надежность машин: промышленные роботы, станки

Министерство образования и науки Украины Севастопольский национальный технический университет Реферат на тему надежность машин промышленные роботы, станки Выполнил студент группы АКТ 52 д Назаров С. В. Проверил ст. преп. Сопин Ю.К. 2003 Содержание Введение3 Надежность станков.4 Надежность промышленных роботов11 Вывод14 Библиографический список15

Введение Надежность это свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах все параметры, обеспечивающие выполнение требуемых функций в заданных условиях эксплуатации. Уровень надежности в значительной степени определяет развитие техники по основным направлениям автоматизации производства, интенсификации рабочих процессов и транспорта, экономии материалов и энергии. Современные технические средства очень разнообразны и состоят из большого количества взаимодействующих

механизмов, аппаратов и приборов. Первые простейшие машины и радиоприемники состояли из десятков или сотен деталей, а к примеру, система радиоуправления ракетами состоит из десятков и сотен миллионов различных деталей. В таких сложных системах в случае отсутствия резервирования отказ всего одного ответственного элемента может привести к отказу или сбою в работе всей системы. Низкий уровень надежности оборудования вполне может приводить к серьезным затратам на ремонт, длительному

простою оборудования, к авариям и т.п. В настоящее время наблюдается быстрое и многократное усложнение машин, объединение их в крупные комплексы, уменьшение их металлоемкости и повышением их силовой и электрической напряженности. Поэтому наука о надежности быстро развивается. Отказы деталей и узлов в разных машинах и разных условиях могут иметь сильно отличающиеся последствия. Последствия выхода из строя машины, имеющейся на заводе в большом количестве, могут быть легко и без

последствий устранены силами предприятия. А отказ специального станка, встроенного в автоматическую линию, вызовет значительные материальные убытки, связанные с простоем многих других станков и невыполнением заводом плана. В этом реферате я рассмотрю надежность станков и промышленных роботов, потому что эти вопросы имеют большое значение для производства, и они связаны с моей специальностью и, возможно, будущей работой. 1. Надежность станков Важнейшие тенденции развития станкостроения - повышение точности, производительности

и уровня автоматизации станков. Повышение точности изделий, обрабатываемых на станках, позволяет существенно повышать технические характеристики новых машин. Повышение точности станков достигается подчинением конструкций важнейших узлов станков критерию точности и ее сохранению в эксплуатации, повышением точности изготовления и автоматизацией управлением точностью. Повышение производительности станков достигается повышением режимов резания, применением новой прогрессивной

технологии с уменьшением нерабочего для инструмента времени. Исследования на заводах с единичным и серийным характером производства показали, что обработка деталей занимает лишь 5 общего времени от запуска деталей в производство до окончания их изготовления. Важнейшим направлением повышения производительности и облегчения труда и, в частности, решения проблемы недостатка рабочих кадров является автоматизация станков и комплексная автоматизация производства.

Автоматизация массового и крупносерийного производства достигается применением автоматических линий и цехов. Автоматические станочные линии повышают производительность обработки по сравнению с обработкой на универсальных станках в десятки раз. Автоматизация серийного и мелкосерийного производства достигается применением станков с числовым программным управлением и гибких производственных систем. Японские результаты исследования показывают, что замена 5 универсальных станков станками с

ЧПУ позволяет уменьшить число операторов с 5 до 3, а производительность увеличить в 3 раза. Если же дополнительно установить роботы для подачи заготовок и снятия готовых деталей, то число операторов можно сократить до двух, при этом производительность труда возрастает в 3,5 раза по сравнению с первоначальной. Затраты на ремонт и потери от простоев станков, как и других машин, весьма значительны. Среднее время простоя универсального станка в ремонте, отнесенное к одной смене, составляет 10 мин.

Сложность и высокая стоимость станков с ЧПУ требуют соответствующего уровня их надежности и использования. По исследованиям ЭНИМС, приемлемый уровень удельной длительности восстановления для станков с ЧПУ составляет 0,05 .0,1, т. е. 5 .10 ч простоя станка в неплановом ремонте на 100 ч работы по программе. Точность и производительность станков в значительной степени зависят от их надежности. Станки характерны большим количеством трущихся пар и трудностью защиты их от загрязнений.

Надежность станков определяется надежностью механизмов и узлов станков против разрушений и других отказов и точностной надежностью, т. е. надежностью по критерию точности обработки. Возможно, рассмотрение надежности собственно станков и надежности всей технологической системы станок, инструмент, приспособление, заготовка. В этом комплексе наименее надежным элементом является инструмент, так как на его лезвии возникают высокие напряжения и температуры.

Наблюдения, проведенные в разных отраслях отечественного машиностроения, показали, что универсальные станки работают 60 .75 времени с мощностью до 0,5 номинальной и только 1 .10 времени - с номинальной мощностью или допустимой перегрузкой. Более поздние иностранные исследования показали близкие результаты. Средневзвешенные значения расчетных относительных мощностей станков рекомендуются для станков токарной группы 0,4 .0,48 для станков сверлильно-расточных и фрезерных 0,35 .0,45.

Нижние значения соответствуют применению традиционного набора инструментов твердосплавного и из быстрорежущей стали, верхние значения соответствуют использованию на чистовых и получистовых операциях минералокерамических, а на черновых твердосплавного инструмента с покрытиями. Станки с ЧПУ характеризуются более высокими уровнями средних и максимальных значений нагрузок по сравнению со станками общего назначения. Так, уровень использования токарных станков с

ЧПУ для обработки в патроне выше по моменту на 20 25, для обработки в центрах выше по мощности - на 20 и частоте вращения - на 30 .40. Простейшая аппроксимация закона распределения мощности в приводе станков по эксплуатационным наблюдениям имеет вид у ах - bx где у - частота нагружения, ах - относительная мощность в долях от номинальной. Требования к надежности станков различных типов различны. Для универсальных легких и средних станков в обычных условиях их применения из комплекса требований

к надежности наибольшее значение имеет технический ресурс. С другой стороны, для тяжелых станков важна безотказность в течение длительного времени, а в случае обработки точных и дорогих изделий - также безотказность системы в течение одной операции. По сравнению с универсальными станками к надежности специальных и уникальных станков предъявляют более высокие требования во избежание необходимости установки на заводах дорогих станков-дублеров.

Для станков, встраиваемых в автоматические линии, требования к надежности наиболее высоки, так как выход из строя одного из них ведет к простою участка или даже всей линии. Надежность механизмов и узлов станков против разрушений и отказов рассматривается, во-первых, в связи с возникновением внезапных отказов нарушением нормального процесса обработки, усталостными разрушениями и заеданиями, во-вторых, в связи с монотонным постепенным понижением работоспособности вследствие износа,

коррозии и старения. Наблюдаются следующие виды отказов, связанных с нарушением нормального процесса обработки недопустимое врезание инструмента в заготовку вследствие сбоев системы автоматического управления забивка зоны резания стружкой наезд суппортов или столов один на другой или на другие узлы по тем же причинам вырывание обрабатываемой заготовки из патрона или приспособления переключение шестерен на большой скорости. Надежность станков по критерию усталостных разрушений обычно бывает достаточной.

Это объясняется тем, что универсальные станки работают при переменных нагрузках, с редким использованием полной мощности размеры многих деталей станков определяются не прочностью, а другими критериями работоспособности, в первую очередь жесткостью зубчатые передачи станков работают с износом, затрудняющим развитие трещин поверхностной усталости. Усталостные поломки деталей привода наблюдаются только в станках, работающих с большими длительно действующими нагрузками, при динамическом характере сил резания, а также при пуске

станков без муфт асинхронными двигателями, когда моменты по экспериментальным данным достигают 4 .5 номинальных и при торможении станков противовключением электродвигателей. Поломки зубьев также наблюдаются при дефектах закалки ТВЧ в случаях, если возникают остаточные напряжения растяжения. Износостойкость является важным критерием надежности механизмов станков.

Особенно изнашиваются механизмы, плохо защищенные от загрязнений, плохо смазываемые и работающие в условиях несовершенного трения. К ним относятся червячные и винтовые передачи, передачи винт гайка, рейка реечная шестерня и другие механизмы, расположенные вне корпусов с масляной ванной. Переключаемые и сопряженные с ними шестерни имеют интенсивный износ по торцам зубьев, из-за которого наиболее напряженные переключаемые шестерни до введения бочкообразной формы закругления зубьев менялись

через 2 .3 года эксплуатации. В тяжелых и быстроходных станках, а также в узлах, в которых применяются твердые антифрикционные материалы чугун, твердые бронзы и др особую опасность представляет заедание. Нарушение работы гидроприводов связано с износом клапанов и элементов управления, с нарушением регулировки из-за недостаточно хорошей фиксации, низкого качества пружин и др Гидроприводы работают при относительно высоких температурах масла и значительных скоростях, что способствует

окислению масла и образованию высокомолекулярных соединений, в результате чего систематически засоряются узкие щели в элементах гидропривода. Недопустимо применять масла из сернистых нефтей, так как при этом гидроприводы из-за выделения высокомолекулярных соединений выходят из строя через несколько месяцев работы. Точностная параметрическая надежность связана с медленно протекающими процессами износом, короблением, старением. Долговечность по точности в первую очередь зависит от состояния направляющих, шпиндельных

опор и делительных цепей. Необходимость капитального ремонта преимущественно вызывается состоянием направляющих. Надежность станков по точности изделий определяют следующие факторы - нарушение настройки связано со снятием сил трения в зажимах, перераспределением сил между зажимами и механизмами подвода, а следовательно, и соответствующим изменением жесткости. Нарушению настройки способствуют ударные нагрузки, а также значительные температурные перепады - малость упругих деформаций во избежание недопустимого копирования

на изделии погрешностей заготовки, трудности установки на размер и т. д виброустойчивость технологической системы во избежание расстройки технологической системы, образования волн на поверхности, отказа в работе из-за недопустимых вибраций - малость и постоянство температурных деформаций. Непостоянство температурных деформаций связано с разогревом системы, колебаниями температуры воздуха и грунта, переменностью теплообразования в механизмах станка в связи с приработкой, изменением уровня

масла, регулировкой и т. д а также переменностью теплообразования в процессе резания. Многие станки не обеспечивают точности обработки до разогрева станины длинных станков, при постоянном скреплении с фундаментом, подвергались бы годичным температурным деформациям со стрелой прогиба более 1 мм на крупных прецизионных колесах, нарезаемых в течение нескольких суток, наблюдаются суточные температурные полосы и т. д точность подвода перемещающихся узлов, в частности повторных подводов.

Разброс связан с переменностью сил трения и контактной жесткости, влияние которых многократно усиливается вследствие динамического характера подвода - сохранение размеров и режущих свойств инструмента. Размерный износ и нарушение режущих свойств инструментов приводит к изменениям размеров изделий и увеличению упругих отжатий в системе точность размеров и постоянство твердости заготовок. Разброс размеров и твердости заготовок приводит к переменным упругим отжатиям инструмента предотвращение

попадания пыли и стружки на базовые поверхности установки обрабатываемых деталей. Характерно, что за рубежом в отдельных цехах сборки особо точных станков для предотвращения попадания пыли извне поддерживается избыточное давление, а детали поступают полностью обработанными и промытыми. Надежность станков с ЧПУ может быть характеризована следующими данными по материалам международной организации MTIRA, занимающейся исследованиями станков, время простоев станков с

ЧПУ из-за неисправностей составляет 4 .9 номинального фонда времени. Около 55 отказов, по отечественным данным, связано с электронными и электрическими устройствами ввода информации, считывания с перфоленты, переработки информации, электропривода Их устранение занимает около 40 общего времени восстановления. Хотя отказы механических узлов механизма автоматической смены инструмента, направляющих, шпинделя,

системы смазки, привода подач, редуктора датчиков обратной связи составляют меньшую долю а именно около 20, время на их устранение затрачивается такое же. Вместе с простоями станков по техническим причинам существуют простои оборудования по организационным причинам. Эти простои на отдельных заводах по данным 1980 г. в два раза и более превышали простои по техническим причинам. Вероятность безотказной работы станков с ЧПУ на 1978 г. составляла 0,93 при эксплуатации в течение

года и 0,89 - после эксплуатации в течение 5 лет. Гарантийный срок службы к 1980 г. составлял свыше 10 лет. 1 Надежность станков на стадии проектирования можно оценивать по результатам обобщения статистических данных по отказам прототипов, времени восстановления узлов, интенсивности износа и времени замены инструмента, а точностную надежность - расчетом основных погрешностей станка, их изменения по времени и оценкой влияния каждой из них на точность станка в целом. Специфика мероприятий общемашиностроительного направления

определяется работой многих узлов станков в условиях несовершенного трения в зоне попадания стружки, абразивной пыли, окалины и в условиях переменных режимов, в том числе с малыми скоростями, при которых гидродинамическое трение не обеспечивается. К наиболее важным из этих мероприятий следует отнести отказ от открытых пар трения и совершенствование защиты широкое применение пар качения и гидростатических, включая подшипники, направляющие, пары винт гайка и др. широкое применение закалки

ТВЧ и других видов поверхностных упрочнений применение материалов, обладающих необходимой износостойкостью и сопротивлением заеданию в условиях несовершенного трения и загрязненной смазки применение новых полимерных материалов, в частности, для направляющих материалов на основе фторопласта 4 с наполнителем бронзой, дисульфидом молибдена и др композиционных быстротвердеющих материалов на основе эпоксидных смол и др. Мероприятия по повышению точностной надежности вытекают из перечисленных выше факторов, определяющих

эту надежность. Для уменьшения влияния износа на точностную надежность и долговечность станков применяют предварительный натяг компенсацию и самокомпенсацию износа направление вектора смещений при износе и деформаций в сторону, мало влияющую на точность оптимизация форм трущихся пар перенос износа на детали или поверхности, мало влияющие на точность введение отдельного механизма подачи для нарезания резьбы, отдельных направляющих для задней бабки и т. д Мероприятия но повышению надежности автоматизированного

производства оптимизация структуры автоматических линий и автоматизированных участков включение автоматизированных устройств контроля и измерения точности обработки деталей применение научно обоснованных методик приемо-сдаточных испытаний по параметрам надежности и производительности внедрение систем сбора и анализа отказов по сигналам от операторов применение автоматизированной диагностики причин отказов и технического состояния станков с ЧПУ автоматизированных участков и др. Оценка конструкции и работоспособности деталей и узлов

станков по критериям точности, жесткости, теплостойкости, виброустойчивости, статической прочности может быть произведена в основном в процессе кратковременных приемочных, лабораторных испытаний. Для определения надежности по критериям износостойкости, усталостной прочности, а также по ударной прочности в связи с перегрузками необходимы длительные эксплуатационные испытания или наблюдения. Окончательная оценка надежности машин производится по результатам эксплуатационных наблюдений станкозавода

в сотрудничестве и на площадях заводов-потребителей станков. Учитывая переменность условий работы станков, для получения достоверных результатов необходимо охватить наблюдениями достаточно большое количество станков данной модели, работающих на нескольких заводах. Наблюдения должны производиться периодически через каждые три-четыре месяца работы станков сотрудниками групп надежности станкозаводов. К наблюдениям для фиксации отказов и простоя станка привлекают рабочих,

обслуживающих станок. Ускоренные испытания проводят в форсированных условиях. При этом наиболее важные узлы испытывают отдельно, а затем вместе со станком. По такой методике проводит контрольные испытания на надежность станков с ЧПУ фирма Moog Ltd США. Механизм смены инструмента, работающий с циклом 8 с, испытывают непрерывно 5 ч, в течение которых позиционирование происходит около 600 раз, и т. д.

Общее время испытаний каждого станка от начала монтажа до отгрузки потребителю составляет 100 ч. 1 2. Надежность промышленных роботов Серийное изготовление промышленных роботов в стране начато в конце шестидесятых годов. Их выпуск как у нас, так и за рубежом постоянно наращивается. Непрерывно расширяются области применения роботов. Их используют для перемещения деталей и заготовок, для установки заготовок на станках и снятия готовых

деталей. Широкие и перспективные области применения технологические процессы, неблагоприятные для здоровья человека окраска, сварка, литье и др. Кроме того роботы просто необходимо применять в тех областях, где присутствие человека ненужно или даже вредно например, сборка микропроцессоров и других комплектующих персональных компьютеров. С повышением точности позиционирования осваивается использование роботов для процессов сборки, для механической обработки деталей.

Например, роботы серии D-1000 фирмы Elac Ingenieurtechnic отличаются высокой жесткостью и возможностью воспринимать внешние нагрузки, фиксируя положения осей после позиционирования с помощью механических тормозов. Это позволяет использовать роботы со сверлильными и фрезерными устройствами. В роботах грузоподъемностью до 20 кг расширяется применение электропривода, преимущества которого по сравнению с гидроприводом следующие отсутствие утечек масла, малое подготовительное время не нужен разогрев

масла до рабочей температуры для точных работ, простота изготовления. Пневмопривод применяют главным образом в роботах, в которых перемещения рабочих органов задаются жесткими, в большинстве случаев переналаживаемыми упорами цикловая система управления. В роботах значительной грузоподъемности преимущественно применяют гидропривод. Конструктивные тенденции роботов развитие модульных конструкций как роботов в целом, так и их сборочных

единиц расширение применения электромеханических роботов с волновыми передачами, обеспечение выборки зазоров. Роботы стремятся встраивать в гибкие автоматизированные комплексы, позволяющие автоматизировать серийное и мелкосерийное производство. Такие комплексы, как известно, включают технологическое оборудование станки, прессы, роботы-перекладчики, установочные роботы и т. д транспортные системы конвейеры, транспортные роботы и т. д автоматизированные склады с кранамн-штабелерами.

В этих системах удается организовать двух- и трехсменную работу оборудования при высокой степени использования его машинного времени и ограниченном количестве обслуживающего персонала. Чтобы добиться этого, от роботов требуется высокая надежность в интервалах времени между обслуживаниями. Таким образом, для роботостроения характерно наращивание темпов выпуска вместе с повышением требований к точности, жесткости и надежности роботов. Роботы относятся к восстанавливаемым изделиям.

Поэтому их надежность характеризуют следующие основные показатели средняя наработка на отказ, среднее время восстановления работоспособного состояния, срок службы до капитального ремонта. Для отечественных роботов выпуска 1975 1982 гг. средняя наработка на отказ при цикловой системе управления составляла 400 ч, при позиционной системе управления до 200 .250 ч. 1 Для зарубежных роботов эти данные в литературе, как правило, отсутствуют.

Данных по среднему времени восстановления накоплено мало. Для робота Универсал-50М оно составляет около 40 мин. Срок службы до капитального ремонта для роботов соответствует аналогичному показателю для станков. За рубежом вместо этого показателя используют расчетный срок службы, который для лучших роботов равен 20 .40 тыс. ч, что при двухсменной работе составляет 4 .8 лет.

Отказы роботов могут быть разделены на три группы 1 вызванные нарушением технологии изготовления отдельных элементов дефекты зубчатых колес, утечка масла из соединений, люфт в механизмах, недостаточная точность изготовления направляющих качения, 2 вызванные дефектами комплектующих изделий пропадание контакта в цепи датчиков, самопроизвольное движение золотников гидроусилитетей и т. д 3 вызванные конструктивными недостатками отвинчивание стопорных гаек и ослабление затяжки резьбовых соединений, ненадежное крепление

деталей, большое время прогрева масла и др а также сбои самопроизвольные остановки в точках позиционирования, связанные с нежесткой характеристикой привода в районе точки позиционирования. Отказы третьей группы обычно превалируют. Поэтому по мере отработки конструкции наработка на отказ повышается. Считается, что в среднем ежегодно она растет на 40. Чтобы повысить износостойкость и контактную прочность сопряжений, ограничивающих долговечность роботов,

закаливают рабочие поверхности втулок и валов, направляющих качения, деталей передач винт гайка качения и зубьев зубчатых колес. Для исключения попадания абразива в зону трения предусматривают защитные устройства телескопические щитки, растяжные гармошкообразные меха, защитные ленты и кожухи, манжетные уплотнения. Износ также снижают исключением вредных нагрузок на опоры путем устранения статистической неопределимости систем. Так, модули горизонтального и вертикального перемещений часто выполняют на шариковых направляющих.

При этом конструкция имеет обычно три шариковых втулки, две из которых расположены на одном валу основном, а одна на другом реактивном, воспринимающем крутящий момент. Для этого вала предусматривают возможность радиального смещения его опор при монтаже, чтобы обеспечить параллельность валов. К электродвигателям роботов и станков с ЧПУ предъявляются повышенные требования к величине момента, скорости разгона и остановки при минимальных

габаритах и массе двигателя. Этим требованиям удовлетворяют высокомоментные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами. Лучшие параметры имеют двигатели с магнитами из редкоземельных материалов на основе самарий-кобальта. В двигателях выделяется значительное количество теплоты, которая часто не успевает отводиться из-за низкой скорости вращения вала. По этой причине в двигателях с плоским якорем из стеклотекстолита, на котором нанесена печатная обмотка, якорь иногда коробится.

Возможны также отказы, связанные с пробоем изоляции и старением смазки. Чтобы отвести от электродвигателей большие потоки теплоты, в них возможно встраивать тепловые трубы В процессе приемосдаточных испытаний для выявления степени возможности появления функциональных отказов оценивают жесткость характеристики привода и люфт. Чтобы оценить жесткость характеристик, до стыковки системы управления привода с манипулятором на электродвигатели

манипулятора подают пониженное напряжение 0,05 .0,1 от номинального и измеряют ток. при котором происходит трогание и устойчивое движение по всем координатам. Если ток значительно меньше номинального например, 20, то механическую характеристику считают жесткой. Суммарный люфт кинематической и измерительной цепей измеряют, зажав в схват манипулятора иглу и груз,

близкий к номинальному. В рабочей зоне манипулятора закрепляют на технологической стойке экран с миллиметровой бумагой. Устанавливают иглу с грузом в точке позиционирования. По шкале миллиамперметра выставляют ноль с помощью регулировочного потенциометра. Вручную смещают иглу и схват по всем координатам до величин, при которых стрелка миллиамперметра начинает давать показания. Суммарный люфт иглы не должен превышать погрешности позиционирования, указанной в

технических условиях Для роботов обычно предусматривают проведение приработки с номинальным грузом, совмещая ее с приемосдаточными испытаниями. Время приработки в основном составляет 25 .100 ч. 1 Испытания на надежность обычно проводят на двух, трех экземплярах роботов из партии. На стадии испытаний опытных образцов или установочной партии проводят определительные, а при изготовлении серийной продукции контрольные испытания на надежность.

Периодичность контрольных испытаний обычно раз в два-три года. Для сокращения объема испытаний их проводят последовательным методом. Вывод Поскольку уровень надежности в значительной степени определяет развитие техники по основным направлениям, мы должны стремиться достичь высокой надежности технических средств, применяемых в технологическом процессе. Но невозможно достичь высокой надежности и долговечности с непрогрессивным рабочим процессом

и несовершенной схемой или несовершенными механизмами. Поэтому первым направлением повышения надежности является обеспечение необходимого технического уровня изделий. Кроме этого следует применять агрегаты с высокой надежностью и долговечностью, которые обеспечиваются самой природой, т.е. быстроходных агрегатов без механический передач, например, на электростанциях, агрегатов и деталей, работающих на чистом жидкостном трении или без механического контакта электрическое

торможение, бесконтактное электрическое управление деталей, работающих при напряжениях ниже пределов выносливости, и др. Также нужно использовать детали и механизмы, самоподдерживающие работоспособность самоустанавливающихся, самоприрабатывающихся, самосмазывающихся, самонастраивающихся и самоуправляющихся системах. Необходимо отметить, что переход на изготовление машин по строго регламентированной технологии заключает в себе резерв повышения надежности. Этап конструирования системы является очень важным, поскольку

на нем закладывается уровень надежности систем безопасности. При конструировании и проектировании следует ориентироваться на простые структуры, имеющие наименьшее количество элементов, поскольку сокращение количества элементов является существенной мерой повышения надежности. Но уменьшение количества элементов не следует противопоставлять резервированию, как эффективному способу повышения надежности, но приводящему, на первый взгляд, к завышенному количеству элементов конструкции.

Очевидно, что следует принимать компромиссное решение между необходимостью сокращения количества элементов и применением резервирования наименее надежных элементов. 2 Библиографический список 1. Решетов Д.Н, Иванов А.С Фадеев В.З. Надежность машин. М. 1988. 2. Карпенко В.А Васютенко А.П Севриков В.В. Приводы измерительных приборов и автоматов и их надежность.

К. 1996