BC/NW 2010; №2 (17):9.2

 

РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ СИСТЕМ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ МЕХАНООБРАБАТЫВАЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ

Кузовкин В.А., Филатов В.В.

(Московский государственный технологический университет «Станкин», Россия)

 

Одним из направлений повышения эффективности и качества изготовления изделий на металлорежущих станках является оснащение технологического оборудования средствами мониторинга их состояния и прогнозирования поведения в режиме реального времени. В настоящее время разработаны и применяются различные системы диагностирования станков и инструмента, которые предназначены для поиска и локализации дефектов, прогнозирования состояния и определения работоспособности.

Теория и средства диагностирования базируются на получении и обработке информации с использованием современных микроэлектронных измерительных и вычислительных средств. Автоматизированные диагностические установки представляют собой совокупность аппаратных и программных подсистем, которые при активном участии человека-оператора позволяют по исходной информации о процессах в элементах станка и инструмента составить мотивированное заключение об их состоянии и работоспособности (рис.1).

Рис. 1. Структурная схема системы диагностирования оборудования

Технологическое оборудование механообработки относится  классу сложных динамических систем, содержащих множество взаимосвязанных и взаимодействующих блоков и подсистем различной физической природы, объединенных для выполнения функций целенаправленного размерного формообразования [1]. В установках для диагностирования процессов обработки на металлорежущих станках, применяются информационно-вычислительные комплексы (ИВК), реализованные на основе модульного принципа построения, который позволяет создавать гибкие системы на базе типовых блоков. Работоспособное состояние технологической системы характеризуется совокупностью значений ряда параметров обработанной детали – точностью, шероховатостью, состоянием поверхностного слоя.

Состояние или образ технологического оборудования описываются с использованием совокупности доступных для измерения физических величин, называемых параметрами, значения которых в определенный момент времени характеризуют свойства объекта, отражающие его функциональное назначение. Правильно функционирующим при его применении по назначению считается техническое устройство, значения параметров которого находятся в пределах, заданных нормативно-технической документацией. При неработоспособном состоянии или неправильном функционировании технического устройства посредством диагностирования могут быть выявлены дефекты, нарушающие работоспособность или правильность функционирования.

Создание высокопроизводительного станочного оборудования с  числовым программным управлением делает актуальной проблему разработки соответствующих систем диагностирования станочного оборудования, которое представляет собой программно-управляемое технологическое оборудование, осуществляющее процесс резания с заданными технологическими параметрами. Физические явления, сопутствующие текущему состоянию процесса резания, регистрируются датчиками, которыми оснащено технологическое оборудование. Проектирование диагностических установок требует решения комплекса взаимосвязанных задач, среди которых можно условно выделить две основные группы.

К первой группе следует отнести задачи создания математического описания объекта (технологического оборудования), выбор на этой основе совокупности базовых параметров, формулирование критериев различения работоспособного и дефектного состояний оборудования, разработку методов проведения диагностирования и методик логической обработки данных для получения достоверных выводов. Указанная группа задач также содержит разработку алгоритмов проведения испытаний, а также создания соответствующего программного обеспечения для реализации алгоритмов на ЭВМ.

Вторая группа включает решение задач по проектированию аппаратных средств и собственного программного обеспечения для системы получения, обработки с заданной точностью информационных сигналов и доставки пользователю достоверных сведений о процессах в испытуемом объекте. К основным вопросам, которые необходимо решить при разработке ИВК, следует отнести: автоматизацию сбора измерительной информации, включающую унификацию выходных сигналов датчиков, их предварительное усиление, фильтрацию, нормализацию и аналого-цифровое преобразование, а также программно-управляемую коммутацию сигналов при передаче по общему каналу связи в цифровое вычислительное устройство (ЦВУ); организацию интерфейса приема данных ЦВУ, их обработку и выдачу команд управления системой; автоматизацию хранения и визуализации информации, а также документирования данных.

Математическая постановка задачи выделения работоспособных и неисправных состояний технологического оборудования заключается в выборе вектора выходных параметров,

которые дают достоверные и достаточные сведения о состоянии станка и инструмента. Значение параметра X_j(t) в фиксированный момент времени t_k отображается точкой в n-мерном пространстве параметров. Изменение состояния объекта дает траекторию в пространстве состояний (рис. 2).

Рис. 2. Траектория изображающей точки в пространстве параметров

 

Полученная в результате диагностирования траектория изображающей точки дает возможность определить момент времени перехода объекта в неработоспособное состояние, а также исследовать изменение траектории при подаче управляющих воздействий.

Точность определения момента перехода границы раздела между состояниями оборудования зависит от разрядности данных, которые описывают значения параметров. Если каждый параметр может принимать m значений (разрядов), то общий объем зафиксированных в момент  данных всех параметров составляет . При регистрации датчиками непрерывных (аналоговых) сигналов приведенный объем данных зависит от разрядности применяемых аналого-цифровых преобразователей. Выбор продолжительности анализа T определяет потенциальные возможности прогнозирования времени достижения границы раздела областей состояний объекта. Точность определения момента времени перехода зависит от значения шага Δt дискретизации по времени.

Состояние современного автоматизированного металлорежущего оборудования  зависит от пространственно-временных характеристик множества разнородных величин. Встраиваемая измерительная система должна давать возможность восприятия и преобразования массовых потоков информационных сигналов за ограниченный интервал времени. Технически это реализуется на элементной базе электронных устройств [2]. С электронными измерительными системами, как правило, используют электрические датчики физических величин, преобразующие информационный параметр в изменение тока или напряжения. Типовая структура информационно вычислительного комплекса содержит совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и вспомогательных технических средств для получения измерительной информации, ее преобразования, обработки в целях представления потребителю в требуемом виде (рис. 3).

Система датчиков воспринимает измеряемые величины и создает на выходе электрические сигналы , зависящие от значений измеряемых величин и помех. Аналоговые сигналы с выходов датчиков подвергаются фильтрации, усилению, масштабированию и с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП) преобразуются в числовые последовательности. Последующая обработка данных осуществляется численными методами с использованием микроконтроллера, который также выполняет цифровую обработку поступающих данных, тестирование преобразователей, а также управление проведением испытания. Влияние окружающей среды на оборудование учитывается с помощью эквивалентных воздействий.

 

Рис. 3. Структурная схема системы диагностирования

 

Как известно, датчик является звеном измерительной системы, практически полностью определяющим ее максимально возможные метрологические свойства. Поэтому вначале выбирается совокупность датчиков, гарантирующих возможность проведения требуемого испытания. Для объединения электрических датчиков в систему и последующего преобразования информационных сигналов удобно использовать готовые функционально завершенные многоканальные устройства сбора данных (например, L-card), подключаемые к компьютерам с помощью типовых интерфейсных средств (рис. 4). 

 

Рис. 4. Структурная схема устройства сбора данных

 

Промышленно выпускаемые системы сбора данных, как правило, поставляются с программным обеспечением объектного уровня, предназначенного для осуществления процедуры измерения.

На базе проведенного анализа был изготовлен испытательных стенд для диагностирования работоспособности станков токарной группы на основании регистрации механических сил, моментов и вибрации. Эксперимент подтвердил планируемые параметры измерительной системы.

Было также исследовано влияние режимов резания на характеристики асинхронного электропривода с частотным управлением, применяемого в современном станкостроении.

Разработка информационных измерительных средств базируется на множестве расчетов, дающих возможность  оценить степень соответствия проектного решения заданным требованиям. Для этого необходимо создать совокупность системных, алгоритмических, функциональных моделей испытуемого объекта, датчиков, линий связи, аналоговых и цифровых измерительных преобразователей. Несомненно, что базовыми служат математические модели, но их аналитическое представление ограничивается достаточно простым описанием элементов с большим количеством допущений. Как правило, решение полученных уравнений возможно только численными методами.

Для сложных систем целесообразно проведение вычислительного эксперимента с  использованием имитационных моделей. При этом удобно воспользоваться имеющимся типовым программным обеспечением, предназначенным для автоматизированного проектирования электронных устройств. Такие программные комплексы содержат мощные встроенные библиотеки моделей электронных элементов и устройств, дающих возможность компьютерного исследования электронных измерительных систем. На стадии функционального проектирования аппаратных средств информационных измерительных систем преимущественно применяется метод схемотехнического описания устройств. Используемые программные средства  Multisim предназначены для выполнения многоцелевой анализ процессов в аналоговых и цифровых устройствах посредством схемотехнического моделирования. Привлекательность программы Multisim для моделирования электронных средств измерения заключается в возможности непосредственного обмена данными и моделями с распространенными программами Excel, математическим пакетом MathCAD и программной средой  Lab View. Это предоставляет возможность обработки и представления данных с использованием математических средств MathCAD. Работа совместно с Lab View позволяет строить совместные алгоритмы обработки данных и проектировать управляющие устройства.

Несмотря на наличие встроенной библиотеки моделей электронных блоков, при проектировании конкретных устройств с использованием выбранного элементного базиса приходится создавать собственную библиотеку пользователя. Отдельной непростой задачей является       разработка совокупности моделей асинхронного электродвигателя с системой управления и нагрузкой. Такая модель реализована в гибридном исполнении с помощью схемных моделей и типовых блоков, осуществляющих математические операции: интегрирования, суммирования,  умножения, деления [3]. Постановка экспериментального исследования и обработка результатов с использованием разработанной модели электродвигателя показала, что изменение режима резания влияет на активную мощность, потребляемую электродвигателем.

В результате проведенных исследований создана методика проектирования информационных измерительных комплексов для систем диагностирования металлорежущего оборудования.

ЛИТЕРАТУРА

1.     Синопальников В.А., Григорьев С.Н. Надежность и диагностика технологических систем – М.: Высш. шк., 2005. 343 с.

2.     Кузовкин В.А. Особенности разработки электронных средств для экспериментального исследования процессов обработки на металлорежущих станках // Вестник МГТУ «Станкин». 2010. №1(9). С. 47-57.

3.     Кузовкин В.А., Филатов В.В. Моделирование асинхронного двигателя в программной среде Electronics Workbench // Мехатроника, автоматизация, управление. 2009. № 1. С. 35-41.