Геометрические и рабочие пара­метры. Геометрические параметры стан­ков с ЧПУ прежде всего характеризу­ются рабочим пространством (рабочей зоной), внутри которого инструмент и обрабатываемая деталь могут взаимо­действовать в любой точке. В станках, предназначенных для обработки тел вращения (рис. 3.19, а), рабочее про­странство — цилиндрическое, определя­емое радиусом (высотой центров) и длиной, а в станках для обработки призматических деталей (рис. 3.19,6) рабочее пространство — прямоугольное (реже цилиндрическое), определяемое длинами координатных перемещений.

Характерные (граничные) точки ра­бочего пространства нумеруются подобно элементам матрицы. Наиболее удобен по­рядок нумерации, при котором первая цифра — порядковый номер точки по вертикальной координате, вторая — по поперечной координате, третья — по про­дольной. Начало координат рабочего пространства обычно выбирают так, что­бы возрастание номеров соответство­вало положительному направлению осей координат.

3150—4000 1 — 10

3150—4000 2,4—8,0

Рис. 3.19. Рабочее пространство (рабочая зона) станков

К рабочим параметрам станков от­носятся скорости движений рабочих ор­ганов и мощность, реализуемая в про­цессе резания. Разнообразие деталей, обрабатываемых на одном станке, а для многоцелевых станков и разнообразие технологических операций, требует зна­чительных диапазонов скоростей реза­ния и рабочих подач. В зависимости от ведущего геометрического параметра (ширины стола — для станков фрезерно - сверлильно-расточной группы, макси­мального радиуса или высоты центров обработки — для станков токарной груп­пы) анализ статистических данных по­зволил выработать рекомендации по це­лесообразным значениям мощности глав­ного привода, диапазону частоты враще­ния шпинделя и диапазону скоростей в приводе подач.

5—11

9—15

Для примера приведем рекомендуе­мые рабочие параметры многоцелевых станков для обработки призматических деталей:

Производительность станков с ЧПУ.

Производительность станка определяет­ся числом деталей, обработанных в еди­ницу времени, и выбирается в зави­симости от требуемой ритмичности про­изводства. Производительность станка с ЧПУ, в том числе и целевого станка, может быть подсчитана как средняя штучная производительность

1 Г '

Qc=-^=[(m/«) /,,3 + ^З+Х Tp + I-i k ' .

+ I/.+I/.H

1 1

Где to — среднее штучное время; tm — Подготовительно-заключительное время на партию деталей (несовмещенное); т — число партий деталей в год; п — об­щее число деталей в год; г — число рабо­чих операций при обработке данной де­тали; k — число контрольных операций; T„ — время смены инструмента (несовме­щенное); t3 — время смены заготовки; Tp — основное время; tK — время конт­рольной операции.

Производительность автоматической станочной системы, состоящей из ряда станков,

Qa.C=Qca,

Где а — среднее число одновременно обрабатываемых деталей.

Для повышения производительности станков с ЧПУ следует стремиться к сокращению подготовительно-заключи­тельного времени на каждую партию деталей и к уменьшению общего числа партий деталей, обрабатываемых на станке. Первое условие обеспечивается за счет совершенствования приспособ- лений-спутников и оснастки, а также сокращения затрат времени на форми­рование УП. Уменьшение числа партий деталей, обрабатываемых на современ­ных станках с ЧПУ, привело к тому, что обычно за станком закреплено не более 30—50 наименований деталей в год; даль­нейшее сокращение в условиях мелко­серийного производства в большинстве случаев затруднительно. Уменьшить вре­мя на смену режущего инструмента можно (у станков с системой АСИ) за счет повышения динамических харак­теристик устройств АСИ и усовершен­ствования систем управления этими уст­ройствами. Время смены инструмента в современных многоцелевых станках не превышает 3—5 с. Чтобы сократить вре­мя на смену инструмента в станках с ручной его заменой, необходимо ис­пользовать быстродействующие зажим­ные устройства.

В целях сокращения времени на сме­ну заготовки станки с ЧПУ оборудуют многопозиционными устройствами авто­матической смены обрабатываемых де­талей, системой приспособлений-спут­ников.

Основное время обработки детали можно сократить за счет повышения скоростей резания и соответствующего увеличения мощности главного привода. Это позволяет использовать прогрессив­ные режущие инструменты, оптимальные режимы резания, применять одновремен­но несколько режущих инструментов. Вспомогательное время как составляю­щая основного времени сокращается за счет увеличения быстродействия узлов станка, главным образом повышения средней скорости быстрых перемещений до 10—15 м/мин.

Точность станков. Точность станка определяется точностью исполнительных движений его рабочих органов и их от­носительным расположением во время обработки. Суммарная погрешность об­работки в станках с ЧПУ формируется множеством взаимосвязанных ошибок А,, возникающих в несущей системе стан­ка, приводе его рабочих органов, систе­мах управления и контроля, в инстру­менте и самой обрабатываемой детали (рис. 3.20, 3.21). Анализ составляющих суммарной погрешности Д2 обработки на конкретных станках свидетельствует о доминирующем значении нескольких источников ошибок, которые и пред­определяют общую точность станка (рис. 3.22). Важнейшими составляю­щими общей погрешности станка обычно
являются ошибки привода подач: ошибки позиционирования, геометрические по­грешности и упругие перемещения несу­щей системы (см. гл. 12).

Надежность станков с ЧПУ. Станки с ЧПУ в связи с их значительной стои­мостью экономичны только при интен­сивном использовании во времени (двух­сменном, а иногда и трехсменном) и при эксплуатации без простоев. Станки рабо­тают в напряженном режиме, так как на них выполняют разнородные работы. Возрастают требования к сохранению станками определенной точности в тече­ние всего периода эксплуатации.

Свойство объекта выполнять задан­ные функции, сохраняя во времени зна­чения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соот­ветствующих заданным режимам и усло­виям использования, технического обслу­живания, ремонтов, хранения и тран­спортирования, называют надежностью. В свою очередь, надежность характе­ризуется безотказностью, долговечно­стью и ремонтопригодностью.

Безотказность — свойство объекта непрерывно сохранять работоспособ­ность в течение некоторого времени (на­работки). Долговечность — свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического об­служивания и ремонтов.

Безотказность и долговечность — свойства изделия сохранять работоспо­собность, различие между ними заклю­чается в том, что безотказность охва­тывает ограниченное время, а долговеч­ность распространяется на ресурс ра­боты объекта с возможными перерывами на ремонт.

1_

Рис. 3.20. Суммарная погрешность обработки на станках с ЧПУ:

Si, 62, 63. 64 — ошибки соответственно программирования, интерполятора, корректоров интерполятора и формирования команды «выход в нуль» 65, 6б — ошибки датчика — внутришаговая и накопленная; — ошибка нормирующего преобразователя; 68 — ошибка дрейфа характеристик привода; §9, 6т, 611 — ошибки привода: динамическая, моментная и скоростная; 612 — ошибка шариковой винтовой пары; б|з — геометрическая ошибка станка; 6ц, 615 — упругие перемещения соответственно станка и приспособления; 6|6 — размерная ошибка установки инструмента; 617 — износ инструмента; 61в — упругие деформации инструмента; 619 — геометрическая ошибка установки детали; 62о— упругое перемещение детали; 621 — температурная деформация детали

Основным показателем надежности (и в то же время безотказности) может
быть принята вероятность безотказной работы в пределах заданного периода времени. Например, если вероятность безотказной работы станка Р„ = 0,97 в течение 1000 ч, то это значит, что 97 % за то, что в течение 1000 ч станок будет работать безотказно. Значение Рн имеет смысл лишь при указании периода вре­мени, в течение которого должно вы­полняться условие безотказности работы машины.

Свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения его отказов, повреждений и устранению их последствий путем проведения ремон­та и технического обслуживания, назы­вают ремонтопригодностью.

Рис. 3.21. Схема образования погрешностей при обработке на станках с ЧПУ

Конструкция станка, технология его изготовления и методы эксплуатации определяют надежность станка в целом и все три ее основные части: безот -

Б) Мкм Во 70 60 50

Казность, долговечность и ремонтопри­годность. Для станков с ЧПУ особенно актуальны проблемы безотказности и ремонтопригодности. Это связано с боль­шой сложностью конструкции, значитель­ным числом элементов, взаимодействием разнородных устройств и механизмов.

Для станков с ЧПУ предложен комп­лексный показатель надежности — Удельная длительность восстановления В, характеризующаяся отношением по­казателей ремонтопригодности Тв и без­отказности Т станков:

M N

В= LtBj/ £ь = т,/т,

I=I I=I

Где t„j — время, затрачиваемое на обна­ружение причины и устранение послед­ствий /-го отказа станка, ч; U — сум­марная наработка г'-го станка за период наблюдений, ч; N — число станков, на­ходящихся под наблюдением; m — сум­марное число отказов станков с ЧПУ.

Удельная длительность восстанов­ления функционально связана с коэф­фициентом готовности Kr — вероятно­стью того, что станок окажется работо­способным в произвольный момент вре­мени, кроме планируемых периодов, в течение которых использование стан­ка по назначению не предусматривается:

Fe, = l/(l + В).

Для станков с ЧПУ установлены следующие нормы надежности: для стан­ков с револьверной головкой и одно - инструментальных 5 = 0,05^0,07, т. е. допускается 5—7 ч простоев для непла­нового ремонта на 100 ч работы по управ­ляющим программам; для станков с ин­струментальным магазином В =0,07 - f - 0,10; для устройств ЧПУ В =0,005-^- 4-0,02.

Эксплуатационная надежность стан­ков связана с отказами различного ха­рактера.

Отказ — событие, заключающееся в нарушении работоспособности объекта. В течение раннего периода эксплуата­ции станка отказы происходят чаще, чем при дальнейшей эксплуатации.

Так называемый период приработки, Когда имеется повышенное число отка­зов, для станков с ЧПУ продолжается в течение нескольких десятков и даже сотен часов. Потребителю следует быть готовым к тому, что на заводе-изгото - вителе процесс приработки станка не был завершен и будет продолжаться в период пуска его и на первой стадии эксплуа­тации. Это требует от обслуживающего персонала заводов-потребителей знаний устройств всех механизмов и систем станков. Наиболее сложные проблемы возникают при освоении новых моделей станков, опыта эксплуатации которых за­вод-потребитель не имеет.

После завершения приработки ста­нок вступает в период нормальной эксплуатации. Этот период характерен тем, что интенсивность отказов резко снижается по сравнению с периодом при­работки и остается постоянной в течение нескольких тысяч часов. В любой рав­ный отрезок времени этого периода ча­стота отказов практически одинакова, и безразлично, будет ли это время, на­пример, от 250-го до 400-го или от 2600-го до 2650-го часа работы станка. Отказы носят внезапный характер, предвидеть или предсказать их трудно. Возникают они вследствие внезапной концентрации нагрузок, превышающей расчетное зна­чение для данных элементов, деталей или механизмов.

Под элементами в данном случае понимается все многообразие состав­ляющих комплекса станок — устройство ЧПУ. Рабочие нагрузки также чрезвы­чайно многообразны и составляют сово­купность разнородных параметров. Для механических систем это статические и динамические воздействия сил резания, приводов движений, трения; вибрации, высокие температуры; для гидравличе­ских систем — повышенные температуры и давление, механические примеси и вла­га в рабочей жидкости; для электри­ческих и электронных устройств — на­пряжение, сила тока, частота, темпера­тура, вибрации, загрязненность воздуш­ной среды, ускорения, влажность и др. Интенсивность отказов элементов резко снижается, если снизить нагрузку на них. Это правило чрезвычайно важно на этапе проектирования, когда выбирают соотношения между номинальными уров­
нями прочности и нагрузки. Но многое можно сделать и на этапе эксплуатации станка, не нагружая его сверх допу­стимого уровня, обеспечив необходимый тепловой режим всех устройств и систем, не допуская запыленности, загрязнения, проникновения влаги и воздействия внешних вибраций.

В период нормальной эксплуатации вероятность безотказной работы Р„ опре­деляется эксплуатационной зависимо­стью Pv(T)=E~~X', где е = 2,71828 — ос­нование натурального логарифма; К— постоянная, называемая интенсивностью внезапных отказов; T — произвольное время работы, для которого определяется надежность устройства.

Величина Ри представляет собой ве­роятность того, что устройство с постоян­ной интенсивностью отказов не откажет в течение заданного времени T. Величина Т=/Х называется средней наработкой на отказ и исчисляется в часах.

Кривая интенсивности отказов в за­висимости от времени эксплуатации приведена на рис. 3.23. Период приработ­ки завершается к моменту Т„, период нормальной эксплуатации — к моменту Г„. Чтобы избежать отказов, связанных с изнашиванием, следует своевременно профилактически заменять износившие­ся и устаревшие элементы. Такая за­мена позволяет почти полностью избе­жать отказов из-за изнашивания и по­высить в конечном счете надежность станков. Заменять элемент следует рань­ше, чем он отработает весь срок М службы. Таким моментом должно. быть время 7"„, когда износ только начинает появляться и возникает вероятность пер­вых отказов. Исходя из этого следует определить сроки профилактической за­мены элементов конструкции.

Исследование отказов и соответству­ющих простоев оборудования с ЧПУ позволяет разбить все виды отказов на определенные группы со свойственными каждой группе закономерностями.

Отказы электрооборудования стан­ков, включая СЧПУ, распределяются по показательному закону P(T)=E~U, Где T — период времени безотказной ра­боты; К — интенсивность отказов (плот­ность вероятности возникновения отка -

А) А/к

X-Xi Ян и-ш Iv-V Vi-Vii Т-к

Рис. 3.23. Показатель работы многоцелевого станка в течение года эксплуатации: а — интенсивность отказов X в процессе эксплуа­тации станка; б — число отказов IV; в — Время простоев T 1—3 — отказы: / — организационные; 2 — элек­трооборудования; 3 — механической подсистемы

Л-XI ян и-ш N-V Vi-W M-IГ Месяцы

Месяцы 132 ч 40 мин

За). По мере совершенствования систем управления, перехода на микропроцес­соры и бесконтактную автоматику отказы электрооборудования по сравнению с первыми моделями станков существенно снизились.

Отказы деталей и механизмов стан­ка имеют разнообразный характер, и для их описания принимают обычно трехпа - раметрическое распределение Вейбулла

-D/C~K)I>

Или иначе

^

Где а, Ь, с, R = Kc — постоянные пара­метры распределения.

Иногда в целях упрощения обработ­ки экспериментальных данных прини­мают двухпараметрическое распределе­ние Вейбулла, полагая R = K = 0.

В качестве примера на рис. 3.24 приве - Деиы данные по надежности взаимосвязан­ной группы станков с ЧПУ для обработки призматических деталей, состоящей из четы­рех многоцелевых станков.

Для оценки влияния надежности на производительность станка или станоч­ной системы обычно вводят коэффи­циент технического использования

/ п

Где п — число независимых элементов, подверженных отказам; Я,- — интенсив­ность отказов г'-го элемента; U — среднее время на устранение отказа этого эле­мента.

С учетом коэффициента технического использования фактическая производи­тельность одного станка выражается формулой Q = Qcr|o, а группа станков в автоматической системе — формулой

A— QcOrjo,

Где Qc — производительность одного станка; а — среднее число одновремен­но обрабатываемых деталей.

Технологическая надежность станков с ЧПУ и автоматических станочных систем из этих станков — свойство со­хранять во времени первоначальную точ­ность оборудования и соответствующее качество обработки. Этот показатель играет важную роль в связи с большим сроком службы такого оборудования и интенсивной его эксплуатацией. В основе аналитических методов оценки техноло­гической надежности станков с ЧПУ лежит разработка математической моде­ли изменения точности обработки во вре­мени. Если выбрать основные виды исход­ных погрешностей, наиболее существен­но снижающих точность станков с ЧПУ во времени, то модель формирования суммарной ошибки можно привести к виду, изображенному на рис. 3.25. Я/пах

Рис. 3.25. Модель оценки уровня техноло­гической надежности станка с ЧПУ: 6Т — запас станка по точности (обозначение исход­ных погрешностей см. в подписи к рис. 3.20)

Первичная настройка станка на раз­мер D0 контролируемого параметра осу­ществляется исходя из условия

DO = DMin + Si3 + 6i4 + ai,

Где Dmin — минимально допустимое зна­чение контролируемого параметра; 613, 614 — систематические ошибки от гео­метрии и деформации станка (обозна­чение погрешностей см. в подписи на рис. 3.20); а —зона рассеяния от дей­ствия случайных ошибок при установке детали (6ie), при работе привода пози­ционирования (83), при размерной уста­новке инструмента (6ie):

A,=VW2)2+ (6,6/2)2+ (6,8/2)2.

По мере работы станка под воз­действием возмущений, имеющих харак­тер случайных процессов, центр зоны рассеяния размера Do смещается на некоторую величину B(T), которую сле­дует рассматривать как случайную функ­цию времени. Смещение происходит глав­ным образом под воздействием темпе­ратурных, износных и динамических фак­торов. К концу наладочного периода суммарная погрешность обработки до­стигает предельно допустимого значения

=6I3 + 6I4 + 2A2,

Где 2 аг — зона рассеяния случайных ошибок к концу периода настройки.

Для оценки технологической надеж­ности станка можно пользоваться за­пасом по точности обработки 6Т или коэф­фициентом запаса точности k:

-DMin)/AS,

Где бi — прочие неучтенные погрешности.

При эксплуатации станков с ЧПУ необходимо организовать наблюдение за работоспособностью станков и сбор ста­тистической информации об отказах. Ос­новной формой учета работы и отказов является эксплуатационный журнал — дневник, в котором фиксируют инфор­мацию о качестве выполнения отдель­ными системами станка требуемых функ­ций, о всех нарушениях в нормальной работе, о проводившихся мероприятиях по восстановлению и поддержанию рабо­тоспособности с указанием времени вы­полнения каждого этапа эксплуатации станка. Из эксплуатационного журнала могут быть взяты все данные, необхо­димые для расчета удельной длитель­ности восстановления. Наблюдения ведут за отдельными подсистемами станка и УЧПУ: механическими устройствами, гидросистемой, пневмосистемой, систе­мой смазки и охлаждения, электриче­ской аппаратурой, измерительными си­стемами, устройством ввода информа­ции, электронными блоками.

Диагностика является эффективным средством повышения надежности стан­ков. При этом осуществляют направлен­ный сбор текущей информации о со­стоянии станка и его важнейших узлов и элементов. Для сбора информации используют преобразователи, 'дающие сигнал по естественным для станка воз­мущениям или на основе специальноt возбуждаемых периодических воздейст­вий. Поиск и диагностику ошибок, не­исправностей, опасных отклонений от нормальной работы осуществляют раз­личными методами. При использовании функциональной модели станок и от­дельные его узлы (привод подачи, не­сущая система) разбивают на конечное число функциональных блоков с одним выходным контролируемым параметром. Совокупность выходных параметров, свя­занных в единую систему, служит основой модели всего узла или всего станка. Ди­агностика основана на алгебре логики; дефектное состояние функционального блока соответствует нулевому значению параметра, а нормальное состояние соот­ветствует значению «1». Конкретный набор значений оценочных параметров характеризует определенный вид отказа и соответствующим образом кодируется. Для быстрого анализа ситуации и нахож­дения блока составляют диагностиче­скую матрицу и соответствующую про­грамму для ЭВМ. При этом методе диаг­ностика носит дискретный характер.

При непрерывном действии станка или его узла используют параметриче­ский метод диагностики. В этом случае математическую модель станка состав­ляют в виде системы дифференциальных уравнений, а параметры в уравнениях

Hlorrr Лгопг Размер партии Рис. 3.26. Выбор оптимального размера партии обрабатываемых деталей для двух видов оборудования:

1 — затраты на амортизацию и «лишние» детали;

2 — затраты на переналадку; 3, 4 — суммарные

Затраты

Уточняют по экспериментальным данным. В соответствии с принятой целевой функ­цией для станка или его узла выбирают критерии оптимизации, по которым на основе текущей информации осущест­вляются непрерывное регулирование (адаптивное управление) и диагностика.

Иногда используют энергетическую модель, основу которой составляет диаграмма распределения энергетиче­ского потока при оптимальный условиях работы станка. Значения параметров уточняют экспериментально. Изменение распределения потоков энергии, фикси­руемое встроенными в станок датчиками, анализируют; оно является основой диаг­ностического контроля.

Универсальность и экономическая эф­фективность станков с ЧПУ. Универ­сальность станков с ЧПУ и станочных систем определяется затратами на пе­реход от обработки партии одних дета­лей к обработке партии других деталей. Для каждого вида оборудования су­ществуют оптимальные условия эксплуа­тации, связанные с масштабом производ­ства. Это относится и к отдельным стан­кам, и к станочным системам разной степени универсальности. В зависимости от соотношения затрат на переналадку оборудования и затрат, связанных с из­готовлением «лишних» деталей, сущест­вует оптимальный размер партии деталей

Для каждого конкретного оборудования (рис. 3.26).

Универсальность и производитель­ность — противоречивые требования, по­этому с уменьшением степени универ­сальности станков и станочных систем их производительность может быть повы­шена за счет концентрации технологи­ческих операций, совмещения времени рабочих и вспомогательных операций, применения многоинструментальной об­работки.

Целесообразная степень универсаль­ности оборудования в зависимости от масштаба производства для станков и станочных систем можно определить по рис. 3.27.

Экономическая эффективность явля­ется важнейшим параметром оценки работы станка и автоматической ста­ночной системы, поскольку любой вид технологического оборудования направ­лен на снижение затрат труда в произ­водстве. Как известно, снижение себе­стоимости связано со сроками обнов­ления технологического оборудования, характеризуемыми определенными пе­риодами Т (рис. 3.28). Экономическую эффективность определяют суммирова­нием приведенных затрат S как при со -

Здании нового оборудования, так и при его эксплуатации. Таким образом, при­веденные затраты 5 представляют собой сумму годовой себестоимости продукции С и нормативных отчислений от капи­тальных вложений F в производствен­ные фонды:

S = C + KF,

Где k — нормативный коэффициент оку­паемости капитальных вложений.

Время Рис. 3.28. Влияние экономической эффективности на сроки обновления технологического оборудования:

T — срок внедрения; — срок окупаемости; /з — срок морального изнашивания

Подробные методики расчета эконо­мической эффективности оборудования приведены в литературе [43].