ПРОБЛЕМЫ НАДЕЖНОСТИ И РЕСУРСА в МАШИНОСТРОЕНИИ

НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ

Ю. М. Соломенцев

В машиностроении особое место принадлежит станкостроению, призван­ному сыграть главенствующую роль в техническом перевооружении народ­ного хозяйства страны, поскольку создание любой машины в современных условиях немыслимо без станков.

Непрерывно растущие потребности общества требуют изготовления но­вых изделий, а отсюда возникает необходимость гибко, с нарастающей часто­той осуществлять переход с одного вида продукции на другой, более совер­шенный.

Многономенклатурность производства, необходимость оперативно и мо­бильно реагировать на потребности общества, обеспечивая при наличии де­фицита трудовых ресурсов высокое и стабильное качество выпускаемых машин, являются главными предпосылками по созданию гибких автомати­зированных производств, и прежде всего в станкоинструментальной от­расли.

Такие сложные дорогостоящие машинные комплексы, как гибкие производственные системы (ГПС), функционирующие с использованием

микропроцессорной техники, следует создавать с обязательным использо­ванием систем автоматизированного проектирования (САПР).

Создание ГПС, обладающих заданной эффективностью, заключается в реализации управляемой технологии, гибко перестраиваемой под произ­водственную задачу, и включает виды обеспечения, показанные на рис. 1. Во-первых, это обеспечение точности и надежности на этапе проектирова­ния ГПС. При этом подразумевается создание специальных методов и про­цедур проектирования, и прежде всего автоматизированного проектиро­вания, с учетом требований точности и надежности (точностной анализ проекта, контролепригодность ГПС и анализ метрологических характе­ристик системы, синтез проектируемого объекта по критерию точности, определение проектного уровня надежности) .

Во-вторых, это обеспечение заданной эффективности посредством конт­роля и диагностирования (оборудования, качества изделий, хода техно­логического процесса, управляющей вычислительной техники и соответ­ствующего программно-математического обеспечения и т. д.) в процессе функционирования ГПС.

При этом необходимо создание информационно-измерительной системы ИИС ГПС, которая, как известно, представляет собой совокупность функ­ционально объединенных измерительных, вычислительных и других вспо­могательных технических средств и предназначена для получения измери­тельной информации о состоянии ГПС в целом или его отдельных струк­турных составляющих (подсистем, модулей и т. д.), преобразования и обработки этой информации в целях представления ее в требуемом виде для ввода в АСУ либо для автоматического осуществления логических функций контроля, диагностики и идентификации.

ИИС является машинным наблюдателем ГПС, осуществляющим функ­ции измерительной информатики механосборочного производства.

Решение проблемы обеспечения точности на этапе проектирования пред­усматривает это создание точностных моделей автоматизированного произ­водства, метрологический анализ технологических процессов, обрабаты­вающего оборудования, робоготехнических, транспортных систем, загото­вительного производства, инструментального обеспечения и т. д., опреде­ление информативных параметров ГПС.

Создание ИИС позволяет получать на этапе функционирования ГПС ин­формацию о свойствах, техническом состоянии и пространственном поло - 102 жении контролируемых объектов, о состоянии технологической среды; осуществлять сравнение фактических значений параметров с заданными, передачу и преобразование измерительной информации, а также и построе­ние модели состояния ГПС доя принятия решений на различных уровнях управления.

Проблема обеспечения надежности доя ГПС имеет большое значение по следующим причинам:

1) ГПС представляет собой сложную интегрированную систему, состоя­щую из разнообразного оборудования (обрабатывающего, транспортного, заготовительного и др., систем управления и контроля на базе ЭВМ и т. д.), функционирующего как единое целое, поэтому ненадежность одно­го из элементов нарушает работоспособность всей системы в целом;

2) стоимость ГПС чрезвычайно высока, поэтому любой большой запас надежности в системе и ее составляющих оправдан;

3) фактор ’’беэлюдности” или по крайней мере ’’малолюдности” при­водит к необходимости иметь повышенную надежность всех звеньев ГПС, в том числе и человека (управляющего) как звена сложной системы.

Проблема надежности на этапе проектирования ГАП решается путем разработки технологических процессов, оборудования, управляющих систем и их программно-математического обеспечения по критериям на­дежности (надежностное проектирование), разработки механических, элек­трических, управляющих систем и их математического обеспечения со свойствами самоконтроля, выявления ошибок, отказоустойчивости и др.

Для обеспечения надежности на этапе функционирования ГПС должно быть предусмотрено построение в структуре ИИС подсистемы техническо­го диагностирования, которая дает возможность проверки правильности функционирования ГПС, поиска нарушений работоспособности в различ­ных подсистемах ГПС в целях предупреждения внезапных отказов, стати­стического прогнозирования состояния, самоконтроля и функционально­го тестирования микропроцессорных систем управления, синтаксического и семантического тестового контроля программного обеспечения и т. д.

Информационно-измерительная проблематика САПР—ГПС охватывает три основные направления:

1. Принципы построения информационно-измерительной подсистемы ИИС ГПС:

1) методы выделения наблюдаемых параметров состояния и определе­ния необходимых и достаточных уровней наблюдения в ИИС ГПС для различных технологических процессов и видов оборудования (сначала техпроцессы и оборудование, затем ИИС);

2) задачи дискретизации наблюдаемых параметров состояния и уров­ней наблюдения во времени и пространстве по всей структуре ГПС или его составляющих;

3) определение информационного содержания задачи наблюдения на выделенном уровне и формирование классов технологически ориентиро­ванных информационных задач ИИС ГПС;

4) построение моделей состояния (идентификация) системы отдельных составляющих ГПС;

5) статистическая оценка моделей состояния и разработка соответствую­щего программно-математического обеспечения ИИС ГПС;

6) разработка САПР структуры ИИС ГПС.

2. Методы и средства ИИС ГПС:

1) разработка новых принципов построения измерительных преобразо­вателей и систем повышенной точности и расширенных функциональных возможностей, охватывающих все классы точности оборудования и все необходимые виды измерений, на основе новейших достижений науки и техники (микро - и оптоэлектроники, лазерной техники и т. д.) ;

2) методы и средства контроля точности станков и оборудования (из­мерительно-вычислительные комплексы);

3) диагностика станков и оборудования, систем управления и самой ИИС (диагностическо-вычислительные комплексы);

4) методы и средства контроля качества деталей на станке (в процессе обработки и между операциями) и вне станка (контрольно-измерительные машины и измерительные работы с ЧПУ);

5) методы и средства контроля состояния режущего инструмента;

6) методы и средства контроля параметров технологического процесса;

7) методы и средства управления точностью технологических процес­сов (обратные связи в станках, роботах и др. оборудовании, активный контроль, автоматическая коррекция, адаптивное управление);

8) методы и средства измерений в робототехнических системах, особен­но в сборочных;

9) технологически ориентированные методы оптимального комплекси - рования средств измерений и обработки информаций на всех уровнях наблюдения в единую ИИС ГПС (помехоустойчивые модуляции и кодиро­вание измерительной информации, ее оптимальное нормирование, вторич­ная обработка, сжатие, адаптация и т. д.) .

3. Метрологическое обеспечение проблемы САПР ГПС:

1) метрологический (точностной) анализ на всех этапах разработки САПР ГП6 (САПР предпроектных исследований АСУП, АСТПП, АСНИ, САПР, ГПС);

2) методы и средества проверки средств ИИС ГПС по компонентам и в целом;

3) методы обеспечения надежности и аттестации алгоритмов управле­ния и обработки информации в ГПС.

В качестве примера соотношения между управлением и наблюдением в ГПС можно рассмотреть схему на уровне технологического модуля ГПС (рис. 2). Управление, т. е. организация соответствующих воздействий, осуществляется как при функционировании модуля (управление автома­тикой, программное управление движением), так и при обеспечении задан­ной точности и надежности с использованием дополнительных уровней управления: активный контроль (АК) , автоматическая коррекция (АКор) , адаптивное управление.

Для получения необходимой информации о состоянии технологического модуля и его подсистем, перерабатываемой в устройстве ЧПУ, а также передаваемой в ЭВМ верхнего уровня (центральную ЭВМ), необходимо иметь разветвленную систему наблюдения.

Отдельного рассмотрения заслуживают вопросы адаптивного управления.

Адаптивное управление точностью обработки. В основе любого техноло­гического процесса лежит требование по обеспечению заданного качества

Рис. 2. Схема соотношения между управлением и наблюдением в ГПС

деталей, и прежде всего размерной точности. Созданные ранее системы адаптивного управления (САУ) упругими перемещениями, в которых предусмотрено автоматическое изменение режима обработки (управление размером динамической настройки) или принудительное целенаправлен­ное перемещение отдельных элементов технологической системы (управ­ление размером статической настройки), в несколько раз повышают точ­ность и производительность обработки.

В настоящее время такими системами управления оснащены сотни станков. Точность обработки при этом повышается в 1,5—3 раза, а произ­водительность возрастает на 25—100%. При использовании этих систем об­работку деталей можно вести на меньшем количестве станков с участием, только наладчиков, что существенно повышает эффективность технологи­ческих процессов. Необходимо также отметить, что применение предель­ных систем адаптивного управления точностью обработки позволяет зна­чительно повысить надежность работы оборудования и инструмента и исключить их поломки в случае возникновения аварийных режимов. Это достигается посредством соответствующего регулирования хода техноло­гического процесса или же прекращением его выполнения при срабаты­вании сигнализации о возникших неполадках.

Адаптивное управление качеством поверхностного слоя. Такие важные показатели деталей машин, как долговечность и надежность, в значитель­

ной степени зависят от качества поверхностного слоя деталей, определяемо­го глубиной и степенью наклепа, уровнем и характером распределения оста­точных напряжений, структурой и другими характеристиками.

Экспериментальные исследования показали, что в случае использования систем адаптивного управления, позволяющих обеспечить оптимальные температурные и силовые режимы, поле рассеяния степени наклепа умень­шается в 3—5 раз, глубины наклепа — в 5 — 10 раз, остаточных напряжений — в 4—6 раз, что благоприятно сказывается на стабильности качества обраба­тываемых деталей.

Адаптивное управление износом режущего инструмента. На процесс обработки существенное, а часто и определяющее влияние оказывает пра­вильность эксплуатации режущего инструмента, повышение стойкости ко­торого в большинстве случаев основывается на применении более совер­шенных твердых сплавов, быстрорежущих сталей, специальных покрытий и т. п. Однако неправильное использование прогрессивных инструменталь­ных материалов при обработке деталей может не дать желаемого эффекта. Это связано не только с изменением качественных характеристик режущей части инструмента, но и с влиянием таких факторов, как колебание при­пуска и твердости обрабатываемых заготовок, точность деталей, уровень размерной настройки технологической системы и др.

Разработанные в СССР системы адаптивного управления точностью обра­ботки способствовали уменьшению на 15—20% расхода режущего инстру­мента, поскольку позволили стабилизировать силовой режим резания и соответственно нагрузку на режущий инструмент, что резко сократило его поломки. В целях дальнейшего развития работ в этом направлении была специально поставлена и успешно решена задача по оптимальному исполь­зованию инструмента путем адаптивного управления.

Скорость износа режущего инструмента V=dhjdr (А — мгновенное зна­чение размерного износа инструмента, т - время резания). Тогда размер­ный износ за период стойкости

Т

Я = / VdT.

о

Экспериментальные исследования позволили установить следующую

v-ktUl SUlvUl Fu* ,

где к — постоянный коэффициент, t — глубина резания, F— текущее значе­ние обработанной площади детали, щ — щ — показатели степени.

Скорость износа убывает по мере приработки инструмента, следователь­но, показатель и4 < 0. Глубина резания t является случайной функцией t(F), для реализации которой при S = const и v = FjS целесообразно ис­пользовать функцию

v = v(F, F ),

здесь F = dF/dT.

Из выражений (1) и (3) получаем

т

H = J v{F, F)dT.

Для обеспечения минимума критерия оптимальности (1) необходимо найти функцию F(t) , а также параметры Т и Ff.

Решим задачу при фиксированной верхней границе функционала (Гі Ft) ■ Функция F(t) может быть найдена из уравнений Эйлера для функционала (3)

dv d

9F dr

После преобразования получим dv.

v F = const.

ЪР

Согласно выражению (4) dv.

v - — F = (1 — ит) v = const.

Э F

Таким образом, оптимальный закон управления процессом обработки должен обеспечивать постоянство скорости износа режущего инструмента, т. е.

v = v0 = const. (5)

Полученные аналитические зависимости были использованы при разработ­ке адаптивных систем управления износом инструмента.

В качестве регулирующих параметров в таких системах использованы скорость резания и подача, а также скорость и подача одновременно. Управ­ление температурным режимом при наличии различных возмущений позво­лило активно воздействовать на скорость износа и обеспечить стабилизацию последнего. Стойкость инструмента при этом повысилась в 1,5—2 раза, особенно при обработке труднообрабатываемых материалов. Основная причина достигнутого эффекта заключается в том, что в случае использо­вания адаптивной системы управления износом инструмента ’’обрывается” положительная обратная связь самого процесса резания. Сущность положи­тельной обратной связи состоит в том, что при обычной обработке затупле­ние инструмента приводит к повышению температуры резания, а послед­няя, в свою очередь, увеличивает скорость затупления инструмента и т. д. Адаптивное управление позволяет исключить эту связь.

Адаптивное управление размерной настройкой, поднастройкой и пере­настройкой системы СПИД. Эффективность процесса обработки деталей в целом в значительной мере зависит от качества проведения таких важных этапов, как размерная настройка, поднастройка и перенастройка систе­мы станок—приспособление—инструмент—деталь СПИД. Это имеет большое значение в условиях серийного производства, особенно при использовании станков с программным управлением. В этой связи были разработаны основы оптимизации этих важных этапов процесса обработки.

Задачи размерной настройки, поднастройки и перенастройки технологи­ческих систем формулируются следующим образом: необходимо так рас­положить мгновенное поле рассеяния (порождаемое случайно действую­щими факторами) в пределах установленного допуска на точностной

107

параметр детали, чтобы (с учетом действия систематических погрешностей, смещающих его центр группирования, а также постоянных системати­ческих погрешностей) получить при прочих равных условиях потребное количество деталей за предписанный промежуток времени с возможно минимальной технологической себестоимостью для заданных производ­ственных условий.

Разработанная методика позволила строго рассчитывать оптимальные допуски на размерную настройку для различных случаев:

SHAPE * MERGEFORMAT

0(8 -8С -6У -8„)

0-1

где 0 < 0.

Проведенные исследования дали возможность разработать методы и средства оптимизации размерной настройки, поднастройки технологи­ческих систем, положенные в основу создания адаптивных систем управ­ления этими важными этапами процесса обработки. При создании адаптив­ных систем были использованы результаты работ, заключающиеся в сле­дующем.

Установлено, что датчики измерительного устройства должны фиксиро­вать положение без станка, несущих обрабатываемую деталь, режущий инструмент и программоноситель, тем самым охватывая максимально все составляющие звенья размерных цепей, определяющих величины со­ответствующих размеров статистических настроек. Для компенсации возникающих в них погрешностей предложены различные методы, один из которых, например, состоит в том, что установленный первоначально размер статистической настройки фиксируется датчиками и поддержи­вается постоянным (независимо от причин, вызывающих его нарушение) с помощью исполнительного механизма, воздействующего на выбранное компенсирующее звено (в размерной цепи, определяющей размер статичес­кой настройки) на протяжении обработки всей партии деталей данного типоразмера.

Разработано и реализовано несколько вариантов систем адаптивного управления размерной настройкой и перенастройкой на базе различных станков, в том числе и с ЧПУ.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что точность стабилизации размера статической настройки может быть доведена до нескольких микрометров. Кроме того, с высокой точностью стабилизи­руется центр группирования размеров обрабатываемых деталей, в результа­те чего точность размеров возрастает в 1,5-2 и более раз. Время, затрачи­ваемое на размерную настройку и поднастройку, сокращается в несколько десятков раз. Наладчик практически высвобождается из технологического процесса (требуется лишь первоначальная настройка системы), поскольку его функции выполняет система адаптивного управления. Существенно уменьшается трудоемкость изготовления и установки отдельных элементов системы СПИД (например, установка режущего инструмента, програм­моносителя и др.), так как с помощью САУ, кроме указанных выше, компенсируются и погрешности, возникающие по причине кинематической перенастройки станка. Это приобретает особенно важное значение для
станков с программным управлением ГПС. Повышается эффективность использования оборудования в условиях серийного и мелкосерийного производства, значительно сокращается размер оптимальной партии де­талей. Показано, что применение САУ размерной настройкой и поднастрой - кой дает возможность до 2—3 раз повысить предельно возможную произ­водительность технологической системы и тем самым при решении техно­логических задач обойтись меньшим количеством оборудования.

В последнее время выполнены работы по автоматизации перенастройки станков с ЧПУ, в том числе многоцелевых станков, показавшие высокую эффективность используемых методов и средств, что имеет большое значе­ние при создании ГПС для условий мелкосерийного и серийного произ­водства.

Оптимизация процесса обработки с использованием многомерных систем адаптивного управления. Проведенные исследования позволили сделать вывод о том, что наибольшая эффективность процесса обработки (с точки зрения увеличения точности, снижения себестоимости, увеличе­ния производительности) может быть достигнута, если осуществлять комплексное управление с использованием многомерных систем адаптивно­го управления.

При анализе многомерных САУ на первый взгляд может показаться, что каждая отдельная из входящих в них САУ автономно решает свою задачу. В действительности же при управлении обнаруживается тесная взаимосвязь между ними, проявляемая через процесс резания.

Могут быть использованы различные варианты структур многомерных САУ процессом формообразования (вообще говоря, управление точност­ными параметрами деталей следует вести за счет изменения размеров статической или динамической настройки регулирования подачей) ; управ­ление износом режущего инструмента необходимо осуществлять с по­мощью как раздельного, так и совместного изменения скорости и подачи (последнее возможно при раздельных приводах главного движения и подачи). Оценка эффективности вариантов может быть выполнена по качеству проведения этапа формообразования поверхностей обрабатывае­мых деталей. На основании проведенных исследований спроектировано и создано несколько вариантов многомерных САУ.

Естественно, что использование соответствующего варианта многомер­ной САУ даст желаемый результат по повышению эффективности процесса обработки в том случае, если каждый из этих вариантов будет реализовы­вать оптимальный закон управления. Этот закон получается расчетным путем на основании критерия оптимальности управлений процессом и соответствующих ограничений.

Автоматизированное конструкторско-технологическое проектирование. Весьма актуальной следует считать проблему автоматизированного проек­тирования технологических процессов обработки и сборки, конструиро­вания станков, успешное решение которой должно базироваться на хоро­шем теоретическом фундаменте, а также на использовании соответствую­щей вычислительной техники.

Автоматизация производства поднимается качественно на более высо­кий уровень при интеграции систем автоматизированного конструирования, проектирования технологических процессов (с подготовкой программ