книги / Надежность и диагностика технологических систем

2. В станкостроении — это компоновочные варианты станков (например, станки токарной группы могут быть с горизонтальной, наклонной или вертикальной станиной).

3. В конструкциях машин и строительных конструкциях — это вид заделки стержневых элементов (например, консоль, балка на двух опорах).

Проанализируем, как зависит надежность конструкции, на­ пример, от вида заделки стержня (т.е. от выбранной схемы, или структуры). Задача — выбрать структуру (вид заделки), при ко­ торой прогиб стержня f будет минимальным (рис. 7.5).

Рис. 7.5. Зависимость надежности стержневых конструкций от вида заделок:

а — консоль; б — консоль с дополнительным рычагом; в — балка на двух опорах; г — балка с жесткой заделкой

При консольной заделке (рис. 7.5, а) прогиб конца стержня

Р1\ 3EJ’

где Р — сила; I — плечо; Е - 2,1 •105 МПа — модуль упругости; J — момент инерции.

Очень серьезный недостаток при консольной заделке заклю­ чается в том, что при увеличении вылета плеча I его значение в формуле возводится в куб, тем самым автоматически резко увеличивается прогиб конца балки f.

Уменьшить прогиб (с целью повышения надежности конст­ рукции) можно, уменьшая плечо 1\за счет дополнительной на­ клонной опоры (рис, 7.5, б). Получим результат: Z2< h; fz « fi.

У варианта заделки стержня как балки на двух опорах (рис. 7.5, в) прогиб будет в 16 раз меньше, чем в первом варианте:

рр

6 48EJ

ИЛИ

Однако самый минимальный прогиб будет у конструкции с жесткой заделкой концов стержня (рис. 7.5, г):

Р13

h192J5J*

Вэтом случае прогиб уменьшается в 64 раза по сравнению

спервым (консольным) вариантом заделки (см. рис. 7.5, а). Задачи оптимизации реальных механизмов и машин не только

многопараметрические, но и многокритериальные. Оптимизация также может быть однокритериальной или многокритериальной.

Пример однокритериальной оптимизации: функция суммар­ ных потерь энергии Р£= + PQ (где Рц— потери на вязкое трение в рабочем зазоре, PQ — мощность, затрачиваемая на прокачива­ ние жидкости через опору) для всех типов гидростатических опор и направляющих имеет экстремальный характер в зависимости от рабочего зазора А (рис. 7.6, а) и от вязкости ц смазочной жид­ кости (рис 7.6, б). Следовательно, по условию минимизации энер­ готехнических потерь можно выбрать оптимальный рабочий за­ зор Дот, (приравняв к нулю отношение dfy/dA) и оптимальную вязкость цопх, приравняв к нулю отношение dPL/d\L= 0.

Процесс проектирования ГПС может быть автоматизирован почти полностью, поскольку в их состав входят унифицирован­ ные элементы (станки, СУ, инструментальные и транспортные системы, оснастка). Сведения об унифицированных элементах ГПС, типовых технологиях, инструментальном обеспечении хра­ нятся в БД.

Качество и скорость подготовки УП для оборудования ГПС — два основных критерия при построении предназначенных для этого интегрированных CAD/CAM-систем, позволяющих готовить

Рис. 7.6. Зависимость суммарных потерь энергии гидростатических опор:

а — от величины рабочего зазора А; б — вязкости ц смазочной жидкости

высококачественные УП в реальном масштабе времени: CAD — «Computer Aided Design» (проектирование с помощью компью­ тера); САМ — «Computer Aided Manufacturing» (изготовление с помощью компьютера).

Несмотря на то что CAD/CAM-системы выступают в качестве единого целого, их части (CAD и САМ) четко разделены (рис. 7.7). Для их стыковки разработан модуль конвертирования «в фор­ мат — из формата» VDA FS. Этот модуль не замкнут и может быть расширен для применения других графико-технологиче­ ских форматов. Предусмотрена возможность добавления фор­ мата STEP.

Возможны два режима ввода информации на уровень PC-NC. Если пользователь использует режим только ручного ввода ин­ формации, то последовательность шагов следующая:

1)создание чертежа вручную;

2)разработка вручную УП для изготовляемой детали, пред­ ставленной на чертеже (программа разрабатывается в соответст­ вии с DIN 66025);

3)ввод вручную УП программы NC-Editor;

4)конвертирование УП в машинных кодах;

5)отработка программы.

При режиме ручного ввода с частичным использованием авто­ матического цепочка передачи информации состоит из следую­ щих шагов:

1)создание чертежа вручную;

2)сканирование чертежа;

Рис. 7.7. Автоматизация технологической подготовки производства с использованием CAD/CAM-систем при программировании обработки на станках с ЧПУ

3)передача данных после сканирования в модуль векторных преобразований;

4)передача данных на уровень CAD-системы;

5)конвертирование данных в формат IGES;

6)конвертирование данных в формат VDA FS;

7)передача данных в формате VDA FS в резидентную систе­ му САМ (PC-NC-уровень);

8)конвертирование данных в системе САМ из формата VDA FS в графическое изображение;

9)разработка ТП обработки на поступившую деталь в систе­

ме САМ;

10)передача данных в модуль генерации в соответствии с DlN

66025;

11)передача УП в NC-Editor.

•правильный выбор СОТС при обработке резанием;

•условия эксплуатации оборудования ТС и строгое соблюде­ ние регламентных работ при обслуживании;

•создание базы данных по обеспечению надежности ТС. Опыт создания сложных технологических систем позволяет

сформулировать основные принципы, которых надо придержи­ ваться на различных этапах создания и эксплуатации изделий для обеспечения высокого уровня надежности:

•максимально возможное число элементов, проверенных на практике, и построение по «блочно-модульному» принципу. Мо­ дуль — отдельный, обособленный конструктивный блок, выпол­ няющий заданную ему функцию (это уже унифицированный, или отработанный, узел). При этом широко используются стан­ дартные, унифицированные детали и узлы;

•специальные защитные устройства, повышающие безопас­ ность, сигнализирующие о нарушении нормальной работы сис­ темы и исключающие возникновение катастрофических отказов;

•высокая контролеспособность системы (оснащенность специ­ альной аппаратурой для контроля основных параметров и воз­ можность визуального контроля);

•элементы системы должны быть рассчитаны исходя из ста­ тической и динамической прочности, установленных норм;

•система должна быть удобной для ремонта, допускать про­ стую замену изнашивающихся деталей, отдельных элементов

иузлов без разборки и переналадки всего изделия.

Этап «Производство опытного образца и испытания». Опыт­ ные экземпляры изделий подвергаются исследованиям и испыта­ ниям в лабораторных, стендовых и эксплуатационных условиях. Исследуются параметры рабочего процесса системы. Целесооб­ разно проводить опережающие исследования и испытания от­ дельных элементов (узлов) системы для скорейшего выявления и устранения дефектов.

Опытные экземпляры испытывают на надежность в условиях, имитирующих эксплуатационные. Для более быстрого выявления «слабых звеньев» и потенциальных возможностей изделия про­ водят ускоренные эквивалентные и форсированные испытания.

Должны проводиться исследования конструкционной проч­ ности и износостойкости, коррозионной и эрозионной прочно­ сти отдельных элементов системы. Исследования осуществляют на образцах-имитаторах и натурных деталях. При необходимости .

создаются специальные испытательные стенды для исследова­ ния надежности элементов и узлов.

На этапе создания и отработки опытного образца в его конст­ рукцию и технологию изготовления должны вноситься изме­ нения с учетом данных о наработке, отказах, неисправностях. Стадия опытного производства завершается официальными ис­ пытаниями и утверждением эталона-изделия для серийного производства.

Этап «Серийное производство». Технологическое обеспечение и технологическая дисциплина при изготовлении изделий в се­ рийном производстве должны быть не ниже уровня производст­ ва опытных образцов. Применяемые ТП не должны создавать значительные остаточные напряжения, снижающие прочность и надежность конструкции (из-за наследственности, концентра­ торов напряжений, не оптимальных методов и режимов обра­ ботки), а также вызывать повреждения материала (перегрев, усталость металла, трещины, прижоги при шлифовании).

Для повышения прочности и износостойкости наиболее от­ ветственных деталей следует применять упрочняющую техно­ логию (поверхностный наклеп, обдувку дробью, виброгалтовку, накатку роликами), а также использовать защитные покрытия деталей от коррозии и других вредных воздействий (анодную защиту, плазменное напыление, лазерную обработку, специаль­ ные покрытия).

Особое внимание следует уделять современным, эффективным методам упрочнения деталей, штампов и режущего инструмента (азотирование, карбонитрация, цементация, электронно-импульс­ ное легирование, безабразивная ультразвуковая финишная обра­ ботка (БУФО).

Следует установить систему входного контроля (для материа­ лов, комплектующих деталей, узлов, агрегатов). Для ответствен­ ных деталей следует применять контроль геометрических пара­ метров, механических свойств, твердости, структуры металла, химического состава. Для выявления дефектов (трещин, засоре­ ний, рыхлот), особенно в литых деталях, поковках и сварных швах, необходимо применять дефектоскопию (цветную, люми­ несцентную), рентгеноскопический анализ, ультразвуковой кон­ троль. Рекомендуется применять разрезку одной детали из партии для проведения более полного исследования; использовать микро­

Целенаправленное использование возможностей электрон­ но-вычислительной техники, применение высокоэффективных, автоматизированных систем (САПР, АСТПП, АСНИ) и методов проектирования позволяет:

•рассмотреть и оценить множество возможных проектных вариантов и выбрать оптимальный;

•повысить уровень и качество проектных работ;

•сократить сроки на разработку и изготовление;

•повысить уровень надежности создаваемых конструкций. На этапе проектирования делается выбор варианта структуры

ирасчет схемной надежности системы. Принятие решений о схем­ ной надежности делается в самом начале процесса проектирова­ ния. Это начало, т.е. «вход» в проблему поиска оптимальной (надежной) конструкции, — первый, принципиально важный шаг. На большое число выходных параметров проектируемых ТС устанавливаются нормативы, обусловливающие его надежность.

Виды параметров и их особенности. Параметр (от греч. рагаmetron — отмеривающий, соразмеряющий) — величина, харак­ теризующая какое-либо свойство процесса, явления, системы, технического устройства. Параметры используются для коли­ чественного выражения (оценки) свойств системы. Параметры делятся на три группы: выходные, внутренние, внешние.

Выходные параметры объективно характеризуют ТС и отра­ жают ее главные, специфические, неотъемлемые свойства. Напри­ мер, у станков — это точность, производительность, надежность. Выходные параметры характеризуют и работоспособность ма­ шины. Их выбор связан и обусловлен ее целевым назначением.

Внутренние параметры характеризуют свойства только отдель­

ных элементов ТС. Например, для станков с ЧПУ — это специфи­ ческие параметры, характеризующие их точность: погрешности позиционирования, геометрические, от тепловых и упругих де­ формаций. Например, параметр «точность позиционирования» (точность выхода рабочих органов в запрограммированную коор­ динату) является важнейшим показателем технического уровня и технологических возможностей станков с ЧПУ.

Внешние параметры характеризуют свойства внешней среды, воздействующей на ТС (например, вибрации, температура и влаж­ ность воздуха в цехе, запыленность).

Особенностью параметров является широкий диапазон: от ха­ рактеристик отдельных, частных свойств детали, узла или эле­