CC BY
28
Инновационные устройства для мониторинга процессов
металлообработки
В статье дано описание инновационных автоматизированных систем мониторинга, таких как мобильные мониторы виброакустических сигналов, динамометрические паллеты для передачи информации о силах резания на монитор по радио.
Ключевые слова: мониторинг, технологическая система, надежность, виброакустический сигнал, динамометрия, акустическая эмиссия.
А. Р. Маслов,
д. т. н., профессор, кафедра высокоэффективных технологий обработки, ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН»
ю о
N о N
00
£
£ <
СО О X X £
Повышение надежности технологических систем (ТС) для автоматизированной лезвийной обработки заготовок и связанное с этим обеспечение заданной точности и себестоимости обработки являются одной из важных проблем современного машиностроения. Один из способов ее решения — мониторинг технического состояния ТС, т. е. совокупности технических параметров, характеризующих возможное отклонение функционирования ТС от нормального, приводящее к отказу [1, 2, 10-12].
Одна из основных причин неудовлетворительного уровня безотказности ТС — отсутствие в их составе развитых систем мониторинга неисправностей. Анализ причин отказов позволяет определить задачи мониторинга, который должен создаваться для контроля состояния механических узлов. Данные эксплуатационных исследований станков с ЧПУ [3] показывают, что значительная доля отказов механической части станков происходит из-за различных разрегулировок узлов. Эти данные свидетельствуют о том, что на разрегулировку приходится до 60% отказов механической части ТС. Для механизмов приводов подач и ограждения рабочей зоны и узлов крепления датчиков положения исполнительных органов разрегулировки являются причиной до 80...90% всех функциональных отказов. При этом если периодичность возникновения отказов из-за конструктивных или технологических недоработок составляет около 100.150 ч, то отказы из-за разрегулировок происходят в среднем через 30.40 ч, что совершенно недопустимо как с позиций обеспечения эффективности эксплуатации ТС, так и с позиций соответствия таких условий эксплуатации режиму «безлюдной» технологии.
В связи с этим актуальна разработка мониторов состояния основных механических узлов в составе системы тестового диагностирования неисправностей ТС. В период профилактического обслуживания система мониторинга должна определять состояние основных узлов на основе сопоставления фактических
параметров, характеризующих работоспособность того или иного узла, с заданными параметрами.
Мониторинг, как процесс систематического или непрерывного сбора информации о параметрах ТС или процесса лезвийной обработки, тесно связан с проблемой надежности ТС, так как получаемая информация используется не только для выявления дефектов и оценки работоспособности исследуемых объектов, но и для прогнозирования их дальнейшего поведения.
Основная цель мониторинга процесса лезвийной обработки заготовок состоит в своевременном определении предельного состояния или отказа инструмента для его замены и тем самым восстановления работоспособности автоматизированных станков и станочных комплексов, а также текущего состояния инструмента в целях управления процессом резания: коррекции траектории движения инструмента, изменения режимов резания и др. [4, 5].
Технологический алгоритм содержит три части:
• измерение параметров диагностических признаков состояния и отказа инструмента;
• распознавание текущего состояния инструмента и его отказа;
• принятие решений по замене инструмента или управлению технологическим процессом. Последовательность их выполнения описывают с
помощью алгоритмов. Блок-схема алгоритма является основой для программного обеспечения и определения состава технического обеспечения системы диагностирования.
Часть алгоритма, управляющая действиями распознавания, определяет требования к его первой части. От надежности распознавания зависит также и третья часть — уровень квалификации принимаемых решений. В связи с этим при разработке системы мониторинга сначала устанавливается принцип распознавания повреждения, основанный на выявлении информативного диагностического признака, а затем строятся первая и третья части алгоритма.
Для значений измеряемого параметра устанавливают ограничения, за пределами которых сигнал, поступающий от измерительного устройства, может свидетельствовать о каком-либо нарушении. Дифференциация этих ограничений позволяет идентифицировать вид нарушения с той или иной степенью достоверности и создать предпосылки для принятия решений в каждом конкретном случае.
Однако эффективность мониторинга определяется не только качеством его алгоритма, но и качеством средств исполнения. Эффективность автоматизированной системы мониторинга определяется не только высоким уровнем организации сбора и обработки информации и минимальными затратами времени и средств на ее разработку.
Распространенный в массовом и крупносерийном машиностроительном производстве способ предупреждения отказов путем планово-предупредительной замены или ремонта элементов ТС на основе опытных данных об их отказах и ресурсах неэффективен в современных условиях. Для мелкосерийного и единичного производства ТС изготовляют малыми партиями с уникальной комплектацией. Это не позволяет установить опытным путем наработку до отказа и ресурс элементов ТС в каждом конкретном случае. Поэтому необходимыми становятся как периодический контроль параметров обработанных деталей, так и непрерывный мониторинг состояния узлов ТС, включая режущий инструмент, в процессе лезвийной обработки с помощью встроенных датчиков и соответствующих внешних автоматических систем сбора и обработки информации. Однако, периодический контроль пропускает параметрические отказы, а непрерывный мониторинг требует значительных материальных затрат.
Для решения этой дилеммы в МГТУ «СТАНКИН» созданы автоматизированные системы мониторинга процессов автоматизированной лезвийной обработки заготовок, включающие:
• мобильные мониторы, подключаемые к различным типам и моделям ТС для анализа виброакустической информации о состоянии их узлов;
• динамометрические паллеты для автоматической смены заготовок на многоцелевых ТС с передачей информации о силах резания на монитор по радиоканалу;
Автоматическое поддержание работоспособности ТС в условиях малолюдной технологии возможно при использовании встроенных средств диагностики, собирающих информацию о качестве протекания технологического процесса. В состав функций оперативного мониторинга входят не только оценка состояния механизмов и рабочего процесса, определение места и причин отказов, но и функция принятия решений по ликвидации их последствий. Средства мониторинга в этом случае решают следующие задачи: диагностика состояния режущего инструмента; диагностика процесса резания и его оптимизация; контроль функционирования и диагностика состояния механизмов станка; размерный контроль; адаптация режимов обработки к переменной ситуации в зоне резания; коррекция координат рабочих органов для компенсации температурных деформаций и т. п. [6].
Средства (датчики) для мониторинга процесса резания выбирают в основном по двум критериям: информативность (адекватность исследуемой ситуации, возникающей в зоне резания); простота и надежность встройки в станок. По ним в большинстве случаев проводят мониторинг силы резания, крутящего момента или мощности привода, расходуемой на резание. Однако в условиях автоматической смены большого количества разнотипного инструмента мониторинг сил резания существенно усложняется. Более универсален контроль мощности привода, но его нельзя применять на многоцелевых станках, где применяется как чистовой, так и черновой инструмент. На режимах чистовой обработки, как и при работе с мелкоразмерным инструментом разброс потребляемой на резание мощности значительно меньше вариаций мощности холостого хода любого современного привода. Опыт показывает, что, контролируя мощность привода, поломки мелкоразмерного и чистового инструмента либо не выявляются, либо выявляются с большим запаздыванием.
Более универсальным является способ встраивания датчиков-акселерометров для измерения вибраций в диапазоне до 30...40 кГц [7]. Главная проблема использования виброакустических сигналов (ВА сигналов) в качестве диагностического параметра — их прямая зависимость от динамических характеристик упругой системы. Однако если на станке меняются заготовки, имеющие различные динамические характеристики, то и зона резания меняет свое положение в рабочем пространстве станка, что создает разнообразие динамических характеристик.
Разработанный в МГТУ «СТАНКИН» мобильный монитор (рис. 1) имеет два измерительных канала для приема и обработки ВА сигналов. В состав мобильного монитора входят: модуль аналогового преобразования (МАП), включающий в себя источник питания датчиков; фильтр низких частот (ФНЧ) с граничной частотой 22 кГц (на уровне -3 дБ, крутизна спада 40 дБ/дек); плата сбора данных Е14-140 производства
Рис. 1. Мобильный монитор на шлифовальном станке
ю о
CN
cJ о сч
оо
J <
со
о
Рис. 2. Экспериментальная модель двухканальной динамометрической паллеты: 1 — динамометр;
2 — радиопередатчик; 3 — базовая станция; 4 — ПК
компании Л-Кард (Россия); специальное программное обеспечение, разработанное при помощи пакета программ NI LabVIEW-2009.
Система сбора данных представляет собой аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) сигналов в виде платы E14-140, которая имеет возможность подключения до 16 дифференциальных каналов с максимальной частотой дискретизации 100 кГц (зависит от числа подключенных каналов). В составе разработанного мобильного диагностического комплекса плата E14-140 работает для двух каналов с максимальной частотой преобразования 50 кГц на каждый канал. Плата соединяется с ПК при помощи интерфейса USB 1.1/2.0, по которому и получает питание.
Применение МАП и АЦП позволяет проводить измерения автономно с использованием ноутбука. В зависимости от требований к составу и характеристикам могут быть созданы универсальные ММ с разнообразными датчиками, охватывающими большинство задач отраслевого масштаба, или двух- трех-канальные модульные ММ, легко трансформируемые под контроль разнообразных сигналов.
В МГТУ «СТАНКИН» разработаны динамометрические паллеты для автоматической смены заготовок на многоцелевых станках. Например двухканальная палетта включает (рис. 2): динамометр; радиопередатчик; базовую станцию (приемник) и персональный компьютер (ПК) [8].
Усиление и фильтрация нижних частот с полосой пропускания 250 Гц, необходимы для устранения эффекта наложения спектров при АЦП с максимальной частотой 4 кГц для одного канала и 500 Гц для восьми каналов. Цифровой сигнал поступает на микроконтроллер, который в соответствии с внутренними алгоритмами и программами нижнего уровня, а также переменными, проводит математические и логические операции с измерительным сигналом. Результат помещается в информационный пакет, который до отправки через цифровой интерфейс на передатчик хранится в памяти до 2 МБ.
Передатчик работает на частоте 2,4 ГГц и соответствует открытому стандарту IEEE 802.15.4-2006, который определяет физический слой и управление доступом к среде для беспроводных персональных сетей с низким уровнем скорости. Мощность передатчика
составляет 1 Вт, что позволяет передавать сигнал на расстояние до 70 м. Базовая станция принимает пакет информации от радиопередатчика и через USB передает его на ПК. В режиме «запрос-ответ» с ПК на узел связи отсылается запрос на определенные действия (настройка, сбор данных, отключение и др.). На узел связи приходит ответ в виде информационного пакета.
Анализ условий внедрения разработанных систем мониторинга показывает, что они экономически эффективны, если их стоимость не превышает 23% от первоначальной стоимости ТС [9]. Определена минимальная доля времени нахождения ТС в работоспособном состоянии относительно общей продолжительности эксплуатации, при которой окупаются затраты на мониторинг.
* * *
Статья подготовлена в рамках выполнения государственного задания в сфере научной деятельности № 9.1557.2014/К.
Список использованных источников
1. Диагностика автоматизированного производства/С. Н. Григорьев, В. Д. Гурин, М. П. Козочкин и др.; под ред. С. Н. Григорьева. - М.: Машиностроение, 2011. - 600 с.
2. Zavgorodnii V. I., Kozochkin M. P., Maslov A. R., Sabirov F. S. Influence of the Dynamic Characteristics of the Tool and the Blank on the Vibroacoustic Monitoring of Cutting//Russian Engineering Research, 2010. V. 9 (30). pp. 939-943.
3. Маслов А. Р. Контроль шероховатости поверхности деталей методом виброакустического диагностирования//«Вестник МГТУ «Станкин», №2/2012 с. 29-31.
4. Маслов А. Р., Леднев А. С., Созыкина А. И. Методика создания инновационной адаптивной системы телеметрического управления процессом микрообработки//Вестник МГТУ «Станкин», № 4/2012, с. 62-63.
5. Kozochkin M. P., Kochinev N. A., Sabirov F. S. Diagnostics and monitoring of complex production processes using measurement of vibration-acoustic signal//Measurement Techniques. 2012. V. 49. № 7. Р. 672-678.
6. Маслов А. Р., Порватов А. Н. Динамометрическая паллета с передачей диагностических сигналов по радиоканалу//Справочник. Инженерный журнал с приложением. 2011. № 12. С. 20-24.
7. Борисов А. А., Маслов А. Р., Каймин В. Г. Программа спектрального анализа динамометрической информации при диагностировании состояния микроинструмента//Вестник МГТУ «Станкин» №1/2013, с. 87-89.
8. Порватов А. Н., Туманов А. А. Аппаратно-программный комплекс для диагностирования состояния и повышения эксплуатационной надежности технологических систем//Вестник МГТУ «Станкин» №1/2013, с. 89-91.
9. Маслов А. Р. Измерение параметров шероховатости обрабатываемой поверхности при точении деталей из жаропрочных сплавов//«Измерительная техника», 2012, № 6, с. 37-40.
10. Козочкин М. П. Многопараметрическая диагностика технологических систем для обработки материалов резанием//Вестник МГТУ «Станкин» № 1/2014, с. 13-19.
11. Терешин М. В., Кулагин О. А. Оперативное регулирование процесса резания в технологических системах металлообработки// Вестник МГТУ «Станкин» №2/2013, с. 25-30.
12. Юркевич В. В., Лушников П. В. Диагностика подшипников качения//Вестник МГТУ «Станкин» №3/2013, с. 53-56.
The innovative device for monitoring processes
metalworking A. R. Maslov, Doctor of technical sciences, Professor of sub-department «Higheffective technology of mashining» of MSTU «Stankin».
The article describes the innovative monitoring systems, such as mobile monitors vibro-acoustic signals, torque pallets for transmitting information about the power cut at the monitor on the radio.
Keywords: Monitoring, technological system, vibroacoustic signal, dynamometry, acoustic emission.
