1. Діагностика робочих процесів

1.1 Основні задачі та мета діагностики

 

Метою діагностики є визначення, у якому з раніш встановлених станів знаходиться процес. Діагностика об’єднує сукупність операцій контролю як усього процесу в цілому, так і його окремих операцій. При цьому необхідно визначити, які з цих операцій потрібно виконувати і в якій послідовності, як обробляти результати цих операцій.

До основних задач діагностики в умовах автоматизованого виробництва належать такі: забезпечення заданих умов виконання технологічного процесу; попередження поломок або своєчасна зупинка обладнання в аварійних ситуаціях; прогнозування дефектів з метою уточнення строків ремонту та попередження аварій; контроль якості регулювання механізмів та видача інформації для забезпечення якісного їх налагодження персоналом; перевірка та пошук локалізації місць дефектів, зміна режимів роботи або повідомлення про місце відмови; визначення критеріїв оцінки якості виконання технологічного процесу; вибір критеріїв оцінки стану процесу обробки; перевірка якості настроювання всіх механізмів та оцінка обладнання; отримання еталонних параметрів та еталонних характеристик для контролю стану і діагностики обладнання.

Відповідно до розширення обсягу вимог до діагностики взагалі і до оперативної діагностики зокрема змінився склад функцій діагностики. До їх переліку входять не тільки функції оцінки стану механізмів і робочого процесу, уточнення місця і причин відмови (збою), але і функції прийняття рішень, спрямованих на автоматичну ліквідацію наслідків відмов або своєчасне проведення автоматичних регулювань і наладок, спрямованих на підтримку механізмів в працездатному стані.

Розглянемо деякі функції оперативної діагностики, а також приклади рішень, які можуть бути результатом реалізації цих функцій:

1) У число функцій діагностики стану різального інструменту входять: розпізнавання і фіксація поломок і граничного зносу, розпізнавання типорозміру (ідентифікації) інструменту, визначення величини розмірного зносу, облік тривалості роботи кожного інструменту, введення в роботу дублерів інструментів.

Рішення, що приймаються при реалізації цих функцій, у великій мірі залежать від можливостей засобів оперативної діагностики та інформації, наявної в розпорядженні. Наприклад, після розпізнавання і фіксації поломки інструменту може бути прийнято найпростіше рішення про зупинку обертання шпинделя, припинення подачі і виклик оператора. Для прийняття більш кваліфікованого рішення, що включає формування траєкторії відведення поламаного інструменту та оцінку можливості продовження обробки, формування команди на заміну інструменту і продовження обробки новим інструментом або видачу команди на заміну заготовки, початок роботи за керуючою програмою і заміну зношеного інструменту в наступному циклі роботи, що дозволяє продовжити роботу верстата без втручання оператора, необхідна інформація про вид інструменту, траєкторії його відводу і про критерії можливості продовження обробки.

Різні рішення можуть бути прийняті і при розпізнаванні граничного зносу. Найпростішими є рішення про миттєве припинення обробки або про доопрацювання зношеним інструментом до кінця кадру управляючої програми. Більш кваліфіковане рішення – відведення інструменту після припинення обробки, заміна його новим інструментом і продовження різання. Можливі випадки, коли поверхня задана декількома кадрами керуючої програми і припинення обробки в середині поверхні неприпустимо, так як веде до її псування. Щоб уникнути подібних випадків до прийняття рішення про зупинку подачі бажаний аналіз наступних кадрів керуючої програми. Для такого або подібних кваліфікованих рішень потрібна додаткова інформація, якої зазвичай немає в розпорядженні пристрою числового програмного керування і засобів оперативної діагностики.

Діагностика процесу різання включає в себе виявлення зливної стружки і зміни параметрів процесу для припинення її утворення, виявлення перевантажень і неприпустимих вібрацій та вжиття заходів щодо утримання їх в допустимих межах, регулювання параметрів режиму різання (подачі, швидкості різання, глибини різання) з метою оптимізації процесу обробки за відповідним критерієм. У деяких випадках зміна режимів різання ведеться за найпростішою стратегією, наприклад, або збільшують, або зменшують подачу; в інших випадках, наприклад при одночасній зміні двох параметрів (подачі і швидкості різання), потрібна спеціальна стратегія для якнайшвидшого отримання екстремуму критерію оптимізації.

Це вимагає більш коштовних систем оперативної діагностики, іноді і додаткової інформації. Для ліквідації зливний стружки необхідно включати спеціальний режим різання, характеристики якого залежать від виду інструменту та інших подібних відомостей.

2) Контроль функціонування і діагностика стану механізмів верстата, тобто контроль роботи двопозиційних механізмів (які працюють за кінцевими вимикачами) і діагностика стану основних вузлів верстата, регулювання або знос яких можуть привести до зниження якості оброблюваної деталі або аварії з тяжкими наслідками. Контроль функціонування слід вести безперервно, а діагностику стану – періодично, в залежності від конструкції і інших даних контрольованого вузла.

3) Для підтримки працездатності обладнання необхідний відповідний матеріальний або програмний резерв. Так, при неможливості правильної фіксації однієї з палет (або деталі) потрібні додаткові програми повернення палети, введення в її ідентифікатор причини повернення, замовлення на нову палету з заготовкою і на її установку на верстаті. Після виконання всіх цих процедур повинно автоматично включитися відпрацювання циклу виготовлення.

В інших випадках можуть знадобитися програми багаторазового повторення тієї дії механізму, яка не була виконана за першою командою, програми примусового переходу з основного інструменту на дублер, якщо основний інструмент не встановлюється в робоче положення.

4) Розмірний контроль здійснюється за допомогою вбудованих засобів; він необхідний для забезпечення заданої точності виготовлення деталей і контролю готових деталей. Точність виготовлення перевіряється при вхідному контролі, тобто контролі розмірів заготовки і уточнення її базування, а також при міжопераційному контролі для уточнення змінних баз, обліку віджимання і зносу інструменту в процесі різання, розрахунку і введення відповідних корекцій. Вихідний контроль проводиться в разі високої вартості вимірювальних засобів, розташованих поза верстатом.

Рішення, які приймаються за результатами розмірного контролю, варіюються в залежності від виду контролю і обсягу необхідної додаткової інформації. Так, при вхідному контролі можливі, наприклад, такі рішення: замовлення на заміну бракованої заготовки; вимога на повторення установки (переустановлення) палети; зміщення початку відліку координат деталі для компенсації похибок базування заготовки; розрахунок числа чорнових проходів в залежності від реального припуску.

За результатами між операційного контролю можуть бути прийняті наступні рішення: розрахунок і введення значень корекції на розмір зношеного інструменту (для доопрацювання або для наступної деталі); зміщення початку відліку координат для обліку реального положення нової бази; розрахунок і введення значень корекції для компенсації різних деформацій.

При вихідному контролі можуть вводитися значення корекції для обробки наступних деталей, виставлятися вимоги заміни інструменту, здійснюватися сортування придатних деталей, проводитися відбраковування непридатних деталей.

До спеціальних завдань оперативної діагностики можна віднести ідентифікацію заготовок, щоденну перевірку готовності верстата до експлуатації.

При розгляді апаратного складу і функцій кожної конкретної системи оперативної діагностики слід попередньо уточнити умови експлуатації верстата, що оснащується цією системою: в складі автоматизованого виробництва або автономного, поза мережею збору та обліку даних і управління, здійснюваного за допомогою електронно-обчислювальної машини «верхнього рівня».

При автономній експлуатації верстата за його роботою завжди ведеться безперервне або періодичне спостереження. У такій ситуації функції системи оперативної діагностики можуть бути обмежені рішенням двох груп завдань: завдань, які верстатник не може виконувати сам через швидке протікання процесу, і завдань, що вимагають спеціальних розрахунків.

До першої групи належать завдання аварійного захисту (від перевантажень, неприпустимих вібрацій, зіткнень вузлів, наслідків поломок інструментів); до другої групи входять деякі завдання розмірного контролю.

При великій кількості інструментів (наприклад, на обробних центрах) бажано, щоб система оперативної діагностики розпізнавала граничний знос і забезпечувала автоматичне включення в роботу дублерів зношених інструментів.

Інформація про рішення, що приймаються системою оперативної діагностики на автономних верстатах, може бути обмежена діагностичними повідомленнями, виведеними на засоби відображення, наявні в складі системи.

Відповідно, вартість оперативної діагностики для автономних верстатів повинна бути невеликою, встановлюватися на верстаті без переробок його конструкції і стикуватися з системою числового програмного керування без зміни програмного забезпечення.

Засоби аварійного захисту доцільно використовувати не тільки на верстатах з числовим програмним керуванням, а й на інших верстатах, що працюють в автоматичному циклі.

До системи оперативної діагностики верстата, що входить до складу автоматизованого виробництва, слід пред'являти ширші вимоги. Крім повного переліку функцій, наведеного вище, система оперативної діагностики повинна реалізовувати функції адаптивного управління, забезпечувати ідентифікацію заготовок та інструменту, вести таблицю інструментальної наладки, здійснювати тестовий контроль обладнання. Система оперативної діагностики повинна мати зв'язок з системою управління верхнього рівня для передачі повідомлень про порушення роботи верстата та прийому вказівок і додаткової інформації для прийняття кваліфікованих рішень.

Така система може досить дорого коштувати, однак з урахуванням високої ціни обладнання та засобів автоматизації, що входять до складу автоматизованого виробництва, а також підвищення ефективності виробництва завдяки реалізації широкого спектру функцій діагностики, окупність системи може бути досить швидкою.

При проектуванні оснащення системами оперативної діагностики конкретних верстатів після уточнення умов експлуатації та переліку функцій, що реалізовуються, слід визначити номенклатуру вимірювальних пристроїв (з датчиками), які повинні встановлюватися на верстаті. Слід зазначити, що кількість параметрів, що підлягають вимірюванню в ході реалізації відповідних функцій оперативної діагностики, не така велика. Найбільш поширено вимір сили різання (або її складових) і рівня вібрацій в широкому діапазоні частот (включаючи діапазон так званої акустичної емісії). Для вирішення завдань ідентифікації та розмірного контролю використовуються вимірювання геометрії заготовок, деталей і інструменту.

Вибір типу датчиків визначається в основному двома чинниками – їх інформативністю, тобто наявністю кореляції між їх показаннями і ситуацією яка розпізнається, і умовами монтування в верстат, тобто необхідним обсягом переробок в конструкції верстата і його вузлів.

Аналіз численних досліджень, проведених в різних країнах, показує, що інформативність датчиків для вимірювання складових сили різання (зазвичай вимірюються осьова сила Р_z, і перпендикулярні до неї складові Р_х і Р_у, а також крутний момент на шпинделі або потужність двигуна головного приводу) приблизно однакова; відрізняються датчики чутливістю і зручністю вбудовування.

В останні роки найбільшого поширення набули п'єзоелектричні датчики, що мають високу жорсткість і чутливість. Для вбудовування в токарні верстати розроблена спеціальна конструкція плити, яка встановлюється під револьверної головкою. На основі п'єзоелектричних датчиків розроблена низка «прибудованих» датчиків, розміщених, наприклад, на стінках шпиндельної коробки або в інших місцях. Також застосовуються підшипники з наклеєними на них тензорезисторами. Такі підшипники встановлюються зазвичай в опорі шпинделя і дозволяють вимірювати всі три складові сили, що діє в опорі. Для вимірювання осьових складових розроблені спеціальні тензометричні втулки, що розміщуються в опорах ходових гвинтів. Найбільш просто виміряти крутний момент в двигунах постійного струму, що застосовуються в головному приводі (вимір засновано на пропорційності струму в ланцюзі якоря крутному моменту або потужності двигуна).

Для вимірювання вібрацій або акустичної емісії використовуються звичайні акселерометри; діапазон частот, інформативний для програм розпізнавання зносу і поломок інструментів, за даними різних авторів, від 2 до 300 кГц. При виборі діапазону вимірюваних частот слід враховувати, по-перше, можливості монтування датчиків (ослаблення сигналу при збільшенні числа пружних стиків між інструментом і місцем установки акселерометра особливо сильно позначається зі зростанням вимірюваної частоти) і, по-друге, діапазони частот і чутливість серійних акселерометрів. Найбільш часто у вітчизняних пристроях контролю поломок інструменту використовується діапазон до 30 ... 40 кГц. Оптимальне положення акселерометрів на верстаті зазвичай знаходять дослідним шляхом.

Для контролю геометрії деталей і заготовок, а також для розмірної прив'язки інструменту набули поширення індикатори контакту (датчики дотику) і оптоелектронні засоби (в основному пристрої технічного зору на лінійних і матричних приладах зарядового зв'язку.

До складу систем оперативної діагностики крім вимірювальних пристроїв входять також пристрої, що розпізнають порушення нормальної роботи і приймають відповідні рішення. У переважній більшості ці пристрої являють собою автономні прилади, що обмінюються інформацією з системами числового програмного управління по каналах електроавтоматики.

Деякі завдання оперативної діагностики (в першу чергу розмірний контроль) вирішуються за допомогою програмного забезпечення і апаратних засобів, що входять до складу пристроїв числового програмного керування і програмованих контролерів.

Важлива проблема при створенні систем оперативної діагностики – розробка надійних алгоритмів розпізнавання критичних ситуацій, що вимагають відповідних рішень. Більшість алгоритмів, використовуваних в відомих пристроях діагностики стану інструментів, потребують попереднього навчання пристроїв з метою отримання вихідних даних про роботу нового інструменту. Недоліками цієї процедури є необхідність участі в ній інженера-технолога, а також потреба у великих обсягах незалежної пам'яті для зберігання отриманої інформації, що ускладнює структуру пристроїв і підвищує їх вартість.

До недоліків алгоритмів відноситься і необхідність попереднього завдання цілого ряду коефіцієнтів, що визначають межі робочої зони, а також попередні дослідження для підвищення надійності розпізнавання поломок і граничного зносу. Крім того, програма контролю, а особливо при декількох контрольованих параметрах і окремо контролі поломок і зносу досить об’ємна і вимагає як значної роботи програміста-технолога, так і великих обсягів незалежної пам'яті для її зберігання (пам'ять дуже розростається в разі зберігання програм діагностики для декількох деталей).

Цілком очевидно, що подальший розвиток оперативної діагностики в частині діагностики стану інструменту піде по шляху вдосконалення алгоритмів розпізнавання, а також створення системи автоматичної підготовки керуючих програм. Одночасно повинна бути підвищена надійність алгоритмів розпізнавання, яка сьогодні (особливо при діагностуванні граничного зносу) не перевищує 60 ... 70 %.

У технічній діагностиці можна окреслити три групи задач, пов’язаних з побудовою моделей процесу, з розробкою методів діагнозу, які базуються на використанні побудованої моделі, та розробці принципів і засобів побудови діагностичних пристроїв і систем.

Перша група задач передбачає детальне вивчення властивостей процесів і поєднує в собі наступні задачі: вивчення нормального функціонування технологічного процесу; виділення можливих станів процесу, тобто можливих комбінацій відмов; аналіз технічних можливостей контролю ознак, які характеризують стан процесу; збір та відпрацювання статистичних даних про розподіл ймовірностей можливих станів процесу, а також закономірностей прояву відмов окремих його операцій; вибір форм моделі процесу та розробку методів її побудови.

Друга група задач базується на дослідженні математичних моделей процесів, що контролюються, містить розробку методів побудови діагностичних тестів при аналізі технологічного процесу; побудову оптимальних програм та процедур діагностики, які дозволяють визначити стан процесу.

Третя група задач вирішує наступні питання: розробка принципів побудови діагностичних систем та вибір способів їх апаратурної реалізації; оцінка діагностичних пристроїв та систем за швидкодією та надійністю, повнотою інформації, повнотою та достовірністю діагнозу, техніко-економічною ефективністю та іншими показниками; визначення зв’язків діагностичної системи з технологічним процесом.

 

1.2. Методи та етапи діагностування процесів металообробки

 

Для вирішення задач технічної діагностики застосовують наступні методи діагностування станів робочих процесів.

Кореляційний метод застосовують для пошуку відхилень параметрів (взаємна кореляція) або зміни параметрів у часі (автокореляція). Цей метод не потребує складного математичного забезпечення та просто автоматизується за допомогою електронно-обчислювальних машин.

Спектральний або спектрально-кореляційний метод базується на виділенні та вимірі складових складних сигналів. Він використовується при віброакустичних методах діагностування, потребує складної апаратури та математичного забезпечення.

Тестовий метод діагностування базується на подачі стимулюючих сигналів у зону обробки та реєстрації й аналізу відклику на них. До тестових методів належить метод перевірки при обробці контрольної заготовки певної форми (за граничною стружкою, похибками обробки).

Метод часових інтервалів застосовується для аналізу простоїв, визначення показників надійності, контролю режимів роботи та систем керування, розрахунку кінематичних параметрів, отримання циклограм для окремих модулів. Цей метод дозволяє визначати первинну локалізацію відмов.

Метод еталонних (нормованих) модулів базується на порівнянні експериментально визначених та розрахункових (отриманих на математичних модулях) числових значень параметрів та показників якості (потужності, подачі, амплітуд вібрації та ін.) з їх паспортними даними та технічними умовами. Перевагою цього методу є можливість різноманітного використання отриманої інформації. За допомогою еталонних модулів розраховують квазіметричні показники кінематичних та силових параметрів, що використовуються для оцінки якості процесу при його діагностуванні. Реалізація методу еталонних модулів не потребує складної апаратури, програмного забезпечення.

Метод еталонних (нормованих) залежностей базується на порівнянні експериментально отриманих функціональних залежностей параметрів з елементами, що отримані розрахунковим або експериментальним шляхом. Цей метод не знайшов поширення, він потребує застосування складної апаратури, але при цьому дозволяє підвищити глибину та достовірність діагностування.

Метод еталонних (типових) осцилограм є одним з найбільш простих та ефективних методів діагностування. Він широко застосовується для об’єктів, у яких характерні низькочастотні динамічні процеси. При реалізації цього методу розрахунковим та експериментальним шляхами складається еталонна осцилограма та формується бібліотека осцилограм, що характеризує її дефектний стан.

Метод порівняння та накладання осцилограм базується на аналізі одночасно записаних осцилограм різних параметрів або одного й того ж параметра, за різних умов роботи. Він являє собою ускладнений метод еталонних осцилограм, за допомогою якого аналізується динамічні циклограми модуля або встановлюється місце та час виникнення дефекту шляхом запису кінематичних та силових параметрів у різних точках.

Метод визначення граничних (аварійних) станів базується на пошуку факту виходу технологічного процесу в неприпустимі або такі, що не відповідають умовам заданої програми. Для систем, які використовують цей метод, характерна активна зворотна реакція, вимкнення та зупинка рухомих частин обладнання або окремих механізмів, ввімкнення резервного живлення, світлова та звукова сигналізація верстата, передача інформації в інші підрозділи.

Використання цих методів починається з побудови моделей, методів та пристроїв діагностики. При побудові моделей формуються умови функціонування технологічного процесу та вимоги до його основних характеристик, визначаються ознаки, за якими необхідно розпізнавати певний його стан та встановлюється необхідне для контролю число параметрів.

Моделювання реального технологічного процесу містить етапи побудови та вивчення моделей, а також етап експериментального дослідження. При моделюванні обов’язковою умовою є заміщення дослідного об’єкта «ідеальним» об’єктом, тобто абстрактним описом реального процесу за допомогою формул, графіків, таблиць. Такі математичні моделі дозволяють проводити дослідження за допомогою електронно-обчислювальних машин, і їх найбільш широко використовують при дослідженні складних технологічних процесів.

При розробці окремих діагностичних процедур (тестового діагностування, діагностування за віброакустичними, кінематичними, силовими та іншими параметрами) застосовують наступні етапи технічної діагностики.

Підготовчий етап містить систематизацію ознак дефектних станів технологічних процесів обробки деталі та обладнання на основі узагальнення досвіду експлуатації та випробувань. При цьому розробляють способи виявлення дефектів обладнання за даними аналізу результатів контролю деталей, що обробляються; аналізуються хронографічні записи перебігу технологічного процесу з метою оцінки показників продуктивності та надійності, виділення основних параметрів, що потребують періодичного контролю в процесі експлуатації обладнання. Основну увагу приділяють апробації інструментальних методів контролю технологічного процесу з проведенням регулювання механізмів за кінематичними, динамічними параметрами та параметрами точності з накопичуванням ознак дефектних станів. Таким чином, для підготовчого етапу характерні формалізація органолептичних методів діагностики та первинне впровадження інструментальних методів контролю продуктивності, кінематичних та динамічних параметрів.

Основний етап характеризується широким впровадженням інструментальних методів контролю складного технологічного процесу. Накопичений на підготовчому етапі досвід використовується для оснащення обладнання вмонтованими діагностичними системами. При модернізації обладнання передбачають місця для встановлення датчиків систем зовнішнього періодичного контролю, а в системах керування – можливість діагностування технологічного процесу за часовими інтервалами та найбільш важливими технологічними параметрами.

Для цього етапу характерна розробка рекомендацій щодо інструментальних методів контролю. На обладнанні встановлюють датчики та прилади контролю. У результаті значно покращується якість технологічного процесу, зменшується кількість непередбачених виходів з ладу вузлів, підвищується продуктивність та довговічність обладнання, зменшується відсоток браку.

Заключний етап містить розробку в умовах комплексної автоматизації виробництва багаторівневої системи технічної діагностики. На цьому етапі проводяться комплексні динамічні випробування технологічних процесів, які містять випробування на надійність та відпрацювання комплексних критеріїв якості. Систематизація інформації про динамічні характеристики обладнання покращує не тільки умови його експлуатації, а й дозволяє отримувати дані, необхідні для удосконалення конструкції обладнання. Комплексний підхід до діагностування технологічного процесу дає можливість підвищити ефективність технічної діагностики на всіх етапах розробки, експлуатації та модернізації цього обладнання. При цьому підвищуються вимоги до надійності та відповідно до глибини діагностування, які дозволяють підвищити точність, достовірність збору вимірювальної інформації, точність та оперативність обробки результатів вимірювань, підвищити ефективність технологічних процесів та знизити витрати на виробництво продукції.

 

1.3. Значення контролю і діагностики

 

Цілеспрямований розвиток систем контролю і діагностики вимагає глибоких знань про дефекти, їх причини та можливі наслідки. З огляду на те, що одним з основних вимог до промислового обладнання є продуктивність, особливо важливі відомості про відмови і їх причини, які призводять до тривалих простоїв, а отже, і до великих фінансових втрат.

Причиною майже половини всіх відмов є відмови електрики і електроніки. Це результат того, що у сучасного обладнання з числовим програмним керуванням вельми складна електрична та електронна системи з дуже великою кількістю елементів.

На механічні системи доводиться 37 % відмов, і це при тому, що обладнання оснащується системами контролю і діагностики. Інші види дефектів складають порівняно невелику величину. З вини обслуговуючого персоналу відбувається 38 % дефектів. Також встановлено, що близько 27 % відмов припадають на системи керування верстатом і маніпулятором.

Процес токарної обробки, як і інші види механічної обробки, характеризується зношуванням робочих поверхонь ріжучого інструменту в результаті його руйнування від дії високих температур і навантажень. Характер і інтенсивність зношування робочих поверхонь різальної частини інструменту слабо прогнозовані, так як в однаковий момент часу на них діють різні температури і силові напруження. Істотну роль в їх перерозподілі відіграє наріст, так як в умовах інтенсивного утворення наросту головна задня поверхня інструменту може взагалі не контактувати з поверхнею різання і не піддаватися зношуванню. Однак, у міру збільшення глибини лунки зносу захисна функція наросту падає, напруги і температура в області головної задньої поверхні інструменту зростають, що призводить до її інтенсивного зносу. Коли на контактних поверхнях спостерігається рівномірний розподіл температури і навантажень і відсутній наріст, має місце рівномірне зношування поверхні різця з опусканням головної різальної кромки.

Таким чином, при зносі вершини різця змінюється розмір, що відповідає розмірній настройці різця на обробку деталі, в результаті чого діаметр оброблюваної деталі буде змінюватися.

Завданнями діагностування є визначення технічного стану, в якому знаходиться спостережуваний об'єкт в даний час, а також в якому виявиться через якийсь час. Таким чином, перше завдання пов'язане з контролем, а друге з діагностикою.

Специфіка технічної діагностики полягає в спрямованості її методів на визначення стану об'єкта, що знаходиться в експлуатації, з виявленням необхідності відновлення втраченої працездатності. Відповідно до цього методи і засоби діагностики повинні бути зручні для застосування в умовах експлуатації, мати високу швидкодію і високу точність, забезпечувати контроль параметрів, що діагностуються, без порушення роботи механізмів, бути економічно доцільними.

Технологічне обладнання повинно бути пристосоване для потреб діагностики. Воно повинно мати вбудовані елементи і пристрої, що забезпечують контроль основних параметрів або можливість періодичного підключення до спеціальної діагностичної апаратури. Незважаючи на різноманітність технологічного обладнання, процес його діагностування має спільні риси і однаковий характер вирішуваних завдань. Для кожного виду обладнання перш за все визначають діагностичні ознаки (параметри), за результатами вимірювання або реєстрації яких можна судити про технічний стан окремих механізмів або обладнання в цілому. В якості таких ознак можуть бути прийняті вихідні параметри обладнання, контрольовані методами, що використовуються для контролю готового виробу. Це дає відповідь на питання про працездатність обладнання, але не визначає однозначно місце і вид пошкодження, що призводить до відмови.

Контролю можуть піддаватися параметри, зміна яких безпосередньо призводить до відмови механізму і які функціонально пов'язані з вихідними параметрами (величини зносу, деформації, ступінь корозії, різного роду відхилення в електронних системах).

При випадковому характері зміни технічного стану обладнання пошук причин відмов представляє значні труднощі. Сучасне обладнання включає в себе механічні, гідравлічні, пневматичні та електронні механізми і пристрої. Причини відмов цих елементів можуть бути дуже несуттєвими і швидко ліквідовані, а час пошуку несправності часто на порядок більше часу їх усунення навіть для висококваліфікованого фахівця. Тому для оцінки стану обладнання, його працездатності і виявлення причин і елементів, які впливають на зміну вихідних параметрів, застосовують методи технічної діагностики.

Під технічним діагностуванням розуміють оцінку технічного стану об'єкта діагностування з певною точністю. Результатом діагностування є висновок про технічний стан даного об'єкта з зазначенням при необхідності місця, виду і причин дефектів. При діагностуванні технічного стану обладнання проводять реєстрацію фактичних значень параметрів окремих вузлів і механізмів, систем управління блоків і елементів і зіставлення їх із заданими величинами, котрі характеризують нормальний стан контрольованих елементів. Коли безпосереднє вимірювання перерахованих параметрів неможливо або викликає значні труднощі, в якості діагностичних широко використовують так звані непрямі ознаки. Ці ознаки повинні бути функціонально пов'язані з працездатністю обладнання. Непрямими діагностичними ознаками можуть служити: акустичні сигнали, зміна сили і потужності різання, зміна температури вузлів і деталей обладнання, тиск в пневмосистемі або гідросистемі, наявність продуктів зносу в мастилі, частотні характеристики.

Перевагою непрямих ознак є оцінка стану працездатності обладнання в процесі його роботи; недоліком – можливість впливу на непрямі ознаки сторонніх чинників, які спотворюють отриману інформацію. Наприклад, при оцінці працездатності підшипників за температурою масла слід мати на увазі, що температура може збільшуватись не тільки зі зносом підшипника, але і зі збільшенням навантажень через вплив зовнішніх джерел тепла, засмічення гідросистеми та інших явищ. Тому для підвищення достовірності показань у таких випадках використовують кілька ознак. Так, якщо одночасно з вимірюванням температури мастила контролювати точність обертання підшипника або рівень його вібрацій, то ймовірність правильного діагнозу значно підвищується.

До основних етапів процесу діагностування відносяться і аналіз діагностичного сигналу, за яким судять про значення ознаки. Діагностичні сигнали можуть мати різний характер і несуть неоднакову за обсягом інформацію. Тому в кожному конкретному випадку необхідно оцінювати можливості сигналу і вибирати найбільш доцільну його форму.

Можливий варіант, коли показання датчика мають чисельне вираження параметрів, що діагностуються.

При цьому знаходження значень сигналів в допустимих межах свідчить про працездатність обладнання або про близькість до граничного стану.

Найбільш повну інформацію, ніж чисельні показники датчиків, має сигнал у вигляді функціональної залежності. Такими сигналами є закони зміни сили або крутного моменту за цикл роботи механізму, закони переміщення окремих ланок, вібрації, акустичні характеристики. Аналіз змін, що відбуваються в законах руху, спектральний аналіз процесів вібрацій і інші методи оцінки функцій дозволяють з одного сигналу виділити ряд складових, що характеризують стан різних елементів або вузлів устаткування.

При діагностуванні вибирають ті ознаки і параметри, контроль яких дає більш об'єктивну інформацію про стан обладнання, а витрати на створення системи технічного діагностування економічно доцільні.

Сучасне автоматизоване обладнання має в своєму складі контрольно-вимірювальні прилади, які можуть використовуватися для вирішення завдань діагностики. Так, наприклад, на шліфувальних верстатах традиційно застосовуються прилади активного контролю розмірів, за допомогою яких може бути отримана інформація не тільки про фактичну величину розміру, але і про швидкість зняття припуску, натяг в пружній системі верстата, конусність виробів, величину зносу шліфувального круга.

Загальні завдання діагностування поділяються на три рівні: збір інформації, порівняння її з еталоном і контроль (рис. 1.1).

На рівні збору виконується прийом вимірюваних величин, показників і параметрів, які визначають стан окремих вузлів і деталей технологічного обладнання. Рівень порівняння полягає в порівнянні виміряних величин з якимось номінальним заданим рівнем, який відповідає нормальному технологічному процесу. Визначення номінального рівня є складною науковою задачею. Справа в тому, що номінальний рівень повинен бути представлений величиною, яка відповідає межі між нормальною роботою машини і роботою машини в умовах, що призводять до браку або відмови. Однак ця межа далеко не однозначна і в свою чергу залежить від багатьох факторів зовнішнього впливу, таких як температура навколишнього середовища, вібрації та інше.

 

 

Рисунок 1.1 – Завдання контролю і діагностування

 

Рівень порівняння переслідує два завдання: порівняння вимірюваної величини і номінального рівня і визначення зміщення виміряної величини щодо раніше виконаних вимірювань, що дозволяє спостерігати за змінами розглянутого параметра в часі. Це дає можливість прогнозувати показники працездатності.

Зазвичай контролюється кілька параметрів, які характеризують роботу обладнання. Такими параметрами можуть бути: траєкторії формотворчих елементів верстата, температура в характерних точках, сили, що виникають між окремими деталями, шлях, час перемикання та ін. Як уже зазначалося, номінальна величина параметра залежить від зовнішніх впливів, але зазвичай розглядають максимальне і мінімальне значення номінального параметра, тобто поле допуску, яке отримало назву допустимих меж номінального параметра. Коли більша частина номінальних параметрів виходить за граничні значення, кажуть про відмову. Остаточне рішення в цьому питанні зазвичай приймається з використанням систем штучного інтелекту.

При порівнянні виміряних величин і номінального рівня визначаються симптоми, які є основою для проведення діагностики. За результатами порівняння локалізуються місця відмов і виявляються їх причини.

Виявлені причини виникнення дефектів представляють у вигляді класифікації і на її основі розробляють і будують систему, яка отримала назву «дерево відмов». Реалізація цієї системи здійснюється на комп'ютері, «дерево відмов» дозволяє різко знизити витрати на пошук відмов. Дерево відмов є символічним поданням послідовності виникнення умов, що призводять систему до відмови, небажаного (критичного) для об'єкта в цілому. Для застосування методів дерева відмов функціональні взаємозв'язки елементів системи (об'єкта, конструкції) відображають у вигляді логічної схеми, яка враховує взаємну залежність відмов елементів і груп елементів. Методологічне забезпечення даних підходів складається в спільному застосуванні методів теорії графів, математичної логіки і теорії ймовірностей.

Вершиною дерева відмов є кінцева подія – повна відмова системи. Проміжні вершини (вузли графа) представляють собою логічні операції типу «І» та «АБО», відповідні теоретико-множинного опису мови бінарної логіки.

Проміжні вершини, а також вихідні події (відмови елементів) утворюють ієрархічну структуру з пониженням рівнів в напрямку вихідних відмов елементів.

Побудова дерева відмов для складної системи передбачає чітке уявлення про всі функціональні взаємозв'язки елементів, причини і наслідки їх відмов. Функціональні взаємозв’язки елементів отримують шляхом побудови структурно-функціональних схем технологічної системи. Докладніший конструктивний підхід враховує вторинні відмови, ініційовані відмови і таке інше.

Після побудови дерева відмов системи проводять її якісний і кількісний аналіз і обчислюють ймовірність результуючої повної відмови системи з урахуванням відомої інформації про надійність елементів, тобто про можливості і інтенсивності їх відмов, коефіцієнтах готовності і таке інше.

Дерево відмов для несправностей описується матрицею, що має n рядків і m стовпців-тестів. У матрицю входять всі дані, необхідні для пошуку несправностей. Програма пошуку потрібного рядка і визначення типу несправностей виконується універсально і може бути використана для різного устаткування. Таким чином, завдання зводиться до побудови матриці несправностей для конкретного типу обладнання.

Аналіз можливих несправностей механізмів і складання матриць несправностей полегшується при зображенні процесу діагностування у вигляді графа станів для окремих функціональних груп (приводу головного руху, приводу подач і так далі.). З кожній з таких груп може бути складена окрема матриця станів. Оскільки багато функціональні елементи мають структуру, яка описується аналогічними графами, то для їх діагностики можна використовувати загальну програму різних параметрів і матрицю несправностей. Основна частина програми, таким чином, є інваріантною до різних видів несправностей.

Застосування дерева відмов допомагає на ранній стадії визначити ознаки виникнення відмови. Виявлення таких слабких місць в виробничому обладнанні дозволяє своєчасно запланувати необхідні заходи з технічного обслуговування або поточного ремонту, в результаті чого відмова буде попередженою. Це має дуже важливе значення, тому що у противному випадку, тобто при настанні відмови, сталася б аварійна зупинка обладнання, за якою послідкували б заходи щодо усунення відмови, що, природно, призвело б до простою обладнання, а отже, і до зниження продуктивності. Якщо виникнення дефекту було виявлено своєчасно, його усувають в неробочий час, і зниження продуктивності обладнання не відбувається.

Таким чином, діагностика повинна бути в першу чергу націлена на передбачення дефекту.

Усунення дефекту можливо також за рахунок внутрішньо-машинного регулювання або шляхом проведення планового технічного обслуговування. Наприклад, в результаті зносу ріжучої кромки різця змінився діаметр обробки деталі. Однак різець ще може продовжувати працювати. В цьому випадку корегують програму і продовжують роботу. Або, наприклад, встановлено, що траєкторія осі шпинделя в результаті зношування підшипників збільшилася в розмірах, тоді при проведенні технічного обслуговування в неробочий час регулюють натяг в передній опорі шпинделя. При передчасному виявленні майбутньої відмови можна усувати дефекти в зручний для ремонтної служби час, а також в майбутньому планувати заходи з технічного обслуговування з урахуванням реального часу розвитку дефектів, що знижує витрати на усунення відмови, так як це дозволяє своєчасно замовляти і отримувати необхідні запчастини.

Створення діагностичних засобів забезпечення технологічного процесу повинно включати наступні етапи.

1. Техніко-економічне обґрунтування вибору виду, призначення і області застосування систем діагностування обладнання.

2. Аналіз процесів, що відбуваються в технологічній системі, яка підлягає діагностуванню з метою виявлення причин виникнення і ознак прояви пошкоджень і дефектів, а також порушення технологічного процесу.

3. Збір і вивчення апріорної інформації про характерні пошкодження і дефекти, що виникають при експлуатації об'єкта, що підлягає діагностуванню, або його прототипу.

4. Вибір номенклатури показників (функціональних і структурних параметрів) працездатності технологічної системи в цілому і її окремих складових вузлів.

5. Вибір періодичності і обсягу діагностування та глибини пошуку дефектів в залежності від специфіки експлуатації об'єкта, що підлягає діагностуванню.

6. Вибір методу діагностування та розробка моделі об'єкта діагностування для кожного діагностичного параметра.

7. Вибір діагностичних параметрів (прямих і непрямих), які характеризують технічний стан обладнання і забезпечують можливість пошуку дефектів.

8. Визначення номінальних, допустимих і граничних величин діагностичних параметрів із зазначенням необхідної точності і достовірності вимірювань.

9. Розробка алгоритмів діагностування з зазначенням режимів роботи обладнання при діагностуванні.

10. Вибір і розробка засобів діагностування. Підбір первинних перетворювачів повинен забезпечувати зняття діагностичних параметрів із заданою точністю в обраному діапазоні частот і відповідати іншим вимогам, викликаними специфікою вимірювань.

11. Розробка пристроїв сполучення діагностичного об'єкта із засобами діагностування, що забезпечують надійне закріплення первинних перетворювачів і виключають спотворення і перешкоди при вимірі діагностичних сигналів.

12. Експлуатаційна документація з проведення діагностування та обробці отриманої діагностичної інформації.

13. Методика порівняння отриманої діагностичної інформації з прийнятими граничними величинами діагностичних параметрів і критерії для прийняття рішення про стан технологічного процесу.

14. Випробування системи діагностування відповідно до вимог нормативно-технічної документації.

 

1.4. Діагностика як засіб підвищення надійності

 

Надійність будь-яких технічних засобів, що працюють в автоматизованому або автоматичному режимі, є одним з основних властивостей, за яким оцінюється доцільність застосування цих засобів у виробництві. Надійність – властивість об'єкта зберігати в часі у встановлених межах значення всіх параметрів, що характеризують здатність виконувати необхідні функції в заданих режимах і умовах застосування, технічного обслуговування, ремонтів, зберігання і транспортування.

Надійність складається з поєднання властивостей: безвідмовності, довговічності, ремонтопридатності і стану збереження. Для кількісної характеристики надійності технологічного обладнання в даний час прийнято використовувати середній наробіток на відмову (характеризує безвідмовність) – відношення тривалості роботи відновлюваного обладнання до математичного сподівання числа відмов протягом цього напрацювання, і коефіцієнт технічного використання (комплексний показник, що характеризує всі властивості надійності) – відношення математичного очікування інтервалів часу перебування в працездатному стані за деякий період експлуатації до суми математичних очікувань інтервалів часу перебування в працездатному стані, простоїв, обумовлених технічним обслуговуванням, і ремонтів за той же період експлуатації.

Функціональний контроль застосовують в процесі експлуатації обладнання, а тестовий контроль, як правило, після виготовлення, а також при ремонті. Кінцевою метою діагностування є корекція – усунення дефекту або його наслідків. Стосовно до гнучких виробничих систем корекція означає або виключення з технологічного процесу несправного елемента (зламаних інструментів, що вийшли з ладу, верстата, робота), або в разі параметричної відмови, коли елемент працездатний, але його характеристики змінилися, перебудову технологічного процесу. Наприклад, в разі зафіксованого розмірного зносу ріжучого інструменту повинна бути змінена керуюча програма обробки деталі з урахуванням зміни розмірів.

З метою підвищення працездатності автоматизованого обладнання, забезпечення заданої розмірної точності виготовлених виробів з досить низькою шорсткістю поверхні обробки передбачається введення пристрою діагностування процесу різання.

Розмірна стійкість як параметр при різанні матеріалів може варіюватися в досить великих межах, так як на даний параметр впливають: неоднорідність структури оброблюваного та інструментального матеріалів; зміна фізико-механічних і теплофізичних властивостей оброблюваного та інструментального матеріалів однієї марки, як всередині партії, так і між партіями одного заводу-виготовлювача або різних заводів; неоднорідність пластичної деформації оброблюваного матеріалу; нестійкий характер утворення стружки (формування різних типів стружок, утворення наросту, циклічність утворення стружки); зміна сили різання в часі при різанні матеріалів; наростаючий в часі знос інструменту; коливання технологічної системи. Не всі причини можна явно змінювати в процесі різання матеріалів, так не можна змінювати неоднорідність і пластичну деформацію оброблюваного матеріалу, але можна змінювати силу різання, наростаючий в часі знос інструменту, вібрації за допомогою варіювання режимів різання. Додатково можна проводити оперативний контроль фізико-механічних і теплофізичних властивостей оброблюваного та інструментального матеріалів, безпосередньо перед процесом різання або в процесі різання і вводити корекцію на режим різання.

Введення діагностичних систем у технологічний процес на максимальній кількості об’єктів з економічним обґрунтуванням доцільності використовування засобів діагностики дозволяє підвищити надійність роботи обладнання, попередити відмови елементів технологічного устаткування, збільшити працездатність складових технологічного процесу. У той же час сучасні автоматизовані виробництва, з так званою «безлюдною технологією» просто не можуть функціонувати без засобів контролю та діагностики на всіх рівнях технологічного процесу підприємства, починаючи з обладнання з виготовлення деталей виробу і закінчуючи складальним виробництвом та реалізацією готової продукції. Сучасні автоматизовані виробництва потребують надійних діагностичних та технологічних систем, здатних безвідмовно працювати довгий період експлуатації.

 

1.5. Контрольні запитання

 

1.    Перерахуйте основні задачі діагностики робочих процесів.

2.    Охарактеризуйте мету діагностики робочих процесів.

3.    Назвіть функції оперативної діагностики та результати реалізації цих функцій.

4.    Перерахуйте групи завдань оперативної діагностики.

5.    Перерахуйте типи датчиків, що застосовуються у діагностиці робочих процесів та основні вимоги до них.

6.    Охарактеризуйте три групи задач, пов’язаних з побудовою моделей робочих процесів, з розробкою методів діагнозу та розробці принципів і засобів побудови діагностичних пристроїв і систем.

7.    Перерахуйте методи діагностування станів робочих процесів.

8.    Перерахуйте етапи діагностичних процедур.

9.    Яке значення контролю і діагностики робочих процесів?

10. Що розуміють під технічним діагностуванням?

11. Які ознаки вибирають при діагностуванням?

12. Назвіть рівні і завдання контролю і діагностування.

13. Що таке «дерево відмов».

14. Назвіть етапи створення діагностичних засобів.

15. Дайте визначення терміну «надійність»