Фельдштейн Е.Э. Обработка деталей на станках с ЧПУ (2008). Диагностика металлорежущих станков и технологической оснастки
 Скачать 1.45 Mb.
|
|
Диагностика металлорежущих станков и технологической оснастки 7.2.1. Задачи и принцип действия системы диагностики Работая в условиях безлюдного производства, ГПС должны иметь высокие надежность и точность работы. Поэтому входящие в состав ГПС технологические машины и устройства должны включать 7.2. Диагностика металлорежущих станков и технологической оснастки 217 системы надзора и диагностики, которые призваны обеспечивать длительную и надежную работы ГПС и требуемое качество обрабаты ваемых деталей. Диагностика ГПС осуществляется в двух направлениях: контроль за правильностью функционирования системы в целом во время рабо ты или холостых ходов и контроль состояния узлов и механизмов. Выбор и состав системы диагностики определяется информацией о наиболее часто наблюдаемых аварийных ситуациях и их послед ствиях, времени простоев оборудования, стоимости запчастей и тру доемкости ремонтов, влиянии того или иного узла на качество продукции и безопасность работы персонала. Некоторые сведения о времени ремонтов и простоев ГПМ в зависимости от отказов раз личных его узлов и систем приведены в табл. 7.2. Узел, система ГПМ Частота Время отказов простоев ремонтов Микровыключатели 31 30 10 Шпиндельный узел 8 15 46 Система управления 13 34 20 Двигатель главного движения 7 8 20 Режущий инструмент 41 13 4 На основании таблицы можно сделать вывод о важности кон тролирования состояния шпиндельного узла, который требует зна чительного времени на ремонт и вызывает длительные простои оборудования. Следует добавить, что в общем времени простоя до 80 % приходится на время выяснения причины неисправности и только 20 % — на ее устранение [3, 4]. Диагностирование станков, с ЧПУ основано на теории системного анализа сложных систем управления. Первый этап анализа — разра ботка иерархической структуры станка. Такая структура для токар ного ГПМ показана на рис. 7.1. На первом уровне иерархии выделены формообразующая, управляющая и вспомогательная подсистемы, на втором — приводы, подсистемы программного управления, систе мы смены заготовки и инструмента, подачи СОЖ и т.п. Подсистемы третьего уровня — это функциональные блоки. Далее разрабатыва ются математическая модель диагностирования объекта и алгорит мы принятия решений. Таблица 7,2 Соотношение (%) относительного времени ремонтов и простоев ГПМ и частоты отказов его узлов и систем [2] 218 7. Надзор и диагностика в гибких производственных системах Рис. 7.1. Иерархическая структура токарного ГПМ: Д — двигатель; РП — ременная передача; Шп — шпиндель; ДСВ — датчик ско рости вращения; Т — тормоз; ШВП — шарико-винтовая пара; Тг — тахогенера- тор; К — каретка суппорта; ДКП — датчик крайнего положения; ДОС — датчик обратной связи; Рд — резцедержатель; РИ — режущий инструмент; ФСУ — фо тосчитывающее устройство; ПУ — пульт управления; УСО — устройство связи с объектом; БА — блок автоматики; М — магазин; Мп — манипулятор; П — па трон; Пр — привод револьверной головки; РГ — револьверная головка; СУ — схема управления; ИУ — исполнительные устройства Системы надзора и диагностики правильности работы станка свя заны с системами ЧПУ. Они обеспечивают проверку наличия обратных связей между системами станка (например, отсутствие непрерывной информации о положении узла станка вызывает быстрое неконтро лируемое перемещение стола), а также взаимного расположения узлов станка во времени и в пространстве (соответствует ли расположение узлов и последовательность их работы заданному циклу). При вы полнении заданного цикла система контроля ожидает его окончания 7.2. Диагностика металлорежущих станков и технологической оснастки 219 (сигнала от соответствующего микровыключателя о нахождении в требуемой позиции). Отсутствие сигнала вызывает реакцию системы. Если система ЧПУ не может скорректировать выявленное несоответ ствие, на мониторе появляется код ошибки либо текстовая информа ция о неисправности. Для наиболее быстрого определения причин отказа широко ис пользуется так называемое граф-дерево ошибок (рис. 7.2). Для его построения необходимо составить перечень: основных элементов и узлов станка; действий, которые должны быть правильно выпол нены; повреждений, в результате которых станок не может правиль но выполнить то или иное действие; условий работы, вызывающих повреждение. jРис. 7.2. Принцип построения графа-дерева ошибок [1] Повреждения и их причины рассматриваются как происшествия. Они могут быть записаны в виде соответствующего графа, ветви ко торого описывают существующие причинно-следственные связи. На основе графа можно определить, какие причины вызвали наблюдае мую ошибку. Для диагностики состояния элементов и узлов станка могут быть использованы так называемые экспертные системы. 220 7. Надзор и диагностика в гибких производственных системах 7.2.2. Диагностика основных узлов и элементов станка Диагностика привода главного движения. Для этого часто исполь зуется информация о потерях мощности холостого хода. Эти потери зависят от частоты вращения двигателя, пройденного расстояния, состояния подшипников, условий смазывания, температуры и т.д. Информация о потерях, измеренных в условиях стабильной работы станка, может храниться в памяти системы диагностики как эталон ное значение. Увеличение потерь мощности в течение длительного времени позволяет сделать предположение об ухудшении состояния подшипников или коробки скоростей. Мгновенное и значительное возрастание потерь свидетельствует об аварийных ситуациях (по ломки элементов привода, отсутствие охлаждения и т.п.). Другой величиной, используемой для контроля привода, являет ся частота вращения шпинделя. Ее контроль обеспечивает проверку правильности работы системы управления приводом, механизмов переключения скоростей (муфт, блоков колес) и передачи мощности (зубчатые и ременные передачи и т.п.). Одновременное измерение частоты вращения и мгновенной мощности позволяет определить момент на шпинделе и предохранить привод от перегрузок. Предо хранить привод от перегрузок можно также путем контроля сил и момента резания (см. § 7.3). Диагностика привода подачи. Примером может служить диагно стика сервоприводов подачи. Они состоят из электрических, механи ческих и электронных подсистем. Структура системы для тестирова ния таких приводов приведена на рис. 7.3. Тестирование основано на анализе ответа на посланный тестовый сигнал со стороны тех подси стем, которые могут регулировать параметры сервопривода (регу лятор скорости, ограничитель динамических токов, механическая подсистема). Рис. 7.3. Структура тестера для контроля сервоприводов подачи [5] Модель Частота вращения подшипника, об/мин Диапазон частот, Гц ’ Нагрузка, Н Измеряемый параметр колебаний Габаритные размеры подшипников, мм Bendi (США) 1800 50...300 300...1800 1800...10 000 Скорость d > 3; 8 <£><150 NSK (Япония) 1800 50...300 300... 1800 1800... 10 000 60...140 То же d > 4; D < 170 МЕВ-17А, MVH-90B (Швеция) 1800 50...300 300...1800 1800...10 000 0...250 » D< 90 SM-4, MGG-10, MGG-11 (Германия) 1650 40...300 300...1800 1800...10 000 » 3 < d < 100 GPA, GPH (Австрия) 50...300 300...1800 1800...10 000 » GPW-6 (Австрия) 1800 70...360 360...1900 1900...10 000 Скорость, ускорение 7 .2 Диагно сти ка мет аллорежущ их ст ан ко в и те х но л ог и че ско й о сн аст ки 2 2 1 222 7. Надзор и диагностика в гибких производственных системах Диагностика состояния подшипников качения. Во многих случа ях подшипники качения определяют условия работы станка. Выяв ление их дефектов в рамках сервисного обслуживания основано на анализе уровня температур, сопротивления движению, возникнове ния колебаний, уровня шума, загрязнения смазочных материалов, изменений интенсивности акустической эмиссии, однако наиболее часто контролируются температура, колебания и шумы. Температура подшипников должна быть не выше рекомендуемой. Увеличение ее на 10...20 °С уже свидетельствует о нарушениях в работе (плохое смазывание или механическое повреждение). Сравнивая усло вия нагревания подшипников с типовыми, можно выявить неисправ ности соответствующего узла. Температура измеряется с помощью специальных устройств (пирометры, тепловизоры, закладные тер мопары и т.д.). В случае использования виброакустического метода измеряют и анализируют спектр механических или звуковых колебаний, гене рированных системой при определенной частоте вращения. В случае работы сложных подшипниковых узлов, например шпиндельных, за эталонный может быть принят спектр колебаний нового узла с ам плитудами, увеличенными на 20 %. При достижении этого уровня необходимо более тщательно проанализировать работу подшипни ков и либо заменить их, либо установить новый эталонный уровень колебаний. В табл. 7.3 приведены параметры устройств различных фирм для виброакустической диагностики подшипников. 7.2.3. Предотврашение аварийных ситуаций Аварийные ситуации, приводящие к значительным потерям вре мени и финансовых средств, возникают по различным причинам. Согласно [4] ошибки в управляющей программе вызывают 13 % ава рий, ошибки в наладке и установке нулевых точек — 2 1 , ошибки оператора — 20 , ошибки в выборе режущих инструментов и введе нии информации о них — 17, отказы системы управления и электри ческой системы — 26, отклонения в размерах заготовок — 3 %. В случае разработки технологического процесса обработки детали с помощью компьютера ошибки программирования и наладки станка можно исключить, а ошибки, связанные с режущими инструмента ми, — существенно ограничить, выводя на экран монитора «симуля цию» движений инструментов в ходе обработки. Для предотвращения аварий вследствие действий оператора (ручное перемещение узлов и т.п.) в кинематические цепи станка встраивают дополнительные предохранительные муфты либо используют системы диагностики режущих инструментов, основанные на контроле уровня сил резания. Диагностика режуших инструментов и проиесса обработки 7.3. Диагностика режуших инструментов и процесса обработки 223 7.3.1. Задачи системы диагностики Ранее (см. табл. 7.2) отмечалось, что на долю режущ их инстру ментов приходится более 40 % общего количества отказов ГПС. Это свидетельствует о необходимости контроля их состояния (текущей работоспособности) с целью быстрого принятия решений. В общем случае могут быть приняты следующие решения: □ выключить станок (наиболее простой и радикальный способ); □ изменить соответствующие кадры управляющей программы станков с ЧПУ; □ выполнить коррекционные перемещения инструментов; □ заменить работающую вершину инструмента; □ изменить подачу или частоту вращения ш пинделя станка с адаптивным управлением; □ заменить заготовку, не пригодную для обработки. Наиболее эластичным направлением в контроле режущих инстру ментов является монит оринг (непрерывный контроль). Все методы диагностики текущей работоспособности режущих инструментов мож но условно разделить на четыре группы (табл. 7.4), а их, в свою оче редь, — на методы п рям ого кон т роля, основанные на регистрации износа инструмента, и косвенного кон т роля, использующие физи ческие явления, которые сопровождают процессы резания и изна шивания инструмента. При прямом контроле параметры износа (характеристики лунок и ленточек износа) на контактных площадках инструмента измеря ются непосредственно в процессе обработки. Прямые измерения из носа инструмента вызывают некоторые.затруднения, что связано в основном со сложностью конструкции датчиков износа. При вы полнении прямых измерении используют вспомогательные или хо лостые ходы инструмента, выход инструмента или режущ их кромок (зубьев) из процесса обработки. Аппаратура для контроля износа режущих инструментов после окончания процесса резания может быть размещена таким образом* что на нее не будут оказывать вредное влияние различные факторы, присущие процессу металлообработки. Такие измерения обладают повышенной надежностью . Однако измерения осущ ествляю тся периодически, что не позволяет своевременно обнаружить отказы 223 224 7. Надзор и диагностика в гибких производственных системах режущего инструмента. Н еобходимая периодичность контроля может быть определена на основании опыта использования соответ ствующего режущ его инструмента на данных технологических операциях и на основании вероятностных расчетов с учетом предпо лагаемого периода стойкости режущего инструмента. Таблица 7.4 Классификация способов контроля состояния режущих инструментов Объект контроля Контролируемый параметр Режущий инструмент Ширина площадки износа Вибрации Температура Остаточная радиоактивность Расстояние от вершины или режущей кромки до посто янной базы Стружка Форма Направление схода Температура Радиоактивность Процесс резания Длительность цикла обработки Мощность резания Силы резания Вибрации Акустическая эмиссия ЭДС в зоне резания Электрическое сопротивление зоны контакта инстру мент — деталь Косвенные методы используются все в больших масштабах. При этих методах контролируются различные характеристики процесса резания, которые имеют определенные корреляционные связи с ве личиной износа и интенсивностью изнашивания режущ их кромок инструмента. Принципы и техника измерения при косвенных методах сравнительно просты. Они позволяют непрерывно получать в про цессе обработки информацию об износе режущей кромки. Пригодны 7.3. Диагностика режуших инструментов и процесса обработки 225 они также для регистрации резких или скачкообразных изменений износа или разрушения режущ их кромок инструмента в течение ко ротких интервалов времени. Основной недостаток косвенных методов состоит в том, что корре ляционная связь между измеренным фактором и износом инструмента должна быть определена экспериментальным путем для каждого конкретного случая обработки с тем, чтобы на ее основе можно было контролировать с помощью соответствующего датчика износ инст румента в процессе обработки. 7.3.2. Прямые методы диагностики Устройства для прямого контроля обеспечивают более высокую достоверность измерений и получили достаточно широкое распро странение. Рассмотрим принципиальные схемы некоторых из этих устройств. Оптические устройства. Для оценки длины стержневых режущих инструментов (сверл, метчиков) могут использоваться сравнительно простые конструкции со встроенными фотоэлементами (рис. 7.4). Если инструмент находится между источником излучения и датчи ком и перекрывает зону излучения, то это сигнализирует о его ис правности. Контроль осуществляется либо после каждого рабочего хода, либо в перерывах между обработкой деталей. Развитие оптических систем позволило создать устройства для измерения износа инструмента в тот момент, когда он не находится в контакте с заготовкой. Действие этих устройств основано на том, что площадка износа лучше, чем остальные поверхности инструмента, Рис. 7.4. Принципиальная схема контроля длины стержневых инструментов с помощью фотоэлементов: |