Дипломная (вкр): Направления повышения надежности промышленных изделий и промышленных работ на предприятии

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. 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:

) вызванные нарушением технологии изготовления отдельных элементов (дефекты зубчатых колес, утечка масла из соединений, люфт в механизмах, недостаточная точность изготовления направляющих качения),

) вызванные дефектами комплектующих изделий (пропадание контакта в цепи датчиков, самопроизвольное движение золотников гидроусилитетей и т.д.),

) 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 высоко моментные 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 схвати 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.

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.

Таким образом, многие предприятия страны с помощью станков о ЧПУ решили некоторые сложные производственные, технические и экономические задачи и от внедрения отдельных станков перешли к комплексному перевооружению производства на базе этих станков. Повышение производительности труда, создание гибких переналаживаемых производств и в связи с этим сокращение затрат на освоение выпуска новых изделий, уменьшение объема дополнительных работ на сборке, улучшение качества, решение проблемы дефицита в станочниках, особенно при использовании промышленных роботов (безлюдная технология), сокращение производственных площадей, транспортных и контрольных операций, уменьшение расходов на проектирование, изготовление и эксплуатацию зажимных приспособлений, вспомогательной оснастки и режущих инструментов, повышение культуры производства и улучшение условий труда - вот перечень тех положительных сторон, которые приводят к достижению экономической эффективности при эксплуатации станков с программным управлением.

1.3 Методика оценки вероятности отказов и вероятности безотказной системы

Существует много методик анализа надежности, специфических для отдельных отраслей промышленности и приложений. Наиболее общие из них следующие.

¾           Анализ видов и последствий отказов (АВПО)

¾           Имитационное моделирование надежности

¾           Анализ схем функциональной целостности (СФЦ)

¾           Анализ опасностей (Hazard analysis)

¾           Анализ структурных схем надежности (RBD)

¾           Анализ деревьев неисправностей

¾           Ускоренные испытания

¾           Модели ускорения жизни

¾           Модели деградации

¾           Анализ роста надежности

¾           Вейбулл-анализ (анализ эмпирических данных испытаний и эксплуатации)

¾           Анализ смеси распределений

¾           Устранение критичных отказов

¾           Анализ ремонтопригодности, ориентированной на безотказность

¾           Анализ диагностики отказов

¾           Анализ ошибок человека-оператора

Инженерные исследования проводятся для определения оптимального баланса между надежностью и другими требованиями и ограничениями. Существенную помощь при инженерном анализе надежности могут оказать программные комплексы для расчета надежности.

Теория надежности является основой инженерной практики в области надежности технических изделий. Часто безотказность определяют как вероятность того, что изделие будет выполнять свои функции на определенном периоде времени при заданных условиях. Математически это можно записать следующим образом:

R (t) = Pr {T>t} = ∫^∞ f (x) dx (2)

где  - функция плотности времени наработки до отказа, а  - продолжительность периода времени функционирования изделия, в предположении, что изделие начинает работать в момент времени .

Теория надежности предполагает следующие четыре основных допущения:

¾      Отказ рассматривается как случайное событие. Причины отказов, соотношения между отказами (за исключением того, что вероятность отказа есть функция времени) задаются функцией распределения. Инженерный подход к надежности рассматривает вероятность безотказной работы как оценку на определенном статистическом доверительном уровне.

¾      Надежность системы тесно связана с понятием «заданная функция системы». В основном, рассматривается режим работы без отказов. Однако, если в отдельных частях системы нет отказов, но система в целом не выполняет заданных функций, то это относится к техническим требованиям к системе, а не к показателям надежности.

¾      Надежность системы может рассматриваться на определенном отрезке времени. На практике это означает, что система имеет шанс (вероятность) функционировать это время без отказов. Характеристики (показатели) надежности гарантируют, что компоненты и материалы будут соответствовать требованиям на заданном отрезке времени. Поэтому иногда надежность в широком смысле слова означает свойство «гарантоспособности». В общем случае надежность относится к понятию «наработка», которое в зависимости от назначения системы и условий ее применения определяет продолжительность или объем работы. Наработка может быть как непрерывной величиной (продолжительность работы в часах, километраж пробега в милях или километрах и т.п.), так и целочисленной величиной (число рабочих циклов, запусков, выстрелов оружия и т.п.).

¾      Согласно определению, надежность рассматривается относительно заданных режимов и условий применения. Это ограничение необходимо, так как невозможно создать систему, которая способна работать в любых условиях. Внешние условия функционирования системы должны быть известны на этапе проектирования. Например, Марсоход создавался совершенно для других условий эксплуатации, чем семейный автомобиль.

Для достижения необходимой надежности могут быть использованы различные методы и средства. Каждая система предполагает свой уровень допустимой надежности, так как последствия отказов различных систем могут значительно различаться. Так, надежность точилки для карандашей может превышать надежность пассажирского самолета, однако последствия и стоимость их отказов сложно сравнить.

Программа обеспечения надежности (ПОН) является документом, который определяет организационно-технические требования и мероприятия (задачи, методы, средства анализа и испытаний), направленные на обеспечение заданных требований к надежности, а также уточняет требования заказчика по определению и контролю надежности. Определение надежности (reliability assessment) заключается в определении численных значений показателей надежности изделия. Контроль надежности (reliability verification) состоит в проверке соответствия изделия заданным требованиям по надежности [ГОСТ 27.002-89]. Различают расчетный, расчетно-экспериментальный и экспериментальный методы определения и контроля надежности.

В расчетном методе определения надежности расчет надежности основан на использовании показателей надежности по справочным данным о надежности элементов, по данным о надежности изделий-аналогов и другой информации, имеющейся к моменту оценки надежности. Расчетно-экспериментальный метод определения надежности (Analytical-experimental reliability assessment) основан на процедуре определения показателей надежности элементов экспериментальным методом, а показателей надежности системы в целом - с использованием математической модели. Экспериментальный метод определения надежности (Experimental reliability assessment) основан на статистической обработке данных, получаемых при испытаниях или эксплуатации системы или ее составных частей и элементов.

ПОН разрабатывается на ранних стадиях проектирования и реализуется на всех этапах жизненного цикла изделия. В техническом плане основным объектом ПОН является оценивание и достижение готовности и стоимости эксплуатации (затраты на запасные части, техническое обслуживание и ремонт, транспортные услуги и т.п.). Зачастую требуется нахождение компромисса между высокой готовностью и затратами, или, например, поиск максимального отношения «готовность / стоимость». В ПОН рассматриваются порядок и условия проведения испытаний на надежность, критерии их завершения и принятия решений по результатам испытаний.

Для любой системы одной из первых инженерных задач надежности является адекватное нормирование показателей надежности, например, в терминах требуемой готовности. Нормирование надежности - это установление в проектной или иной документации количественных и качественных требований к надежности. Требования по надежности относятся как к самой системе и ее составным частям, так и к планам испытаний, к точности и достоверности исходных данных, формулированию критериев отказов, повреждений и предельных состояний, к методам контроля надежности на всех этапах жизненного цикла изделия. Например, требования по ремонтопригодности могут включать в себя показатели стоимости и времени восстановления. Оценивание эффективности процессов технического обслуживания и ремонта является частью процесса FRACAS (failure reporting, analysis and corrective action system - система отчетов об отказах, анализа и коррекции действий).

При анализе параметров системной надежности учитывается структура системы, состав и взаимодействие входящих в нее элементов, возможность перестройки структуры и алгоритмов ее функционирования при отказах отдельных элементов.

Наиболее часто в инженерной практике рассматривают последовательное, параллельное, смешанной (последовательно - параллельное и параллельно-последовательное) соединение элементов, а также схемы типа «K из N», мостиковые соединения.

По возможности восстановления и обслуживания системы подразделяются на восстанавливаемые и невосстанавливаемые, обслуживаемые и необслуживаемые. По режиму применения (функционирования) - на системы непрерывного, многократного (циклического) и однократного применения.