книги / Надежность и диагностика технологических систем

Г А Ц

Рис. 1.2. Организационная структура ГПС

Для работы без участия человека оборудование должно быть оснащено накопителями (магазинами) заготовок и режущих ин­ струментов с устройствами их автоматической смены, а также системами диагностики (СД) технического состояния узлов, ме­ ханизмов и инструментов. Как правило, в ГПС все наладочные работы, техническое обслуживание и подготовка производства

выполняются в первую смену с участием человека, а обработка во вторую и третью смены — в автоматическом режиме с мини­ мальным участием человека.

Однако при замене человека и его функций автоматическими системами приходится решать ряд новых, сложнейших техниче­ ских и социальных проблем: внедрение новых принципов орга­ низации и управления производством; оптимизация структуры автоматизированных ТС и ТП; обеспечение высокого уровня на­ дежности и эффективности.

Основной структурной единицей ГПС (см. рис. 1.1) являются гибкие производственные модули (ГПМ), которые формируются на базе многооперационных станков (МС) с числовым программным управлением (ЧПУ) или многоцелевых — обрабатывающих центров (ОЦ), обладающих высокими техническими характеристиками: высокий уровень автоматизации за счет применения устройств ЧПУ, систем автоматической смены инструментов и заготовок; высокая точность и надежность, обусловленные повышенной ж е­ сткостью несущей системы и основных механизмов, оснащенно­ стью измерительными системами и устройствами термостабили­ зации; рациональные компоновочные схемы построения всего комплекса и отдельных конструкций узлов.

Основные классификационные группы ГПМ регламентирует ГОСТ 26962-86. Металлообрабатывающие ГПМ по своему целе­ вому назначению подразделяются на*модули для изготовления деталей: корпусных, плоскостных, типа тел вращения. По уровню автоматизации ГПМ делят на три группы:

1.Многоцелевые станки с автоматической сменой инструмен­ тов и заготовок, которые осуществляют автоматический цикл обработки заготовок деталей, но требуют постоянного наблюде­ ния человека за ТП.

2.ГПМ, оснащенные устройствами контроля процесса обра­ ботки и потому не требующие постоянного присутствия человека.

3.ГПМ, оснащенные устройствами автоматической смены ком­ плектов инструментов и приспособлений, а также адаптивными системами управления (СУ) процессами изготовления изделий, что особенно важно в условиях «безлюдной» технологии.

Высокоэффективными и высокопроизводительными являются широкоуниверсальные модули для сверлильно-фрезерно-расточ­ ной обработки заготовок корпусных и плоских деталей, позво­

ляющие также выполнять токарные и шлифовальные операции. Такие модули создаются на базе ОЦ, оснащенных устройствами числового программного управления (УЧПУ) и автоматической смены инструментов и предназначенных для комплексной обра­ ботки за одну установку заготовок корпусных деталей и деталей типа тел вращения.

Производительность ОЦ в 5... 10 раз выше производительно­ сти универсальных станков. Благодаря высокому уровню авто­ матизации доля машинного времени у ОЦ достигает 75 % от общего времени обработки. Они обладают высокими техниче­ скими характеристиками, имеют один шпиндель и оснащены многопозиционными инструментальными магазинами (от 12 до 120 инструментов). Инструмент заменяется в шпинделе автома­ тически по программе за 5...6 с. У ОЦ с револьверной инструмен­ тальной головкой (число инструментов 6...8) смена осуществля­ ется за 2...3 с. В ОЦ используют сменные инструментальные ма­ газины с заранее настроенными на размер инструментами, что сокращает время на переналадку станка.

ОЦ позволяют изготавливать в автоматическом режиме слож­ ные корпусные детали при обработке их заготовок за одну уста­ новку со всех сторон (кроме установочной базовой поверхности). Для этого ОЦ оснащают столом, подвижным в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Есть конструкции ОЦ, у которых ось шпинделя устанавливается по программе горизонтально, вертикально или под углом к плоскости стола станка. ОЦ осна­ щаются приспособлениями-спутниками для установки и закре­ пления заготовок, а также устройствами автоматической смены спутников. Точность ряда ОЦ соответствует точности координат­ но-расточных станков: точность отверстий после растачивания соответствует 6...7-му квалитету; параметр шероховатости обра­ ботанной поверхности Ra 1...2 мкм.

ГПС наиболее часто используются для механической обра­ ботки (71 % ), в сварочном производстве (12 % ), при сборке (5 % )

ив остальных технологиях (12 % ). Создание ГПС и их эксплуа­ тация требуют значительных капиталовложений, обеспечения высокого уровня надежности всех видов основного и вспомога­ тельного оборудования, средств технологического оснащения

иуправления.

16 1. Обеспечение надежности автоматизированных ТС

вибрации, нагрев, потеря скорости, мощности и др.). Отказ насту­ пает, когда значение параметра превышает установленное пре­ дельно допустимое значение Unp. Это может произойти неожиданно в произвольные моменты времени ij, t2или f3. ВО не предшествует направленное изменение параметров, поэтому его нельзя прогнози­ ровать (например, сгорел предохранитель, сломалось сверло, зуб шестерни, порвался приводной ремень).

Катастрофические отказы — разрушение конструкций, взры­ вы (и другие чрезвычайные ситуации), создающие опасность для жизни людей или влекущие большой материальный ущерб, долж ­ ны быть исключены с помощью специальных расчетов и испы­ таний. Они не входят в систему количественных оценок теории надежности.

П о с т е п е н н ы й ( и з н о е н ы й ) о т к а з характеризуется постепенным изменением значений параметров объекта, а также наличием тенденции, или закономерности, их изменения во вре­ мени (см. рис. 1.4). Например, из-за износа направляющих станок перестает обеспечивать параметр «точность формы» в диапазоне времени [Ti - Т2], где Т\ — время начала появления постепенных отказов; Т2— время полного выхода станка из строя с вероятно­ стью Р 1. Происходит отказ по данному установленному лими­ тирующему параметру, так как станок не обеспечивает требуемое качество обработки. При этом станок продолжает функциониро­ вать. Постепенные отказы можно прогнозировать.

Н е з а в и с и м ы й о т к а з объекта (изделия) не обусловлен отказом другого объекта (изделия). Причиной возникновения независимых отказов являются внутренние физико-химические процессы, происходящие в изделии.

З а в и с и м ы й о т к а з объекта связан с отказом другого объ­ екта. Например, сгорел элемент электрической сети из-за пере­ грузки (превышение напряжения).

П е р е м е ж а ю щ и й с я о т к а з — это многократно возникаю­ щий и затем самоустраняющийся отказ одного и того же харак­ тера. Перемежающиеся отказы могут возникать из-за плохого электрического контакта в месте соединения, когда от случай­ ных‘вибраций электрический контакт то появляется, то исчезает. Перемежающиеся отказы, как правило, возникают из-за нека­ чественной сборки и отладки изделия.

Самоустраняющийся отказ, устраняемый вмешательством оператора, называется сбоем. Такой отказ устраняется перед

запуском изделия или путем воздействия на органы управления, например, корректировкой положения заготовки при механи­ ческой обработке.

К о н с т р у к ц и о н н ы й о т к а з возникает вследствие несо­ вершенства конструкции изделия или грубой ошибки при его конструировании (например, из-за несоблюдения стандартов, норм или правил конструирования).

П р о и з в о д с т в е н н ы й о т к а з является результатом при­ менения при изготовлении или ремонте изделия ТП несоответ­ ствующего качества или из-за их нарушения.

Э к с п л у а т а ц и о н н ы й о т к а з вызван нарушением правил или условий эксплуатации изделия. Эти отказы могут возник­ нуть, в частности, из-за перегрузки изделия недопустимыми си­ лами или в результате эксплуатации изделия в климатических условиях, на которые оно не рассчитано (например, эксплуата­ ция станка в чрезмерно сыром помещении, вследствие чего уси­ ливается коррозия материала).

В машиностроении рассматривается надежность различных видов изделий. Это может быть станок, узел, агрегат, комплекс и даже отдельная деталь или элемент. Надежность состоит из сочетания свойств — безотказности, долговечности, ремонтопри­ годности, сохраняемости.

Безотказность — свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта в течение некоторого времени или наработки.

Наработка изделия — это временное или иное связанное со временем понятие, характеризующее продолжительность или некоторый накопленный в течение времени объем работы изде­ лия. Наработка может выражаться в минутах, километрах про­ бега, количестве циклов функционирования и других величинах. В практике оценки надежности употребляют такие понятия, как наработка на отказ, наработка между отказами, наработка до предельного состояния.

Наработка на отказ является важнейшим показателем в ряде областей человеческой деятельности и отраслей производства (космос, авиация, транспорт, ядерные объекты, военная тех­ ника, вооружение, энергетика, металлургия, связь, медицина, непрерывные технологические процессы). Здесь отказы недо­ пустимы.

Долговечность — свойство объекта сохранять работоспособ­ ное состояние до наступления предельного состояния при уста­ новленной системе технического обслуживания или ремонта. Предельное состояние — состояние объекта, при котором его дальнейшее применение по назначению недопустимо или неце­ лесообразно.

Ремонтопригодность — свойство изделия допускать восста­ новление отдельных деталей и узлов с относительно небольшими затратами (например, возможность замены деталей в процессе эксплуатации).

Сохраняемость — свойство изделия сохранять в заданных пределах значения параметров, определяющих способность объ­ екта выполнять заданные функции до и после хранения и (или) транспортирования. При транспортировании на изделие дейст­ вуют вибрационные и ударные нагрузки, различные климати­ ческие условия (температура, влажность, давление). Хранение сопровождают процессы старения и коррозии, изделие испыты ­ вает воздействие биологических факторов (например, появление плесени, грибков, оседание пыли, приводящее к загрязнению и изменению химических свойств поверхностей, прозрачности экранов, стекол, оптики).

Конструкторской, эксплуатационной и нормативно-техниче­ ской документацией для изделия могут предусматриваться опе­ рации технического обслуживания и ремонта. В соответствии с этим изделия подразделяются на обслуживаемые и необслу­ живаемые, ремонтируемые и неремонтируемые, восстанавли­ ваемые до работоспособного состояния и невосстанавливаемые.

С целью повышения надежности наиболее ответственные (обу­ словливающие надежность и безопасность) элементы объектов резервируются. Для этого применяются дополнительные резерв­ ные элементы, которые выполняют функции основного элемента в случае его отказа. Например, управление закрылками или вы­ пуском шасси самолета имеет трехили четырехкратное резерви­ рование, что повышает надежность функционирования в сотни и тысячи раз.

По организационной структуре все объекты (системы) можно условно разделить на простые и сложные. Простые системы при отказе одного элемента полностью теряют свою работоспособность (например, металлорежущий станок с ручным управлением). Сложные системы обладают способностью при отказе зарезер­

вированных элементов сохранять свою работоспособность. Так, автоматическая линия (АЛ) может некоторое время работать, если в ее структуре предусмотрены промежуточные накопите­ ли, т.е. резерв. При отказе одной части АЛ другие части могут работать, используя заделы в этих накопителях. Части АЛ до отказавшего участка наполняют деталями накопитель, а части после отказавшего участка расходуют этот задел. Например, ГПС могут работать, даже если в их составе работоспособным окажется только один технологический элемент — ГПМ. Слож­ ные системы оснащаются специальными устройствами для кон­ троля функционирования, а также устройствами диагностики состояния основных элементов.

Специфические аспекты надежности. Следует учитывать че­ тыре важных специфических аспекта надежности:

•комплексный характер, т.е. связь надежности со всеми эта­ пами жизненного цикла изделий (проектирование, изготовле­ ние, эксплуатация);

•фактор времени, так как оценивается изменение начальных параметров в процессе эксплуатации изделия. Рассматривать про­ блему надежности абстрактно (вне времени) не имеет смысла;

•прогнозирование поведения изделия с точки зрения сохра­ нения его выходных параметров (показателей надежности);

•вероятностный характер отказов, процессов, параметров

ипоказателей, определяемый некоторой случайной функцией (или событиями).

Эта специфика отражена в показателях надежности. Основ­ ной показатель надежности изделия — вероятность безотказ­ ной работы P(t) (рис. 1.5), т.е. вероятность того, что в заданном интервале времени tt- T не возникнет отказа. ЗначениеР(£) мо­ жет находиться в пределах 0 < Р < 1. Вероятность безотказной работы P(t) и вероятность отказа F(t) образуют полную группу событий:

P(t) + F(t) = 1.

Допустимые значения P(t) устанавливаются в зависимости от целевого назначения изделий или экономической целесооб­ разности:

• в авиации Pi(t) —0,99999 (т.е. близка к единице, отказ в те­ чение ресурса Тр недопустим);

Pit)

Рис. 1.5. Вероятность безотказной работы машин различного служебного назначения при эксплуатации:

Грее — время, определяющее ресурс изделия, определяемый

сзаданной вероятностью ф

•у станков с 411У, оснащенных системами диагностики, P2(f) =

=0,999;

•у станков с ЧПУ P3(f) = 0,99.

При совместном действии постепенных и внезапных отказов суммарное значение вероятности Рс(*) подсчитывается по теоре­ ме умножения вероятностей (рис. 1.6). Например, для периода времени Ti получим

Pc(t) = P*(t)Pn(t),

где PB(t), Pu(t) — вероятности появления внезапных и постепен­ ных отказов соответственно.

Внезапные отказы, как правило, подчиняются экспоненци­ альному закону.

Для оценки надежности применяют статистические методы — накапливают статистику по отказам, строят гистограммы, опре­ деляют показатели. На рис. 1.7 приведены типовые диаграммы, полученные при исследовании надежности АЛ. Изменение P(t) оборудования АЛ носит экспоненциальный характер и зависит от величины потока отказов ю(£), который является показате­ лем, характеризующим их частоту. Однако метод статистиче-