К компетенциям - через инноватику

Подождите немного. Документ загружается.

131

К. Н. Смирнов, аспирант;

научный руководитель – д-р техн. наук, проф. А. В. Щенятский

Ижевский государственный технический университет

Использование оптических методов измерений

В современном мире большое внимание уделяется точности изго-

товляемых деталей и, соответственно, точности их обработки, что оп-

ределяет во многом их качество. Возникают вопросы об эффективных

и наиболее точных методах и средствах проведения измерений дета-

лей, например, в процессе обработки деталей или перемещения рабо-

чих органов роботов. Информация от средств измерений позволяет

с большой точностью непрерывно отслеживать различные параметры

изучаемых объектов. Самыми лучшими, естественно, являются бес-

контактные методы измерений, которые имеют высокое быстродейст-

вие и малое воздействие на исследуемый объект.

Задача автоматического бесконтактного измерения микропереме-

щений может быть решена рядом методов [4]: оптическим, индукци-

онным, индуктивным, гальваномагнитным, автодинным, пневматиче-

ским, емкостным и др.

Наибольшая точность измерения в настоящее время достигается

с помощью лазерных интерферометров для определения микропере-

мещений (10

–20

м) и дальномеров оптического диапазона для макро-

перемещений (перемещений соизмеримых с объектом исследования).

С развитием цифровой техники стала возможной быстрая автома-

тическая обработка данных оптических систем, экраном или прини-

мающим устройством которых является ПЗС-матрица (рис. 1). Обра-

ботка изображений как результатов производится по различным ал-

горитмам в зависимости от способа оценки качества изображений [5].

Оптическая система, электронная система и компьютерная обработка

данных представляют собой средства оптических измерений третьего

поколения.

Для таких систем на факультете «Управление качеством» могут

быть применены новые или существующие алгоритмы в новых об-

ластях науки и техники, как для систем технического зрения, так

и для систем контроля качества.

Благодаря новым оптическим системам контроля расстояния до ис-

следуемого объекта значительно повышается точность проводимых экс-

периментов: к примеру, исследование напряженно-деформированного

132

состояния деталей машин и механизмов может быть проведено с ис-

пользованием сканирующих оптических устройств, что позволяет за-

фиксировать результат по всей длине поверхности исследуемой детали

с точностью до 10 мкм (и больше в зависимости от прибора) и обеспе-

чить многократное использование измерительного прибора.

Рис. 1. Типичный матричный фотоприемник ПЗС для научных исследо-

ваний: 1 – выходной усилитель; 2 – последовательный регистр; 3 – парал-

лельный регистр (262 144 пиксела); 4 – 52 пиксела (10,25 мм); 5 – один пик-

сел; 6 – 20 мкм

Принципы работы таких приборов разнообразны, наиболее про-

стыми являются импульсный и фазовый [6, 7, 8]. Так, при импульсном

методе дальнометрирования используется следующее соотношение:

L = ct/2,

где L – расстояние до обьекта; с – скорость распространения излуче-

ния; t – время прохождения импульса до цели и обратно. Рассмотре-

ние этого соотношения показывает, что потенциальная точность из-

мерения дальности определяется точностью измерения времени про-

хождения импульса энергии до объекта и обратно. Ясно, что чем

короче импульс, тем лучше. При фазовом методе дальнометрирова-

ния лазерное излучение модулируется по синусоидальному закону

с помощью модулятора (электрооптического кристалла, изменяюще-

го свои параметры под воздействием электрического сигнала). Обыч-

но используют синусоидальный сигнал с частотой 10...150 МГц (из-

мерительная частота). Отраженное излучение попадает в приемную

оптику и фотоприемник, где выделяется модулирующий сигнал. В за-

висимости от дальности до объекта изменяется фаза отраженного

сигнала относительно фазы сигнала в модуляторе. Измеряя разность

фаз, определяют расстояние до объекта.

133

Простейший принцип измерения деформации детали может со-

стоять из системы приемников на один световой источник. Картина

изменения поверхности образца будет получена в реальном времени

на ЭВМ (рис. 2).

Рис. 2. Блок-схема сканирующего оптического измерительного прибора:

1 – исследуемый объект; 2 – источник импульсного направленного света –

лазер; 3 – проекция лазерного луча; 4 – приемник – ПЗС-матрица; 5 – персо-

нальный компьютер

Также для бесконтактного измерения напряжений и деформаций

можно использовать рентгеновское излучение [7] или ультразвуко-

вые волны, оптический же способ возможет с помощью оптоволокна.

На кафедре «Мехатронные системы» используются оптические

системы позиционирования уникального робота шарохода. Плюсом

такой системы является импульсная передача данных. Совмещая

принципы измерения данных и передачи информации, возможно ис-

пользование одного лазера как источника информации о положении.

Основываясь на таких способах измерений, необходимо создание но-

вых методик проведения измерений или применение существующих.

Список литературы

1. Афанасьев В. А. Оптические измерения : учеб. для вузов. – 3-е изд., пе-

рераб. и доп. – М. : Высш. шк., 1981. – 229 с.

2. Гречищев И. С., Ильяшенко А. А. Соединения с натягом. Расчет, проек-

тирование, изготовление. – М. : Машиностроение, 1981. – 209 с.

3. Евстигнеев В. В., Хомутов О. И., Горбова Г. М. Перспективные направ-

ления проектирования и принципы расчета бесконтактных емкостных изме-

рителей микроперемещений // Ползуновский альманах. – Барнаул : Алт. гос.

техн. ун-т им. И. И. Ползунова, 1999. – № 2. URL: http://elib.altstu.ru/

elib/books/Files/1999-02/HTML/06/pap_06.html

(дата обращения: 01.09.2009).

134

4. Кирилловский В. К., Ле Зуй Туан. Оптические измерения. Ч. 6. Иннова-

ционные направления в оптических измерениях и исследованиях оптических

систем. – СПб. : ИТМО, 2008. – 131 с.

5. Крепалова Г. В., Лазарева Н. Л., Пуряев Д. Т. Оптические измерения :

учеб. для вузов по специальностям «Оптико-электронные приборы» и «Тех-

нология оптического приборостроения» / под общ. ред. Д. Т. Пуряева. – М. :

Машиностроение, 1987. – 264 с.

6. Финк К. Измерение напряжений и деформаций. – М.: Машгиз,

1961. – 535 с.

7. Хирд Г. Измерение лазерных параметров: (экспериментальные мето-

ды оптической квантовой электроники) / пер. с англ. под ред. Ф. С. Файзул-

лова. – М. : Мир, 1970. – 539 с.

C. C. Смольников, магистрант;

научный руководитель – д-р техн. наук, проф. И. В. Абрамов

Ижевский государственный технический университет

Пути модернизации станков с ЧПУ

и постановка задач исследования

Станкостроение является ключевой отраслью машиностроения,

которое, в свою очередь, является в большинстве развитых экономик

базовой отраслью промышленности. Его вклад в промышленное про-

изводство колеблется от 35 до 50 %, что позволяет обновлять обору-

дование в большинстве отраслей каждые 7–10 лет, обеспечивая не-

прерывное развитие промышленности [8].

В настоящее время технологическая база металлообрабатывающей

и других отраслей промышленности в Российской Федерации во многом

не соответствует современным требованиям к точности и скорости об-

работки. В то же время состояние промышленно-производственных

фондов предприятий ведущих отраслей промышленности характеризу-

ется низким уровнем обновления технологического оборудования

(0,3 %), следствием чего является его моральный и физический износ [5].

В 2002 г. станочный парк заводов Российской Федерации примерно на

90 % состоит из станков выпуска до 1990 г. [3].

Устаревшими признаются не только механические узлы станков,

подверженные, прежде всего, физическому износу и устареванию, но

также и системы ЧПУ, в частности, системы ввода управляющих

программ, которыми оснащено большинство имеющихся в стране

135

устройств ЧПУ [3, 4], являющиеся одними из ключевых при адапта-

ции работающего оборудования к современным технологиям [5] при

использовании систем CAD/CAM.

Улучшение состояния материально-технической базы произ-

водств может вестись по двум путям:

1) приобретение нового оборудования и замена им устаревшего;

2) ремонт, восстановление и модернизация имеющегося оборудо-

вания с целью его дальнейшего использования [3].

По разным подсчетам, износ парка технологического

оборудования составляет от 60 % на предприятиях аграрно-

промышленного комплекса до 80 % при среднем возрасте станков

более 20 лет [4].

Стоит отметить серьезный уровень не только физического, но

и морального износа станков с ЧПУ. По результатам исследования

А. А. Белякова [1] на 2002 г. в Российской Федерации 82 % станков

работало от перфоленты, 11 % станков использовали ручной набор

управляющей программы у станка, 5 % станков работали от магнит-

ной ленты, 2 % станков работали от ЭВМ (переносных или по кана-

лам связи). В свою очередь, современные станки с ЧПУ (в первую

очередь импортные) имеют стандартные интерфейсы для связи

с внешними устройствами (такие, как RS232 или Ethernet) и могут

быть подключены к ПЭВМ [5] или непосредственно к компьютерной

сети предприятия.

По разным данным, стоимость проведения модернизации станка

с ЧПУ составляет 20–60 % стоимости нового аналогичного по харак-

теристикам модернизированного станка. Кроме того, в практике мо-

дернизации станочного оборудования с ЧПУ существует понятие

«правило 60 %», в соответствии с которым реставрация имеет смысл

только в том случае, если ее стоимость для старого станка меньше

60 % стоимости нового; в случае превышения этого показателя сле-

дует покупать новый станок.

Понятие модернизации представляется достаточно широким и вклю-

чает в себя как усовершенствование, улучшение и обновление оборудо-

вания с целью приведения его технических характеристик в соответст-

вие новым требованиям и нормам, техническим условиям и показателям

качества, так и процесс подготовки оборудования для встраивания его

в производственный процесс, изменение конструкции с целью автомати-

зации производства или установку дополнительных, непредусмотрен-

ных при проектировании оборудования, конструктивных элементов

и приспособлений.

136

Таким образом, в ходе модернизации достигается увеличение

диапазона размеров обрабатываемых деталей, увеличивается ско-

рость подачи, сила резания и т. д. При модернизации достигается

также повышение производительности за счет уменьшения вспомо-

гательного времени при обработке деталей. Так, за счет автоматиза-

ции и механизации станков приспособления обеспечивают сокра-

щение времени зажима-разжима заготовок, обеспечивают полное

базирование заготовок, т. е. лишают их всех шести степеней свобо-

ды [4].

Наибольший интерес в плане модернизации представляют станки

токарной группы. Модернизация токарных станков среднего типо-

размера возможна на основе новых апробированных инновационных

технологий по следующим направлениям:

• повышение виброустойчивости, точности и производительности

при резании;

• повышение надежности и долговечности станков;

• дооснащение станков специальными защитными устройствами

и ограждениями;

• оснащение станков новой технологической оснасткой, позво-

ляющей резко сократить машинное и вспомогательное время на об-

работку и др. [4].

Повышение производительности станков с ЧПУ связано с уве-

личением скоростей подач рабочих органов станка, что может

быть реализовано как за счет применения более динамичных при-

водов, так и за счет использования современных систем управле-

ния. Системы управления станков часто ограничивают их произ-

водительность, и даже в современных системах ЧПУ применяе-

мый метод управления движением не позволяет достичь заданной

технологом скорости подачи, что особенно важно при обработке

сложных 3D-поверхностей формообразующей оснастки. Причиной

этого может являться принцип движения с разгоном-торможением

от нуля до нуля скорости в каждом кадре управляющей програм-

мы. При этом очевидно, что в момент начала движения, заданного

в кадре, а также в момент останова узлы станка не могут мгновен-

но выйти на заданную скорость или остановиться.

Решение данной задачи требует разработки такого способа управ-

ления движением, при котором разгон от нуля осуществлялся бы

только в первом кадре, а торможение до нуля – только в последнем,

при этом переход от кадра к кадру выполнялся бы с минимально воз-

можными изменениями в эпюре результирующей скорости.

137

При модернизации систем ЧПУ исключаются из обращения нена-

дежные устройства считывания и носители информации, такие как

бумажные и магнитные носители, которые, в свою очередь, заменя-

ются на электронные носители информации – энергонезависимые

картриджи, локальные сети; исключаются перфораторы и лентопро-

тяжные механизмы, исключается ручной ввод программ на рабочих

местах, расширяются функциональные возможности станков систем

ЧПУ, в частности, достигается возможность использования программ

большого объема, превышающего объем собственной памяти устрой-

ства ЧПУ, представляется возможность интеграции разнородных сис-

тем автоматизации (CAD, CAM, CAE, MRP/ERP) [5].

Проводимые модернизации станков с ЧПУ можно разделить на

две группы:

1) проводимые на заводе-изготовителе;

2) проводимые на предприятии, где этот станок занят в произ-

водстве.

В свою очередь, модернизации, проводимые на заводе, можно

разделить на три группы по принципу получения информации, на

основании которой принимается решение о необходимости модерни-

зации:

1) на основе информации о работе станка, полученной от пред-

приятия-потребителя;

2) модернизация с учетом мирового уровня;

3) целевая модернизация.

Проводимые на предприятии, где станок занят в производстве,

модернизации также можно разделить на группы:

• модернизации на основании информации, полученной о теку-

щих модернизациях на заводе-изготовителе;

• модернизация на основе информации о проводимых или прове-

денных модернизациях на заводах-конкурентах изготовителя;

• целевая модернизация;

• комплексная модернизация технологического процесса.

В статье И. М. Корсаковой «Моделирование производственных

систем при модернизации технологического оборудования» [5] опи-

сан метод, основанный на сборе необходимой и достаточной базы

данных. Каждому конечному результату модернизации присваивает-

ся индекс потребности в модернизации, повышающей его показатели

назначения по направлениям обеспечения требуемых параметров.

База данных содержит следующую информацию: наименова-

ние, модель, инвентарный номер; срок службы каждой единицы

138

оборудования (Г

тек

− Г

вып

, где Г

тек

– текущий год, Г

вып

– год выпус-

ка), средний коэффициент загрузки (Z), объем изготовления за-

планированной серии изделий (S

пл

), трудоемкость изготовления

единицы изделия из этой серии (Т), доля (в процентах) произво-

димого по вине данной единицы оборудования брака, выраженная

в затратах на брак от общей стоимости обработки заготовок (b

об

номер группы единицы оборудования, характеризующий его

с точки зрения обеспечения безопасности труда (G); время, остав-

шееся до внедрения модернизации (d

срок

− d

тек

), количество экс-

тренных ремонтов, связанных с внезапными отказами данной еди-

ницы оборудования за прошедший год (n

экс тр

), средняя продолжи-

тельность экстренных ремонтов (t

ср

Коэффициенты потребности модернизации рассчитываются как

функции от этих данных:

1...8

тек вып пл об срок тек экстр ср

(Г Г ), , ,T, , ,( ), ,

k f Z S b G d d n t

 

= − −

 

Затем для каждой единицы технологического оборудования рас-

считывается интегральный показатель , на основе которого проис-

ходит группирование оборудования по приоритетности в его модер-

низации:

( )

1 1

k k

= −Π − .

Индексы принимают значения в пределах 0…1. Значение 0 пока-

зывает, что оборудование не нуждается в данном виде модернизации,

значение 1 показывает, что нуждается. Значения от 0 до 1 отражают

промежуточные значения. В соответствии с формулой, если

1...8

→

то

→

, если

1...8

→

, то и

→

[3].

Другой метод разработан НП «Корпорация «МиР» и описан

в статье Л. П. Толстых «Методика оценки технического состояния

металлообрабатывающего оборудования». Данный метод рассмат-

ривает в качестве исходной следующую информацию: остаточная

потребительская стоимость, затраты на восстановление начальных

потребительских свойств или затраты на капитальный ремонт, за-

траты на придание станку дополнительных потребительских

свойств, расширяющих его функциональные возможности, или за-

траты на модернизацию.

Общая формула коэффициента потери потребительской стоимо-

сти имеет интегральный характер:

139

п.п.с

i i

K m K

∑

Коэффициент остаточной потребительской стоимости:

п.с п.п.с

1 .

K K

= −

Затем определяют относительный уровень затрат на восстановле-

ние потребительской стоимости, также имеющий интегральный ха-

рактер

, зависящий от класса точности станка, массы станка,

возраста станка, фактического значения всех указанных в предыду-

щем абзаце коэффициентов.

Отечественная и зарубежная практика показывает, что рыночная

стоимость станка после капитального ремонта составляет 60…80 %

цены нового станка. В рассматриваемой методике принимается ус-

редненный показатель, равный 0,70.

В результате подобного анализа технического состояния опреде-

ляют указанные коэффициенты

. На основании значений

этих коэффициентов принимают решение о целесообразности прове-

дения модернизации. Если

в.п.с

, то модернизация нецелесообраз-

на, дешевле купить новый станок. При

0,7

капитальный ре-

монт в общем случае невыгоден. При

в.п.с

0,5...0,7

экономически

целесообразно дальнейшее использование станка в собственном про-

изводственном процессе после капитального ремонта или продажа

станка в состоянии «как есть». При

в.п.с

0,5

экономически целесо-

образно отремонтировать станок, после чего использовать его в соб-

ственном производстве или продать, получив прибыль. Экономиче-

ская целесообразность глубокой модернизации определяется эконо-

мически условием

м с

K K

Как видно, в обоих методах сначала формируется база данных,

используемых при определении целесообразности модернизации. Во

втором методе, однако, эти данные имеют больше экономический

характер, нежели относятся к техническим характеристикам, как

в первом случае. Во втором случае модернизация рассматривается

как двухступенчатый процесс, первой ступенью которого является

капитальный ремонт и восстановление первоначальных характери-

стик и стоимости станка, вторым – непосредственно модернизация

как улучшение технических характеристик и повышение потреби-

тельской стоимости. Первый метод большее внимание уделяет анали-

зу технического состояния и характеристик и последующему улуч-

140

шению технических характеристик станка. В целях научной работы

неоднозначным становится определение приоритетов.

Целью исследования является совершенствование существующей

модели принятия решения о модернизации технологического обору-

дования с ЧПУ, а также разработка алгоритма проведения модерни-

зации, включающего весь цикл модернизации от определения по-

требности модернизации до выполнения работ по модернизации

и ввода в эксплуатацию модернизированного оборудования. Для это-

го решаются следующие задачи:

– анализ существующих моделей принятия решения о модерни-

зации;

– анализ опыта модернизации технологического оборудования

с ЧПУ;

– разработка собственной модели принятия решения о модерниза-

ции с учетом накопленного опыта и существующих моделей приня-

тия решения;

– формирование базы данных о состоянии узлов станков с целью

использования этих данных в математической модели принятия ре-

шения о модернизации;

– разработка математической модели принятия решения и реали-

зация ее в программной среде.

Список литературы

1. Беляков А. А. Модернизация систем ввода/вывода управляющих про-

грамм в УЧПУ // Ремонт, восстановление, модернизация. – 2002. – № 5. –

С. 10–14.

2. Беляков А. А. Модернизация систем ввода-вывода информации в стан-

ки с ЧПУ // Ремонт, восстановление, модернизация. – 2004. – № 12. – С. 5.

3. Давыдов И. Е., Банах С. В. Модернизация станков производства Венг-

рии // Ремонт, восстановление, модернизация. – 2002. – № 2. – С. 12–14.

4. Жиганов В. И. Инновационные технологии для создания и обновления

станков токарной группы // Ремонт, восстановление, модернизация. – 2007. –

№ 1.

5. Корсакова И. М. Моделирование производственных систем при мо-

дернизации технологического оборудования // Ремонт, восстановление, мо-

дернизация. – 2008. – № 2. – С. 33–38.

6. Кутин А. А. Вторая жизнь станка. Применение эффективных техноло-

гий модернизации станочного оборудования с ЧПУ для повышения качества

продукции ОПК // Стандарты и качество. – 2005. – № 2. – С. 48–51.

Романов В. В., Кардаков Д. В. Модернизация устройства ЧПУ заме-

ной управляющей ЭВМ // СТИН. – 2006. – № 1. – С. 39–40.