3. Системи контролю та діагностики стану робочих процесів

 

3.1. Система підтримки працездатності процесів

 

Працездатність процесу визначає такий стан об'єкта, при якому значення всіх параметрів, що характеризують здатність виконувати задані функції, відповідають вимогам нормативно-технічної документації.

Призначення металообробного верстата – обробка деталей із заданими продуктивністю і якістю. Тому при оцінці якості верстата головну роль грають показники, пов'язані саме з цими вихідними параметрами. Причому показники точності є основними, що визначають можливості і області застосування верстата. Ці показники повинні підтримуватися в певних межах протягом усього періоду експлуатації.

При експлуатації верстат піддається численним зовнішнім і внутрішнім впливам. Всі види енергії, в першу чергу механічна і теплова, діючи на верстат і його механізми, викликають в ньому цілий ряд небажаних процесів, створюють умови для погіршення його технічних характеристик. Частина процесів, що відбуваються в верстаті і впливають на його технічні характеристики, оборотні, так як вони змінюють параметри деталей, вузлів і всієї системи в певних межах, без тенденції прогресивного погіршення. Найбільш характерний приклад оборотних процесів – деформації вузлів і деталей верстатів, що відбуваються під дією зовнішніх і внутрішніх сил або теплових полів. Необоротні процеси, наприклад зношування, корозія, призводять до поступового погіршення з часом технічних характеристик верстата. Всі процеси що впливають на характеристики верстата, викликають похибки в його функціонуванні і знижують якість заданого технічного процесу.

На зміну показників якості верстата впливає швидкість процесів, що діють на його вузли і механізми. За швидкістю протікання всі процеси можна розділити на три категорії.

Швидкодіючі процеси мають періодичність, вимірювану зазвичай частками секунди. Ці процеси закінчуються в межах циклу роботи верстата і знову виникають при обробці наступної деталі. До них відносяться: вібрація вузлів, зміни сил тертя в рухомих з'єднаннях, коливання робочих навантажень і інші процеси, що впливають на взаємне положення інструменту і заготовки в кожний даний момент часу і знижують точність обробки.

Процеси середньої швидкості протікають за час безперервної роботи верстата, і їх тривалість вимірюється зазвичай в хвилинах або годинах. Вони призводять до зміни початкових параметрів верстата. До цієї категорії відносяться як оборотні процеси, наприклад процеси зміни температурних полів верстата і температури навколишнього середовища, так і необоротні, наприклад процес зношування ріжучого інструменту, який протікає у багато разів інтенсивніше, ніж процес зношування деталей і вузлів верстата.

Повільні процеси протікають протягом усього періоду експлуатації верстата і проявляються, як правило, між його періодичними ремонтами. Вони тривають дні і місяці. До таких процесів відносяться: зношування основних механізмів верстата, перерозподіл внутрішніх напружень в деталях, повзучість металів, забруднення поверхонь тертя, корозія, сезонні зміни температури. Ці процеси впливають на точність, а також на коефіцієнт корисної дії та інші характеристики верстата.

Таким чином, при тривалому використанні в результаті впливу багатьох чинників відбувається втрата працездатності металообробних верстатів.

Порушення технологічного процесу і, як наслідок цього, зниження якості виготовлених деталей відбувається через несправності (дефекти), які виникають в окремих вузлах і деталях технологічної системи.

Дефекти в самому верстаті можуть бути дефектами в системі управління верстата, дефектами, що виникають в окремих вузлах верстата, таких як привід, передачі, а також при взаємодії окремих вузлів один з одним. Крім того, дефекти можуть з'являтися внаслідок неякісної роботи вимірювальної системи.

До найбільш частих дефектів системи управління відносяться: вихід з ладу вузла або деталі системи управління, помилки програмування, помилки пам'яті. При вимірюванні температури можливі помилки, які є результатом того, що холодний спай термопари знаходиться в зоні змінних температур.

В електроприводі найчастіше спостерігаються такі дефекти: загальні електричні дефекти як порушення контакту в з'єднаннях, пошкодження ізоляції і, як наслідок, пробій на корпус. Крім того, при неправильно обраних режимах обробки може виникнути перевантаження або зміна оптимальних параметрів роботи.

Вимірювальні системи часто дають невірні показання через те, що мають забруднення шкал відліку або в результаті порушення юстирування, які виникають при некваліфікованому проведенні технічного обслуговування або після аварійних ситуацій. Також можливе спотворення показань вимірювальною системою при порушеннях температурного режиму вимірювальної системи.

До найбільш частих дефектів коробок передач відносяться загальні кінематичні дефекти, такі як: ослаблення посадки зубчастих коліс і муфт зчеплення, знос шпонкових і шліцьових з'єднань, порушення центрування з'єднання валів, втомний знос зубів зубчастих коліс, залишкові деформації валів, знос підшипників кочення.

Порушення взаємного розташування вузлів один щодо одного відбувається в результаті деформації їх при зміні температури, яка завжди є змінною величиною, і залежить від тривалості роботи верстата під навантаженням. Порушується взаємне розташування при зносі деталей. Особливо це проявляється при зносі напрямних верстата. Ще одна причина порушення взаємного розташування недостатня жорсткість, що особливо проявляється при обробці деталей з великою глибиною різання і великою подачею.

Дефектами, що виникають з вини оператора, є помилки, яких припускаються при наборі вихідних даних перед обробкою деталі, або помилки при вимірюванні розмірів деталі. Також відмови можливі при поганому догляді за обладнанням, наприклад при забрудненні верстата або попаданні стружки в зону різання.

Найбільш частими дефектами є дефекти пов'язані з ріжучим інструментом. Вони, як правило, призводять до браку деталі, що виготовляється. Інструмент виходить з ладу в результаті зносу і руйнування ріжучої кромки або спотворення її форми при обробці фігурних поверхонь.

Тертя є основною причиною зносу лез інструментів, Візуальними спостереженнями встановлено, що перші ознаки зношування різальних кромок інструментів, як правило, виявляються вже на самому початку різання. Найбільш помітні ранні ознаки зношування у твердосплавних інструментів. У початковий момент різання у них відбувається знос в місцях кутових переходів, якими є місця сполучення головних і допоміжних ріжучих кромок, а також самі ріжучі кромки лез.

Зі збільшенням подач зростають значення всіх складових Р_х, Р_у і Р_z сили різання, але в більшій мірі зростає складова Р_z. Відповідно збільшується тиск на контактні площадки леза і діюча на них сила тертя, причому особливо сильно на передню поверхню. Встановлюються умови, коли зношуванню одночасно піддаються і задня, і передня поверхні леза, але інтенсивність зношування передньої поверхні більше, ніж задньої. При цьому спостерігаються ознаки зносу як на задній, так і на передній поверхнях леза. Знос на передній поверхні прийнято вимірювати як глибину і ширину зношеного поглиблення, званого лункою зносу.

Рисунок 3.1 – Крива лінійного h3 зносу задньої поверхні різця

Протягом роботи різця знос його різальних кромок збільшується, що відображається на кривих зносу. Криві зносу відображають функціональну залежність зносу задньої і передньої поверхонь леза від тривалості різання або довжини шляху різання в напрямку результуючого руху різання.

Криві зносу будують в лінійних координатах за результатами безпосередніх вимірювань. Розмір максимального лінійного зносу h₃ на задній поверхні інструменту вимірюють через довільні відрізки часу. Типова крива лінійного зносу h₃, показана на рис. 3.1. У початковий період різання на відрізку 0-A кривої h₃ крива зносу опукла. На наступному відрізку A-B вона практично є похилою прямою. На кінцевому відрізку B-C крива увігнута. Такий вигляд кривої зносу h₃, дає формальну підставу вважати, що при роботі різця існує три періоди з різною інтенсивністю зношування. Знову заточений різець спочатку зношується з дуже великою інтенсивністю, яка потім швидко зменшується. Цей період називається періодом припрацювання. В цей час зношуванню підвергається поверхневий шар інструменту, який отримав структурні пошкодження під час заточування. Ділянка A-B відповідає установленому процесу зношування. На кінцевій ділянці B-C інтенсивність зношування знову зростає. Це викликано збільшенням роботи сил тертя на зношених контактних поверхнях леза, підвищенням температури на них і пов'язаними з цим структурними змінами в приграничних шарах інструменту, що контактують з оброблюваним матеріалом.

До дефектів, що виникають в результаті обробки заготовки, яка не відповідає висунутим до неї вимогам, відносяться: недотримання вимог до припуску, неоднорідність структури, пошкодження та невідповідність матеріалу. Якщо припуск не відповідає вимогам технічної документації, відбувається обробка деталей на режимах, які не відповідають закладеним у програмі. Особливо це проявляється, коли припуск неоднорідний по поверхні заготовки. Зміна глибини різання через нерівномірний припуск обумовлює і зміну траєкторії осі деталі і величини сили різання. Це призводить до того, що деформація деталі при обробці буде весь час змінюватися, що буде копіюватися на поверхні деталі. Неоднорідність структури заготовки викликає локальну зміну сили різання, а отже, також спотворення поверхні. В процесі виготовлення заготовки і особливо при її транспортуванні можуть виникнути її пошкодження внаслідок зіткнень, що обумовлює деформацію поверхні заготовки. При обробці деформації, так само як і неоднорідність структури, будуть приводити до локальних змін на обробленої поверхні деталі. Використання матеріалу заготовки, який не відповідає матеріалу, закладеному в технологічному процесі, також може привести до порушення режиму обробки.

Несправності системи збирання відходів в основному впливають на продуктивність верстата. Несправності можуть статися через зношування каналів переміщення стружки, відключення струму та інших причин.

Навколишнє середовище також впливає на працездатність верстата. Основними діючими факторами будуть температура, електричні перешкоди і коливання фундаменту. Температура навколишнього середовища в значній мірі визначає тепловий стан корпусу шпиндельної бабки, а воно визначає теплові деформації, що призводять до зміщення осі заготовки щодо станини. Вібрації фундаменту в основному впливають на коливання вершини різця, а вони можуть бути неоднозначними, так як складання двох вібрацій може викликати як посилення вібраційного процесу, так і до його згасання.

Як правило, всі перетворювачі, що використовуються в автоматичних системах процесів металообробки, підключаються до мікропроцесорів або електронно-обчислювальних машин, у яких вимірювальна інформація опрацьовується, і результати вимірювань порівнюються з попередньо заданими.

При цьому принцип роботи засобів контролю та діагностики базується на аналізі будь-якого параметру процесу різання (рівня віброакустичного сигналу), потужності, що використовується, крутильного моменту, складових сили різання, часу різання та врізання, порівняння цих параметрів з допустимими межами їх вимірювання та прийняття рішень про продовження обробки, зупинці верстата, зміні інструмента тощо.

Для надійного функціонування засобів контролю та діагностики необхідно визначити критерії відмови інструментів різних типів в різних місцях обробки, а також допустимі границі вимірювань параметрів, що контролюються.

Тому оперативність діагностики досягається, у першу чергу, за рахунок використання інформації, пов’язаної з фізико-механічними характеристиками вузлів верстатних модулів (вимірюваннями електричних та магнітних властивостей технологічної системи, теплового режиму її роботи), а також контролю граничних параметрів процесу різання (ресурсу інструмента, геометричної точності вузлів технологічного обладнання). Для реєстрації цих джерел інформації перевага віддається датчикам природного зворотного зв’язку, що являють собою модернізовані або удосконалені вузли гнучких виробничих модулів (наприклад, вмонтовані у підшипники шпинделя тензодатчики для реєстрації навантаження на опори, засоби контролю за вимірюванням навантаження приводних електродвигунів, різні варіанти динамометричних різцетримачів, базові корпусні деталі верстата, що реєструють теплові деформації). Перевагою цих пристроїв є компактність, надійність у роботі, збереження технологічних спроможностей обладнання.

Безвідмовне функціонування процесів неможливе без використання діагностичних систем для автоматичного контролю працездатності різального інструмента. Його відмови є причиною більш 50  % порушень працездатності верстатів з числовим програмним керуванням. Система контролю гарантує стабільну роботу різального інструмента при досягненні їм граничного або технологічного зносу.

У відсутності оператора його роль виконують пристрої, які включені у ланцюг зворотного зв’язку. Комплект цих пристроїв – система підтримки працездатності – слідкує за процесом різання, видом утвореної стружки, поданням мастильно-охолоджувальної рідини; перевіряє чистоту встановлених баз, розміри заготовок та деталей, контролює роботу механізмів верстата.

Алгоритм дії системи підтримки працездатності процесу включає: збирання інформації; її оцінку та виявлення відхилень від норми, встановленої початковими даними; виявлення причини відхилення; прийняття рішення і виробітку кореляційного впливу, який ліквідує виявлене відхилення; введення корегувальних впливів.

На перших двох етапах проводяться операції контролю, на третьому – діагностування і на двох останніх здійснюються операції прийняття та реалізації рішень.

При розгляданні задач систем підтримки працездатності необхідно зауважити, що їх ефективна робота можлива лише тоді, коли на стадіях проектування і виготовлення забезпечена висока надійність усіх елементів, вузлів і механізмів. Система підтримки не спроможна скоротити простої обладнання при систематичних відмовах, пов’язаних з конструктивними недоліками та поганою якістю виготовлення. Вона призначена для підтримки працездатності гнучких процесів при виникненні раптових відмов або відмов, пов’язаних з поступовим зносом інструмента або елементів обладнання, оснащення і таке інше.

Поновлення нормальної роботи обладнання після відмови повинно забезпечити продовження роботи у тих випадках, коли на звичайному обладнанні обробка припиняється. Це є найбільш складною задачею системи підтримки працездатності, яка потребує утворення алгоритмів прийняття рішень, що відтворюють дії оператора в аналогічній ситуації. Ці дії не завжди можуть бути формалізовані, і крім того, обсяг інформації і кількість засобів поновлення, що є у розпорядженні системи, завжди менші тих, які має оператор. Тому система приймає тільки прості рішення типу “Аварійний стоп”, “Зменшити подачу”, “Змінити інструмент”.

Система підтримки працездатності складається з підсистем контролю, діагностики, прийняття рішень. Сигнал з датчиків контролю надходить у систему контролю, де перетворюється у сигнал результату контролю і надходить у підсистему діагностики та підсистему прийняття рішень.

Підсистема контролю формує також сигнал корегувальної дії, який надходить до системи програмного керування обладнанням. Утворений підсистемою діагностики сигнал результату діагностування подається до підсистеми прийняття рішень, яка утворює сигнали корегувального впливу, що надходять до системи керування, а також програми для діагностування та для контролю. Системою програмного керування формуються сигнали початкових даних для контролю та початкових даних для прийняття рішень.

На вхід системи від датчиків підсистеми контролю надходить інформація про фактичні величини вихідних координат об’єкта керування, за якими ведеться контроль. Підсистема контролю опрацьовує отриману інформацію, розраховує показники працездатності інструмента і порівнює їх з відповідними еталонами, які надходять у підсистему контролю у складі початкової інформації.

На базі порівняння отриманої інформації підсистема контролю формує сигнал про відхилення показників працездатності від норми. Цей сигнал залежно від аварійної ситуації подається в систему програмного керування верстатного модуля або у підсистему прийняття рішень, за вимогою якої передається “замовлення” у підсистему діагностики на з’ясування причин зниження показників працездатності. При проведенні діагностичних перевірок підсистема контролю здійснює додаткове опитування датчиків. Після збирання всієї інформації підсистема прийняття рішень виробляє відповідну корегувальну дію, яка передається у систему програмного керування для реалізації.

Поряд з задачею знаходження відхилень від нормального ходу процесу і фіксації місця відмови або причини збою велика увага приділяється задачі автоматичного відновлення працездатності після різних порушень. При цьому рішення, які приймає система підтримки працездатності, є достатньо “інтелектуальні”: розрахунок корекції, вибір траєкторії відводу поламаного інструмента залежно від його типу та характеру обробки, визначення необхідності закінчення обробки та вибір відповідного інструмента, використання дублерів інструмента замість зношеного базового і так далі. До таких рішень належать, наприклад, автоматичний розрахунок та ввід компенсацій різних силових та теплових деформацій, оптимізація режимів різання з урахуванням отримання дробленої стружки або збільшення ресурсу робочого інструмента.

 

3.2. Системи діагностування стану ріжучого інструмента

 

До параметрів різального інструмента, що контролюються, відносяться: ширина стрічки зносу, відстань від вершини різального інструмента до постійної бази, рівень вібрацій, температура, остатня радіоактивність. Параметрами, які характеризують взаємодію різального інструмента зі стружкою відносно деталі, що обробляється, є наступні: тривалість циклу обробки, сила різання, крутильний момент обертання деталі або інструменту, потужність, яка витрачається на обробку, вібрації та звукові коливання, електрорушійна сила різання та електричний опір контакту “інструмент–деталь”.

Системи автоматичної діагностики процесів металообробки забезпечують вимірювання швидкості зносу та умов роботи інструмента. При автоматичному контролі зносу інструмента продуктивність обробки підвищується на 40  %, а при контролі, який дозволяє попередити руйнування інструмента на 30  %. У зв’язку з цим необхідно розробляти моделі зносу інструментів, методи безпосереднього заміру швидкості зносу та критерії їх придатності.

Критерій зносу, який визначає необхідність автоматичної зміни інструмента, залежить від типу обробки, матеріалів інструмента і деталі та інші. До таких критеріїв відносяться: різке зростання розмірного зносу; збільшення шорсткості поверхні деталі, сили різання і температури у зоні різання за припустимі межі. У період експлуатації розмірний знос можна прогнозувати. В той же час різні види поломок різального інструмента частіш за все виникають несподівано, не піддаються прогнозуванню і найбільш небезпечні для роботи металорізальних верстатів та обладнання. Системи автоматичного контролю вирішують задачі діагностики стану різального інструмента. Функції обробки інформації у системі автоматичного контролю реалізуються або на мікроелектронній обчислювальній машині системи числового програмного керування, або на додатковій мікроелектронній обчислювальній машині (варіант локальної підсистеми контролю).

Найбільш поширеним методом контролю стану інструмента у процесі різання є метод безперервного або через короткі проміжки часу (для кожної деталі) вимірювання поточних параметрів приводних електродвигунів. Вимірювальні перетворювачі, встановлені на електродвигунах, реєструють зміну струму навантаження і через аналого–цифровий перетворювач передають інформацію для обробки у мікроелектронній обчислювальній машині. Інформативність і надійність метода багато в чому залежить від повноти та точності статистичних даних про взаємодію поточних параметрів енергоспоживання приводних електродвигунів з режимами різання усіх інструментів, що застосовуються.

У системах автоматичного контролю процесу застосовують оптичні та оптико–електричні методи, які дозволяють отримати зображення освітленої зони зносу різального інструмента, коли він не знаходиться у контакті з заготовкою.

В оптичній системі з використанням оптико–електричного датчика формується зображення зносу. Тривалість імпульсу фотосигналу залежить від ширини зносу та швидкості переміщення інструмента. Замір тривалості імпульсу фотосигналу здійснюється шляхом перетворення “час – код”, для чого за переднім фактором фотосигналу вмикається лічильник високочастотних імпульсів. При збільшенні швидкості різання зменшується тривалість одного сигналу, при цьому загальна кількість імпульсів за певний період часу при даному номінальному значенні зносу постійна.

Оптичні датчики з використанням світлодіодів забезпечують підведення освітлювального пучка випромінювання безпосередньо у зону різання від джерела та зворотно до приймача відбитого світла. Точність вимірювань розмірного зносу досягає ±0,01 мм у діапазоні 0,1 ... 0,8 мм.

Існує декілька систем на основі використання методів контролю стану різального інструмента за властивостями стружки, що утворюється у процесі різання. Наприклад, контроль за температурою здійснюється за допомогою фотодіодів, що працюють у інфрачервоній області.

Вельми інформативним джерелом для контролю процесу металообробки є контакт різального інструмента з деталлю. Так, електрорушійна сила, яку можна вимірювати у режимі постійного та перемінного струменів, вважають одним з найбільш стабільних сигналів процесу металообробки. Для заміру електрорушійної сили на шпинделі верстата встановлюють струмознімач, який за допомогою електрики з’єднаний з першим входом вимірювального перетворювача, другий вхід якого з’єднується з різальним інструментом, що не потребує електричної ізоляції, оскільки опір шпиндельних підшипників значно більше опору контакту “інструмент – деталь”. Електрорушійну силу різання як діагностичний сигнал можна використовувати у великому діапазоні режимів різання, оскільки температура заготовки практично не впливає на її розмір.

Знос різального інструмента можна контролювати за абсолютним значенням постійної складової електрорушійної сили різання для нового та затупленого інструмента, за значенням якої можна визначити зсув верхньої швидкісної межі зони наростоутворення.

При контролі процесів металообробки використовують віброакустичні системи діагностики стану різального інструмента. Роботи з реалізації систем діагностики за віброакустичним сигналом можна поділити на два етапи. Перший етап містить встановлення кореляційних зв’язків між станом різального інструмента та параметрами процесу різання; потім розробляють алгоритм обробки електричного сигналу, що реєструється датчиком. Другий етап містить розробку апаратної частини (електронні та обчислювальні блоки і так далі).

Системи діагностики поділяють за сигналами акустичної емісії: до 150 кГц та більш 50 кГц (такий розподіл спричинено різною природою коливань у вказаних діапазонах).

Зрушення твердих тіл супроводжується явищем акустичної емісії, при якій звільняється енергія. Частина цієї енергії перетворюється у пружні хвилі з частотою більш 100 кГц, які розповсюджуються у матеріалі і виявляються за допомогою п’єзоелектричних високоякісних акселерометрів.

На базі моделі стружкоутворення можна виділити наступні джерела сигналів звукової емісії: процеси пластичної деформації; процеси тертя (тертя між стружкою та інструментом, між заготовкою та інструментом); виникнення та руйнування мікроз’єднань; адгезійні процеси; періодичне утворення та руйнування наросту на різальних кромках інструмента; знос інструмента – поступове вилучення поверхневого шару інструмента, виривання часток та викришування різальної кромки інструмента (зміна геометрії різальної  частини впливає на деформацію та стружкоутворення, що приводить до зміни звукового сигналу); формування властивостей поверхневого шару деталі під впливом різних фізико-хімічних явищ; структурно-фазові перетворювання в оброблюваному та інструментальному матеріалах.

Таким чином, типові причини, що викликають звукову емісію при різанні, діють як сукупність дефектів. При цьому внаслідок взаємної інтенсивності сигналу акустичної емісії зі швидкістю деформації більш сильний сигнал генерують ті зони, які швидко деформуються при різанні.

Реєстрація хвиль акустичної емісії при різанні дозволяє контролювати зародження та розвиток тріщиноутворень у різальному інструменті. Інтенсивність сигналів відповідає величині зносу інструмента. Основною перевагою цього методу є слабка залежність інтенсивності сигналу від умов обробки та характеристик технологічної системи верстата, а недоліком є необхідність встановлення датчика біля зони різання безпосередньо на інструменті.

Потужність ультразвукових хвиль у діапазоні 100 кГц – 1 МГц недостатня, щоб пройти крізь поверхню розділу “інструмент-заготовка”, а також зону пластичного зсуву, тому пружні хвилі у цих зонах будуть або відбиватися, або згасати. Зі зносом інструмента збільшується кількість імпульсів. Електричні сигнали від п’єзодатчика, встановленого на державці інструмента, надходять у послідовно з’єднані підсилювач, блок фільтрів та інтенсиметр, у якому визначається число сигналів, що надходять на вхід в одиницю часу. З виходу інтенсиметра електричні сигнали, пропорційні інтенсивності коливань, надходять у блок, у якому проводиться порівняння зареєстрованого значення інтенсивності акустичної емісії та заданого, що характеризує певний знос. Основна складність у використанні методу акустичної емісії є правильна розшифровка складного за своєю структурою сигналу про фізико-механічні явища, що супроводжують процес різання. Правильність розшифровки сигналу забезпечує якість та надійність діагностики. Метод акустичної емісії застосовують для діагностики стану будь-якого різального інструмента. Але у випадку використання багатолезового інструмента, коли у контакті з матеріалом, що оброблюється, знаходиться декілька різальних кромок, розшифровка акустичного сигналу, що надходить із зони обробки, ще більш ускладнюється. Чутливість методу дозволяє фіксувати окремі мікроруйнування на робочих поверхнях інструмента як результат адгезійного схоплення або втомленого мікровикрошування.

Перспективним методом контролю стану інструменту є контроль у діапазоні частот 20 Гц – 50 кГц. На деяких верстатах застосовують контроль зломів інструменту за допомогою мікрофона, який реєструє різку зміну звуку на частотах 300 – 1000 Гц.

З ростом зносу залежно від головного кута у плані та режимів різання у періодичних коливань сили різання спостерігаються нелінійні викривлення, які відображаються у коливаннях технологічної системи верстата, у тому числі і в коливаннях інструмента. На базі цього явища розроблено пристрій для контролю зносу інструмента, в якому фільтр високих та низьких частот автоматично налаштовується на частоти, які мають найбільші амплітуди значення у своїх піддіапазонах, що збільшує точність та перешкодосталість даного пристрою.

Виникнення пружних коливань в певному частотному діапазоні відбувається у результаті взаємодії мікронерівностей контактуючих поверхонь інструмента та заготовки. Мікронерівності інструмента та заготовки співударяються та збуджують пружні коливання у діапазоні 10 кГц та вище.

З ростом зносу інструмента на задній поверхні збільшується зона контакту між ним та заготовкою, що викликає підвищення сили різання. Зі збільшенням сили різання підвищується контактний тиск у їх контакті. Зі збільшенням зони контакту та контактного тиску збільшується інтенсивність взаємодії мікронерівностей, що викликає підвищення амплітуди віброакустичного сигналу у діапазоні 10 ... 30 кГц.

Існує пристрій для контролю стану інструмента за вібраціями при частотах вище 14 кГц, який забезпечує формування трьох сигналів, що свідчать про різні ситуації відмови: злам або відсутність інструмента, що фіксується при перевищенні заданого часу врізання; знос, що фіксується при перевищенні граничного рівня сигналу протягом певного часу; злам, що фіксується при перевищенні другого граничного рівня сигналу, який видається у систему керування без затримки.

Прикладом використання віброакустичного сигналу при частоті 20 кГц для діагностування відхилення деяких параметрів процесу різання від їх нормального ходу є пристрій “Діагностика – 02” для контролю процесу обробки. Пристрій використовується разом з системами числового програмного керування типу Н22 та “Електроніка – НЦ-31” і контролює три основні групи відхилень від нормального ходу процесу різання.

1. Відсутність заготовки, поломка різального інструмента, коли розривається контакт між інструментом та заготовкою або неправильне закріплення заготовки.

2. Врізання інструмента у заготовку: діагностичною ознакою такого виду відмови є поява сигналу про наявність процесу різання при одночасній наявності сигналу про те, що інструмент рухається хоча б за однією з координат зі швидкістю, що перевищує швидкість, передбачену програмою обробки даної заготовки.

3. Перевищення максимально допустимого значення вібрацій у зоні різання внаслідок різних причин автоколивань, ослаблення кріплення різальної пластини та інше.

 

3.3. Особливості розробки
систем діагностування стану інструменту в процесі
високошвидкісної обробки матеріалів

 

Продукція сучасного машинобудування характеризується використанням високоміцних і важкооброблюваних матеріалів, різким підвищенням вимог до точності і якості виробів і значним ускладненням конструктивних форм деталей машин, одержуваних обробкою різанням. Тому процес механічної обробки вимагає постійного вдосконалення. В даний час одним із сучасних напрямків такого вдосконалення є високошвидкісна обробка. Дослідження в цьому напрямку ведуться вже давно, але лише успіхи останніх років в області створення нових інструментальних матеріалів і високоефективних конструкцій металорізальних верстатів і оснащення дозволили досягти значних практичних результатів .

Високошвидкісна механічна обробка (ВШО) – це одна з сучасних технологій, яка в порівнянні зі звичайним різанням дозволяє підвищити ефективність, точність і якість механічної обробки. Її відмінна риса – висока швидкість різання (висока продуктивність), в 3 – 5 і більше разів перевищує швидкість звичайної обробки (табл. 3.1), при якій значно збільшується температура в зоні утворення стружки, а сили різання зменшуються.

 

Таблиця 3.1–Швидкості різання при звичайній та високошвидкісній обробці

Оброблюваний матеріал	Стандартні твердосплавні інструменти (кінцеві фрези та свердла)		Спеціальні інструменти (профільні та торцеві фрези)
	Швидкість різання, м/хв
	Звичайна	ВШО	Звичайна	ВШО
Алюмінієві сплави	>305	>3050	>610	>3658
Чавун: м'який звичайний	152 107	366 244	366 244	1219 914
Сталь: конструкційна легована корозійностійка загартована (< 65 HRC)	107 76 107 24	366 244 152 122	366 213 152 30	610 366 274 136
Титанові сплави	38	61	46	91

 

Незважаючи на високі вимоги до ріжучого інструменту та обладнання, ВШО володіє численними перевагами: високою продуктивністю; високою точністю і низькою шорсткістю обробленої поверхні; можливістю обробки тонкостінних заготовок через малі сили різання, так як знімається тонка стружка; хорошими показниками стружкодрібнення і стружковідводу; відсутністю теплових деформацій заготовок.

Таким чином, ВШО дозволяє скоротити час циклу виробництва і робить зайвими деякі з видів обробки (наприклад, фінішне доведення) при одночасному забезпеченні необхідної точності. Ці переваги є вирішальними аргументами на користь ВШО.

ВШО застосовується головним чином в трьох галузях промисловості.

1 При механічній обробці штампів і прес-форм для виробництва автомобілів, а також корпусів для приладів або медичних пристроїв необхідні високопродуктивні процеси видалення великих обсягів металу зі скороченням багатьох операції механічної обробки, включаючи остаточні чистові операції.

2. При механічній обробці великогабаритних деталей з алюмінієвих сплавів (часто з тонкими стінками) авіаційно-космічної промисловості економічно вигідно виконати всі операції обробки за одну установку.

3. При чистовій обробці твердих матеріалів в інструментальній промисловості важливо обробити деталі з високою швидкістю і зберегти при цьому високу точність. Використовуючи ВШО, можна перепланувати процес виробництва за рахунок скорочення стадій фрезерування електродів для об'ємної електроерозійної обробки.

Зростання швидкостей робочих рухів і вартості технологічного обладнання обумовлюють підвищені вимоги до його надійності. Для забезпечення надійного функціонування автоматизованого обладнання необхідний контроль і діагностування стану верстата і ріжучого інструменту в реальному масштабі часу протягом усього технологічного циклу. Практика показує, що більше половини всіх відмов технологічної системи є наслідком різних відмов різального інструменту. Тому саме діагностика стану ріжучого інструменту в процесі обробки сьогодні відноситься до найбільш ефективних способів забезпечення надійної роботи автоматизованого верстатного устаткування і отримання якісної продукції.

У загальному випадку методичний підхід до розробки систем діагностування повинен складатися з почергового виконання наступних п’яти процедур.

1. На базі теоретичних і експериментальних досліджень виявляють можливі зміни в стані інструменту при експлуатації; визначають критерій стану інструменту і критерій відмови. Як критерій стану повинен прийматися параметр інструменту, що однозначно і повно при даних умовах характеризує його поточний стан і здатний відображатися за допомогою прийнятих діагностичних ознак. Це може бути величина, яка визначає осередок зносу або викришування, наріст та інше. Граничне значення цієї величини є критерієм відмови.

2. Експериментально з числа параметрів процесу різання виявляють непрямі діагностичні ознаки можливих змін у стані інструменту і критерію відмови. З них вибирають найбільш інформативну діагностичну ознаку.

3. Описують зв'язки між критерієм стану інструменту і діагностичними ознаками стану на основі досліджень відображення зміни критерію стану в діагностичних сигналах із зони різання. Розробляють діагностичні моделі, які можуть мати детермінований або стохастичний характер. Діагностична модель встановлює зв'язок між станами об'єкта і їх відображеннями в діагностичних сигналах.

4. Розробляють алгоритм і програмне забезпечення системи діагностування.

5. Розробляють технічне забезпечення алгоритму діагностування.

При організації діагностики технологічних систем, що реалізують ВШО і сухе різання (обробка без застосування охолоджувального середовища), а також обробку твердих матеріалів, слід враховувати ряд особливостей, обумовлених цими прогресивними технологіями. Часто це чистова, остаточна обробка з малими подачами і глибинами різання. Вона повинна забезпечувати високі вимоги до якості поверхні, поверхневого шару і точності розмірів оброблених деталей, а в ряді випадків замінити операцію шліфування точінням або фрезеруванням.

Для кожної групи оброблюваних матеріалів діапазон швидкостей різання, при якому механічна обробка вважається високошвидкісною, різний. При розробці систем діагностування стану інструменту при ВШО та призначенні критерію стану і критерію відмови інструменту слід враховувати складну структуру його відмов.

1. Інструмент, оснащений пластинами з ріжучої кераміки, поряд з переважаючим в залежності від умов різання зносом на задній або передній поверхнях, має значну частку відмов через крихке руйнування у вигляді викришування, яке може відбуватися як на передній поверхні, так і на ріжучій кромці після поглиблення лунки на передній поверхні. При обробці високотвердих металів іноді спостерігається пластична деформація леза, а при високих швидкостях різання знос різців часто розвивається у вигляді «вусів» на головній або допоміжній задній поверхні, В останньому випадку гранично допустимий розмір «вуса» приймають за критерій відмови. При переривчастій роботі інструменту часто спостерігаються викришування ріжучого леза. Це пов'язано з тим, що ріжуча частина інструменту знаходиться під впливом періодичних нагрівань під час робочого ходу і охолоджень під час холостого ходу. На передній поверхні виявляються кратери і виїмки, а на задній поверхні і ріжучій кромці з'являються щербини. Ця картина руйнування посилюється при швидкісному фрезеруванні, так як за рахунок зменшення поверхні контакту високі змінні температури і викликані ними змінні напруги концентруються поблизу ріжучої кромки.

2. Підвищується ймовірність крихкого руйнування інструментального матеріалу при фрезеруванні з використанням охолоджуючих рідин. Інтенсивність термоциклічних процесів і утворення тріщин в цьому випадку залежить від швидкості стоку тепла з контактної зони ріжучого леза і, отже, від теплофізичних властивостей інструментального та оброблюваного матеріалів, а в період холостого ходу – від охолоджуючого середовища. При охолодженні фрези рідиною, що має високі теплофізичні властивості, в поверхневих нагрітих шарах ріжучих лез виникають небезпечні для інструментальних матеріалів напруги розтягнення. В результаті циклічної зміни напружень стиску в період робочого ходу і розтягування в період холостого ходу утворюються мікротріщини, розвиток яких призводить до викришування.

3. Розташування осередків зносу і викришування на інструменті із надтвердих матеріалів на основі полікристалічного алмазу і кубічного нітриду бору часто залежить від властивостей оброблюваного металу.

4. При сухій обробці титанових сплавів різцями, оснащеними кубічним нітридом бору, осередки зносу, що розвиваються на передній і задній поверхнях, призводять до викришування різальної кромки. А при швидкісній обробці зміцненого чавуну превалює абразивний знос на передній поверхні, і тому критерієм стану є глибина лунки.

5. Швидкісне сухе різання і обробка твердих матеріалів визначають роботу інструменту при температурах, близьких до критичних, після досягнення яких починається зміцнення ріжучого леза або підвищується інтенсивність утворення тріщин в ньому. Випадковий характер фізичних параметрів початкового стану інструментального матеріалу підвищує ймовірність раптових відмов через інтенсивне зношування або крихке руйнування.

Відомо, що зростання швидкості різання істотно зменшує величину допустимого зносу інструменту. Температура в ріжучому лезі, зростає як з ростом швидкості, так і з ростом зносу через збільшення потужності джерел тепла.

Отже, для технології високошвидкісної обробки характерні невеликі величини допустимих зносів інструменту.

Технологія високошвидкісної обробки вимагає забезпечення надійного функціонування технологічної системи. Надійними повинні бути і системи їх діагностування. Для кожного випадку розвитку осередку затуплення повинні бути виявлені інформативні діагностичні ознаки, що надійно відображають стан інструменту в сигналах із зони різання. Це можливо тільки в результаті досліджень. Але й попередня їх оцінка вже дозволяє зробити деякі висновки.

1. Сила різання найбільш широко застосовується як діагностична ознака при остаточній обробці на чистових режимах і досягає невеликих величин. Мало змінюються силові параметри при зносі або викрашуванні на передній поверхні. У цих випадках сила не може інформативно відображати пошкодження інструменту. Значне збільшення отримує сила при викрашуванні ріжучої кромки.

2. Можна очікувати значного зростання температури в зоні різання в зв'язку зі зносом інструменту. Однак її складно виміряти в виробничих умовах.

3. Дослідження і виробничий досвід показують надійність діагностування стану інструменту з використанням сигналу акустичної емісії з зони різання при чистовій обробці з малими перерізами зрізу.

4. Попередній аналіз непрямих ознак стану інструменту дозволяє усвідомлено підходити до виявлення найбільш інформативних з них для кожного випадку розвитку осередків пошкоджень. Однак для остаточного вибору необхідний експеримент, який встановлює зв'язок між критерієм стану інструменту і його ознакою, тобто потрібно експериментально отримати діагностичну модель і уставку а потім закласти їх в алгоритм діагностування.

Для підвищення надійності діагностування будують алгоритми, що передбачають багатопараметричну діагностику. Це пов'язано з тим, що діагностування за одним параметром в ряді випадків може не забезпечувати високу надійність розпізнавання стану інструменту через появу хибних сигналів про відмову, викликаних випадковими викидами значень діагностичної ознаки за межі допустимих значень. Надійність розпізнавання може бути підвищена, якщо рішення про відмову інструменту буде прийнято за умови, що значення кількох діагностичних ознак перевищать встановлені для них на етапі навчання граничні величини. Крім викладеного, доцільність отримання із зони різання одночасно або послідовно сигналів від ряду датчиків обґрунтована неоднозначністю варіантів розвитку пошкоджень ріжучого леза в прогресивних технологічних процесах різання.

На рис. 3.2 представлений технологічний алгоритм для діагностування стану інструменту з кераміки за двома непрямими ознаками – акустично-емісійного (АЕ) сигналу та складової сили різання Р_у. Сигнал акустичної емісії дозволяє діагностувати процеси тріщино утворення в інструментальному матеріалі, що призводять до його крихкого руйнуванню у вигляді сколів і викришування. Складова сили різання, є інформативною ознакою зростання зносу керамічного інструменту на задній поверхні при обробці загартованої сталі. 

Рисунок 3.2 – Технологічний алгоритм діагностування стану інструмента
з кераміки при обробці загартованої сталі

 

У технічному забезпеченні алгоритму діагностування головним є вибір датчиків, оптимальних для конкретних умов експлуатації інструменту. Особливі умови в розглянутих технологіях визначаються: високими швидкостями різання і високими швидкостями подач; малими перетинами зрізу; застосовуваним інструментальним матеріалом; особливостями затуплення і структурою відмов інструменту.

Датчики, що задовольняють цим умовам, повинні мати високу чутливість, а пристрої передачі сигналу і прийняття рішень високу швидкодію. Для цього діагностичний сигнал повинен формуватися як можна ближче до зони різання і відразу оброблятися.

 

 

3.4. Система активного контролю для багатошпиндельних
токарних автоматів

 

На виробничу точність багатошпиндельних токарних автоматів в основному впливають наступні чинники: знос різальної кромки інструмента, похибка положення шпинделя, нагрів верстата, точність налаштовування інструмента.

Для виготовлення отворів та зовнішніх діаметрів з жорстокими допусками на багатошпиндельних токарних автоматах зазвичай використовується інструмент для розгортання та калібрування. Якщо матеріал та розміри деталі не допускають цей загальноприйнятий метод виготовлення, то обробку можна виконувати за допомогою системи активного контролю. Це головним чином відноситься до деталей, які повинні оброблятися на багатошпиндельних патронних автоматах.

У системі керування за допомогою активного контролю порівняння заданого та фактичного розмірів приводить до нового точного позиціонування різальної кромки різця. Завдяки цьому різальний інструмент може при незмінно високій виробничій точності використовуватись вкрай до меж зносу. Корекція відбувається автоматично протягом машинного часу.

Для виготовлення на багатошпиндельних токарних автоматах використовують наступні системи активного контролю.

1. Проста корекція інструмента. При відхиленні необхідно виконавчий елемент відрегулювати вручну на приладі керування.

2. Активний контроль з автоматичним регулюванням діаметра. Діаметр деталі заміряють автоматично в інструментальному просторі або у завантажувальному пристрої; поза верстатом у вимірювальному пристосуванні.

За допомогою активного контролю можна дотримувати допуск відносно діаметра у розмірі від 25 до 30 мкм. Величина припустимого допуску залежить не тільки від активного контролю, але також і від матеріалу, від форми деталі та від режиму різання. Наприклад, у деталей, в яких внаслідок її форми або недостатньої термічної обробки вивільнюються внутрішні напруги, дотримання цих жорстких допусків неможливе.

За допомогою системи активного контролю SAMSOMATIC для багатошпиндельних токарних автоматів GILDEMEISTEP (ФРН) можна здійснювати наступне: корекцію шпиндельного положення; активний контроль; корекцію інструмента. За допомогою цієї системи різні положення окремих шпинделів вирівнюють відносно робочої позиції. Ця похибка шпиндельного положення залишається постійною і встановлюється тільки один раз. Для визначення цих величин на всіх шпинделях виготовляють декілька деталей, при цьому встановлення різального інструмента залишається однаковим. Оброблені деталі виміряють, і відхилення шпиндельного положення зберігається у регулювальному приладі. Потім через кулачкову шайбу та сегментний граничний вимикач для кожного шпинделя, що знаходиться у робочій позиції, вибирається відповідна корегувальна величина і до обробки додається виконавчому елементу. Автоматичне регулювання діаметра виконується через вимірювальний пристрій, регулюючий пристрій з корекцією шпиндельного положення та тримач інструменту, як виконавчий елемент. Ця система виконана у вигляді замкненого контуру регулювання. Кожна деталь автоматично вимірюється під час робочого такту верстата. Встановлена величина виміру вказується на індикаторному приладі регулюючого пристрою та порівнюється з заданим розміром, вивіреним за центром шкали.

На індикаторній шкалі встановлюються у межах допуску справа та зліва від заданого розміру два регулюючих контакти. Якщо відхилення розміру знаходиться між обома регулюючими контактами, то перестановка в тримачі інструменту не відбувається. Тільки у тому випадку, якщо відхилення розміру виходить за межі контактів у діапазоні подачі, то виконавчий елемент переставляється відповідно до знаку на один крок. Пристрій пам’яті забезпечує подачу регулюючого кроку не в робочому діапазоні, а до наступної обробки. Крок регулювання можна встановлювати від 1 до 10 мкм. За допомогою іншої пари контактів можна встановлювати мітки для межі допуску, які у випадку перевищення допуску (наприклад, брак внаслідок поломки різальної кромки) зупиняють верстат. У результаті відведення різальної кромки, у кінці робочого циклу, відбувається обертання без слідів обробки. За допомогою цього сигналу відведення виконуються також перед наступною обробкою, всі необхідні нові установки, як наприклад, корекція шпиндельного положення і крок перевстановлюються. На другому індикаторному приладі показується вимірювання шляху виконавчого елементу. При досягненні межі зносу граничний контакт подає сигнал для необхідної заміни інструменту. За допомогою цього індикаторного приладу можна точно відрегулювати інструмент також при налагодженні. Налагодження виконується періодичним натисканням кнопок.

Якщо неможливо вимірювати деталь автоматично під час робочого такту, то використовують вимірювальне пристосування для вимірювання поза верстатом. У цьому випадку оператор укладає готову деталь у вимірювальне пристосування і починає виконувати операцію вимірювання натисканням кнопки. Замкнений регулюючий контур і разом з цим порівняння заданого та фактичного розмірів зберігаються. Проміжки, у яких деталі повинні підлягати вимірюванню, залежать від зносу різальної кромки та нагріву верстата.

Для простої корекції інструмента без автоматичного регулювання діаметра використовуються виконавчі елементи з ручним приладом керування. Цей прилад керування оснащено індикаторним інструментом і кнопками для крокового переміщення виконавчого елемента. Кроки перестановки виконавчого механізму можна встановити від 1 до 10 мкм. Різальна кромка інструмента відводиться від поверхні деталі. Якщо, крім того, оператор під час роботи порівнює заданий та фактичний розміри, то у керуючого приладу можна відповідно до відхилення змінювати регулюючу величину без зупинки верстата. Якщо необхідно враховувати постійні похибки окремих шпинделів, то у даному випадку можна виконувати корекцію шпиндельного положення.

Як елементи активного контролю для зовнішньої обробки застосовують вимірювальні цанги (скоби), для внутрішньої обробки – контактні вимірювальні оправки. Вони можуть автоматично переміщатись або в інструментальному просторі, або у завантажувальному пристрої над деталлю чи у середині деталі. Перевагою вимірювальних скоб є можливість їх переналагоджування, якщо потрібно виготовляти деталі різних діаметрів. Для вимірювання вручну поза верстатом використовують вимірювальні столи, на які кладуть деталі, що необхідно обміряти. На цих столах можна одночасно контролювати і інші розміри, наприклад висоту буртів.

Усі елементи вимірювання можуть працювати за допомогою пневматичного або електронного вимірювального щупа. Вибір пневматичного або електронного щупа залежить від вимірювальної деталі та довжини вимірювального дроту до регулюючого приладу.

Для регулювання виконавчих елементів застосовують залежно від обробки необхідні керуючі пристрої. Для простої корекції інструменту використовують ручний прилад керування з перестановкою за допомогою кнопок та відводом різальної кромки; для автоматичного регулювання діаметра – регулюючий прилад з вимірювальним пристроєм та виконавчим елементом. Всі прилади можна додатково виконувати з корекцією шпиндельного положення.

Виконавчі елементи перетворюють початковий тиск вузлів регулювання або керування у пропорційний шлях перестановки. Основою для компоновки виконавчих елементів і для принципу перестановки служить еластична деформація паралелограма пружин. У всіх видів виконань пневматичний тиск виконавчого імпульсу перетворюється за допомогою мембрани у силу. Ця сила переставляє інструмент або безпосередньо, або через пнемо-гідравлічний перетворювач, з’єднаний з виконавчим блоком. Виконавчі елементи виконуються з різною можливістю використання. Так, наприклад, для зовнішньої обробки – як держак токарного різця; для внутрішньої обробки – у вигляді борштанги, причому борштанга може бути нерухомою або такою, що обертається. У борштанги, що обертається, керуючий тиск підводиться до механізму подачі. У вигляді виконавчого елемента для перестановки комплектних інструментальних полозок використовується компенсаційний циліндр. Він служить як жорсткий упор з мікрометричним регулюванням для поперечних полозок.

 

3.5. Система контролю наїжджання, поломки та зносу
інструмента

 

Модульна система контролю інструменту WIDATRONIC фірми KRUPP WIDIA (ФРН) має три модулі, які залежно від випадків застосування використовуються або в комбінації, або окремо і призначені для контролю наїжджання, поломки та зносу різального інструмента на будь якому токарному верстаті з числовим програмним керуванням. Вимірювальний блок цієї системи монтується у місці, де виникає найбільша деформація, зазвичай, на револьверній інструментальній головці. П’єзоелектричний тензометричний елемент реєструє розтягування, що виникають під дією сил різання. У тому випадку, коли вимірювання відхиляються від заздалегідь встановлених граничних значень, електроніка, що аналізує, протягом декількох мілісекунд видає команду на зупинку подачі. Ця команда передається інтерфейсом в обхід керування верстатом безпосередньо на двигун подачі.

Причиною біля 72  % усіх наїздів інструментів є неправильне обслуговування обладнання, приблизно 26  % наїздів виникають через перешкоди в електронній системі числового керування. Система WIDATRONIC CCS запобігає наїздам. Деформація, що проявляється у період циклу обробки на револьверній головці, реєструється тензометричним елементом та порівнюється з близьким до процесу граничним значенням. Якщо сигнал перевищує заздалегідь встановлену межу, то видається команда на швидке відключення приводу подачі.

У момент поломки різця виникає чітка та специфічна для поломки сила різання, яка потім швидко знову знижується. Принцип контролю системи WIDATRONIC BCS з цифровим керуванням базується саме на цьому факті. Виходячи з нормальної фактичної сили у процесі токарної обробки система постійно визначає верхнє та нижнє граничні значення. Якщо фактична сила через поломку різця відхиляється від нормальних значень, то система BCS подає команду на зупинку подачі. Таким чином вилучається ризик подальшої обробки деталі пошкодженим інструментом.

Система WIDATRONIC WCS використовується для контролю зносу інструменту. При цьому стратегія контролю базується на вимірюванні зростання сили різання у період експлуатації різця. Для цього використовують різницю між силою різання у заточеного і у затупленого інструмента, яку встановлюють за час стійкості першого різця. Граничні значення для допустимого зносу встановлюють з початкової величини сили різання нового різця і різниці попередніх сил різання. При перевищенні цієї межі сигналізується кінець стійкості інструменту з вимогою його заміни.

Система CCS призначена для контролю наїжджання інструменту, система BCS має можливість контролювати наїжджання та поломку інструменту, система  WCS контролює наїжджання та знос інструмента, а поєднання систем BCS та WCS в одному приладі дає можливість контролювати як наїжджання, так і поломку та знос інструменту одночасно.

 

3.6. Дисплейна система діагностування

 

Фірмою Simens (ФРН) розроблена дисплейна система індикації WS400, яка дозволяє проводити контроль та діагностування процесів на поточних, пресових та складальних лініях. Процес контролю відбувається у діалоговому режимі, в якому оператор на екрані дисплея бачить усі дані, що вводяться, а також ті, які необхідні для налаштовування і запуску обладнання та контролю його роботи. Таким чином вилучаються поломки при обслуговуванні, значно прискорюється запуск обладнання і не потрібно попереднього навчання програмуванню. Вся інформація виводиться на дисплей у некодованому вигляді. Кожна несправність або невиконана умова перемикання відображається таким чином, що вона є зрозумілою навіть для спеціально не навченого персоналу. Система не тільки показує, що вийшло з ладу, але і як можна усунути цей збій. Для підвищення оглядності інформації на дисплеї висвітлюється як текстове повідомлення, так і графічне зображення обладнання. Причому місце збою додатково виділяється кольором. Система WS400 дозволяє здійснювати автоматичний контроль за строком роботи всіх інструментів, що знаходяться на поточній лінії. Якщо зміна інструменту своєчасно не призведена вводиться команда на відключення верстата. Завдяки цьому в значній мірі виключаються поламки інструменту та зберігається висока якість виробів. Крім того, система WS400 дозволяє у будь-який час надавати інформацію про час простоїв, завантаження обладнання та інші важливі виробничі чинники. Також можлива роздруківка у вигляді протоколу всіх необхідних даних.

 

3.7. Розробка моніторингу для
діагностування процесів різання

 

Основна мета діагностування процесу різання та інструменту полягає в своєчасному визначенні граничного стану або відмови інструменту для його заміни і тим самим відновлення працездатності автоматизованих верстатів і верстатних комплексів, а також у визначенні поточного стану інструменту з метою управління процесом різання: корекції траєкторії руху інструменту, зміни режимів різання та інше.

Системи діагностування повинні виконувати наступні процедури: вимірювання параметрів діагностичних ознак стану та відмови інструменту; розпізнавання поточного стану інструменту та його відмови; прийняття рішень з заміни інструменту або управління технологічним процесом.

Послідовність виконання цих процедур описують за допомогою технологічних алгоритмів. Блок-схема алгоритму є основою для програмного забезпечення та визначення складу технічного забезпечення системи діагностування.

Технологічний алгоритм містить три частини: перша частина – алгоритм вимірювання діагностичної ознаки пошкодження та підготовка даних для другої частини – розпізнавання стану об'єкта за результатами зіставлення поточного значення діагностичної ознаки з встановленим критичним значенням. У третій частині на підставі зіставлення приймається рішення або про припинення обробки деталі, або про управління технологічним процесом.

Частина алгоритму, що керує діями розпізнавання, визначає вимоги до першої частини алгоритму. Від надійності розпізнавання залежить також і третя частина – рівень кваліфікації прийнятих рішень. У зв'язку з цим при розробці системи діагностування спочатку встановлюється принцип розпізнавання пошкодження заснований на виявленні інформативної діагностичної ознаки, а потім будуються перша і третя частини алгоритму.

Прийняті рішення істотно впливають на ефективність системи діагностування. Якщо рішення зводяться тільки до припинення обробки, до вимикання верстата, то це дозволить уникнути аварійної ситуації, запобігти пошкодженню деталі, поломку верстата, але не забезпечить вирішення завдання – підтримання працездатного стану технологічної системи без участі оператора. Алгоритм повинен містити команди, що призводять при необхідності до зменшення пошкоджень, що негативно впливають на вихідні параметри і показники надійності.

Розпізнавання стану інструменту за отриманими із зони різання сигналами здійснюється за допомогою електронно-обчислювальної машини. При цьому прийом і обробка інформації відбуваються одночасно з процесом різання. Висока частота опитування датчиків дозволяє реєструвати зміну діагностичних ознак як зі зносом інструменту, так і при несподіваній його відмові через поломки і викришування.

Розпізнавання стану інструменту може здійснюватися за двома принципово різними алгоритмами.

Поточний стан – величину зносу можна визначити за попередньо закладеної в пам'ять електронно-обчислювальної машини залежності діагностичної ознаки від критерію стану інструменту (величини зносу).

За отриманим від датчика поточним значенням діагностичної ознаки програмно розраховується величина зносу. При величині зносу, рівній прийнятій гранично допустимій величині, настає відмова інструменту через зношування. Важливо правильно визначити критерій стану – міру осередку зносу, що однозначно характеризує стан інструменту. Для цього звертаються до систематизованих результатів досліджень причин відмов.

Доцільно використовувати залежність що враховує вплив на діагностичну ознаку не тільки величини зносу, а й режимів різання, а також механічних властивостей оброблюваного матеріалу (наприклад, твердості), від яких залежать і критерій стану, і критерій відмови (величина допустимого зносу). Процедуру визначення залежностей, а також граничного значення величини зносу і введення їх в пам'ять електронно-обчислювальної машини називають навчанням системи діагностики.

У діючих системах діагностики частіше використовують інший алгоритм для розпізнавання відмов інструменту. Поточний діагностичний сигнал зіставляється з попередньо закладеним в пам'ять електронно-обчислювальної машини значенням діагностичного сигналу, відповідним за рівнем граничного значення величини зносу при відмові через зношування або за рівнем в формі сигналу, що виникає при поломці або викрашування. Отже, алгоритм, що описує процедуру розпізнавання, базується на результатах досліджень, а навчання системи діагностики полягає у встановленні граничних меж зміни контрольованого сигналу, а також швидкості його зміни. Все це виконується до експлуатаційного періоду на спеціальних стендах. Діагностування зносу інструменту ведеться з діагностичного ознакою, що зростає з плином часу роботи інструменту, у міру його зносу. Граничне значення діагностичної ознаки можна встановити або в результаті спеціальних досліджень, або в ході обробки конкретної деталі. У першому випадку дослідження виконують за традиційною методикою теорії різання з урахуванням випадкового характеру параметрів процесу. Робота ця трудомістка. У другому випадку значення розраховують множенням поточної діагностичної ознаки, зафіксованої при роботі не зношеним інструментом, на коефіцієнт запасу. Коефіцієнт запасу як постійний або той, що залежить від умов обробки повинен вибрати технолог.

Навчання системи діагностування проводиться при тих же умовах, при яких інструмент буде виконувати технологічний процес, оскільки від факторів процесу різання (наприклад, від глибини різання та подачі) істотно залежать параметри діагностичних сигналів. У зв'язку з цим навчання повинно бути пов'язане з переходами технологічного маршруту обробки деталі.

Дослідження показали, що певний характер розвитку осередків зносу може призвести не до зростання, а до зниження характеристик деяких діагностичних параметрів процесу різання. Так, при значному зносі передньої поверхні інструменту сила різання падає. Може знижуватися амплітуда низькочастотних коливань до певної величини зносу задній поверхні. У цих випадках для розпізнавання граничного стану інструменту необхідно встановлювати не верхню, а нижню межу діагностичної ознаки. У технічній літературі верхню і нижню межу діагностичної ознаки часто називають уставками, а описану процедуру діагностування – діагностуванням за уставками.

При діагностуванні за методом уставок системі діагностики необхідно пам'ятати про всі значення уставок, що відповідають виконуваним переходам при обробці деталі. При розпізнаванні зносу часто потрібно використовувати в якості діагностичної ознаки не тільки його середнє значення, а й інші статистичні характеристики, а також математичні перетворення сигналів, які виконуються на електронно-обчислювальній машині.

Алгоритм обчислення необхідно вводити також для того, щоб виділити із загальної сили, яка вимірюється датчиком, інформативну складову. Така необхідність виникає тоді, коли силові датчики віддалені від зони різання і встановлені, наприклад, в опорах ходових гвинтів. Сила, що вимірюється ними складається з власне сили різання і сили, необхідної для подолання тертя при переміщенні робочих органів механізму подачі верстата. Для підвищення надійності діагностування бажано виключити другу складову.

Особливості розпізнавання зносу за параметрами коливань складаються в необхідності обробки сигналів, що надходять від акселерометрів, у вигляді дуже коротких імпульсів. Це вимагає застосування аналізаторів високої швидкодії. Як і в алгоритмах, заснованих на вимірі сил, діагноз стану ставиться за мінімальним і максимальним рівнями прийнятого параметра коливань. Ускладнення алгоритму пов'язано з необхідністю використання великої кількості паразитних сигналів, які деформують справжню картину зміни корисного сигналу. Паразитні сигнали можуть бути викликані переміщенням будь-якого механізму верстата, включенням насоса охолодження та інше. Тому алгоритм діагностування повинен не тільки порівнювати амплітуди коливань, а й вибирати момент в циклі обробки деталі, коли ця процедура дає найбільш достовірний результат.

Рекомендованими способами діагностування стану інструменту є способи, засновані на використанні електричних явищ, які природно виникають в процесі різання. Для діагностування можуть прийматися сигнали як постійної, так і змінної складових електрорушійної сили різання.

При використанні постійної складової електрорушійної сили різання судити про знос інструменту можна за графіками залежності електрорушійної сили від зносу ріжучого інструменту. При цьому графіки дозволяють визначити не тільки величину зносу, але і місце розташування переважаючого осередку зносу: на передній поверхні або на задній. Перевагою цього методу діагностування є простота його реалізації: не потрібно складного технічного забезпечення.

Використання сили, температури і електрорушійної сили різання в якості діагностичних ознак параметрів коливань в різних діапазонах частот принципово не змінює процедуру вивчення і алгоритм діагностики зносу інструменту. У разі обробки партії деталі поточні сигнали порівнюються з уставками. При досягненні поточним сигналом уставки формується керуюча команда в числовому програмному керуванні верстата на відключення верстата і зміну інструменту.

З великими труднощами доводиться стикатися при створенні алгоритму діагностування поломок (сколювання) інструменту. Це пов'язано, по-перше, з тим, що можливі різні причини поломок, що визначають різну поведінку діагностичних ознак в момент, що передує поломки. Основами причинами поломок є: несподіване, випадкове зростання сили різання; поступове зростання сили до граничного значення, викликане зносом інструменту або тепловими деформаціями (поломкам з цієї причини передує зростання не тільки крутильного моменту, але й інтенсивності коливань); втомні процеси в інструментальному матеріалі механічного та термоциклічного походження (руйнуванню інструменту може в цьому випадку передувати підвищення амплітуди і частоти коливань, в той час як сила різання не збільшується).

Складність діагностування поломок визначається також можливим розмаїттям взаємодії відокремленої при сколюванні частини ріжучої пластинки з оброблюваною заготовкою. Це визначає поведінку діагностичних параметрів в наступний за поломкою момент часу. Наприклад, ріжуча пластинка різця може відразу вийти з контакту з заготовкою чи відокремлена частина пластинки буде розташовуватись на опорній поверхні корпусу різця, здійснюючи різання, але з іншими подачею і глибиною. Ця частина пластинки на якийсь момент часу може заклинитися між заготовкою і корпусом різця. Звідси випливає неоднозначність сигналів із зони різання, що виникають слідом за поломкою інструменту.

Поломка є в основному результатом сил, що діють на ріжучу частину інструменту і змінюються в процесі руйнування. У зв'язку з цим сила повинна бути інформативною діагностичною ознакою поломки. Тому більшість алгоритмів діагностування поломок, що застосовуються на практиці, засновані на використанні сили різання як діагностичної ознаки відмов інструменту. Дослідження показали, що в найбільшій мірі особливості процесу поломки відображає складова сили різання Р_z. Після короткочасного перевищення силою верхнього значення Р_{z max} відбувається її падіння. Загальна тривалість перебування сигналу за межами Р_z становить близько 0,1 мс. Це час, характерний для процесу поломки, який більше часу зростання сили за рахунок, наприклад, випадкових сплесків сигналу. Це дозволяє відрізняти поломку від інших випадків, що викликають зростання сили, але не призводять до поломки.

Алгоритм діагностування поломок за верхнім рівнем сили наведено на рис. 3.3. У ньому для виключення дії короткочасних перешкод вводиться затримка часу Т між початком перевищення Р_z maх і формуванням інформації про поломку. Інформація фіксується тоді, коли нерівність Р_z > Р_z max триває протягом часу Т > ΔТ₁ встановленого експериментально. Далі подається команда на відключення руху подачі і обертання шпинделя.

Однак алгоритм, показаний на рис. 3.3, не забезпечує достатньої надійності розпізнавання поломки (сколювання) інструменту. Це пов'язано з тим, що не є однозначним співвідношення між часом Т, характерним для процесу поломки, і часом перебування Р_z за межею Р_z max через зовнішні електричні перешкоди або, наприклад, локального підвищення твердості оброблюваної заготовки. Всі ці тимчасові параметри носять випадковий характер. В результаті важко відрізнити випадкові сплески сили від зростання її, що викликані руйнуванням інструменту і можливими помилковими командами.

Для підвищення надійності розпізнавання поломок токарних різців вибирають дещо інший підхід до формування алгоритму. Експериментально встановлено, що при поломці ріжучої пластини різця сила різання на малий час перевищує Р_z max, після чого швидко знижується до величини менше Р_z min . Фіксуються моменти переходу поточним значенням Р_z через кордони Р_z max і Р_z min і відраховується час ΔT₁ – тривалості перевищення Р_z max і ΔT₂ – час від моменту зворотного переходу до моменту переходу через P_z min. Рішення про поломку приймається, якщо ΔT₁≥ΔT₁Е, і ΔT₂≤ΔT₂Е де: ΔT₁Е і ΔT₂Е – встановлені експериментально періоди часу. Цей алгоритм має велику перешкодозахищеність, так як при випадкових сплесках навантаження данні не знижуються до величини менше P_z min.

Рисунок 3.3 – Алгоритм розпізнавання поломки інструменту за верхньому рівню сили

Коли руйнування інструменту носить втомний характер, сила різання, що передує поломці, не збільшується. Після поломки в залежності від того, як ламка частина пластинки видаляється із зони різання, сила різко падає або поступово зменшується до значення нижче Р_z min. Стосовно до алгоритму розпізнавання це означає, що сигнал про поломку повинен формуватися, як тільки Р_z < Р_z min. Для виключення помилкових команд, викликаних виконанням цієї нерівності через випадкове падіння сили, вводиться затримка часу Т, протягом якого, а не менше його має зберігатися нерівність поточної і мінімальної сили різання.

Поряд з силою різання в якості діагностичних ознак поломки використовують сигнал електрорушійної сили різання, сигнал параметрів віброакустичної емісії та інші.

Так, при поломці ріжучої пластини при поздовжньому точінні без порушення і з порушенням контакту з оброблюваної заготовкою електрорушійна сила різання різко змінюється. Амплітуда сигналу коливань в великій мірі залежить від характеру деформацій і руйнувань в зоні контакту інструменту з деталлю. При поломці ріжучої пластини і утворенні мікротріщин амплітуда коливань значно зростає. Це використовується в діагностиці поломок. Складність застосування методу полягає в необхідності визначення інформативного діапазону частот для всіх умов різання і виділення корисного сигналу, що вимірюється в умовах дії безлічі перешкод.

Використовується непрямий контроль поломок за визначенням моментів контакту інструменту з деталлю і виходу з нього. Перевищення встановленого часу врізання (від моменту включення робочої подачі до торкання деталі) або часу різання дозволяє судити про поломку інструменту. Надійну фіксацію моментів дотику і кінця різання забезпечують акселерометри.

У простих технологічних алгоритмах діагностування відображається лише виконання дій розпізнавання ушкоджень і відмов інструменту. У більшості випадків вони засновані на порівнянні поточних значень діагностичних ознак з уставками. У зв'язку з цим вважається, що технологічні алгоритми діагностування прості і організація процедур контролю не становить труднощів. Насправді необхідність врахування різних особливостей експлуатації системи діагностування призводить до ускладнення алгоритмів.

Розробка алгоритмів стану інструменту і процесу різання, керуючих програм і програм обробки діагностичних сигналів виконується для кожного найменування деталі, що обробляється, з урахуванням технології обробки, режимів різання, параметрів ріжучого інструменту. Підготовкою всіх вихідних даних для роботи системи займається технолог з металообробки.

Програми роботи систем діагностування повинні бути синхронізовані з керуючою програмою верстата з числовим програмним керуванням. В керуючих програмах передбачають ділянки обробки деталі, в яких діє конкретний кадр програми діагностування. При розпізнаванні відмови інструменту з пристрою діагностики подається команда на припинення подачі і обертання шпинделя, а також відведення інструменту із зони різання. При чистовій обробці припинення різання після розпізнавання граничного зносу може бути неприпустимо, так як це позначиться на якості обробки деталі. В цьому випадку можлива затримка видачі команди на припинення різання до повної обробки поверхні деталі, при цьому можуть бути автоматично знижені режими різання для виключення катастрофічного розвитку зносу.

Технологічні алгоритми однопараметричного діагностування за уставками мають однаковий склад незалежно від того, яка діагностична ознака використовується для розпізнавання стану інструменту. І всі вони мають істотний недолік, пов'язаний з тим, що уставки, що визначаються в ході навчання, так само, як і відповідні їм значення пошкоджень, носять випадковий характер. При експлуатації технологічної системи це призводить або до пропуску відмови, або до помилкового спрацьовування системи діагностування.

При діагностуванні за уставками функції діагностування і прийняття рішень виконуються спеціально доданим до верстату автономним пристроєм, так званим монітором.

У моніторах використовують принцип порівняння фактичного значення вимірюваного датчиком параметра процесу різання (діагностичної ознаки) з деяким заданим граничним його рівнем (уставкою), відповідним граничному зносу або поломці інструменту. Навчання монітора полягає в тому, що автоматично і вручну в нього вводяться відповідні технологічним переходам обробки деталі уставки, отримані експериментально. Алгоритми діагностування за допомогою монітора відповідають найпростішим алгоритмам, наведеним вище.

За допомогою монітора можна визначати стан інструменту шляхом порівняння фактичного часу різання інструментом (накопиченим напрацюванням) з його стійкістю, розрахованою, наприклад, за формулами або з гамма-відсотковим напрацюванням. Стійкість або напрацювання вводиться в монітор як уставка, а накопичене напрацювання визначається монітором. Цей метод діагностування називають таймерним.

Прийняті за допомогою монітора рішення за результатами визначення стану інструменту передаються для реалізації в числове програмне керування верстата. На світовому ринку представлені монітори, виготовлені різними фірмами.

 

3.8. Системи розпізнавання образів

 

Найчастіше при проведенні контролю технологічного процесу не вистачає прямих ознак для достовірного контролю. В цьому випадку можуть бути використані різні фізичні величини, сигнали або співвідношення величин один щодо одного. За допомогою цього методу проводиться розпізнавання стану відповідальних вузлів верстата, таких як підшипники, приводи, коробки передач, а також процеси і стан інструменту. В основі системи закладено дві фази: навчання та автоматичної класифікації.

На етапі навчання системи виконують вибірку ознак векторів стану і встановлюють кореляційний зв'язок між технологічним процесом і станом верстата. Вхідними величинами можуть бути сигнали сил, моментів, швидкостей, прискорень і таке інше. Фаза навчання проводиться до типової відмови, наприклад руйнування ріжучої кромки, виникнення високих вібрацій або температур. Протягом усього випробування з датчиків, встановлених на верстаті, знімають сигнали. Ця інформація зберігається в пам'яті комп'ютера. Керуючі сигнали передаються в фазу автоматичної класифікації, яка включає в себе: збір сигналів, попередню обробку, розрахунок ознак, прийняття рішення і діагностику. На етапі збору сигналів в пам'ять комп'ютера закладаються виміряні сигнали, що надходять від датчиків, встановлених на верстаті. Зазвичай це аналогові сигнали. На етапі попередньої обробки сигнал переводять в двійковий код, фільтрують і обробляють.

На етапі розрахунку ознак проводиться пошук ознак, якими можуть бути: абсолютні та відносні величини; граничні величини; зміщення; статистичні параметри, такі як дисперсія, розкид, повторюваність, кривизна кривої розподілу; параметри спектра.

При вимірі корпусного шуму ознаками можуть бути: повна спектральна потужність сигналу; потужність в окремих смугах частот; амплітуда пікового сигналу в спектрі; частота найбільшого (пікового) сигналу в спектрі.

Розрахунок ознак зазвичай починається вручну, при цьому порівнюють технічний стан до виникнення відмови, з наміченими ознаками. Набув поширення спосіб, коли ознаки утворюють компоненти так званих векторів ознак. Ці вектори показують певні точки в «n-вимірному просторі», де n – число ознак. Якщо ознаки добре підібрані, вони утворюють безліч точок на площині станів. На основі розрахунок ознак приймається рішення про можливість технологічного процесу, а також проводиться діагностика відмови.

За результатами діагностики виконуються наступні дії.

1. Передається повідомлення на центральний обчислювальний центр, якщо виникають труднощі щодо прийняття рішення і діагностування.

2. Дається завдання на проведення технічного обслуговування.

3. Дається завдання на зміну параметрів обробки.

4. Дається команда на зміну інструменту.

5. Дається команда зупинити верстат.

Це дозволяє з високою точністю відстежувати перебіг технологічного процесу, з 99 % вірогідністю виявляти зношений інструмент і уникати його поломки.

 

3.9. Загальний тест на початку роботи верстата

 

На початку зміни верстат повинен бути підданий функціональному тесту. Крім зовнішнього огляду верстата оператором проводяться такі перевірки: геометричної точності; динамічні випробування приводу; мастильної системи; мертвого ходу; кінцевих вимикачів.

При перевірці геометричної точності інструмент знімається з верстата, а на його місце встановлюється вимірювальна головка. Переміщаючи її, виконують ощупування точок початку відліку за допомогою спеціальної програми. Ощупування повторюють в різних положеннях верстата. Воно дає інформацію з точності позиціонування, виключення зіткнень і геометричної точності верстата.

Динамічні випробування приводу включають в себе: випробування на максимальних обертах; вимірювання потужності і сили струму.

Динамічні випробування проводяться без навантаження і дозволяють зробити висновки про стан динаміки приводу.

Верстати з числовим програмним керуванням здебільшого мають в своїх програмах так звані самоперевірки, які представляють собою: тест на пам'ять; тест на читання; тест на крок переміщення.

Перевірка мастильної системи містить: перевірку подачі мастила до всіх вузлів верстата на холостому ході; перевірку подачі мастила до всіх вузлів верстата при знятті пробної стружки; вимірювання тиску масла в системі змащення. У процесі перевірки мастильної системи контролюють величину тертя всіх напрямних. Випробування проводяться без навантаження з вимірюванням потужності і сили струму, споживаного електродвигунами. Особливо важливо визначити чисельні значення цих параметрів в початковий момент руху частин супорта.

Випробування кінцевих вимикачів складається в перевірці їх спрацьовування і перевірці точності зупинки. У процесі випробування кінцевих вимикачів визначають час спрацьовування кінцевих вимикачів і силу наскоку при позиціонуванні.

Крім загальних тестів на початку зміни можуть проводитися і інші тести, які залежать від особливостей конструкції верстата.

Після проведення загальних тестів приступають до роботи. Перед обробкою деталі необхідно визначити її геометрію і припуск.

На механізмі автоматичної зміни інструменту закріплюється камера. Освітлювальний прилад встановлений на санчатах верстата висвітлює деталь, яка відкидає тінь, що потрапляє в камеру. Камера видає сигнал, пропорційний розміру деталі. Сигнал надходить в лічильник, який визначає розмір деталі і подає ці дані на управління верстатом. У цій системі при розрахунку зіткнень потрібна корекція на необхідний зазор між деталлю і рухомими вузлами верстата.

Крім того, подаються сигнали включення і виключення основних електричних апаратів, таких як кінцеві вимикачі, апарати захисту та інші.

Вся інформація відображається на моніторі в реальному часі, тому можна в будь-який час проконтролювати технологічний процес і технічний стан верстата.

 

3.10. Контроль і діагностика на відстані

 

В даний час найбільш передові фірми-виробники металообробного обладнання надають новий вид сервісу, який отримав назву «дистанційна діагностика». Принцип її полягає в тому, що діагностика проводиться на підприємстві-виробнику обладнання. Підприємство, яке експлуатує обладнання, може знаходитись в іншому місті або навіть країні. Зв'язок між цими підприємствами здійснюється за допомогою інформаційних мереж. Так, приклад, може здійснюватися діагностика за допомогою мобільного телефону. Датчики, встановлені на обробному центрі підприємства-споживача, фіксують технологічні параметри і параметри вузлів верстата. При виникненні у споживача параметричної відмови верстата сигнал надходить до фірми-виробника з мобільного телефону у вигляді цифрової інформації з комп'ютера на комп'ютер фірми-виробника. Фірма-виробник має потужну діагностичну систему, яка не тільки обслуговує споживачів, але і працює в напрямку вдосконалення устаткування, що випускається, зокрема дослідних зразків нового обладнання.

Фірма-виробник також має в своєму розпорядженні великий пакет діагностичних програм, базу даних і пакет розрахункових моделей. Передана за допомогою телефону інформація у вигляді протоколу вимірювань надходить в базу даних і служить вихідною інформацією для реалізації розрахункових моделей. Виконання розрахунків і аналіз інформації, наявної в базі даних, дозволяють визначити причини дефекту. Якщо цього зробити не вдається, вдаються до допомоги діагностичних програм, розроблених для окремих вузлів верстата, наприклад: приводу, шпинделя, пристрою зчитування, мастильної системи, інструмента і так далі.

Підібрана діагностична програма, знову ж за допомогою телефону, передається споживачеві, який тестує верстат за отриманою програмою. Результати тестування за допомогою телефону передаються фірмі-виробнику, де остаточно аналізуються результати і ставиться діагноз. Системи телефонної діагностики є швидким і високоефективним способом вирішення питань діагностики. Поки ця система не отримала широкого поширення в основному через високу вартість пропонованих послуг, але слід зазначити, що це якісно новий етап у відносинах виробника і споживача.

 

3.11. Діагностування пошкоджень гнучких виробничих модулів для забезпечення їх надійності

 

Цілями забезпечення надійності гнучких виробничих модулів є: зведення до мінімуму часу і вартості технічного обслуговування і ремонту; забезпечення безперервної безвідмовної роботи протягом певного часу без участі людини.

Дослідження надійності гнучких виробничих модулів показують, що гнучкі виробничі модулі за часом технічного обслуговування і ремонту в значній мірі відповідають заданим вимогам, але за показниками безвідмовності робота в безлюдному режимі поки не забезпечується. Одна з основних причин незадовільного рівня безвідмовності гнучких виробничих модулів є відсутність в їх складі розвинених систем діагностування несправностей. Аналіз надійності гнучких виробничих модулів показує, що більший час їх ремонту доводиться на функціональні відмови, тобто відмови через поломки. За даними експлуатаційних спостережень, напрацювання на функціональну відмову складає кілька десятків годин, а час усунення несправностей займає 8 ... 12 % номінального фонду робочого часу. Значне число зупинок гнучких виробничих модулів відноситься до так званих параметричних відмов, тобто зупинок технологічного обладнання, виконуваних обслуговуючим персоналом для підтримки параметрів технологічного процесу в заданих межах. Таким чином, в разі параметричних відмов гнучкі виробничі модулі знаходяться в працездатному стані, але при подальшій роботі без обслуговуючого персоналу можливий брак оброблюваної деталі або функціональна відмова. Напрацювання на параметричну відмову складає кілька годин, а час усунення таких відмов не перевищує 0,5 ... 1,0 % номінального фонду робочого часу.

Для гнучких виробничих модулів, які одну-дві зміни працюють без участі людини, першочерговим є завдання забезпечення безвідмовної роботи. Вказану задачу повинна вирішувати система оперативної діагностики гнучких виробничих модулів. Аналіз причин параметричних відмов, періодичності та тривалості їх усунення дозволяє уточнити спрямованість різних підсистем оперативної системи діагностики. У табл. 3.2 наведені характеристики періодичності і тривалості зупинок гнучких виробничих модулів мод. РОК. (Японія) з різних причин. Дані отримані за результатами експлуатаційних досліджень гнучкою виробничої системи, що складається з шести зазначених гнучких виробничих модулів, обладнаних роботами фірми Panic (Японія). Подача заготовок до робота і відведення готових деталей здійснюються тактовими столами. Отримані дані показують, що більша частина параметричних відмов (49,3 % параметричних відмов) і часу усунення несправностей (34,3 % часу усунення причин параметричних відмов) припадає на вимір оброблюваних деталей.

 

Таблиця 3.2–Характеристики періодичності і тривалості зупинок гнучких виробничих модулів мод. РОК.

Найменування зупинень (параметричних відмов верстатів)	Параметричні відмови		Періодичність зупинень, год.	Середня тривалість зупинень, хв.
	Кількість	%
Вимірювання деталей	94	49,3	1,2	0,5
Ввід корекції	21	11,0	5,4	1,9
Контроль керуючої програми	10	5,2	11,4	2,7
Огляд інструменту	2	1,0	57,2	1,0
Заміна інструменту	4	2,1	28,6	1,8
Установ та зняття заготовок вручну	51	26,7	2,2	0,1
Очищення від стружки інструменту та деталі	9	4,7	12,7	1,1
Усього:	191	100	0,6	0,7

 

Для поліпшення роботи устаткування гнучких виробничих систем в безлюдному режимі в складі системи діагностування несправностей гнучких виробничих модулів необхідно вводити підсистему автоматичного вимірювання оброблюваних деталей і корекції, за допомогою якої можна усунути 60,3 % параметричних відмов, що дозволяє на 62,9 % скоротити простої верстатів через параметричні відмови. Від загального числа зафіксованих параметричних відмов 4,7 % відмов і 7,1 % часу їх усунення пов'язані з відсутністю в складі системи діагностування несправностей гнучких виробничих модулів підсистеми дроблення стружки. Такий пристрій потрібен для забезпечення роботи токарних модулів. Також для усунення параметричних відмов, пов'язаних із зносом і поломкою інструментів (3,1 % зафіксованих параметричних відмов і 6,4 % часу їх усунення), необхідне введення до складу системи оперативної діагностики підсистеми автоматичного контролю і заміни інструменту.

Експлуатаційні дослідження устаткування гнучких виробничих систем показали, що крім усунення функціональних і параметричних відмов персоналу доводиться виконувати операції з обслуговування технологічного процесу для забезпечення нормальної роботи обладнання. Хоча такого роду обслуговування обладнання є короткочасним і не вимагає зупинки гнучких виробничих модулів, воно перешкоджає організації роботи устаткування гнучких виробничих систем у безлюдному режимі. В табл. 3.3 представлені характеристики періодичності і тривалості обслуговування гнучких виробничих модулів без зупинки. Отримані дані показують, що найбільш часто оператор займається контролем процесу обробки (75,4 % обслуговування обладнання), який виконується перемиканням режиму індикації дисплея пристроїв числового програмного керування верстатів і роботів. При цьому зазначені функції контролю технологічного процесу займають 3,0 % всього часу обслуговування гнучких виробничих модулів (див. табл. 3.3). Але необхідність зазначених робіт з обслуговування повністю виключається при включенні до складу системи оперативного діагностування несправностей гнучких виробничих модулів підсистеми автоматичного контролю параметрів різання (захист від надмірних прискорень, сил, вібрацій і так далі).

Функціональні відмови гнучких виробничих модулів слід розглядати з позиції виявлення тих вузлів і пристроїв гнучких виробничих модулів, відмови яких в найменшій мірі ідентифікуються в системі оперативної діагностики гнучких виробничих модулів. До таких пристроїв відносяться механічні вузли, на частку яких припадає до 45 % відмов гнучких виробничих модулів і до 60 % часу їх ремонту.

 

Таблиця 3.3–Характеристики періодичності і тривалості обслуговування гнучких виробничих модулів без зупинки

Види обслуговування обладнання	Статистика обслуговувань		Періодичність обслугову-вання, год.	Середня тривалість обслугову-вання, хв.
	Кількість	%
Регулювання витрат та напряму подачі мастильно-охолоджувальної рідини	2	0,7	57,3	1,0
Додавання мастильно-охолоджувальної рідини	2	0,7	57,3	1,5
Обслуговування тактового столу	17	7,9	6,73	3,4
Підготовка деталей та відправка в відділ технічного контролю	7	2,5	16,4	3,9
Робота з терміналом транспортно-накопичувальної системи	11	3,9	10,4	2,5
Наладка верстата	21	7,4	5,45	48,9
Спостереження за процесом обробки	10	3,5	11,45	1,2
Натискання кнопок пристрою числового програмного керування верстата (в цілях перемикання режимів індикації, для виконання операцій перегляду управляючих програм, отримання інформації про режими різання і тому подібне)	215	75	0,53	0,16
Усього в середньому:	285	100	0,4	4,17

 

Співвідношення кількості відмов і часу їх усунення в різних вузлах і механізмах гнучких виробничих модулів надано в табл. 3.4.

Аналіз причин відмов дозволяє визначити завдання діагностичних пристроїв, що створюються для контролю стану механічних вузлів. Дані експлуатаційних досліджень верстатів показують, що значна частка відмов механічної частини верстатів відбувається через порушення регулювання вузлів. Як приклад в табл. 3.5 представлені причини відмов механічних вузлів токарних гнучких виробничих модулів. Наведені дані свідчать про те, що на регулюючі відмови доводиться до 60 % відмов механічної частини гнучких виробничих модулів, а для таких пристроїв, як механізми приводу подач, механізми приводу огорожі робочої зони, вузли кріплення датчиків положення виконавчих органів, різного виду порушень регулювання є причиною до 80 ... 90 % всіх функціональних відмов. При цьому, якщо періодичність виникнення відмов через конструктивні або технологічні недоробки становить близько 100 ... 150 годин, що відповідає економічно обґрунтованим нормам надійності, то відмови через порушення регулювань відбуваються в середньому через 30 ... 40 годин, що абсолютно неприпустимо з позицій як ефективності експлуатації гнучких виробничих модулів, так і відповідності умов експлуатації режиму безлюдній технології.

 

Таблиця 3.4–Співвідношення кількості відмов і часу їх усунення в різних вузлах і механізмах гнучких виробничих модулів

Найменування вузла	Кількість відмов,  % (чисельник умовного дробу), і середній час відновлення, години (знаменник), для гнучких виробничих модулів на базі верстата:
	1720ПФ30	1740РФ3	16К20Ф3С32
Механізм подач	6,7/6,7	9,1/14,5	8,3/10
Механізм зміни інструменту	35,6/5,2	11,7/9,4	54,2/16,1
Механізм базування і закріплення деталі	9,1/3,2	50/3,3	12,5/3,8
Механізм приводу головного руху, коробки швидкостей	26,7/12	9,5/5,5	–
Механізм приводу огородження робочої зони	13,3/4,5	4,5/7	4,2/0,6
Вузли кріплення датчиків положення виконавчих органів	4,4/2,7	8/2,3	20,8/0,9
Інші вузли	4,2/3,1	7,2/4,5	–

 

У зв'язку з цим актуальна розробка пристроїв контролю працездатності основних механічних вузлів в складі системи тестового діагностування несправностей верстатів. Відповідно до режиму експлуатації гнучких виробничих модулів в період профілактичного обслуговування тестова система діагностики повинна оцінювати стан основних вузлів на основі зіставлення фактичних параметрів, що характеризують працездатність вузла, з заданими (еталонними) значеннями. За результатами контролю визначається необхідність заміни, ремонту та регулювання деталей або елементів механічних вузлів.

 

Таблиця 3.5–Причини відмов механічних вузлів токарних гнучких виробничих модулів

Причини відмов	Кількість відмов,  % (чисельник умовного дробу), і середній час відновлення, години (знаменник), для гнучких виробничих модулів на базі верстата:
	1720ПФ30	1740РФ3	16К20Ф3С32
Порушення регулювання вузлів:	46,5/5,6	68,2/4,2	62,6/2,9
механізмів привода подач,	6,7/6,7	9,1/8	4,2/4
механізму зміни інструменту,	17,8/5,2	–	25/0,3
механізму базування і закріплення деталі,	–	45,5/3,48	8,4/1,6
механізму приводу головного руху,	4,4/7,5	–	–
механізму приводу огородження робочої зони,	13,3/4,5	4,5/7	4,2/0,6
вузлів кріплення датчиків положення виконавчих органів	1,4/2,7	9,1/5,5	20,8/0,9
Конструктивні або технологічні недоробки	31,3/5,3	13,6/4,3	20,8/3,5
Інші причини	22,2/7	18,2/2,7	16,6/3

 

Розглянемо деякі типові несправності, що викликають розрегульовані відмови механічних вузлів, а також склад регламентних робіт і періодичність їх проведення, що забезпечують відсутність порушень регулювальних відмов до наступного профілактичного обслуговування.

Механізм автоматичної зміни інструменту (револьверна головка) для розглянутих типів гнучких виробничих модулів повинен піддаватися профілактичному обслуговуванню через 35 ... 40 годин роботи за керуючою програмою. При цьому необхідно контролювати величину робочих зазорів в датчиках положення револьверної головки, перевіряти роботу фіксаторів і прочищати посадочні поверхні.

Для механізму приводу подач профілактичне обслуговування проводять через 80 ... 90 годин роботи гнучкого виробничого модулю. В процесі обслуговування виконують контроль кінематичного ланцюга двигун – редуктор – ходовий гвинт кульково-гвинтової передачі: виявляють і видаляють зазори в зачепленні редуктора, перевіряють з'єднання муфти і кріплення датчика зворотного зв'язку, контролюють зазори передачі гвинт-гайка кочення, підшипникові вузли і в разі необхідності проводять регулювальні роботи.

Профілактичне обслуговування вузлів кріплення датчиків положення виконавчих органів та інших пристроїв контролю здійснюють з періодичністю 100 ... 110 годин. Порушення регулювання кріпильних елементів виникає від вібрації або ударних навантажень в процесі роботи гнучкого виробничого модулю. В ході профілактичних заходів контролюють виконання технологічних команд, а при необхідності проводять і регулювання вузлів кріплення датчиків і затискних елементів.

Механізм базування і закріплення заготовок повинен обслуговуватися через 250 ... 260 годин роботи гнучкого виробничого модулю. В процесі профілактичних робіт контролюють величини робочих ходів тяг і важелів в пристроях приводу затискання патрона, перевіряють правильність установки датчиків виконання технологічних команд і контакти реле в ланцюгах управління.

В даний час всі перераховані операції контролю стану механічних вузлів виконуються вручну. У токарних гнучких виробничих модулів практично відсутні пристрої тестової діагностики, які автоматизували б перераховані функції контролю стану основних механічних вузлів. За результатами контролю система тестової діагностики повинна видавати команду на проведення регулювальних робіт, ремонту або заміни елемента (деталі) контрольованого вузла. Без подібних пристроїв тестової діагностики неможливо забезпечити роботу гнучкого виробничого модулю в безлюдному режимі, оскільки навіть в разі гарантованої безвідмовної роботи гнучкого виробничого модулю між профілактичними обслуговуваннями контроль стану основних механічних вузлів є дуже трудомістким процесом, що є несумісним з принципами безлюдній технології.

 

3.12. Інтелектуальні системи діагностики
гнучких виробничих систем

 

Інтелектуальні системи діагностики як допомога для служби контролю роботи гнучких виробничих систем дозволяють швидко виявити і діагностувати виниклі дефекти, а також видавати рекомендації щодо усунення дефекту. Гнучкі виробничі системи в силу своєї складності є комплексним завданням як в сенсі їх технологічного обслуговування, так і в сенсі того, що обслуговуючий персонал повинен мати дуже великі знання в області виникнення відмов обладнання. Тому часті випадки, коли обслуговуючий персонал не в змозі розпізнати причини дефектів, забуває важливі подробиці роботи окремих вузлів або не звертає уваги на дефект в початковій стадії його розвитку.

При виникненні дефекту в гнучкому виробничому модулі робота інтелектуальної системи діагностики відбувається в наступному порядку. Весь процес пошуку, виявлення і діагностики дефекту складається з чотирьох фаз.

На першій фазі контролю система визначає, в якій частині гнучкого виробничого циклу відбулася відмова. Це може бути верстат, транспортно-накопичувальний пристрій або робот. Далі визначається, на якій фазі робочого циклу проявляється несправність: при обробці деталі, при заміні інструмента або при заміні деталі. Далі проводиться пошук несправності, причому спочатку визначають, чи стосується дефект вузлів верстата або порушений процес обробки. Потім збираються дані про несправні елементи: несправний магазин інструменту або несправний пристрій заміни інструменту. На цьому перша фаза закінчується, при цьому за допомогою експертної системи звужується зона підозр до пристрою заміни інструменту.

Далі настає друга фаза, яка проводиться з використанням персоналу контролю, так як пристрій заміни інструменту не має діагностичних датчиків. Система дає цілеспрямовані вказівки персоналу контролю з пошуку дефекту. Перше завдання – це визначення несправності пристрою заміни інструменту (відповідь «Так»). Потім проводиться перевірка можливих несправностей, зокрема, чи спрацьовує стопор пристрою заміни інструменту (відповідь «Так»).

Третя фаза діагностування несправності настає після того, як у другій фазі виявлений несправний елемент (стопор пристрою заміни інструменту), потім приступають до вивчення несправності. Причинами несправності можуть бути: стопор заклинило в магазині або недостатньо тиску повітря («Недостатній тиск повітря»). Далі визначають можливі причини несправності: недостатній тиск в мережі або погане технічне обслуговування (відповідь «Погане технічне обслуговування»).

У четвертій фазі здійснюється видача рекомендацій щодо усунення несправності. Виявляється несправність повітряного шлангу: дефект шлангу, шланг перехилився, вентиль засмітився. Залежно від дефекту формується рекомендація щодо усунення дефекту. Це можуть бути: заміна шлангу, герметизація його, зміна його положення з метою усунення перегину або прочищення вентиля. Таким чином, система спрямовує дії і допомагає персоналу контролю.

При цьому регламентується, які треба вжити заходи і як знайти несправність. Таким чином, інтелектуальні системи діагностики мають значні переваги в порівнянні з іншими видами діагностики. Вони мають більшу гнучкість і широкі можливості при діагностуванні обладнання.

 

3.13. Контрольні запитання

 

1.    Які зовнішні і внутрішні процеси впливають на працездатність обладнання.

2.    На якій інформації базується оперативність діагностики?

3.    За яким алгоритмом працює система підтримки працездатності процесів?

4.    Які методи контролю застосовуються у системах діагностування стану ріжучого інструменту?

5.    Які особливості процесу високошвидкісної механічної обробки? В яких галузях промисловості вона використовується?

6.    Перерахуйте процедури розробки систем діагностування процесу високошвидкісної механічної обробки.

7.    Назвіть особливості роботи ріжучого інструменту в умовах високошвидкісної механічної обробки.

8.    Опишіть алгоритм діагностування стану інструмента в умовах високошвидкісної механічної обробки.

9.    Які задачі вирішує система активного контролю для багатошпиндельних автоматів? Як вона працює?

10. Які особливості зміни вихідних характеристик процесу різання при наїжджанні, поломці та зносі ріжучого інструменту?

11. З яких блоків складається система WIDATRONIC, та як вони працюють?

12. Що таке моніторинг процесу різання?

13. Опишіть алгоритм розпізнавання поломки інструменту.

14. У чому полягає процедура навчання діагностичної системи?