ГЛАВА 5. ДИАГНОСТИРОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СТАНОЧНЫХ СИСТЕМ И УСТРОЙСТВ УПРАВЛЕНИЯ
Эффективность автоматизированного технологического процесса, основанного на применении современных станков с ЧПУ, во многом определяется надежностью технологического и вспомогательного оборудования, режущего инструмента, принятых режимов обработки.
Надежность –свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях эксплуатации. Надежность объекта является комплексным свойством, которое оценивается с помощью основных его показателей: безотказности, долговечности, ремонтопригодности, сохраняемости.
Для обеспечения требуемой надежности технологического процесса механической обработки необходимо реализовать комплексный подход к решению задач контроля и диагностирования всех элементов этого процесса: от режимов работы станочного оборудования до правильности выполнения программ системы числового управления.
Техническое диагностирование –это процесс определения технического состояния объекта с определенной точностью и указанием места, вида и причины дефектов.
Диагностирование осуществляется через измерение и контроль количественных значений параметров, качественных значений признаков, а также посредством анализа и обработки результатов измерения и контроля. Основными требованиями к средствам технического диагностирования являются широкий диапазон измерений, высокая чувствительность, возможность быстрой переналадки и оперативность проведения диагностических операций в автоматическом режиме.
Станок с ЧПУ как объект технического диагностирования
Как механический объект станок с ЧПУ представляет собой сложную машину, включающую в себя группы объединенных одним целевым назначением механизмов и узлов, часть из которых определяет взаимное расположение и пространственную ориентацию непосредственно участвующих в резании узлов (станины; корпуса коробок скоростей и подач; узлы суппортной и шпиндельной групп, револьверной головки, задней бабки), а другая часть создает формообразующие и вспомогательные движения (приводы главного движения и подач, механизмы зажима и установа подвижных узлов станка).
В процессе работы станка под действием различных видов энергии (потенциальной, накопленной в деталях и узлах станка в процессе изготовления; кинетической, связанной с движениями узлов; энергии окружающей среды) в формообразующих узлах станков происходят различные физические явления. Так, под действием нагружающих сил и источников теплоты происходят упругие и тепловые деформации деталей и узлов станка, в кинематических и фрикционных парах генерируются электрические сигналы, в результате трения о грани режущего инструмента и пластического деформирования обрабатываемого материала, возникают вибрации.
Данные физические явления могут происходить как за доли секунды, так и за период непрерывной работы станка. По закономерностям изменения большинство из них относятся к случайным функциям, а по характеру поведения — к обратимым (тепловые и упругие деформации) и необратимым (изнашивание, коробление) явлениям.
Каждое из этих физических явлений может быть оценено информативным параметром, подлежащим контролю. Можно выделить область допустимых значений регистрируемых информативных параметров, характеризующих такое физическое состояние станка, при котором его выходные параметры будут находиться в пределах, нормируемых для станка данного класса точности. Выделяют следующие физические состояния: электрическое, тепловое, размерно-геометрическое, вибрационное и упругодеформаци-онное, дающие наиболее полную характеристику работы станка.
Станочное оборудование, имеющее выходные параметры y (t), может быть представлено в виде объекта управления, на который оказывают влияние входные факторы x (t) и внешние возмущающие неуправляемые 
и управляемые f (t) факторы (рис. 5.1).
, 
,
, 
Рис. 5.1. Станок как объект диагностики и управления
Устройствами управлениястаночного оборудования являются регуляторы вращения шпинделя, продольной и поперечной подачи. К входным факторам относятся скорость резания V, продольная S пр и поперечная S п подачи, жесткость системы j. Среди возмущающих воздействий выделяют неуправляемые: колебания режущих свойств инструмента K и и твердости заготовок HB, и управляемые: колебания составляющих силы резания Pz, мощности резания N, температуры резания T и износа инструмента h и. Выходные параметры оцениваются размерно-геометрическими параметрами изготовляемых деталей (точностью IT и шероховатостью Rz обработанных поверхностей) и экономическими показателями эффективности процесса резания (производительностью Q и себестоимостью изготовления C).
Используя входные и управляемые возмущающие воздействия, а также часть выходных параметров (размерно-геометрические параметры детали), согласно принципам автоматического управления можно выделить варианты управления процессом резания, обеспечивающие повышение эффективности работы: управление процессом по возмущающим или выходным параметрам. Тем самым осуществляется автоматическое управление металлообработкой.
Рассмотрим структуру системы управления станком с ЧПУ без использования средств технического диагностирования (рис. 5.2). Такая система использует два источника информации – УП и информацию, которая поступает от датчиков обратной связи, измеряющих параметры движения (координаты, скорость) рабочих органов станка, его вспомогательных механизмов и устройств автоматизации. Остальную информацию, необходимую для контроля рабочего процесса и качества обработанных деталей, оператор получает с помощью визуального наблюдения и универсальных измерительных приборов (микрометра для проверки размеров, вольтметра для проверки нагрузки привода главного движения и т.п.).
Рис. 5.2 Структура системы управления без использования средств
технического диагностирования
Решения, которые принимает оператор на основе своих наблюдений, вводятся им в систему ЧПУ в качестве дополнительных воздействий, корректирующих управляющую программу. В случаях возникновения нерегулярных и аварийных ситуаций оператор прерывает обработку и производит ряд ручных операций (проверка и замена инструмента, измерение детали), после чего снова включает автоматический режим работы оборудования.
Рассмотрим структуру системы управления станком с ЧПУ с включением средств контроля и диагностики (рис. 5.3). Эти средства, предназначенные для замены действий оператора, объединены в систему, которая включает измерительные устройства, устройство сбора и обработки информации, поступающей от измерительных устройств, устройства принятия и реализации решений. Представленная система следит за работой механизмов станка, ходом процесса резания, качеством полученных деталей; фиксирует сбои управляющей программы и отказы оборудования; формирует решения, необходимые для автоматического продолжения обработки; при необходимости прекращает работу станка, оповещает наладчика и выдает ему информацию о месте и причине отклонения от нормы или отказа.
Рис. 5.3 Структура системы управления с использованием средств
технического диагностирования