по инструменту, оборудованию, орга­низационно-технические потери (т.е. все внецикловые потери) и построить баланс производительности автомата или автоматизи­рованной системы.

Решать эту задачу требуется поэтапно, соблюдая следующую последовательность выполнения операций.

1. Анализ и расчет характеристик рабочего цикла и его состав­ляющих — /_р, /_х, /«.„.

2. Проведение эксплуатационных наблюдений за работой обо­рудования продолжительностью не менее 10—12 рабочих смен, в течение которых фиксируют все элементы затрат времени, имею­щих отношение к оборудованию: время работы, простои, их виды, продолжительность, причины возникновения и способы устране­ния, число обработанных деталей по всем типам и т.д.

3. Первичная обработка результатов наблюдений, составление сводной таблицы работы и простоев по всем объектам и рабочим сменам наблюдения с распределением общего времени по видам (состояниям). При этом общее время наблюдений принимается за 100%.

4. Расчет показателей работоспособности оборудования по ха­рактеристикам рабочего цикла: 2 'с. 2'орг. £'пе_Р» коэффициенты

Лисп» Мтех > " •

5. Расчет реальной производительности четырех видов {К, Q_a , Q_T , £?ф) по характеристикам рабочего цикла и баланса затрат фонда времени.

6. Построение баланса производительности автоматизированной системы. Баланс производительности на примере автоматической линии обработки блока цилиндров показан на рис. 2.3.

Баланс производительности отражает реальное соотношение цикловых и внецикловых потерь, позволяет выделить максималь-

36

Рис. 2.3. Баланс производительности на примере автоматической линии обработки блока цилиндров:

К — технологическая производительность, шт./смена; Q_u — цикловая произво­дительность, шт./смена; Qj, — фактическая производительность линии, шт./смена; AQ , — цикловые потери производительности, шт./смена; & Q_n — потери (про­стои) по инструменту, шт./смена; A£?_m — потери (простои) по оборудованию, шт./смена; & Q_n — потери (простои) по организационным причинам, шт./смена

ные потери и тем самым наметить пути повышения производи­тельности автоматизированного оборудования.

Баланс производительности можно использовать для оценки перспективности различных технических решений, определения исходных данных для расчета и проектирования нового оборудо­вания аналогичного назначения.

Производительность автоматических линий с разным агрегатированием

На однопоточных линиях последовательного агрега­тирования концентрируют разноименные операции ТТ1, по­следовательно выполняемые для каждого изделия.

Такие линии могут иметь жесткую межагрегатную связь без ме­жоперационных накопителей заделов или гибкую связь с установ­кой таких накопителей.

Техническая производительность линии с жесткой связью

' р +' х +' всп + Х ' с '

где /_р — время рабочих ходов цикла, определяемое длительностью обработки на лимитирующей позиции.

При равномерной дифференциации технологического про­цесса

37

где г_р0 — общее время обработки изделия (суммарное время рабо­чих ходов); q — число позиций в линии; /_х — время холостых ходов; ^{ кп — вспомогательное время, учитывающее межстаночное транс­портирование изделий; £/_с — собственные простои оборудования. Техническая производительность линии с жесткой связью, вы­раженная через время Т_п цикла и коэффициент т)_тех технического использования, составит

„   1 11

т„™ т_п\+в_ч'

•ш!&-,

где В = ^~ — отношение внецикловых простоев одного станка к

единице времени его безотказной работы.

Разделение АЛ на участки путем установки межоперационных накопителей заделов позволяет локализовать влияние отказов на отдельных позициях. Если АЛ делится на участки-секции по мето­ду равных потерь, то при полной компенсации потерь соседних участков коэффициент использования оборудования

1

Лисп ⁼

.3'

«У

где п_у — число участков в линии.

Так как полная компенсация потерь возможна лишь теорети­чески при бесконечной емкости накопителей, в реальных услови­ях каждый участок линии простаивает не только из-за собствен­ных потерь, но и вследствие некомпенсированных простоев со­седних участков. В этом случае

1

Лисп ^—

i 3^

где W — коэффициент возрастания внецикловых потерь /-го учас­тка из-за неполной компенсации потерь накопителей на границах участков { W > 1).

ВАЛ параллельного агрегатирования концентриру­ют одноименные операции дифференцированного технологичес­кого процесса, выполняемые нар изделиях. За время рабочего цикла Г_ц выдается р изделий, следовательно цикловая производитель­ность таких линий

' ц  ' р """ 'х "■ * всп

38

Рис. 2.4. Структурно-компоновочные варианты автоматизированной ли­нии последовательно-параллельного действия:

а — линия из автоматов последовательного действия, работающих параллельно; б — линия из автоматов параллельного действия, работающих последовательно

(роторная линия)

Если все встроенные в линию однопозиционные автоматы рабо­тают независимо, то, пренебрегая потерями общей транспортной системы, можно определить техническую производительность АЛ

Qt 2 =

?; + 'с

где t_c — собственные простои одного автомата в составе АЛ.

При р -> <= производительность стремится к некоторому преде­лу £?т2 max» который определяется собственными простоями обору­дования:

С?т2тах = ИГЛ £?т2 = —.

ВАЛ последовательно-параллельного действия концентрируют как одноименные, так и разноименные операции. Конструктивной особенностью данных АЛ является наличие па­раллельных потоков обработки (р > 2), в каждом из которых деталь последовательно проходит через д рабочих позиций.

В условиях массового производства используются две основные модификации этих линий: 1) линии из автоматов дискретного последовательного действия, работающих параллельно (рис. 2.4, а); 2) линии из автоматов параллельного действия, работающих пос­ледовательно (роторные и роторно-конвейерные линии, рис. 2.4, б).

Для линий первой модификации техническая производитель­ность

О________ Р _      _ Р

я 39

^ ₊ ' х₊/_Вс„₊>с/^{7; +} '^С'⁷'

Для линий второй модификации техническая производитель­ность

^{/> о .          .     Т.. + Lqp '

Я

Если многопоточная АЛ разделяется на участки-секции по ме­тоду равных потерь, то расчет производительности целесообразно проводить по выпускному участку

О - ^{Р  1}

" у

где р — число потоков выпускного участка; T_tl — длительность рабочего цикла выпускного участка; В — внсцикловые потери од­ной рабочей позиции; д — число рабочих позиций на выпускном участке; п_у — число участков в линии; W — коэффициент возрас­тания простоев выпускного участка из-за неполной компенсации отказов предыдущих участков.

Особенности расчета производительности при стабильной и изменяющейся номенклатуре изделий

Для автоматизированных систем, работающих без переналадок в условиях массового производства, величина всех определяющих факторов (технологических режимов, перемещений и др.) либо постоянна в процессе функционирования (Г_ц = const), либо явля­ется математическим ожиданием случайной величины £f_c в ста­бильных условиях эксплуатации. Простои и потери времени на пе­реналадку здесь отсутствуют Q£ t_nep = О, £б_Г1ер= 0). Технологическая производительность определяется лишь длительностью рабочего цикла и надежностью в работе. При решении задач анализа и син­теза автоматических линий в условиях массового производства ве­личины f_p, 1_Х, ^/_с выражаются функционально через параметры машин и их систем (число позиций и потоков изготовляемых дета­лей, технологические режимы, тип системы управления и транс­портной системы, структурная схема линии и др.).

При оценке производительности автоматизированных систем для условий серийного производства с изменяющейся номенкла­турой изделий необходимо учитывать все составляющие затрат времени: потери на переналадку (Х'пер * 0) и вспомогательное время (]>>яс_П*0).

Величина рабочих ходов теряет свою определенность, так как длительность обработки поверхностей деталей в различных парти­ях неодинакова, поэтому фактическая производительность машин

40

определяется для каждой отдельной (#-й) партии деталей по фор­муле

^щ ' _т , (£е_{с +} Хе_{орг +} 1е_пер),-

г,

1 __________        1

⁺ ( L ' с + Z V + £' nq ,) l   ^ ср , + £'* '

где 7J._p/ — среднее время цикла изготовления деталей /-й партии; ОС 6с + £б_орг+ £ Впер)/— потери времени при изготовлении z дета­лей /-го наименования; z_t — число изготовляемых деталей в i - ft партии; (£ t_e + £/ор_Г + 5Хер); — потери времени соответственно собственные, организационно-технические и из-за переналадки, отнесенные к единице выпущенной продукции /-й партии.

Анализ данной формулы показывает, что для повышения фак­тической производительности переналаживаемой системы необ­ходимо не только сокращать время изготовления изделий Т,, но и по возможности увеличивать величину партии z „ включая в нее те изделия, изготовление которых не требует переналадки оборудо­вания, а ограничивается использованием других управляющих про­грамм для него.

Для решения задач анализа и синтеза машин в условиях серий­ного производства необходимо иметь показатели производитель­ности в функции ряда определяющих факторов: характеристики комплекта изготовляемых деталей, их сложности, станкоемкости обработки поверхностей деталей, технологических режимов, ха­рактеристики самих станков, мобильности переналадки, степени загрузки оборудования, величины партии изготовляемых деталей между переналадками и др.

2.3. Надежность в автоматизированном производстве

Надежность является одним из основных показателей качества ма­шин и механизмов, обеспечивающих их высокий технический уро­вень, экономический эффект и общественную полезность. Расчет на­дежности необходимо вести на всех стадиях создания машин (при проектировании, изготовлении, испытании, эксплуатации и ремонте).

Надежность — это способность машин и механизмов вы­полнять заданные функции, сохраняя во времени значения эксп­луатационных показателей в заданных пределах, соответствующих установленным режимам и условиям использования. Для автома­тизированных систем надежность — это способность к беспере­бойному выпуску годной продукции в установленном программой

41

объеме в течение всего срока службы. Основными свойствами ма­шин, определяющими надежность, являются безотказность, дол­говечность и ремонтопригодность.

Безотказность — свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или не­которой наработки (наработка — продолжительность или объем работы объекта до отказа).

Долговечность — свойство объекта сохранять работоспо­собное состояние до наступления предельного состояния при ус­тановленной системе технического обслуживания или ремонта (предельное состояние — состояние объекта, при кото­ром его дальнейшее применение по назначению недопустимо или нецелесообразно).

Надежность определяется наработкой на отказ, т.е. вре­менем или числом циклов безотказной работы. Отказом машин является событие, заключающееся в нарушении работоспособно­сти системы, в переходе ее из рабочего состояния в нерабочее, включая остановку, потерю точности, выдачу брака. Отказы воз­никают внезапно или постепенно, что можно прогнозировать с заданной вероятностью. Существуют восемь видов отказов: внезап­ный, постепенный, зависимый, независимый, перемежающий­ся, конструкционный, производственный, эксплуатационный.

Наиболее характерными по проявлению, специфике и физи­ческому смыслу являются внезапный и постепенный отказы. Вне­запный отказ характеризуется скачкообразным изменением зна­чений одного или нескольких заданных параметров объекта. Осо­бенность внезапного отказа заключается в том, что его нельзя про­гнозировать, так как ему не предшествует направленное измене­ние параметров объекта. Примеры внезапных отказов: выход из строя элементов системы управления (сгорел предохранитель, ре­зистор, катушка, плата); обрыв шлангов гидросистемы или ее раз­герметизация и падение давления; поломка зубчатых передач; по­ломка режущего инструмента. Внезапные отказы, как правило, приводят к неожиданному (внезапному) прекращению функцио­нирования объекта. Постепенный отказ характеризуется по­степенным изменением одного или нескольких параметров объек­та, наличием тенденции или закономерности изменения парамет­ра, что позволяет прогнозировать его. Примеры постепенных отка­зов: станок не обеспечивает качества изготовления деталей по па­раметру «точность размера» или сборочное приспособление не обес­печивает требуемую точность сборки по установленному параметру.

Возникновение постепенных отказов часто связано с износом элементов оборудования (направляющих, подшипников, базовых поверхностей). При постепенных отказах объект, как правило, про­должает функционировать, поэтому их трудно обнаружить свое­временно.

42

Наступление отказов в общем случае является случайным со­бытием, поэтому оценки надежности носят вероятностный харак­тер и определяются на основе большого числа наблюдений, изме­рений и их математической обработки.

Показатели и методы оценки надежности

Показатели надежности делятся на частные, которые оценива­ют безотказность, ремонтопригодность, долговечность по отдель­ности, и комплексные (обобщенные), которые оценивают все три свойства.

Частным показателем безотказности является функция на­дежности P ( t )

Т

-Мол Р(/) = е"  ,

где со(/) — параметр потока отказов, характеризующий вероят­ность возникновения отказов в единицу времени или за рабочий цикл; Г— период эксплуатации системы.

Функция надежности F \ t ) устанавливает вероятность работы системы без отказов в течение времени t после ее включения.

Частным показателем ремонтопригодности является вероятно­стная функция длительности восстановления работоспособности системы /^{1)

где Вер — среднее время восстановления работоспособности системы.

Данная функция характеризует среднюю длительность обнару­жения и устранения отказов.

Вероятностные показатели P ( t ) и f ^- J ^ t ) характеризуют надеж­ность системы в конкретные моменты времени / ее функциониро­вания.

Долговечность характеризует изменение во времени частных показателей безотказности и ремонтопригодности. Важнейший показатель долговечности — технический ресурс R — равен сум­марной наработке за весь срок службы Гот ввода в эксплуатацию до предельного состояния (разрушение, потеря точности):

Л                    л

R - £,*!&& =Т- 2,б_ср/,

Ы \                  1=1

где /раб, — /-я наработка на отказ; п — число отказов системы за период Т ее эксплуатации; 6_cpi — среднее время устранения 1-го отказа, определяемое ремонтопригодностью системы.

43

Показатели t ^ j и п определяются безотказностью системы; тех­нический ресурс R выражают либо в единицах времени, либо его характеризуют суммарным числом выпущенных годных изделий.

Комплексными показателями надежности являются соб­ственные внецикловые потери

где t_e — потери по оборудованию; XQ — потери по инструменту, коэффициент т}_тех технического использования машины, системы, которые характеризуют безотказность и ремонтопригодность в кон­кретные периоды эксплуатации.

В сроке службы машин можно выделить три периода эксплуата­ции: 1) приработки; 2) нормальной эксплуатации; 3) быстрого износа и выхода из строя. Для этих периодов характерны разные уровни параметра потока отказов а>(г) и разная длительность. Чем выше качество изготовления машины, тем ниже уровень co(j) в период приработки и меньше длительность этого периода. При этом увеличивается длительность периода нормальной эксплуатации, характеризующегося устойчивым минимальным значением ы(/).

При расчете надежности учитывают только второй период, тре­тий определяется свойствами самой машины, первый — вероят­ностными методами.

Все показатели надежности могут определяться на разных эта­пах: в условиях эксплуатации действующего оборудования; при проектировании нового оборудования, что особенно важно для дорогостоящих автоматизированных систем. Именно для них необ­ходимо обеспечивать равновысокую надежность всех входящих аг­регатов, цепей управления и управляющих комплексов еще на ста­дии проектирования.

Надежность сложных многоэлементных систем

Большинство объектов в машиностроении являются сложными системами, состоящими из отдельных устройств, агрегатов, сис­тем управления и т.п. Сложными многоэлементными системами являются и автоматизированные производственные системы. Под элементом сложной системы понимают ту ее составную часть, которая характеризуется самостоятельными входными и вы­ходными параметрами. При оценке надежности АПС в качестве элементов могут рассматриваться отдельные единицы оборудова­ния, транспортные и загрузочные устройства, накопители и т.д.

При расчленении сложной системы на отдельные элементы, для каждого из которых можно определить вероятность безотказ­ной работы, для расчета надежности широко используют струк­турные схемы. В этих схемах каждый i-й элемент характеризуется своей вероятностью P_t безотказной работы в течение заданного

44

dHZHZh-ЧЗ

A   A   A       ft

Рис. 2.5. Схема последовательного (я) и параллельного (б) соединений элементов сложной системы:

1, ..., п и 1, ..., т — порядковые номера элемента системы; Р_и .... Р„ — вероят­ность безотказной работы при последовательном соединении элементов 1,..., л; А, .... Р_т — то же, при параллельном соединении элементов I, ..., m

периода времени. Исходя из этих данных определяют вероятность безотказной работы P { i ) всей системы.

Наиболее характерен случай, когда отказ одного элемента вы­водит из строя всю систему, например, при последовательном соединении элементов (рис. 2.5, а). Вероятность безотказной рабо­ты такой системы при независимости отказов равна произведе­нию вероятностей безотказной работы ее элементов:

P(t) = P_lP₂...P_a=f\P_l.

;=!

При одинаковой надежности элементов эта формула примет вид

Р(0 = яд

Сложные системы, состоящие из элементов высокой надежно­сти, могут обладать низкой надежностью из-за наличия большого числа элементов. Например, если станок состоит из 50 механиз­мов, а вероятность безотказной работы каждого механизма за выб­ранный промежуток времени составляет Р, = 0,99, то вероятность безотказной работы такого станка P ( t ) = (0,99)^5О= 0,55.

Для повышения надежности сложных систем можно применять резервирование, когда при выходе из строя одного из элементов дублер выполняет его функции, и элемент не прекращает своей работы. Резервирование может значительно повысить надежность системы. Например, рассмотрим случай постоянного (нагружен­ного) резервирования, когда резервные элементы постоянно при­соединены к основным и находятся с ними в одинаковом режиме работы (рис. 2.5, б). Вероятность безотказной работы P ( t ) данной системы может быть подсчитана следующим образом.

Пусть F ,, F ₂ , ..., F_m — вероятности появления отказа каждого из т элементов за время I . Отказ системы в данном случае — это событие, которое будет иметь место при условии отказа всех эле-

45

ментов; т.е. вероятность совместного появления всех отказов (по теореме умножения) составит

F { t )= F_lF ₂ ... F „ = f [ F_i . ;=|

Поэтому безотказность системы с параллельно резервиро­ванными элементами

P{t) = I -F(t) = 1-ПЛ = l-ftd-/}).

1=1              i = i

Например, если вероятность безотказной работы каждого эле­мента Р = 0,9, т = 3, то F \ t ) = 1 - (ОД)³ = 0,999. Таким образом, вероятность безотказной работы системы резко повышается, и ста­новится возможным создание надежных систем из ненадежных эле­ментов. При этом, правда, может существенно возрасти стоимость самой АПС. Поэтому резервирование как метод повышения надеж­ности требует строгого технико-экономического обоснования.

Технологическая надежность оборудования

Надежность оборудования можно оценить с двух основных по­зиций: как для машины, когда учитывают все виды отказов, и как для технологической системы, когда во внимание принимаются лишь те отказы, которые связаны с выпуском некачественной продукции. В последнем случае оценивается технологическая на­дежность оборудования, непосредственно связанная с выпуском некачественной продукции.

Технологическая надежность — это свойство обору­дования сохранять значения показателей, определяющих качество осуществления технологического процесса, в заданных пределах и во времени. К показателям качества технологического оборудова­ния относятся его геометрическая точность, жесткость, виброус­тойчивость и другие показатели, которые определяют точность обработки, качество поверхности и физические характеристики материала обрабатываемой детали. Возможности оборудования иг­рают, как правило, основную роль в получении высокого качества изготавливаемых изделий. Поэтому необходимыми условиями на­дежного осуществления технологического процесса являются обес­печение начальных высоких характеристик технологического обо­рудования и длительное их сохранение в процессе работы.

К наиболее действенным методам повышения технологической надежности оборудования относится метод автоматической под-наладки и саморегулирования его параметров. При реализации этого метода изменившиеся параметры автоматически восстанавливаются за счет систем саморегулирования, структура которых зависит от

46

скорости воздействия разных процессов на параметры оборудова­ния. Так, при воздействии быстропротекающих процессов в систе­мах саморегулирования должны быть обеспечены непрерывный контроль изменяющихся параметров и возможность непрерывного (регулирования (подналадки) механизмов машин.

В качестве примеров таких систем в станках-автоматах можно указать на обратную связь в станках с программным управлением с целью компенсации влияния зазоров, деформаций, различных случайных воздействий на соблюдение заданного режима движе­ния рабочего органа станка.

К этой же группе систем относятся самоподнастраивающиеся станки (станки с адаптивным управлением) с автоматическим регулированием подачи столов и суппортов станка при условии сохранения постоянных силы резания или упругой деформации системы.

В случае процессов средней скорости при внешних воздействи­ях на оборудование (изменение температуры машины или окружа­ющей среды, износ режущего инструмента и т.д.) для систем ав­томатической подналадки характерно наличие непрерывного кон­троля изменяющихся параметров и периодическое регулирование механизмов. Например, известны методы активного контроля де­талей и методы компенсации износа шлифовальных кругов.

Таким образом, для повышения технологической надежности сложного высокопроизводительного оборудования достаточно эф­фективным является применение самой автоматики для обеспече­ния длительного выполнения машиной своего служебного назна­чения в разнообразных условиях эксплуатации, для придания ма­шинам новых качеств автоматического восстановления утрачен­ных функций и приспособления (адаптации) к изменениям окру­жающей среды. Развитие этих идей означает переход от пассивных методов решения проблемы технологической надежности обору­дования к активным. Тенденция повышения надежности средства­ми автоматики характерна не только для технологического обору­дования, но и для сложных автоматизированных систем в целом.

Связь надежности с производительностью.

Методы повышения надежности и производительности

автоматизированных систем

Производительность машины находится в прямой зависимости от показателей надежности. Чем больше наработка на отказ и мень­ше интенсивность отказов, тем меньше простоев оборудования, выше производительность и коэффициент использования системы.

Чем больше Д0= 0_Ф- Q_tl , тем ниже надежность производствен­ной системы, что приводит не только к низкой производительно­сти, но и к увеличению эксплуатационных расходов.

47

СОц, МИН

Рис. 2.6. Зависимость технической производительности (?_т от часто­ты отказов со,, при разной дли­тельности циклов (Г_ц, < 7ц₂ < Тцз)

Изменения технической про­изводительности От ^в зависимо­сти от частоты отказов ш_ц для раз­ных случаев длительности цикла 7ц, приведены на рис. 2.6. Видно, что в большей степени частота от­казов влияет на производитель­ность машин при коротких цик­лах (Т_и —»min), что характерно для многопозиционных автоматов и автоматических линий.

Статистическое изучение рабо­ты оборудования имеет большое значение в анализе факторов, вли­яющих на надежность и долговеч­ность. Помогает в этом диагности­ка состояния станков, приспособлений, инструмента и систем управления. Например, повышение надежности машин достигает­ся своевременной сменой инструмента, наблюдением за состоя­нием инструмента в работе, определением рациональных режи­мов резания лимитирующих инструментов. В результате диагности­ки состояния подвижных стыков и перемещений в них можно при­менять специальные методы компенсации износа, тепловых и уп­ругих деформаций, ведущих к потере точности и выходу машины из строя. Эффективным способом повышения общей надежности систем является резервирование наиболее ненадежных их элемен­тов. В частности, дублирование элементов управления повышает надежность систем информации и управления.

Таким образом, основными мерами повышения надежности и, как следствие, производительности автоматизированных производ­ственных комплексов являются:

• повышение надежности работы станков, роботов, транспорт-но-складских систем, из которых составлен комплекс;

• выбор рациональных варианта компоновки и системы управ­ления;

• применение средств адаптации, входящих в состав автомати­зированной диагностической системы (АДС), при условии сокра­щения эксплуатационных расходов.

2.4. Контроль и диагностика в условиях автоматизированного производства

В основе мер обеспечения надежной работы автоматизирован­ных систем лежит непрерывный или периодический контроль за ходом технологических процессов, реализуемых в этих системах.

48

Задача любого технологического процесса сводится к контролю точности деталей, точности работы оборудования, выявлению причин отклонения от заданной точности деталей и оборудова­ния, к определению методов и средств контроля. К задачам конт­роля относятся защита от аварийных ситуаций и адаптация техно­логического процесса.

Для реализации этих функций в современном производстве ак­тивно используются микропроцессоры, лазерные системы и дру­гая техника.

Контроль — это проверка соответствия объекта установлсн-н ым техническим требованиям. Под объектом техническо­го контроля понимаются подвергаемая контролю продукция, процессы ее создания, применения, транспортирования, хране­ния, технического обслуживания и ремонта, а также соответству­ющая техническая документация.

Следовательно, объектом, данные о состоянии и свойствах ко­торого подлежат при контроле сопоставлению с установленными требованиями, может быть как продукция, так и процесс ее со­здания.

Важным условием эффективной работы в автоматизированном режиме и быстрого восстановления работоспособности оборудо­вания является его оснащение средствами диагностики. Именно средства диагностики обеспечивают возможность определения тех­нического состояния технологического оборудования в процессе его эксплуатации.

Организация автоматизированного контроля в производственных системах

Контроль в АП может быть межоперационным (промежуточ­ным), операционным (непосредственно на станке), послеопера­ционным, окончательным. Автоматизированному контролю долхс-ны подвергаться все элементы технологической системы: деталь, режущий инструмент, приспособление, само оборудование. Пред­почтительными являются методы прямого контроля, хотя методы косвенного контроля шире используются при контроле инстру­ментов, диагностике состояния оборудования.

Контроль в процессе обработки является одной из наиболее активных форм технического контроля, гак как позволяет повы­сить качество выпускаемой продукции при одновременном увели­чении производительности труда. Однако на точность обработки с применением активного контроля оказывают влияние раз­личного рода изменения, происходящие в системе активного кон­троля и технологической системе. Изоляция станка и управляюще­го контрольного устройства от температурных влияний, вибраций и других внешних воздействий и стабилизация параметров техно-

49

логической системы дают положительный эффект, но ограниче­ны техническими возможностями. Поэтому разрабатываются са­монастраивающиеся системы управляющего контроля. Контроль самонастраивающийся управляющий — это управляющий контроль, при котором на основе информации, по­лучаемой при изменяющихся условиях работы, автоматически из­меняются параметры настройки средства контроля до обеспече­ния заданной точности при произвольно меняющихся внешних и внутренних возмущениях. Структурная схема алгоритма самонаст­раивающегося управляющего контроля приведена на рис. 2.7.

Необходимо отметить, что степень влияния отдельных возму­щений (возмущающих факторов) в разной мерс проявляется не только в стабильности получения заданного уровня качества обра­батываемого изделия, но и в изменении контролируемого пара­метра при обработке каждой детали. Поэтому основная трудность

Исполнительный орган станка — Инструмент

Обрабатываемое

изделие с параметром X ,-

 

1

Средство контроля Xj ( i )

Формирователь

управляющих

команд

Г

Измерители

возмущений

в системе

X

Формирователь корректирования

Конец

обработки

d

X

* й

* 8

>. с о ю о

о

Рис. 2.7. Структурная схема алгоритма самонастраивающеюся управляю­щего контроля:

X , — параметр обрабатываемого изделия; ХД/) — параметр срелства контроля;

Х\, ..., Xjh — параметры настройки технологического оборудования; Xf , t ) —

команды, изменяющие течение технологического процесса

50

при создании подобных систем связана с выявлением доминиру­ющих возмущающих факторов, воздействие на которые при уп­равлении точностью обработки наиболее эффективно. Очень важ­но найти алгоритм формирования корректирующего сигнала по изменяющемуся измеряемому возмущению.

В промышленности, особенно в серийном производстве, при­меняются самонастраивающиеся управляющие системы контроля с коррекцией по отклонению измеряемого (контролируемого) параметра качества от заданного значения. Такие системы с кор­рекцией по положению центра группирования размеров обрабо­танных деталей компенсируют только систематическое смещение размеров обработанных деталей.

Для реализации функций контроля необходимы соответствую­щие средства контроля, в составе которых различные измеритель­ные устройства с датчиками, устройства сбора и обработки ин­формации, поступающей от измерительных устройств, а также устройства реализации выработанных решений. В качестве послед­него используется либо сама система ЧПУ оборудования, либо программируемый контроллер, входящий в систему управления автоматизированного комплекса. Работа контрольных устройств в РТК является главным источником информации для программно­го управления, в частности, в качестве сигналов обратной связи.

При выборе методов и средств контроля для конкретных авто­матизированных систем необходимо предварительно определять экономический эффект от их применения с учетом реализуемых в системах функций, а также условий эксплуатации этих систем.

Для всех видов контроля в каждом отдельном случае должны быть выбраны наиболее надежные и допустимые по точности при­боры и устройства. В силу этого требования контрольные устрой­ства должны быть просты и иметь требуемую точность измерения.

Весьма важно увязать систему автоматизированного контроля (САК) с основными этапами технологического процесса, что по­зволяет ставить вопрос о разработке технологического процесса измерений, сопровождающего процесс изготовления деталей и изделий.

Контроль деталей и изделий в автоматизированных системах

Непосредственно на участке механической обработки осуще­ствляют контроль трех видов:

• установки заготовки в приспособление;

• размера изделия непосредственно на станке;

• выходной контроль детали.

Контроль установки заготовки в приспособление может осуще­ствляться на конвейере перед станком или на станке непосрел-

51

ственно перед обработкой. В первом случае могут использоваться датчики положения, расположенные на конвейере, или специ­альные измерительные установки с роботами. Бесконтактные дат­чики положения регистрируют отклонение действительного поло­жения измеряемой поверхности от запрограммированного или разность условной базы и измеряемой поверхности (датчики каса­ния).

К бесконтактным датчикам относятся: оптические измерители с погрешностью измерений ±0,005 мм; лазерные датчики с по­грешностью измерений ±0,001 мм; датчики изображения (техни­ческого зрения) с погрешностью измерений ±0,003 мм. Датчики и принимающие камеры располагают на стойках у конвейеров или над конвейерами. Сигналы датчиков поступают в сравнивающее устройство, затем в автоматизированную систему управления (АСУ), наконец, проводится корректировка положения заготовки в приспособлении перед установкой его на стол станка.

Выносной контроль заготовок и деталей в процессе их транс­портирования не удлиняет производственного цикла, однако наи­более оперативным является контроль заготовок и деталей непос­редственно на станке. При небольшом увеличении длительности обработки он существенно повышает ее качество, активно воздей­ствуя па процесс обработки.

Для контроля в зоне обработки на токарных и круглошлифо-вальных станках с ЧПУ применяются индикаторы контакта (на­пример, типа БВ-4271, БВ-4282, МВ-1). Индикатор предназначен для выдачи информации о контакте наконечника щуповой голов­ки с поверхностями детали и инструмента, используемого для определения размеров деталей, положения или состояния инстру­мента. Индикатор состоит из щуповой головки для детали, щупо­вой головки для инструмента, передатчика, приемного устрой­ства и электронного блока. Щуповая головка работает по принци­пу электроконтактного датчика, обеспечивающего выход двух сиг­налов «да» и «нет*.

Щуповая головка для контроля положения и состояния инст­румента устанавливается на неподвижной части станка и стыкует­ся с электронным блоком согласования. От системы ЧПУ в элект­ронный блок согласования поступает сигнал, определяющий вы­бор одной из двух головок. Щуповая головка для контроля разме­ров деталей, передающее устройство, связанное кабелем с датчи­ком, и приемное устройство устанавливаются на револьверной головке РГ станка. В соответствующем положении револьверной головки выполняется ощупывание измеряемой детали. Прием ин­формации от выбранной головки осуществляется с приходом сиг­нала «размещение» от СЧПУ. Далее выполняется формирование выходных сигналов и передача их в СЧПУ. Пример системы актив­ного контроля приведен на рис. 2.8.

52

Рис. 2.8. Схема автоматического программ­ного устройства активного контроля:

/ — деталь; 2,7— щуповые головки; 3 — переда­ющее устройство; 4 — приемное устройство; 5 — револьверная головка; б — инструмент; А", — па­раметр (диаметр) детали; Хг — привязочный раз­мер вершины инструмента по оси л; СЧПУ — система числового программного управления

Блок \_а_ согласования)

3

| СЧПУ

Контроль с помощью измерительных головок на станке может рассматриваться и как выходной контроль детали после конкрет­ной (в том числе и после финишной) операции. Однако в ряде случаев целесообразнее и легче организовать специализированную контрольно-измерительную ячейку (КИЯ), обеспечивающую вы­носной контроль детали, чем контроль в зоне обработки. К таким случаям можно отнести контроль сложных корпусных деталей, например, картера двигателя внутреннего сгорания.

Состав КИЯ определяется видом контролируемых изделий и может формироваться как на основе унифицированных измери­тельных систем отдельных параметров, так и на базе универсаль­ных контрольно-измерительных машин (КИМ). Для механической обработки характерен второй вариант.

Контрольно-измерительная машина типичной компоновки представлена на рис. 2.9. Объект измерения располагают в рабочем пространстве машины, т.е. в области, доступной движению измери­тельной головки. Система трех пар направляющих с взаимно-пер­пендикулярными осями х, у, z обеспечивает возможность переме­щения головки, оснащенной щупами, относительно измеряемого объекта и подход к нему в произвольном направлении в соответ­ствии с программой, записанной в памяти управляющего вычис-

Рис. 2.9. Контрольно-измерительная ма­шина:

/ — измерительная бабка; 2 — портал; 3 —

измерительная головка; 4 — стол; 5— линоль;

х, у, z — оси координат

53

лительного устройства, которое связано с АСУ автоматизирован­ного комплекса (например, участка). При этом выполняется авто­матический расчет контролируемых геометрических параметров поверхностей по результатам измерения положения отдельных то­чек на этих поверхностях.

КИМ устанавливают за обрабатывающими центрами в конце участка или линии для осуществления выходного контроля дета­лей и изделий. Но КИМ можно устанавливать также непосред­ственно за участком выставки и закрепления детали на спутнике, что позволяет оценить фактические размеры и положение посту­пающей на обработку заготовки. Обработка информации, посту­пающей с КИМ на ЭВМ, дает возможность определить оптималь­ное число проходов и внести возможные коррекции в режимы ре­зания.

Контроль состояния инструмента в автоматизированных системах

Контроль состояния инструмента проводится с целью фикса­ции его износа к поломки, а при ударных нагрузках в процессе резания — для оценки выкрошивания режущих кромок. Отдельной задачей, которая относится к контролю состояния инструментов, является привязка инструмента к системе отсчета станка, т.е. авто­матическое определение его размеров (вылета, длины) непосред­ственно на станке с вводом соответствующих данных в устройство ЧПУ станка.

Алгоритмы контроля состояния режущего инструмента опреде­ляются выбором места контроля в процессе обработки (в ходе ре­зания, в перерывах, до или после обработки данным инструмен­том) и самих методов контроля (прямых и косвенных). С помощью прямых методов контроля, связанных с непосредствен­ным измерением геометрических параметров инструмента, опре­деляются такие нарушения, как износ, выкрошивание режущих кромок, поломка. Прямые измерения осуществляют либо в рабо­чей зоне станка с прерыванием цикла непосредственно до или после обработки, либо в специальной позиции инструментально­го магазина во время, совмещенное с периодом резания. На токар­ных станках с ЧПУ, входящих в состав модуля, прямые измерения инструмента проводят в рабочей зоне с помощью индикаторов контакта (ИК), которые могут служить и для привязки инстру­мента к системе отсчета станка.

Среди известных и применяемых в производственных условиях методов косвенного контроля состояния инструмента наибольшее распространение нашли два: по результатам измере­ний различных составляющих силы резания и по параметрам виб­роакустической эмиссии. Измерение и обработку результатов вы-

54

нолняют в процессе резания, в этом заключается основное досто­инство косвенных методов контроля.

Контроль по результатам измерений составля­ющих силы резания основан на явлении возрастания сум­марной силы резания и ее отдельных составляющих по мере затуп­ления инструмента или при его поломке. В устройствах контроля состояния инструмента — мониторах — используется принцип срав­нения фактического значения измеряемой силы с некоторым за­данным предельным уровнем (например, уровнем предельного из­носа). Основой расчета этих уровней служит уровень нормального резания, наблюдаемый при обработке детали новым инструмен­том, когда в память монитора автоматически или вручную вводят соответствующие зафиксированные значения измеряемого пара­метра.

Контроль по параметрам виброакустической эмиссии основан на измерении упругих волн в твердых телах, подвергнутых пластической деформации или излому. Амплитуда колебаний, регистрируемых пьезоэлектрическими датчиками, кор­релирует с деформацией режущей кромки инструмента в зоне его контакта с обрабатываемой деталью. Так, увеличение амплитуды высокочастотных колебаний характерно для периодов приработки и интенсивного износа инструмента. Важно установить наиболее информативные диапазоны частот для инструментов разных типов и коррекцию между амплитудой эмиссии и показателями наруше­ния состояния режущей кромки. Этот метод используется для кон­троля поломки осевого инструмента (сверла, метчика и т.д.).

К методам косвенного контроля износа инструмента относится также контроль фактического времени работы инструмента и срав­нение его со стойкостью инструмента, рассчитанной по парамет­рам режимов резания с учетом разных факторов. Метод не требует наличия мониторов и может быть чисто расчетным путем реализо­ван в устройстве ЧПУ. Контроль по времени работы может быть эффективен тогда, когда стойкость инструмента рассчитана с до­статочной достоверностью, а разброс реальной стойкости при об­работке различных заготовок различными инструментами невелик, и им можно пренебречь. При этом следует минимизировать факто­ры, влияющие на разброс реальной стойкости, в первую очередь, повышенные режимы резания, что снижает производительность модуля. Несмотря на свою простоту, данный метод, как правило, используется в сочетании с другими методами контроля факти­ческого состояния режущего инструмента (например, с прямым измерением инструмента с помощью ИК).

Для косвенного контроля состояния инструмента используют­ся следующие датчики:

• датчики, измеряющие силу тока в якоре двигателя главного привода;

55

• тензодатчики на подшипниках шпинделя для измерения со­ставляющих силы резания (силоизмерительные подшипники);

• тензодатчики на специальных втулках в опорах ходовых вин­тов для измерения сетевых сил на ходовых винтах;

• пьезодатчики, позволяющие измерять как статические, так и динамические нагрузки (зги датчики встраивают в основание ре­вольверной головки токарных станков или устанавливают непос­редственно на стенке шпиндельной бабки);

• датчики для определения деформаций шпинделя;

• пьезоэлектрические высокочастотные акселерометры, устанав­ливаемые непосредственно на шпиндель станка.

Некоторые устройства контролируют состояние инструмента по совокупности сигаалов разных датчиков. Этим обеспечивается повы­шенная надежность контроля возможных неисправностей инструмен­та. Так, в устройстве для многоцелевых станков предусмотрены кон­троль износа режущих инструментов по крутящему моменту с по­мощью датчика силы тока и контроль их поломок по акустическому сигналу (уровню вибраций). На токарных станках поломка инстру­мента и его износ контролируются по крутящему моменту и со­ставляющим силы резания с помощью датчиков силы тока и тензо-датчиков на подшипниках шпинделя.

При использовании сигналов только одного датчика упрощается математическая обработка контрольной информации, ко надежность контроля при этом снижается.

При автоматическом контроле должны быть реализованы сле­дующие функции:

• начальная размерная настройка инструмента (привязка ново­го инструмента к системе отсчета станка);

• подналадка инструмента в процессе обработки;

• обнаружение поломки инструмента;

• замена инструмента дублером в случае превышения допусти­мых значений износа или исчерпания нормативного периода стой­кости, а также в случае его поломки;

• прерывание обработки и вызов оператора при выявлении раз­мерного брака или отсутствии дублера износившегося инструмента.

В условиях комплексной автоматизации производства целесо­образно создание АДС. Появляется возможность использовать мо­дульные принципы построения универсальных средств диагности­ки, адаптируемые к различным видам оборудования с помощью программного обеспечения ЭВМ.

Диагностика технологической системы

Важным условием эффективной эксплуатации в автоматизиро­ванном режиме, быстрого восстановления работоспособности обо­рудования является оснащение его средствами диагностики.

56

Регистрация фактических значений параметров и сопоставле­ние их с заданными служат основой для определения техническо­го состояния технологического оборудования.

Технической диагностикой (ТД) называется процесс определе­ния во времени технического состояния объекта диагностики (ОД) с определенной точностью в условиях ограниченной информации.

С помощью ТД решаются следующие задачи:

• определение работоспособности технических устройств;

• определение форм проявления отказов;

• разработка методов локализации, распознавания и прогнози­рования скрытых дефектов без разборки или с нетрудоемкой раз­боркой технических устройств;

• разработка принципов проектирования структуры диагности­ческой системы (ДС) и формирование требовании к ОД с точки зрения удобства, быстроты и достоверности поиска неисправнос­тей.

Параметрами технического состояния ОД могут быть качествен­ные и количественные характеристики его свойств. Различают па­раметры трех видов: структурные, функциональные и сопутствую­щие. Структурные параметры характеризуют структуру машин и механизмов: величины зазоров в кинематических парах, натяги и т.д. Функциональные параметры имеют отношение к обо­рудованию и узлам в целом — это мощность, частота вращения, продолжительность циклов и операций и т. д. Сопутствующие параметры (вибрация и шум, изменение силы тока в электропри­воде, изменение температуры узлов и т.д.) характеризуют работу оборудования и его узлов.

В процессе эксплуатации технологического оборудования, осо­бенно в условиях автоматизированного производства, возмож­ность прямого измерения структурных параметров без разборки оборудования весьма ограниченна. Функциональные параметры поддаются измерению, но их затруднительно сопоставлять с эта­лонными значениями, так как эталоны зачастую не определены. Наиболее удобны для диагностирования косвенные параметры. Так, износ режущего инструмента можно определить по вибра­ции и шуму, изменению силы тока в электроприводе и т.д. Зада­ча диагностики состоит, в частности, в установлении зависимо­сти параметров технического состояния оборудования и контро­лируемых параметров. При установлении таких зависимостей кон­тролируемые параметры можно считать диагностической инфор­мацией. Схема, приведенная на рис. 2.10, иллюстрирует примене­ние диагностической информации как для обслуживания, ремонта и регулирования оборудования, так и для адаптации, а также управления производственными процессами. Рассмотрим мето­ды, используемые для диагностирования технологического обо­рудования.

57

Регистрируемые параметры

 

 

1          1             1					1		1
Заготовок, инструмента	Технологичес­кого процесса		Технологического оборудования		Вспомогательного оборудования		Внешней среды
1                   1					1		1
			Обработка данных
			L

Использование диагностической информации

Постановка диагноза

Устранение нсисправ! гостей

X

Улучшение эксплуатации

X

Подналадка,

адаптация,

прогнозирование

Ремонт по потребности

Улучшение

управления

производством

Рис. 2.10. Использование диагностической информации в переналажива­емых автоматизированных производственных системах

Метод временных интервалов как наиболее универсальный при­меняется для анализа простоев, определения показателей надеж­ности, контроля режимов работы, системы управления, расчета кинематических параметров, получения циклограмм для модулей или автоматических линий. Путем сравнения с нормами этот ме­тод дает возможность осуществлять первичную локализацию места неисправности.

Метод эталонных (нормированных) модулей также пригоден для всех видов оборудования. Основан на сравнении эксперименталь­но определенных и расчетных (в частности, полученных на мате­матических моделях) численных значений параметров и показате­лей качества — мощности, КПД, усилий, крутящих моментов, давлений, ускорений, подачи, амплитуд вибраций и т.п. — с их паспортными данными и нормами технических условий. Реализа­ция метода, основанная на применении предельных значений од­ного или нескольких модулей, при постановке диагноза не требу­ет сложной аппаратуры и программного обеспечения.

Метод эталонных (нормированных) зависимостей менее универ­сален и распространен по сравнению с первыми двумя. Он осно­ван на сравнении экспериментально полученных функциональ­ных зависимостей параметров проверяемого узла с эталонными, найденными расчетным или экспериментальным путем. Приме­ром может служить применение зависимости коэффициента не­равномерности подачи от скорости, средней скорости от длины хода. Этот метод перспективен как дополнительный метод, по­зволяющий повысить глубину и достоверность постановки диаг­ноза.

58

Метод эталонных (типовых) осциллограмм — частный случай метода эталонных зависимостей, с помощью которого обычно исследуется зависимость параметров от времени. Он является од­ним из наиболее простых и эффективных методов диагностирова­ния и широко применяется для выявления дефектов машин (осо­бенно их механизмов прерывистого действия), для которых харак­терны низкочастотные динамические процессы. Благодаря высо­кой информативности и наглядности применение метода эффек­тивно при профилактических осмотрах оборудования и необходи­мости уточнения диагноза.

Метод сопоставления и наложения осциллограмм основан на ана­лизе одновременно записанных осциллограмм различных парамет­ров или одного и того же параметра, но при разных условиях рабо­ты механизма. Метод универсален и особенно эффективен для ди­агностирования новых конструкций, при профилактических ос­мотрах и в сложных случаях для уточнения диагноза. Автоматиза­ция метода затруднительна.

Метод определения предельных (аварийных) состояний является одним из наиболее простых и перспективных методов. Он основан на обнаружении самого факта выхода устройств и систем в недо­пустимые области (без точного количественного определения ди­агностируемых параметров). Для систем, использующих этот ме­тод, характерна активная ответная реакция — световая или звуко­вая сигнализация, выключение или остановка движущихся частей оборудования. Иногда этот метод является частным случаем мето­да эталонных модулей.

В автоматизированных комплексах для измерения диагностичес­ких параметров применяют как датчики внутренней информации, встроенные в систему (тензодатчики, электрические и пневмати­ческие микрометры), так и внешние сенсорные системы, исполь­зуемые для проверки нахождения посторонних предметов в рабо­чей зоне, наличия инструмента, заготовок и др. К ним относятся системы технического зрения; лазерные и фотоэлектрические; рент­геновские и ультразвуковые; акустические и другие, восприни­мающие различные параметры окружающей (технологической) среды.

Анализ современных методов диагностирования и возможных областей их применения в условиях автоматизированного произ­водства показывает, что здесь необходимы разработка комплекс­ных методов диагностирования и создание автоматизированных систем диагностики.

Контрольные вопросы

1. Какими факторами обусловлена специфика разработки технологи­ческих процессов автоматизированного производства?

59

2. Назовите преимущества стандартизации и унификации изделий, оборудования, технологических процессов.

3. Перечислите основные принципы построения технологии в АПС. Укажите их назначение и пути реализации.

4. Что является основой типизации технологических процессов? Где применяют типовые технологические процессы?

5. Для чего и по каким критериям проводится отработка конструкций изделий на технологичность?

6. Что является основой построения групповой технологии? Где она применяется?

7. Что такое модульная технология?

8. Что такое производительность машины, производственной систе­мы? Как определяется фактическая производительность?

9. Что такое баланс производительности? Какова методика его постро­ения?

10. Назовите основные свойства, определяющие надежность.

П. Укажите основные показатели надежности: частные и комплекс­ные.

12. Какие виды контроля используют в условиях АП?

13. В чем заключается техническое диагностирование АПС? Какова связь контроля и диагностирования в условиях АП?

14. Какие технические средства используются для контроля деталей и инструментов в АПС?

Глава 3