Значение проблем надежности для современных технологических станков

Введение
Надежность - это свойство технологической машины сохранять с течением времени в заданных пределах все необходимые параметры, которые гарантируют выполнение требуемых функций в заданных условиях эксплуатации.
Степень надежности во многом задает то, как будет развиваться техника в своих основополагающих направлениях: автоматизации производственного процесса, интенсификации рабочих и транспортных операций, экономии ресурсов (материалов, энергии и т.д.).
Существующие на сегодняшний день технологические машины крайне многообразны и включают в себя, как правило, большое количество взаимодействующих друг с другом силовых агрегатов, механических устройств, электрических и электронных функциональных элементов. Если первые создаваемые человеком машины включали в себя десятки или сотни конструктивных элементов, то, например, современный прокатный стан, имеющий цифровую систему управления, состоит из десятков и сотен тысяч различных элементов. В подобных комплексных системах требуется в обязательном порядке дублирование (резервирование) различных узлов и деталей, так как отказ одного элемента может вызывать сбой или выход из строя всей системы.
Низкая степень надежности системы может приводить к значительным издержкам на ремонтные работы, длительному простою системы, к аварийным ситуациям и т.д.
Отказы элементов и механизмов в разных системах и различных условиях вызывают неодинаковые последствия. Последствия отказа какого-либо механического устройства, имеющегося на конкретном производстве в значительном количестве, могут относительно просто и быстро устраняться силами самого производственного предприятия. В то время как выход из строя специализированного станка, который интегрирован в автоматическую линию, приведет к существенным издержкам, связанным с простоем других интегрированных в эту линию станков и отклонением предприятия от установленного производственного плана.
Предметом настоящего реферата является рассмотрение надежности станков и промышленных роботов.

Надежность станков
Главнейшими трендами станкостроения являются увеличение точности, производительности и степени автоматизации.
За счет увеличения точности деталей, обрабатываемых на станках, значительно повышаются технологические параметры выпускаемых вновь машин. Увеличение точности станков достигают посредством подчинения конструкций основных узлов станков критерию точности (автоматизации и цифровизации управления, применению новейших материалов и т.д.).
Увеличение производительности станков достигают посредством совершенствования механики станка, применения оптимальных алгоритмов управления станком с уменьшенным нерабочим временем для основного инструмента станка. Так, например, на предприятиях с единичным и мелкосерийным производством обработка деталей составляет в среднем всего лишь около 5% совокупного времени (от начала изготовления деталей до окончания их изготовления).
Увеличение степени автоматизации станков и комплексной автоматизации производственной линии является одним из наиболее важных направлений повышения производительности предприятия, облегчения труда человека и, как следствие, решения проблемы, связанной с отсутствием в настоящее время, например в России, достаточного количества квалифицированных рабочих. Увеличение степени автоматизации серийного и крупносерийного производства достигают посредством внедрения автоматических линий. Автоматические линии увеличивают производительность в десятки раз по сравнению с производительностью универсальных станков. Автоматизацию серийного и мелкосерийного производства достигают за счет использования станков с числовым программным управлением и более гибкой организации производственного процесса. Так, например, заменив пять универсальных станков на станки с ЧПУ, можно сократить число рабочих с пяти до трех, помимо этого можно увеличить в три раза производительность. Кроме того, если в дополнение к этому интегрировать в линию роботы для подачи и снятия заготовок, то количество рабочих может уменьшиться до двух, при этом производительность увеличится в целом в три с половиной раза по сравнению с первоначальной производительностью.
Производительность и точность станков максимально связаны с их надежностью. Как правило, станки обладают значительным количеством движущихся и помимо этого трущихся друг о друга элементов, которые трудно защищать от возможных загрязнений. Таким образом, надежность станков задается надежностью агрегатов и элементов станков против повреждений, разрушений и иных выходов из строя и надежностью в отношении точности обработки.
Надежность можно рассматривать относительно самих станков и совокупной технологической цепочки: заготовка – зажим – инструмент - станок. В этой цепочке инструмент является элементом с наименьшей надежностью, так как именно он испытывает, например, высокие усилия, моменты и температурные нагрузки.
Кроме того, у станков различных типов различаются требования к их надежности.
С одной стороны в случае универсальных нетяжелых станков при стандартных условиях эксплуатации, их технологический ресурс является главным требованием к надежности.
С другой стороны в случае тяжелых станков решающей является безотказность в течение длительного промежутка времени, помимо этого при обработке высокоточных и сверхдорогих элементов решающей является безотказность в течение одного технологического шага (операции).
Сверх этого, в отличие от универсальных станков надежность специализированных, уникальных и, как правило, дорогостоящих станков предъявляет более высокие требования, для того чтобы отсутствовала необходимость содержания на предприятии дублера подобного станка.
К станкам, интегрируемым в автоматические производственные линии, предъявляются наиболее высокие требования к надежности, ввиду того, что отказ одного подобного станка из линии приводит к простою секции или, возможно, всей линии.
Надежность агрегатов и элементов станков против повреждений, разрушений и выходов из строя следует рассматривать с двух сторон. С одной стороны в отношении мгновенных, внезапных выходов из строя, например в отношении нарушения течения нормального технологического процесса, разрушений, связанных с усталостными нагрузками, и в отношении различных возможных заклиниваний, заеданий и т.д. С другой стороны в отношении монотонного постепенного уменьшения технологического ресурса, что связано с накапливающимся износом, прогрессирующей коррозией и процессами старения.
Например, в случае металлорежущих станков можно выделить следующие, связанные с нарушением течения нормального технологического процесса выходы из строя: неправильное врезание инструмента в заготовку ввиду сбоев цифрового блока управления, скопление в зоне резки большого количества стружки, наезд зажимов друг на друга или на иные агрегаты по причине сбоя цифрового блока управления или скопившейся стружки, вырывание заготовки из зажима или зажимного патрона и т.д.
В случае универсальных станков их надежность в отношении усталостных повреждений является, как правило, достаточной. Это связано с тем, что такие станки эксплуатируются не постоянно, а с переменными нагрузками, то есть с крайне редким привлечением всей мощности. Размеры многих элементов станков задает не прочность, а, например, жесткость. Например, у подобных станков зубья зубчатых передач эксплуатируются с износом, который затрудняет возникновение и развитие трещин, связанных с поверхностной усталостью.
Далее, например, усталостные отказы элементов приводной системы возникают главным образом в станках, которые эксплуатируются со значительными нагрузками, имеющими место в течение длительного времени, при динамических усилиях, при запуске станков без использования передаточных механизмов (например, муфт) при помощи асинхронных двигателей, то есть когда крутящие моменты составляют четыре-пять номинальных моментов, а также при торможении станков за счет включения двигателей в противоположном направлении. [2]