Технологической надежности прецизионных станков

 

1.2.1. Концепция системного подхода

к анализу методов и средств обеспечения

технологической надежности станков

 

Обеспечение технологической надежности особенно важно для автоматизированных станков. Это связано с увеличением сложности МРС за счет оснащения их электронными системами управления и датчиками различных типов, необходимостью учета разнообразных стационарных и нестационарных силовых, тепловых и виброакустических воздействий, поскольку станок работает в автоматизированном режиме, сокращением сроков проектирования и изготовления, обусловленным ростом номенклатуры изделий для удовлетворения потребностей рынка.

Для решения данной проблемы целесообразно применение системного подхода как методологической основы, позволяющего рационально формулировать, структурировать и решать крупные проблемы, характеризующиеся сложностью и неопределенностью. Отличительными признаками системного подхода являются: формулировка цели, декомпозиция (в общем случае многоуровневая), установление связей между декомпозированными фрагментами, анализ и последующий синтез фрагментов, направленный на достижение поставленной цели. В приложении к прецизионным МРС системный подход и обеспечение технологической надежности означают согласованный выбор альтернатив между современными конструкторскими решениями, технологическими возможностями и ценой, уровнем автоматизации, сложностью программного обеспечения и надежностью, гибкостью и производительностью, причем качество обработки рассматривается как целевая функция и ей подчинены все остальные характеристики МРС.

Основными тенденциями развития МРС являются: повышение уровня автоматизации, увеличение рабочих скоростей, применение новых материалов (в конструкции станков и для инструмента), технических решений приводов, датчиков на основе нанотехнологий, экспертных систем выбора режима обработки, адаптивных систем управления и ряд других.

Известно, что технологическая надежность МРС закладывается на этапе конструирования, обеспечивается на этапе изготовления и поддерживается на этапе эксплуатации, причем на каждом из этих этапов жизненного цикла станка используются соответствующие методы и средства расчета, математические модели, определенные виды испытаний узлов и станка в целом и т.д. (рис.1.6).

 

Анализ влияния скорости  процессов в станке		Анализ факторов, влияющих на качество обработки		Структурный анализ станка
Медленные,  средней		Внешние, внутренние		Иерархическая структура
скорости, быстро		Вход- технологический		Функциональные связи
протекающие		процесс - выход

Обеспечение технологической надежности  прецизионных автоматизированных станков
Этап разработки		Этап изготовления		Этап эксплуатации

 

Используемые математические модели		Основные направления обеспечения		Анализ видов испытаний
Детерминиро- ванные, стохастические		Новые технические решения формообразующих узлов		Статические, динамические, на надежность
Непрерывные, дискретные		Совершенствование методов мониторинга и технического обслуживания		Исследова- тельские, оценочные,
Аналитические, структурные, имитационные, комбинированные		Управление качеством обработки, экспертные системы		Контрольные, сертифика- ционные

 

Рис.1.6. Системный подход к обеспечению технологической надежности

прецизионных автоматизированных металлорежущих станков

 

С позиций системного подхода в рамках структурного анализа МРС следует отнести к большим техническим системам (БТС), определяемым следующими основными характеристиками: многомерностью (большим числом составных частей - подсистем); многосвязностью (иерархические и древовидные структуры связи элементов и др.); многокритериальностью (наличие нескольких, часто противоречивых критериев, которым должна удовлетворять система); разнообразной физической природой элементов, составляющих систему и обусловливающих интенсивность и разнородность информационных потоков; сложность функций, выполняемых подсистемами и направленных на достижение заданной цели функционирования системы.МРС может быть представлен иерархической структурой из совокупности взаимодействующих подсистем различного уровня, объединенных единой целью – обработкой деталей с заданным качеством. Каждая подсистема МРС, выполняя собственную задачу, обеспечивает решение поставленной единой цели. По функциональному признаку на первом уровне выделяются три подсистемы: управляющая, которая выполняет функции собственно управления, контроля и диагностирования; формообразующая, которая обеспечивает процесс обработки деталей; вспомогательная, осуществляющая подачу заготовок, СОТС, воздуха, удаление обработанной детали и т.п. Второй уровень подсистем является детализацией первого, в частности, в составе формообразующей подсистемы выделяются привод главного движения, привод подачи, подсистема режущего инструмента, несущие элементы конструкции; третий уровень подсистем представляется при декомпозиции станка сменными функциональными узлами, в частности, в приводе подач функциональными узлами являются двигатель, механическая передача и т.п. Четвертый уровень представляется деталями, входящими в состав узлов. Анализ иерархической структуры необходим, например, при совершенствовании подсистем, при разработке системы контроля и диагностирования (СКД) – необходимого элемента современных автоматизированных станков, а также при анализе процессов и факторов, влияющих на те или иные компоненты подсистем.

На различных этапах жизненного цикла МРС возникают задачи, связанные с построением математических моделей, служащих средством изучения реального станка или его подсистем. При расчетах характеристик подсистем МРС, оценке их функциональной и параметрической надежности, при проведении испытаний и организации технического обслуживания станков и в других случаях, используется математические модели различного вида. Содержание и форма моделей определяются целями исследования и априорным уровнем знаний о процессах в станке, причем по мере увеличения объема знаний исходные математические модели могут дополняться и уточняться. При построении моделей необходимо, чтобы они отражали данный процесс или объект с достаточной точностью и в то же время были максимально простыми. Разработка адекватных математических моделей, обеспечивающих оценку технологической надежности МРС, способствует как более глубокому пониманию связанных с ней задач, так и более эффективному внедрению ряда организационно-технических мероприятий, направленных на ее повышение.

Традиционным направлением обеспечения точности и надежности станков является совершенствование их конструкции путем применения новых технических решений и элементной базы и использования новых материалов и технологии изготовления. Сам ТП изготовления МРС должен обладать высокой степенью надежности, гарантированно обеспечивать заданные параметры качества деталей и узлов станка в соответствии с установленными техническими требованиями. В данном случае также может идти речь о совершенствовании существующих и поиске новых технологических методов изготовления отдельных элементов станка.

Перспективное направление повышения надежности МРС основывается на разработке и внедрении СКД, создаваемых с применением высокоточных измерительных систем, эффективных алгоритмов и микропроцессорной (МП) техники. Для каждой функциональной подсистемы, имеющей свои физические принципы построения, необходима своя модель, что делает затруднительным построение единой математической модели станка. Обеспечение качества обработки связано, в первую очередь, с организацией мониторинга и оперативного диагностирования формообразующей подсистемы (уровень виброакустических колебаний, градиент температур, точность позиционирования рабочих органов и т.п.).

Функционирование МРС обусловлено неопределенностью стохастического характера из-за действия ряда факторов, как со стороны внешней среды, так и естественно протекающих внутри станка процессов различной скорости, что влияет на качество формообразования, особенно прецизионного. Интенсивное внедрение в МРС информационно-измерительной техники создало условия для реализации методов и средств автоматизированного управления качеством обработки за счет контроля размеров деталей и других параметров, а также за счет компенсации ряда внешних и внутренних возмущений, воздействующих на станок в процессе обработки (тепловые, вибрационные, износ инструмента и другие). Реализация данного направления базируется на тщательном анализе факторов, влияющих на качество обработки, разработке и внедрении ряда датчиков, построении соответствующих моделей, применении современных математических методов обработки информации. Надежность МРС (функциональная и параметрическая) зависит также от системы технического обслуживания и профилактического ремонта (СТОиПР) в условиях эксплуатации. Важнейшее значение при этом приобретают сбор и обработка информации о функционировании, а также создание математических моделей, позволяющих осуществлять прогнозирование надежности и выработку рекомендаций по рациональному обслуживанию МРС, например, гибкому - по техническому состоянию, позволяющему изменять объем и сроки обслуживания и не только обеспечивать заданный уровень надежности и эффективности использования оборудования, но и сокращать расходы на его эксплуатацию.

Еще одно направление обеспечения технологической надежности МРС связано с оптимизацией технологических режимов, например, режимов резания. Поскольку процесс прецизионной обработки должен обеспечивать, в первую очередь, заданные параметры качества детали, то из ряда критериев оптимизации, принятых в технологии машиностроения, следует остановиться на так называемом «технологическом», при котором не только размеры детали лежат в определенном достаточно малом допуске, но и микрогеометрические параметры (шероховатость и волнистость) ее поверхности минимальны, а также поверхностный слой деталей имеет определенные характеристики. Это достигается, например, выбором значений основных параметров режима обработки. Эффективная оптимизация по выбранному критерию возможна только при создании адекватной математической модели процессов при резании.

Анализ факторов, влияющих на качество формообразования, необходим для определения доминирующих в конкретном случае, так чтобы в дальнейшем рассматривать только их влияние. Все параметры могут быть переменными и иметь детерминированную и стохастическую составляющие, что затрудняет строгий анализ характера их влияния и усложняет процесс управления качеством. В связи с этим весьма существен на всех этапах жизненного цикла анализ влияния скорости процессов в МРС на его технологическую надежность, что позволяет выбрать наилучшие решения по обеспечению качества деталей в зависимости от построенной модели влияния. Роль медленных процессов (износ базовых узлов, коррозия) снижается, например, за счет совершенствования конструкции, процессов средней скорости (износ РИ, тепловые деформации) – вводом корректирующих воздействий, быстропротекающих процессов (вибрации) – совершенствованием конструкции, качеством наладки и оптимизацией режимов резания.

На всех этапах жизненного цикла станка конструкторы, технологи, эксплуатационники имеют широкий спектр методов и средств для повышения его качества и надежности. Однако, так как МРС является сложной прецизионной машиной с разнообразными взаимодействиями его элементов, только проведение специальных испытаний может указать наиболее эффективный путь повышения качества станка, а сертификационные испытания – гарантировать его технологическую надежность.

Таким образом, системный подход к вопросам обеспечения технологической надежности МРС позволяет не только более полно представить взаимосвязь различных направлений решения проблемы, но и выявить пути совместного решения ряда возникающих задач междисциплинарного характера и определить конкретные технические решения для обеспечения качества деталей.

Возможность прецизионной обработки в автоматизированном режиме связана с решением целого комплекса вопросов. В частности, необходимы фундаментальные и прикладные исследования, направленные на усовершенствование станков и режущих инструментов (РИ), создание высокоточных систем управления и измерительных устройств, эффективных методов мониторинга и технического обслуживания МРС. Проведем анализ трех основных направлений обеспечения технологической надежности МРС, выделенных в соответствии с системным подходом (рис.1.6.), которые отражают результаты научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ, выполненных в нашей стране и за рубежом.

 

1.2.2. Новые технические решения формообразующих узлов

В обеспечении регламентированных показателей качества обработки основную роль играет формообразующая подсистема. Прогнозы о том, что развитие МП средств позволит создать системы управления, способные полностью исключить влияние геометрических погрешностей станка на точность обработки, себя не оправдали, поэтому требования к конструкции прецизионных станков очень высокие и, кроме того, по мере роста точностных показателей МРС стали проявлять себя такие возмущающие факторы, которые ранее не играли существенной роли, например, тепловые и виброакустические (ВА).

Несущие элементы конструкции (НЭК) МРС обеспечивают правильное взаимное расположение обрабатываемой детали и РИ под действием температурных и силовых возмущений. К базовым деталям, образующим НЭК, относятся станина, основание, стойки, направляющие и т.д., причем направляющие и опоры используются в качестве эталонов для задания перемещений рабочих органов (суппорта, шпинделя). Помимо традиционных требований к точности изготовления ответственных технологических поверхностей базовых деталей и жесткости, к НЭК предъявляются требования по виброустойчивости и теплостойкости, которые удовлетворяются правильным выбором материала, конструктивными и технологическими решениями.

Высокая статическая жесткость НЭК, которая на 30...70% определяется жесткостью неподвижных соединений, является необходимым, но не достаточным условием высокого качества обработки. Для этого следует также обеспечить высокие динамические, в частности ВА характеристики станка. Они определяют в значительной мере его виброустойчивость, непосредственно влияющую на точность формы, микрорельеф поверхности деталей и качество поверхностного слоя. Динамические характеристики НЭК зависят от таких параметров, как жесткость и масса основных элементов и сил сопротивления (демпфирования), связанных, главным образом, с трением в соединениях. При динамических расчетах НЭК рассматривают либо как многомассовую систему, в которой массы связаны соединениями с жесткостью и демпфированием, в том числе и с нелинейными характеристиками, либо как систему с распределенными параметрами, причем указывается на необходимость учета случайности значений параметров жесткости и демпфирования, определяющих, соответственно, вероятностный характер показателей точности и виброустойчивости.

В МРС на холостом ходу и при резании возникают ВА колебания, имеющие широкий частотный спектр, природа которых различна: периодические возмущения от влияния неуравновешенности элементов приводов; импульсные возмущения, действующие при разгоне, торможении и реверсировании привода станка, а также при переходных процессах, связанных с врезанием и выходом инструмента; внешние возмущения, передаваемые несущей системе через фундамент или опоры; самовозбуждающиеся колебания, связанные с самой природой процессов резания и трения. Решение задач минимизации ВА активности МРС связано с определением источников колебаний и разработкой методов снижения вибраций в источниках на путях их распространения в НЭК путем изменения инерционно-жесткостных и диссипативных характеристик основных элементов за счет более точного изготовления и сборки высокооборотных передач приводов, а также в результате тщательной балансировки шпинделей.

Повышение требований к точности обработки определило внимание к тепловым эффектам в прецизионных МРС и связанным с ними температурным деформациям НЭК, поскольку погрешности обработки становятся сравнимыми с допусками на размер. Основными тепловыми возмущающими факторами являются изменение температуры окружающей среды, тепловыделение в двигателях и опорах шпинделя, передачах приводов и т.п. Минимизация влияния тепловых возмущений связана со стабилизацией температуры окружающей среды; конструктивными изменениями станка, обусловливающими изоляцию источников тепловыделения и отвод тепла от несущих элементов, целесообразное расположение источников тепла (для прецизионных МРС расположение вне станка и на достаточном удалении от него); применением на прецизионных станках гидро- и аэростатических направляющих и опор шпинделя, выделяющих незначительное количество тепла; применением материалов с малым коэффициентом теплового расширения; стабилизацией температуры отдельных элементов путем искусственного подогрева или охлаждения.

Привод главного движения (ПГД) обеспечивает необходимую скорость вращения детали и заданную точность ее положения в системе координат станка. В состав ПГД входят двигатель, механическая передача, шпиндельный узел и достаточно часто - датчик скорости вращения. Шпиндельный узел (ШУ) является одним из наиболее ответственных узлов любого МРС, во многом определяющим качество обработанных деталей, поскольку на его долю приходится от 50 до 80% погрешностей в общем балансе точности станка. Он работает в напряженных условиях, подвергаясь действию процессов различной скорости, при высоких требованиях к выходным характеристикам, в первую очередь, точности положения оси шпинделя и ВА характеристикам. На ШУ действует большое число внешних и внутренних факторов и, кроме того, выходные параметры не ограничиваются указанными, а рассматриваются еще надежность, жесткость и другие, причем практически каждый из них имеет как детерминированную, так и случайную составляющие, поэтому наиболее полным и достоверным подходом к оценке параметрической надежности ШУ является вероятностный подход.

Повышение точности вращения шпинделя и снижение уровня ВА колебаний достигается, во-первых, разработкой новых конструкций ШУ с соответствующим снижением погрешностей изготовления деталей и сборки ШУ, во-вторых, применением специальных устройств термостабилизации ШУ, в-третьих, статической и динамической балансировкой шпинделей, что очень важно, в частности, для шлифовальных станков.

ШУ МРС различаются по точности, габаритам, быстроходности, типу опор и другим параметрам. Их точностные параметры назначаются в зависимости от класса точности станка, что и определяет конструктивное исполнение опор ШУ. Новые типы опор - воздушные, гидростатические и магнитные – по точности и быстроходности превосходят опоры качения и гидродинамические опоры скольжения. Так, некруглость обработанного изделия, установленного в шпинделе на гидростатических опорах, составляет 0,2 мкм, а в шпинделе на опорах качения этот параметр равен 1 мкм. Шпиндель на аэростатических опорах позволяет сочетать высокую скорость и точность вращения при минимальном уровне вибраций и крайне низком трении в опорах, что обеспечивает большой срок службы шпинделя с сохранением высокой точности.

Подсистема привода подачи (ППП) обеспечивает необходимые скорость и перемещение рабочих органов и заданную точность их положения в системе координат станка. В состав ППП входят двигатели, механические передачи, суппорт с направляющими, датчики обратной связи (ДОС). По мере роста требований к точности обработки повышаются требования ко всем показателям приводов (точности, быстродействию, надежности и другим). Без решения этих вопросов невозможно реализовать новые конструктивные компоновки МРС и возрастающие возможности управления механизмами, создаваемые МП техникой. Так, например, достаточно перспективным представляется применение станков с параллельной кинематикой, в которых шесть приводов обеспечивают сложные пространственные перемещения инструмента. Стремление к снижению потерь мощности и нагрева, улучшению динамических характеристик, увеличению надежности и упрощению обслуживания привело к замене гидравлических приводов подачи электромеханическими, причем распространение получили следящие приводы, в которых применяются синхронные, асинхронные и высокомоментные двигатели. Продолжается использование шаговых приводов в виду простоты конструктивного исполнения (отсутствие ДОС по скорости и пути) и хорошей согласуемости со средствами вычислительной техники. 

При проектировании новых станков приводам следует уделять большое внимание, так как возможности регулируемых приводов значительно упрощают кинематическую часть конструкции и даже исключают механизмы изменения скоростей и подач, когда двигатель соединяется непосредственно с ходовым винтом. Указанному отвечают системы линейного перемещения, которые стали применяться в станках различных типов. 

Основными видами механических передач являются передачи винт-гайка (скольжения, качения, гидростатические), и реечные (зубчатое колесо-рейка, червяк-рейка). В прецизионных МРС находят свое применение в большинстве случаев шариковые винтовые пары ввиду малого трения, возможности создания предварительного натяга и минимизации зазоров за счет известных конструктивных решений. Имеются также сведения о применении в аналогичных станках планетарных роликовых винтовых и фрикционных передач.

В качестве ДОС в прецизионных МРС используются различные типы высокоточных электромагнитных и фотоэлектрических датчиков. Они обеспечивают измерение угловых и линейных перемещений рабочих органов с точностью, соответствующей техническим характеристикам данного станка.

Проведенный анализ показывает, что современные приводы подачи обеспечивают необходимую для прецизионной обработки точность перемещения рабочих органов (до десятых долей микрометра) и основное направление их совершенствования связано с поддержанием параметрической надежности в течение длительного периода эксплуатации.

Подсистема режущего инструмента (ПРИ) включает собственно РИ и приспособление для его крепления. Наряду с общими тенденциями применения различных материалов для изготовления РИ, повышения производительности, надежности и расширения универсальности, для прецизионной обработки доминирует требование к точности и качеству поверхности деталей с учетом состояния МРС, его мощностных и жесткостных характеристик и других факторов. формирование волнистости, шероховатости и физико-механических характеристик поверхностного слоя деталей происходит под влиянием нескольких основных факторов: кинематики процесса резания и геометрии режущей части РИ, особенно ее микрорельефа, непосредственно формирующего микронеровности на обработанной поверхности; наплыва металла, вызванного пластической деформацией при резании; амплитуды и частоты колебаний инструмента относительно обработанной поверхности; физико-химических процессов при обработке.

При прецизионной обработке, когда снимаемые припуски малы и минимизирован уровень вибраций в системе инструмент-деталь, важнейшим становится первый фактор, в частности геометрия РИ. Сохранение последней обусловлено стойкостью РИ (прочность, твердость, теплостойкость), на которую оказывают влияние абразивные, адгезионно-усталостные, коррозионно-окислительные и диффузионные процессы на границе взаимодействия обрабатываемого и инструментального материалов, вызывающие износ контактных поверхностей инструмента. При шлифовальной обработке важную роль в эксплуатационных характеристиках инструмента и качестве поверхности играют характеристики шлиф материалов и состав кругов.

Таким образом, проведенный анализ известных работ показывает, что новые технические решения элементов РИ обеспечивают высокий уровень ее параметрической надежности.

 

1.2.3. Совершенствование методов и средств мониторинга

и технического обслуживания станков

 

Надежность является важнейшим технико-экономическим показателем качества любого МРС, определяющим его способность безотказно работать с неизменными техническими характеристиками в течение заданного промежутка времени при регламентированных условиях эксплуатации, что объясняется: увеличением сложности с полной или частичной автоматизацией станка и, как следствие, снижением роли оператора в контроле функционирования; повышением интенсивности работы оборудования; ростом требований к качеству обработки; высокой экономической и технической ценой отказов МРС.

Обеспечение надежности станков связано, как известно, со всеми этапами их создания и периодом практического использования (разработка, изготовление, эксплуатация). На этапе разработки для успешной реализации новых технических решений узлов прецизионных МРС важно использовать современные САПР, определить основные узлы и их характеристики, которые следует контролировать в дальнейшем, рассмотреть возможные схемы диагностирования дефектов конструкции, осуществить конструкторскую проработку датчиков, а также выполнить ряд исследований отдельных узлов для уточнения расчетных значений параметров и моделей, причем в ряде случаев более целесообразным является использование не детерминированных, а статистических методов. Далее выявляются факторы, оказывающие наиболее сильное влияние на станок, и определяются пути совершенствования МРС.

На этапе эксплуатации станков, особенно прецизионных, следует обеспечить выполнение нормативных требований к условиям эксплуатации, изложенным в технических условиях на МРС. Повышение надежности станков, как показали исследования, может быть достигнуто путем как модернизации МРС, так и обеспечения оптимальной СТОиПР. В обоих случаях в большей или меньшей степени необходимо решение следующих задач: разработка и внедрение в производство методики автоматизированной системы сбора и обработки информации о надежности, базой которой служат данные о характере, причинах (физике отказов) и законах распределения отказов МРС; разработка и совершенствование методов оценки эксплуатационной надежности станков путем проведения соответствующих испытаний и определение экономически оптимальных значений показателей надежности; разработка методов прогнозирования надежности для организации ремонтно-профилактического обслуживания МРС по фактическому техническому состоянию..

Прежде чем анализировать модели надежности и соответствующие принципы проведения СТОиПР, рассмотрим концепцию организации контроля и диагностирования МРС, служащих инструментом для получения информации об отказах и средством повышения технологической надежности станков, а также основой для построения системы мониторинга ТПО.

Контроль и диагностирование на прецизионных МРС. В последнее время МРС ведущих фирм США, Японии, ФРГ, Великобритании, Швейцарии, Италии и нашей страны оснащаются СКД с цифровой индикацией, что позволяет своевременно остановить станок или подать аварийный сигнал в случае возникновения отказов некоторых его узлов. При организации диагностирования МРС используется методологический подход, позволяющий построить систему диагностирования, охватывающую все основные функциональные элементы станков с различными физическими принципами действия. Рассмотрение МРС с позиции системотехники обусловливает их представление в виде совокупности подсистем, выделенных по функциональному признаку (управление, формообразование, вспомогательные операции).

Для широко используемых в машино- и приборостроении прецизионных МРС наиболее актуальны вопросы обеспечения заданных точностных показателей в течение длительного промежутка времени - нескольких смен работы. В этой связи для контроля и диагностирования станков во время обработки особый интерес представляет формообразующая подсистема, включающая приводы подач, привод главного движения и режущий инструмент. Технико-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 (на устранение отказов приходится 5...15% общего фонда времени работы оборудования), повышения точности и непрерывности технологических процессов.

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.. Работа встроенного СД базируется на дополнительном математическом обеспечении системы управлении станка и рассчитана на поиск наиболее часто встречающихся неисправностей. Внешние СД служат для работы с несколькими станками

При разработке СКД большое внимания уделяется диагностированию механической части станочного оборудования. Механические узлы постепенно упрощаются благодаря внедрению электроники, однако они представляют собой достаточно ненадежную часть станка. При контроле механических 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. Большая потребность ощущается в датчиках контроля процесса формообразования изготавливаемой детали. Необходимы датчики, которые бы надежно измеряли параметры, характеризующие состояние РИ, контролировали формообразующие движения рабочих органов, наличие СОТС и т.д.

В созданных СКД станков используются такие параметры, как линейные и угловые размеры, отклонение от траектории, точность конечных положений, точностные характеристики деталей, временные интервалы, параметры движения, силовые и температурные деформации, виброакустические характеристики и ряд других. Однако из общего перечня контролируемых параметров рациональный их набор должен определяться и уточняться для конкретных конструкций станков на основе системного подхода к организации СКД, учитывающего уровни иерархии функциональных подсистем, и структурного метода распознавания. В соответствии с указанным, на каждом иерархическом уровне подсистем выделяется некоторый минимальный набор параметров, характеризующий, тем не менее, достаточно полно техническое состояние МРС (подсистем, узлов) и качество обработки.

Аппаратная часть большинства современных СКД МРС включает в себя датчики (аналоговые и цифровые), устройства сопряжения, программные коммутаторы, цифровой измеритель, интерфейсы и микропроцессор. Программное обеспечение СКД определяется как числом и характером контролируемых параметров, так и тем кругом задач, которые решаются с помощью данной системы. СКД используются в основном для своевременного обнаружения отказов и локализации дефектов, а также для выдачи информации о принятии решения по корректировке техпроцесса. Однако это лишь частично решает проблему обеспечения технологической надежности МРС в условиях эксплуатации. Более полное ее решение достигается, когда результаты контроля и диагностирования используются в системе мониторинга и разрабатываются мероприятия по обслуживанию и ремонту МРС.

Мониторинг технологического оборудования. При обработке резанием в ТС протекает множество процессов, оказывающих влияние на результаты обработки: колебательные и тепловые процессы, обусловленные внутренними и внешними возмущениями, упругодеформационные, трибологические и другие. Математическое моделирование указанных процессов на этапе разработки и оценка их влияния на выходные показатели деталей затруднены из-за разнородности и многообразия физических процессов, поэтому сложно прогнозировать с достаточной достоверностью значение параметров качества изготовленных деталей.

Для поддержания работоспособного состояния станков и обеспечения заданного качества деталей необходимо осуществлять в условиях эксплуатации мониторинг ТПО. Ранее было сформулировано понятие о мониторинге применительно в большей степени к авиационной технике. Под мониторингом машин понимается научно спроектированная система (средства и методы) непрерывных наблюдений и измерений с применением соответствующих оценочных процедур идентификации, анализа текущего состояния, распознавания особых ситуаций, краткосрочного и долговременного прогнозирования и автоматического принятия оперативных и тактических решений. Система мониторинга позволяет осуществлять эксплуатацию оборудования по состоянию, ресурсу или уровню надежности и на этой основе использовать концепцию обслуживания по состоянию (ОПС) как наиболее экономичный, гибкий и эффективный метод эксплуатации заводского оборудования и транспортных машин. ОПС является основным компонентом процесса эксплуатации, ориентированного на максимум безопасности и надежности.

Мониторинг ориентирован на обслуживание станков по фактическому техническому состоянию и включает системы контроля, реализующие наблюдение, сопровождение, защиту и управление состоянием объектов с использованием компьютерных систем реального времени.

Под мониторингом понимается организация системы наблюдения, анализа и оценки качества, надежности и безопасной эксплуатации оборудования.

Несколько отличное понятие мониторинга, включает диагностирование, идентификацию, прогнозирование и управление состоянием станочной системы на основе анализа информации и принятия решения. Управляющее решение может быть выбрано двумя способами. В первом случае фактическое состояние системы сравнивают с идеальным, определенным путем моделирования, во втором случае решение принимает экспертная система.

В общем случае мониторинг оборудования является составной частью производственного мониторинга наряду с мониторингом рабочих процессов, обеспечивающим контроль определяющих параметров станков, ТП и продукции, выявление степени разладки, прогнозирование моментов корректировки, предотвращение аварийных режимов и т.д.

Контроль в процессе производства весьма важен, так как он позволяет, в первую очередь, не допускать появления брака продукции или существенно его снижать. Весь процесс производства можно представить в виде преобразования входа (материал, информация, технология) в выход (деталь, изделие), как это показано на рис.1.7. Если в процессе преобразования входа в выход контролировать этапы (технологические операции) и сравнивать реальные значения параметров деталей с нормативными, а затем реализовывать корректирующие воздействия через контуры обратной связи, то можно управлять ходом выполнения ТП. Полученные в результате контроля статистические данные после соответствующей обработки дают достаточную информацию о состоянии ТПО и мерах по улучшению качества продукции.

Мониторинг базируется на оперативном получении, накоплении, анализе информации, экстраполяции его результатов для принятия решения. Информация об изменении определяющих параметров формируется несколькими информационно-измерительными каналами, входящими в состав СКД автоматизированного станка. В частности, это могут быть каналы контроля вибраций, температуры, размеров деталей, сил резания и т.д. Важно, чтобы информация обрабатывалась на ЭВМ и оперативно принималось решение.

Теоретические и практические аспекты разработки мониторинга оборудования и ТП по виброакустическим и другим характеристикам, выполненные в СГТУ, показали свою эффективность для высокоточных автоматизированных станков (токарных и шлифовальных).

Организация СТОиПР станков требует своевременного выполнения комплекса регламентированных работ исходя из определения ремонтопригодности оборудования, учета его использования и объективной оценки технического состояния. Теоретической базой для построения рациональной СТОиПР служат, как уже указывалось, модели надежности (аналитические или имитационные). Информационной основой такой СТОиПР являются данные из СМТП.

Гибкое техническое обслуживание автоматизи­рованных станков. Необходимость более полного использования возможностей современного дорогостоящего оборудования и повышения эффективности эксплуатации приводит к необходимости замены традиционной регламентной СТО и ПР на гибкую, учитывающую фактическое техническое состояние МРС. Реализуется такая СТОиПР, при которой периодичность проведения и объем ремонтно-профилактических работ устанавливаются исходя из фактических данных о надежности станков. Необходимость аварийных ремонтов, естественно, сохраняется, но их число существенно снижается, что повышает эффективность эксплуатации МРС и их технологическую надежность. Подобная система реализуется для шлифовального оборудования с учетом информации о качестве обработки деталей и состоянии ТПО.

 

 

Рис. 1.7. Схема контроля технологического процесса и оборудования в структуре системы мониторинга:

ТО₁, …, ТО_n – технологические операции;

К_О, К₁, …, К_n, К_В – операции контроля;

КВ_О, КВ₁, …, КВ_n, КВ_В – корректирующие воздействия;

НЗ₀, НЗ₁, …,НЗ_n, НЗ_В – нормативные значения параметров

Таким образом, анализ использования методов и средств мониторинга позволяет оценить их эффективность с точки зрения повышения технологической надежности станков в условиях эксплуатации. Современные СКД могут не только использоваться для выявления отклонений параметров МРС от паспортных значений, своевременного обнаружения и локализации дефектов, но и встраиваться в СМТП, что позволяет прогнозировать ремонтно-профилактические работы по срокам и объемам и сократить тем самым трудозатраты на 5...10% и простои оборудования на 20...30%, увеличить срок службы станков на 3...5%, исключать затраты, связанные с продолжением обработки бракованных деталей. При этом особое внимание следует обратить на организацию подготовки квалифицированных кадров по рациональному использованию точной измерительной аппаратуры, необходимой для тщательной проверки узлов МРС и контроля качества деталей и изделий, математической обработке результатов измерений и принятию управляющих решений.

 

1.2.4. Управление качеством обработки

 

Использование в конструкциях МРС новых технических решений, совершенствование методов и средств управления, мониторинга, диагностирования, и технического обслуживания создают основу для обеспечения прецизионной обработки. Тем не менее, влияние ряда возмущающих факторов (внешних и внутренних), имеющих как детерминированный, так и стохастический характер, очень сложно учесть и минимизировать, что вызывает увеличение погрешностей обработки и приводит к необходимости управления качеством, под которым понимается целенаправленное воздействие на МРС, обеспечивающее решение основной задачи. поскольку качество - понятие комплексное, то с позиций системного подхода в приложении к прецизионной обработке следует рассматривать управление размером деталей, микрогеометрическими параметрами точности и качеством поверхностного слоя.

Управление микрогеометрическими параметрами точности в частности, шероховатостью поверхности, основано на оптимизации режима обработки, включая выбор инструмента и его параметров, параметров режима резания и СОТС. Оптимизацию режима резания чаще всего рассматривают с точки зрения повышения производительности и экономической эффективности, однако прецизионная обработка выдвигает на первый план в качестве целевого критерия именно точностные параметры, если речь идет о токарной обработке деталей электронной техники, или волнистость и шероховатость поверхности, если речь идет о шлифовальной обработке дорожек качения колец подшипников. Единой модели, описывающей формирование микрорельефа обработанной поверхности с учетом всех действующих факторов и позволяющей с достаточной степенью точности рассчитывать высоту и форму микронеровностей, не существует.

Существующие методики выбора режимов резания дают возможность разработать ТП, однако они не позволяют получить оптимальные режимы, поскольку в каждом конкретном случае при построении целевой функции необходимо учитывать параметры обрабатываемого материала, инструмента и характеристики станка. Хотя расчет оптимальных режимов резания нашел достаточное освещение в ряде книг, в общем виде этот вопрос видимо не может быть решен вследствие того, что используемые модели (детерминированные или стохастические) получаются очень сложными. Кроме того, в моделях не полностью отражаются физические явления при резании металлов; используются эмпирические выражения, которые дают приблизительные зависимости; неполно учитывается многообразие факторов, влияющих на процесс, из-за чего модели и не могут быть успешно использованы для оптимизации. При наличии автоматизированных систем измерения текущих параметров процесса резания с развитым ПМО можно осуществить перебор возможных сочетаний параметров режима обработки в области допустимых значений, направленный на выявление экстремума целевой функции, т.е. поисковую оптимизацию. Последняя позволяет учитывать индивидуальные особенности МРС, в частности динамическое состояние и степень износа РИ в текущий момент времени, т.е. осуществляет оперативную оптимизацию. Практическая реализация рассмотренных методов управления шероховатостью поверхности за счет оптимизации технологического режима показывает, что расчетные методы не позволяют произвести качественную оптимизацию, поскольку не учитывают ряд характеристик как процесса резания, так и самого станка. Вследствие этого расчеты должны быть дополнены оперативной оптимизацией непосредственно на конкретном станке, учитывающей его индивидуальные особенности и обеспечивающей эффективное управление точностью по параметру шероховатости.

Управление точностью размера основано на организации воздействия на узлы формообразующей подсистемы, непосредственно влияющие на значение размера обработанной детали. Для эффективной реализации этого вида управления необходимо, чтобы значения микрогеометрических параметров точности детали были значительно меньше (по крайней мере в 3...5 раз), чем допуск на размер. Достигается это посредством различных методов.

Можно выделить три основных метода управления точностью размера:

1) стабилизация параметров и условий работы узлов станка на определенном уровне, соответствующем заданной точности обработки;

2) управление по результатам измерения параметров узлов, определяющих точность размера, основанное на моделировании процесса формирования погрешностей обработки и ввода коррекции на положение рабочего органа;

3) управление по результатам измерения размеров деталей, основанное на построении модели точности обработки и вводе коррекции на положение рабочего органа, либо на активном контроле размеров.

Первый метод достаточно широко известен. Внешние температурные условия для станков регламентируются в зависимости от их класса точности, например, для МРС нормальной точности изменение температуры в помещении в течение смены допускается ±2°С, повышенной точности ±1°С, для высокоточных станков ±0,5°С, для станков особо высокоточных и особо точных ±0,2°С и менее. Различные конструктивные решения обеспечивают стабилизацию температуры основных формообразующих узлов станка, в основном ШУ, например, за счет удаления или изоляции источников тепловыделения, отвода тепла от них и т.п.

Второй метод эффективен при условии, что выяснена взаимосвязь (детерминированная или стохастическая) изменения значений каких-либо параметров станка с погрешностью размера и установлены количественные соотношения между ними, появляется возможность управления за счет ввода коррекции в траекторию перемещения рабочего органа, например, суппорта, или в положение РИ в соответствии с изменением упомянутых параметров (силовых, тепловых деформаций, износа и т.п.).

Третий метод основан на условии, что имеется возможность измерения размеров деталей, построения модели их изменения и прогнозирующей функции. Управление точностью обработки осуществляется путем ввода коррекции на положение рабочего органа или РИ. Контроль размеров деталей осуществляется специальными датчиками, причем используются различные схемы измерений. Наиболее высокую точность измерений (до 0,1...0,2 мкм) обеспечивает схема измерения детали непосредственно на станке, при этом измерительное устройство включает в себя датчик касания и измеритель перемещения. Такая схема контроля применяется в основном для токарных станков. Для шлифовальных станков широко используется активный контроль, когда подача инструмента прекращается при достижении заданного размера детали.

Практическая реализация рассмотренных методов управления размером деталей показывает, что первый имеет ограниченные возможности по точности, так как воздействием ряда факторов нельзя в принципе стабилизировать, например, износ РИ; второй метод достаточно сложен в технической реализации, поскольку требует большого объема экспериментальных исследований и значительно усложняет ПМО. Наибольшее применение получил третий метод, который обеспечивает реальное повышение точности размеров, однако его эффективность в значительной степени определяется параметрической надежностью датчика размера и простотой схемы измерения и ПМО.

При оптимизации режима обработки с точки зрения физико-механического состояния поверхностного слоя деталей, например, при обработке шлифованием возникает необходимость использования нескольких информационных параметров. Здесь также реализуются элементы адаптивного управления.

Таким образом, проведенные исследования позволяют установить, что существующие методы и средства управления геометрической точностью деталей и качеством поверхностного слоя могут рассматриваться как одно из направлений обеспечения технологической надежности прецизионных МРС, дополняющее основное, связанное с совершенствованием конструкции. С точки зрения системного подхода указанное направление хорошо иллюстрируется схемой, представленной на рис.1.8.

 

Рис.1.8. Системный подход к анализу методов обеспечения

качества обработки

Эффективность управления качеством обработки определяется как параметрической надежностью средств контроля, так и уровнем ПМО, поэтому данное направление требует дальнейшего развития. Данные о качестве формообразования деталей в целесообразно использовать в СМТП для обеспечения эффективности производства.

 

1.4. Роль мониторинга в обеспечении качества деталей

точного машиностроения.

Для точного машиностроения, к которой относится подшипниковая промышленность, характерна жесткая конкуренция на рынках сбыта, причем в наибольшей степени это относится к подшипникам для транспортных средств. Подшипниковая промышленность России оснащена в основном импортным шлифовальным оборудованием, средний возраст которого составляет 15-20 лет. поэтому, «попытки развития производства за счет приобретения нового импортного оборудования не оправдывают ожидания, затраты не окупаются, качество продукции уступает мировому уровню». Вследствие этого необходим системный подход к повышению эффективности производства, который может формироваться на основе большого объема измерительной информации с использованием информационных технологий.

Основной недостаток российских подшипников – нестабильное качество (нестабильная долговечность), основной недостаток российской технологии – нестабильное качество обработки (высокий уровень брака). Повышение качества прецизионных изделий может быть достигнуто при разработке и внедрении на предприятии системы мониторинга ТПО и качества продукции. Научно спроектированная система непрерывного наблюдения и измерения с применением соответствующих оценочных процедур идентификации, анализа текущего состояния, распознавания особых ситуаций, краткосрочного и долговременного прогнозирования и автоматического принятия оперативных и тактических решений, называемая мониторингом, обеспечивает выбор, контроль и корректирование определяющих параметров ТП, оборудования и продукции. Мониторинг – это переход от контроля качества готовой продукции и выявления брака к контролю соблюдения необходимых условий изготовления продукции, условий, реально определяющих уровни качества и затрат на производство. Важно, чтобы мониторинг не увеличивал, а уменьшал затраты на контроль и производство. Это возможно при создании компьютерной сети, оснащенной микропроцессорными измерительными средствами, позволяющими автоматически собирать и обрабатывать информацию о состоянии ТПО и качества изделий.

Проведенный анализ организации системы МКП и методов обеспечения технологической надежности МРС позволил выделить роль мониторинга в решении проблемы обеспечения качества формообразования деталей точного машиностроения. Внедрение стандартов ИСО-9000 и связанная с этим аттестация производства направлена на решение проблемы качества изделий, однако и в аттестованном производстве наличие целого ряда детерминированных и стохастических факторов приводит к возникновению брака, особенно если речь идет об изготовлении высокоточных деталей и изделий. Вследствие этого, на предприятиях выпускающих такую продукцию, внедряются новые методы и автоматизированные средства входного, текущего и послеоперационного контроля, которые интегрируются в систему мониторинга ТПО.

Понятие мониторинга достаточно четко сформулировано. Оно включает диагностику, идентификацию, прогнозирование и управление состоянием станочной системы на основе анализа информации и принятия решения. Управляющее решение может быть выбрано двумя способами. В первом случае фактическое состояние системы сравнивают с идеальным, определенным путем моделирования, во втором случае решение принимает экспертная система. Мониторинг базируется на оперативном получении, накоплении, анализе информации, экстраполяции его результатов для принятия решения.

Фактически первый опыт практической реализации мониторинга был получен сотрудниками СГТУ в конце 80-х годов прошлого века при обеспечении прецизионной обработки деталей электронной техники на токарных модулях типа ТПАРМ в ПО «Тантал».

На кафедре «Автоматизация и управление технологическими процессами» СГТУ с конца 90-х годов проводятся работы по повышению качества шлифования деталей подшипников, включающие контроль динамического состояния станков по виброакустическим колебаниям и контроль вихретоковым методом неоднородности физико-механических свойств поверхностного слоя шлифованных деталей. Эти работы позволили обосновать целесообразность и необходимость внедрения системы мониторинга ТПО для обеспечения заданного качества деталей.

 Анализ известных работ в области мониторинга механообработки показал, что существующие методы не полностью учитывают специфические особенности системы мониторинга шлифовальной обработки деталей подшипников как сложной системы, выполняющей в общем случае функции контроля, оценки технического состояния и управления состоянием ТПО на основе анализа информации и принятие решения как на уровне предприятия, так и на уровне цеха и индивидуально каждой единицы автоматизированного технологического оборудования. Для построения эффективной СМТП необходима методология, позволяющая на основе системных представлений рекомендовать целесообразную организацию системы и принципы ее функционирования, а также разработать научное обоснование и комплекс технических решений.

Контроль качества процесса автоматизированной обработки колец подшипников осуществляется на основе оценки выходных параметров геометрической точности и качества поверхностного слоя дорожек качения, значения которых регламентируются техническими условиями на тот или иной тип кольца. Проверка соответствия значений параметров номинальным выполняется различными методами с помощью широкой гаммы контрольно-измерительных приборов. Выполненные в СГТУ и ОАО «СПЗ» исследования показали, что значения геометрических показателей точности поверхностей качения реализуются достаточно известными методами, в то время как качество поверхностного слоя, в значительной степени определяющее надежность подшипников, не всегда соответствует качеству деталей аналогичных подшипников других производителей. Было показано, что наиболее целесообразным для использования в автоматизированных системах  управления шлифованием является  вихретоковый  метод контроля  однородности  поверхностного  слоя обрабатываемых деталей. Получение первичной информации в виде электрических сигналов, бесконтактность и высокая производительность определяют широкие возможности автоматизации вихретокового контроля, однако из-за отсутствия детерминированной связи между значениями измеряемых параметров и состоянием поверхностного слоя детали, использование мгновенных значений измеряемых параметров в качестве диагностических признаков малоэффективно, поэтому важную роль играют методы обработки сигналов ВТП. Следовательно, обоснование метода выделения информации о дефектах поверхностного слоя шлифованных деталей при вихретоковом контроле и количественная оценка степени неоднородности, позволяющая в дальнейшем принять решение об управлении состоянием ТПО, является важным для реализации СМТП, поскольку вихретоковый контроль рассматривается как один из информационно-измерительных каналов (ИИК).

 

 

Рис.1.9. Управление качеством шлифования колец подшипников

с применением мониторинга

 

 

В случае выхода значений параметров качества деталей за допустимые пределы возникает необходимость принятия решения о путях обеспечения заданного качества, т.е. об управлении обработкой. Для этого, во-первых, следует оценить реальное техническое состояние станка и степень соответствия его параметров номинальным, во-вторых, установить целесообразность параметров технологического режима и при необходимости осуществить их корректировку.