Визуализация элементов кинематики при проведении мониторинга технического состояния узлов станков с ЧПУ. Часть 1.

Визуализация и моделирование могут существенно облегчить понимание технического состояния элементов кинематики и спрогнозировать их остаточный ресурс работы.

Визуализация данных — это графическое представление информации и аналитики: графики, диаграммы, карты, дашборды. Цифры в таблицах и документах не показывают наглядно взаимосвязи между процессами, периоды роста или спада, зависимости показателей. Визуальный формат представляет информацию и вырисовывает цельную картину происходящего. Когда за обилием цифр легко утратить смысл, стоит обратиться к визуализации больших данных. Этот инструмент приводит огромное количество информации в порядок, помогает быстрее понимать её, прогнозирует развитие дефектов.

В данной статье я хочу рассказать о необходимости постоянно улучшать используемые инструменты при проведении работ по ТОиР оборудования с ЧПУ на примере постоянного совершенствования системы мониторинга и глубокой диагностики технического состояния узлов станков, путем интегрирования в нее системы визуализации состояния элементов кинематики. Данная система визуализации позволит вести просмотр технического состояния элементов кинематики станков в режиме реального времени, используя данные постоянного мониторинга станка и прогнозировать остаточный ресурс элемента путем интерактивной кинематической схемы механизма в среде CAD-системы «КОМПАС».

Решение задач технической диагностики требует анализа множества состояний, в которых объекты могут находиться в период эксплуатации, классификации этих состояний, выбора диагностических параметров и признаков, установления связи между конкретными значениями диагностических параметров (признаков) и конкретным техническим состоянием объекта, разработки решающего правила и алгоритма постановки диагноза. Решать эти задачи можно двумя путями: экспериментально или теоретически. Экспериментальный путь наиболее достоверен, поскольку в реальных условиях эксплуатации оценивается связь между диагностическими параметрами (признаками) и параметрами технического состояния. Следует отметить, что чисто экспериментальный путь решения задач диагностики невозможен.

Для решения указанных проблем теоретическим путем необходимо иметь формализованное описание связи между параметрами технического состояния и диагностическими параметрами или признаками, то есть необходимо разрабатывать математические модели диагностируемых объектов.

Одним из таких путей является применение модуля прогнозирования выхода из строя элементов кинематики станка АСУ Мониторинг, используя систему визуализации математических моделей и реальных элементов.

Основой диагностирования технического состояния узлов оборудования с ЧПУ являются компьютерные модели станков (также CAD или 3D), которые представляют из себя упрощенные или высоко детализированные математические модели станка, имитацию процесса обработки и визуализацию движения рабочих органов технического состояния элементов кинематики станка.

Стратегия технического обслуживания и ремонта станков «по состоянию» требует наличия достоверной
информации об уровне вибрационных и иных параметров кинематических элементов станка, которые получают с помощью соответствующего приборного оснащения. Вместе с тем, большое количество станков на предприятии и кинематических элементов на каждом из них, делают проблему анализа информации достаточно сложной.

Разработанные демонстрационно-диагностические схемы станков в какой-то мере упрощают решение этой задачи, поскольку делают этот анализ более наглядным. Цветовая окраска кинематических элементов станка позволяет оперативно выделить детали, требующие немедленного реагирования (красный цвет) или требующие дополнительного внимания в ближайший период (жёлтый цвет). Окраска в эти цвета производится автоматически с помощью разработанного программного обеспечения в соответствии с уровнями технического состояния. Зелёный цвет окраски кинематических элементов свидетельствует о нормальной работе оборудования.

1. Программа визуализации состояния кинематических элементов станка

Данная программа была разработана в 2014 году сотрудниками кафедры «Автоматизированные станочные и инструментальные системы» СамГТУ.

1.1. Назначение программы

Программа предназначена для визуализации технического состояния кинематических элементов станков. Визуализация заключается в автоматическом окрашивании элементов схемы в различные цвета в зависимости от значений некоторых параметров, определяющих техническое состояние элементов кинематической схемы. Программа была разработана как приложение для Компас – График ПО КОМПАС-3D не ниже версии V13.

Результатом работы программы является демонстрационно-диагностическая схема станка с ЧПУ, элементы которой окрашены в зелёный, жёлтый или красный цвет в зависимости от уровня технического состояния элементов кинематической схемы.

Размещение файлов программы и папок с демонстрационно-диагностическими кинематическими схемами станков показано на рис. 1.1.

1.2. Постановка задачи визуализации

Имеется кинематическая схема станка, построенная из отдельных графических элементов «k».
Техническое состояние каждого элемента «k» оценивается уровнями [D_k]' и [D_k]'' параметра D, причём [D_k]' < [D_k]''.
Некоторые элементы могут иметь несколько параметров D_k_₁,..D_k__i и, соответственно, уровней состояния - [D_k__i]' и [D_k__i]''. Техническое состояние элемента, имеющего несколько оценочных параметров, оценивается по наихудшему показателю.

При работе программы выполняются следующие условия:

1.2.1. Если D_k__i < [D_k__i]' , то графический элемент «k» окрашивается в зелёный цвет (нормальное рабочее состояние);

1.2.2. Если [D_k__i]'' > D_k__i ≥ [D_k__i]' , графический элемент «k» окрашивается в жёлтый цвет (допустимое рабочее состояние);

1.2.3. Если D_k__i ≥ [D_k__i]'' , графический элемент «k» окрашивается в красный цвет (недопустимое рабочее состояние, требующее немедленного реагирования).

Для осуществления визуализации любой кинематической схемы должен быть предварительно подготовлен фрагмент с изображением кинематической схемы (файл Компас в формате frw).

1.3. Подготовка фрагмента с изображением кинематической схемы

Элементы кинематической схемы, для которых необходимо произвести окраску должны быть оформлены как составные объекты Компас (макрообъекты или замкнутые контура).

Макрообъект может включать в себя отрезки, дуги, точки и другие объекты, создаваемые с помощью команд инструментальной панели Компас “Геометрия”.

Не допускается:

• цветовая заливка макрообъекта;
• ввод в состав макрообъекта текстов, размерных линий, линий-выносок и т.д., создаваемых с помощью инструментальных панелей “Размеры” и “Обозначения”.

Объекты, входящие в состав макрообъекта, могут образовывать один или несколько замкнутых контуров (рис. 1.2., поз. 26).

Если макрообъект имеет незамкнутые контуры, то их окраска производиться не будет (рис. 1.2, поз. 24). После создания фрагмента с изображением схемы и подготовки Excel-файла с таблицей параметров необходимо назначить элементам схемы атрибуты соответствия (уникальные идентификаторы UID) строкам таблицы параметров.
Для формирования таких атрибутов в программе предусмотрено специальное инструментальное средство – таблица со значениями параметров и их предельными уровнями для оценки технического состояния элементов схем (файл Excel в формате xls).
Указанные файлы должны быть подготовлены с учетом требований, изложенных в Руководстве пользователя.

1.4. Подготовка таблицы параметров

Таблица со значениями параметров и их предельными уровнями для оценки технического состояния элементов кинематических схем (файл Excel в формате xls) содержит ряд строк (рис. 1.3.), каждая из которых, начиная со второй, должна включать следующие обязательные колонки:

• обозначение позиции элемента на схеме (колонка С),
• текущее значение параметра D_k (колонка D),
• уровни состояния [D_k]' и [D_k]' (колонки E и F, соответственно),
• уникальный в рамках схемы идентификатор (UID) элемента схемы (колонка G).

Расположение перечисленных параметров в другой последовательности или на других местах не допускается.

Если элемент имеет более одного параметра, то для каждого параметра должна быть создана отдельная строка (например, строки 3 и 4).
Последняя строка таблицы должна содержать в первой колонке (колонка А) признак конца (#End#) описания параметров элементов схемы.

1.5. Загрузка библиотеки

Создается на диске D папка VCM, которую размещаем в папки BIN и INI программы визуализации.

Для первоначального подключения программы в главном меню Компас-график выбираем пункты «Сервис – Менеджер библиотек». В открывшемся окне «Менеджер библиотек» выделяем раздел для размещения библиотеки и с помощью правой кнопки мыши добавляем описание прикладной библиотеки по пути: D:\VCM\Bin\VTCKSM.rtw.

В окне Менеджера библиотек должна появиться строка с наименованием подключаемой библиотеки - Визуализация технического состояния кинематики станка. Активизируем её, щелкнув по строке с наименованием, на мониторе появляется галочка в первой позиции строки.

В появившемся окне свойств библиотеки выберем режим открытия Панель (рис. 1.4).

После этого в окне Менеджера библиотек появляется строка с наименованием подключаемой библиотеки (Рис.1.5.). Активизируем её, щелкнув по строке с наименованием визуализация, на мониторе появляется галочка в первой позиции строки.

В окне Менеджера библиотек появится список команд библиотеки (рис. 1.6.). Наименование библиотеки появляется в списке библиотек главного меню Компас-график Библиотеки.

Для подключения панели инструментов библиотеки щелкаем правой кнопкой мыши по полю, где располагаются панели инструментов, и выбираем в раскрывшемся списке название библиотеки (Визуализация технического состояния кинематических схем станка). После этого появляется панель
инструментов.

Дальнейшую работу с библиотекой ведем как сиспользованием команд, так и с использованием панели инструментов.

1.6. Состав команд библиотеки

Библиотека содержит две команды:

• визуализация кинематической схемы; -
• подготовка схемы.

1.6.1 Подготовка схемы

Данный режим предназначен для назначения соответствия между элементами схемы и строками таблицы параметров. При входе в данный режим на экран выводится диалоговое окно, в котором нужно указать пути расположения файлов с таблицей параметров и изображением схемы (рис. 1.7.).

После выбора нужных файлов и нажатия на кнопку ОК программа откроет файл с изображением схемы, и на экран будет выведено диалоговое окно со списком элементов схемы и их идентификаторами, составленным, исходя из информации таблицы файла Excel (рис. 1.8.).

Для назначения идентификаторов изображениям схем выбираем нужный элемент из списка и нажимаем кнопку назначить (или дважды щелкаем по элементу списка). Программа перейдет в режим визуального выбора элементов кинематики станков в системе трехмерного моделирования Компас-3Д. Далее указываем курсором на изображение элемента кинематики станка.
Подтверждением правильности выполненной операции появится всплывающее окно {UID назначен} в нижней правой части экрана.

После этого нажимаем кнопку прервать команду панели свойств Компас-3Д. Программа вернется под управление диалога (рис. 1.8.). Убедиться в том, что атрибут соответствия назначен, можно, если вновь установить курсор на ту же строку Наименование элемента списка - изображение должно подсветиться.

1.7. Визуализация кинематической схемы

При входе в данный режим на экран выводится диалоговое окно, в котором нужно указать пути расположения файлов с таблицей параметров и изображением схемы (рис. 1.9.).

Для выбора файлов можно воспользоваться кнопками, которые расположены справа от соответствующих полей ввода. После нажатия на кнопку ОК будет произведена загрузка информации из этих файлов. Программа сделает копию фрагмента исходной кинематической схемы, произведет окраску элементов в соответствии со значениями параметров оценки состояния и выведет этот фрагмент на экран.

Полученный файл может быть сохранен средствами Компас в нужное место. Перед последующей визуализацией кинематической схемы закройте ранее открытый файл.

Для получения другой картины состояниякинематических элементов станка нужно изменить средствами Excel значения в файле таблицы параметров, сохранить их и снова запустить программу в режиме визуализации.

2. Демонстрационно-диагностическая схема многоцелевого станка модели ИР 500 ПМФ4 с ЧПУ

Таблица 3.1
Параметры состояния элементов кинематики станка модели ИР 500 ПМФ4.

На этом я закачиваю первую часть статьи, посвящённую разработке и внедрению системы визуализации технического состояния элементов кинематики узлов станков с ЧПУ с прогнозированием их остаточного ресурса. Во второй части я расскажу о интегрировании системы визуализации в АСУ Мониторинга с глубокой диагностикой элементов кинематики узлов станков с ЧПУ.