В отечественной промышленности накоплен значительный опыт эксплуатации обрабатывающих центров, оснащенных системами ЧПУ. Опыт эксплуатации обрабатывающих центров на предприятиях показывает, что коэффициент их загрузки (использования) по времени не превышает 0,5 при двухсменной работе, что является недостаточным для обеспечения эффективности.
Учитывая, что длительность программ при которых работают обрабатывающие центры с ЧПУ значительно превосходит длительность обработки на обычных станках с ЧПУ, вероятности появления отказов у обрабатывающих центров также выше, чем у обычных станков с ЧПУ. Тот факт, что на обрабатывающих центрах обрабатываются более сложные трудоемкие детали, стоимость которых достаточно высока, выдвигает дополнительное требования к повышению безотказности обрабатывающих центров. Таким образом, опыт эксплуатации показывает, что надежность обрабатывающих центров является наряду с улучшением организации их использования главной проблемой повышения эффективности этих обрабатывающих центров.
Эксплуатационная надежность обрабатывающих центров во многом определяется безотказностью работы системы ЧПУ. По данным статистики свыше 50% отказов станков с ЧПУ приходится на отказы электрической и электронной части систем ЧПУ. Остальная часть приходится на механическую часть станка, подавляющее большинство - отказы в устройствах смены инструмента.
Среднее время между двумя отказами систем ЧПУ составляет 1000 ч. Большое число отказов на начальной стадии эксплуатации объясняется, главным образом, качеством изготовления, малой надежностью составляющих элементов. Исследование системы на интегральных схемах показывает ее значительно большую надежность. Такая система ЧПУ имеет среднее время наработки между двумя последовательными отказами 2000 ч.
Надежность обрабатывающих центров может быть выражена моделью Вейбула. В соответствии с этой моделью время эксплуатации разбивается на три этапа. На первом этапе при освоении станка все дефекты и отказы имеют наибольшее количество, которое по мере эксплуатации снижается до некоторого установившегося значения (второй этап). Затем наступает третий этап, когда количество отказов возрастает, так как на надежность работы станка влияет износ отдельных узлов и деталей. Эксплуатационная надежность должна определяться на всех стадиях создания станков. На стадии создания обрабатывающих центров, исходя из специфики методов обеспечения надежности систем ЧПУ, в их структуре целесообразно выделить следующие составные части:
- узел считывания с перфоленты;
- электронные блоки преобразования сигналов;
- линии связи со станком;
- силовую коммутационную аппаратуру;
- исполнительные органы станка.
Узел считывания с перфоленты является самым ненадежным узлом системы ЧПУ. По данным Джон Ламсон (США) доля отказов системы ЧПУ из-за узла считывания составляет до 20%. Причины отказов - в нарушении правильности считываемого сигнала или износ деталей кинематики перемещения ленты, работающих в старт-стопном режиме.
Для повышения надежности передачи светового потока фотодиоду применяются специальные кварцевые лампы и стекловолоконная оптика. Срок службы таких ламп выше обычной лампы накаливания в 20 раз и отличается высокой стабильностью. Применение стекловолоконной оптики исключает влияние посторонних источников света. Надежность кинематической цепи перемещения перфоленты может быть повышена за счет упрощения. Примером наиболее простой кинематической цепи может быть применение электрического шагового двигателя с ведущей звездочкой на валу.
Несмотря на применяемые меры, надежность узлов считывания с перфоленты отстает от надежности других устройств системы ЧПУ. В связи с этим пришли к созданию систем ЧПУ с памятью, где фотосчитыватель используется для ввода программы в память.
Электронные блоки преобразования сигналов в современных системах ЧПУ обрабатывающих центров реализуются быстродействующими интегральными микросхемами. По сравнению с узлами, выполнявшимися на навесных элементах, они имеют меньшую помехоустойчивость, что требует принятия специальных мер защиты от помех. В производственных условиях помехи возникают от сети питания переменного тока, элементов, коммутирующих мощную индуктивную нагрузку, или быстроменяющихся электромагнитных полей. Защиту от высокочастотных полей обеспечивают Г-образные индуктивные фильтры, установленные в первичной обмотке, и емкостные фильтры, установленные во вторичной обмотке силового трансформатора.
На функционирование электронных блоков систем ЧПУ существенно влияют провалы сети питания переменного тока. Установка дополнительных электролитических конденсаторов в блоке питания устраняет провалы напряжения длительностью в несколько периодов. Защита от более длительных провалов требует установки различных стабилизаторов сетевого напряжения.
Информационные входы и выходы электронных логических блоков систем ЧПУ отделяют от линий связи разделительными трансформаторами. Из-за высокого быстродействия схемы не задерживают помехи, поступающие по каналам связи. Для этой цели вводят резисторно-емкостные фильтры с полосой пропускания, в десятки раз превышающей частоту работающих сигналов. Такие фильтры, как правило, применяют в сочетании с триггером Шмидта, увеличивающим порог срабатывания входных логических схем.
Уязвимым местом систем ЧПУ с точки зрения влияния помех является линия связи УЧПУ с исполнительными элементами станка. Для обеспечения помехоустойчивости этих линий связи применяют экранирование отдельных жил кабелей с заземлением экрана на корпус.
В зарубежной практике известны другие решения этой проблемы. Так, для передачи сигналов от УЧПУ к станку выпускают комплекты волоконно-оптических линий связи.
Силовую коммутационную аппаратуру раньше в обрабатывающих центрах строили на основе электромагнитных реле и контакторах; она являлась одним из источников помех и, кроме того, обладала низкой надежностью. Отказ релейно-контакторных схем происходит большей частью за счет окисления или эрозии контактов, а также пробоя обмоток. Многие реле выпускают с герметизированными контактами, что обеспечивает защиту контактов от вредного воздействия окружающей среды, но не исключает их эрозии от электрической дуги, возникающей при коммутации индуктивной нагрузки.
Отказ от релейного оборудования и замена его системой бесконтактных полупроводниковых элементов позволяют построить любые логические схемы станка для непосредственного управления исполнительными механизмами с обеспечением повышения надежности системы ЧПУ и уменьшения источников помех.
Наиболее ответственными исполнительными механизмами обрабатывающих центров являются электродвигатели приводов подач и главного движения. В этих приводах наиболее широко применяют электродвигатели постоянного тока, используемые в приводах главного движения как регулируемые, а в приводах подач - в следящем режиме. Наиболее ненадежным элементом этих приводов является коллектор. Один из распространенных способов облегчения режима работы коллектора - снижение величины индуктивности ротора. Выход из строя механических узлов исполнительных органов объясняется, в основном, их износом. Наиболее подвержены износу шариковые винтовые пары и направляющие.
Современные конструкции направляющих с покрытием полимерными материалами позволяют уменьшить трение в направляющих и нагрузки в шариковых винтовых парах, что обеспечивает их длительную безотказную работу.
Увеличение долговечности направляющих достигается благодаря применению гидростатической системы смазки, направляющих качения, применению принципа узкой направляющей, уменьшающей перекос. Повышение износостойкости возможно в результате хорошей защиты соединений, лучшей фильтрации смазки, применения антифрикционных присадок в смазке. Некоторые фирмы применяют присадки к маслу, благодаря которым он резко меняет окраску при недопустимом нагреве.
Обеспечение достаточного уровня надежности обрабатывающих центров при изготовлении достигается значительным объемом испытаний как отдельных элементов станка и систем ЧПУ, так и комплекса в целом. Это обеспечивает сокращение этапа приработки станка и устранение дефектов изготовления. Уровень надежности при эксплуатации обрабатывающих центров поддерживается благодаря строгому выполнению регламентных работ, предусматриваемых системой обслуживания. При этом современные системы ЧПУ позволяют производить самодиагностику с помощью специальных диагностических программ, что упрощает техническое обслуживание обрабатывающих центров.
