Надежность и диагностика автоматизированных технических и технологических систем

 
 
 
 
 
 
А. А. Игнатьев, В. А. Добряков, Е. А. Сигитов 
 
 
 
 
 
 
 
НАДЕЖНОСТЬ И ДИАГНОСТИКА 
АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ 
И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 

УДК 681.518:621.9.08 
ББК 32.965 
И26 
 
 
 
Рецензенты: 
кафедра «Информатика и управление техническими системами» 
Балаковского института техники и технологий НИЯУ МИФИ; 
доктор технических наук, профессор Саратовского государственного 
технического университета имени Гагарина Ю. А. 
Ю. Б. Томашевский 
 
 
 
 
 
 
 
 
Игнатьев, А. А.  
И26   
Надежность и диагностика автоматизированных технических и технологических систем : учебное пособие / А. А. Игнатьев, В. А. Добряков, 
Е. А. Сигитов. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 156 с. : ил., 
табл. 
ISBN 978-5-9729-1676-4 
 
Изложены основные понятия, термины и определения надежности и технической 
диагностики. Приведены методические основы обеспечения технологической надежности автоматизированных металлорежущих станков и принципы организации их контроля и диагностирования как сложных технических систем. Изложены методы измерения диагностических параметров и математическое обеспечение систем контроля и 
диагностирования автоматизированных станков. Рассмотрена экспертная система поддержки процесса диагностирования прецизионного токарного модуля.  
Для студентов машиностроительных направлений. Может быть использовано аспирантами в исследованиях, связанных с контролем и диагностикой технических систем различного назначения. 
 
УДК 681:518.621.9.08 
ББК 32.965 
 
 
ISBN 978-5-9729-1676-4 
” Игнатьев А. А., Добряков В. А., Сигитов Е. А., 2024 
 
” Саратовский государственный технический университет 
  
имени Гагарина Ю. А., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 5 
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ 
........................... 7 
1.1. Основные термины и определения 
..................................................................... 7 
1.2. Показатели надежности технических объектов 
.............................................. 11 
ГЛАВА 2. НАДЕЖНОСТЬ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СТАНКОВ 
............... 15 
2.1. Системный подход к проблеме обеспечения 
технологической надежности прецизионных станков .......................................... 15 
2.2. Основные направления обеспечения 
технологической надежности прецизионных станков .......................................... 21 
2.2.1. Новые технические решения формообразующих узлов ............................. 22 
2.2.2. Совершенствование методов и средств контроля, 
диагностирования, мониторинга, испытаний и технического  
обслуживания автоматизированных металлорежущих станков (АМС)  
.................. 
28 
2.2.3. Управление качеством обработки ................................................................. 32 
2.3. Оценка надежности и эффективности использования  
автоматизированных станочных модулей (АСМ)  ................................................ 34 
2.3.1. Автоматизация сбора и обработки информации 
об эксплуатационной надежности АСМ 
................................................................. 35 
2.3.2. Подсистема оперативной оценки надежности АСМ 
................................... 38 
2.3.3. Оценка надежности АСМ по результатам испытаний ................................ 38 
2.3.4. Обеспечение надежности АСМ  
в процессе эксплуатации .......................................................................................... 39 
ГЛАВА 3. ОРГАНИЗАЦИЯ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИРОВАНИЯ  
АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СТАНКОВ .............................................................. 44 
3.1. Задачи контроля и диагностирования .............................................................. 44 
3.2. Классификация средств контроля и диагностирования ................................. 45 
3.3. Этапы разработки системы контроля и диагностирования (СКД)  .............. 48 
3.3.1. Системный подход к разработке СКД .......................................................... 48 
3.3.2. Последовательность разработки СКД 
........................................................... 50 
3.4. Методы и средства измерения диагностических параметров ....................... 50 
3.4.1. Метрологическое обеспечение измерений ................................................... 50 
3.4.2. Физические и диагностические параметры АСМ 
........................................ 51 
3.5. Математическое обеспечение систем контроля 
и диагностирования 
................................................................................................... 56 
3.5.1. Модели объектов и диагностические модели .............................................. 56 
3.5.2. Аналитические модели ................................................................................... 58 
3.5.3. Графоаналитические модели 
.......................................................................... 60 
3.5.4. Модели поиска дефектов 
................................................................................ 62 
ГЛАВА 4. ДИАГНОСТИРОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ 
АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СТАНКОВ .............................................................. 65 
4.1. Диагностирование технического состояния АМС 
.......................................... 66 
4.2. Диагностирование формообразующей подсистемы АСМ 
............................. 81 
3 

4.2.1. Общая концепция диагностирования 
............................................................ 81 
4.2.2. Диагностирование состояния режущего инструмента 
................................ 88 
4.2.3. Диагностирование привода главного движения .......................................... 94 
4.2.4. Диагностирование привода подач ................................................................. 97 
4.2.5. Структурная реализация СКД 
...................................................................... 101 
4.3. Диагностирование системы управления АСМ 
.............................................. 104 
4.4. Управление точностью обработки ................................................................. 106 
ГЛАВА 5. ЭКСПЕРТНАЯ СИСТЕМА ПОДДЕРЖКИ ПРОЦЕССА  
ДИАГНОСТИРОВАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СТАНКОВ ............... 112 
5.1. Экспертная система как интеллектуальная поддержка решений  
в системе диагностирования автоматизированных станков 
............................... 112 
5.2. Построение базы знаний экспертной системы 
поддержки процесса диагностирования (ЭСППД)  
............................................. 116 
5.2.1. Структура базы знаний ................................................................................. 116 
5.2.2. Диагностические параметры подсистем модуля ....................................... 119 
5.2.3. Формирование базы знаний ......................................................................... 123 
5.3. Диалоговый, объяснительный и компонент приобретения 
знаний ЭСППД ........................................................................................................ 131 
5.4. Реализация экспертной системы 
поддержки процесса диагностирования ............................................................... 137 
ГЛАВА 6. ОРГАНИЗАЦИЯ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИРОВАНИЯ 
ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ 
............................ 141 
6.1. Контроль систем управления и электронных приборов .............................. 141 
6.2. Контроль автомобильного транспорта 
........................................................... 143 
6.3. Контроль оборудования летательных аппаратов 
.......................................... 145 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................................... 150 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
....................................................................................... 151 
4 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Успешное решение задач, связанных с повышением эффективности автоматизированных технических и технологических систем различного назначения, достигается, прежде всего, за счет повышения надежности эксплуатируемой техники.  
В связи с этим возникает проблема обеспечения высокой надежности различных систем, устройств и механизмов, применяемых в летательных аппаратах, энергетических объектах, машино- и приборостроении, химическом производстве и других отраслях. Развитие сложных технических систем (СТС), 
управляемых средствами микропроцессорной техники, привело к тому, что их 
надежность стала определяющим фактором обеспечения эффективности использования. Вопросам надежности технических систем стало уделяться большое внимание, в результате чего сформировалась теория надежности. 
Следует отметить, что практические аспекты обеспечения надежности 
СТС касаются всех основных этапов их жизненного цикла. Важнейшим этапом 
является этап эксплуатации, надежность СТС, на котором во многом определяется эффективностью диагностирования их основных узлов. Широкие исследования в области технической диагностики, которая является разделом теории 
надежности, обусловили выделение ее в самостоятельную научно-техническую 
дисциплину.  
Диагностирование технических систем связано с решением таких задач, 
как своевременная регистрация и локализация отказов, предотвращение аварийных ситуаций, обоснование необходимости ремонтно-профилактических 
мероприятий, направленных на обеспечение надежности и эффективности эксплуатации. 
Изложенное в полной мере относится и к автоматизированным металлорежущим станкам (АМС) и технологическим процессам механической обработки 
деталей. Для АМС А.С. Прониковым сформулировано понятие технологическая надежность, под которой понимается свойство станка обеспечивать заданное качество обработки деталей с заданной производительность. 
В связи с этим проблема повышения технологической надежности АМС 
является важнейшей с точки зрения совершенствования производства и повышения его качественного уровня, чтобы изделия отечественного машиностроения были конкурентоспособными как на внутреннем, так и на международном 
рынках. Одними из направлений решения этой проблемы являются разработка, 
внедрение и широкое использование на всех этапах жизненного цикла АМС систем контроля и технического диагностирования, создаваемых с применением 
высокоточных измерительных систем, современных средств микропроцессорной техники, эффективных алгоритмов и программного обеспечения, а в последнее время – с применением интеллектуальных технологий. На этой основе 
создаются системы мониторинга технологического процесса (СМТП), встраиваемые в АСУТП предприятия. 
5 

Цель издания – освоение терминологии и основных понятий в области 
теории надежности и диагностирования технических систем, изучение основных направлений обеспечения технологической надежности АМС, ознакомление с основными методами и средствами измерения диагностических 
параметров, организацией автоматизированного контроля и диагностирования АМС, в том числе с использованием технологии экспертных систем. 
6 

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ 
 
1.1. Основные термины и определения 
 
Основные понятия, термины и определения, применяемые при анализе 
надежности технических систем, регламентируются комплексом ГОСТов по 
надежности систем и опираются на понятие работоспособности. 
Надежность – свойство машины, механизма или другого объекта (системы) выполнять функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение установленного промежутка времени при регламентированных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования. 
Обеспечение надежности системы осуществляется на трех основных этапах ее жизненного цикла: проектирования, изготовления и эксплуатации. 
Надежность конкретной системы определяется наиболее «слабыми» его 
элементами, теряющими со временем способность выполнять заданные функции по тем или иным причинам, связанным с определенными свойствами, 
называемыми ɤɪɢɬɟɪɢɹɦɢ ɪɚɛɨɬɨɫɩɨɫɨɛɧɨɫɬɢ (прочность, устойчивость, износостойкость, виброустойчивость, теплостойкость, точность, быстродействие 
и другие). 
Надежность является внутренним свойством объекта и проявляется в его 
взаимодействии с другими объектами внутри системы, а также с объектами из 
внешней среды, с которым взаимодействует система в процессе функционирования. Это свойство определяет эффективность функционирования системы во 
времени через свои показатели. Надежность является комплексным свойством 
и слагается из ряда свойств, к которым относятся безотказность, долговечность, 
ремонтопригодность и сохраняемость. 
Ɋɚɛɨɬɨɫɩɨɫɨɛɧɨɫɬɶ объекта – его способность нормально выполнять заданные функции, причем значения всех параметров соответствуют требованиям нормативно-технической документации (НТД). 
ɇɟɪɚɛɨɬɨɫɩɨɫɨɛɧɨɟ ɫɨɫɬɨɹɧɢɟ – состояние объекта, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующего его способность выполнять 
заданные функции, не соответствует требованиям НТД. 
Ⱦɟɮɟɤɬ – любое несоответствие свойств объекта его заданным требуемым 
или ожидаемым свойствам. Поиск (локализация) дефекта заключается в указании с определенной точностью его местоположения в объекте. 
Ɉɬɤɚɡ – событие, заключающееся в нарушении работоспособности объекта (фактически это проявление дефекта). 
Ȼɟɡɨɬɤɚɡɧɨɫɬɶ – свойство объекта непрерывно (без отказа) сохранять 
работоспособность в течение требуемого промежутка времени или некоторой 
наработки. 
Ⱦɨɥɝɨɜɟɱɧɨɫɬɶ – свойство объекта сохранять работоспособность до перехода в предельное состояние с возможными перерывами для технического 
обслуживания и ремонтов. 
7 

В отличие от свойства безотказности долговечность характеризует продолжительность работы объекта по суммарной наработке, прерываемой периодами для восстановления его работоспособности в плановых и неплановых ремонтах и техническом обслуживании. 
Ɋɟɦɨɧɬɨɩɪɢɝɨɞɧɨɫɬɶ – приспособленность объекта к предупреждению и 
обнаружению причин возникновения отказов и поддержанию работоспособности путем проведения технического обслуживания или ремонта. 
Свойство ремонтопригодности на практике определяется компоновочным 
решением системы (агрегатов, сборочных единиц и деталей), а также их доступностью для достаточно легкой замены. 
ɋɨɯɪɚɧɹɟɦɨɫɬɶ – свойство объекта сохранять значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение определенного 
времени в пределах, установленных НТД на данный объект. 
Помимо указанных основных свойств и определений, в теории надежности используется еще целый ряд понятий, также отраженных в ГОСТах. 
Ɍɟɯɧɢɱɟɫɤɨɟ ɫɨɫɬɨɹɧɢɟ – совокупность подверженных изменению 
в процессе производства или эксплуатации свойств объекта, характеризуемая 
признаками, установленными НТД на объект. 
Объект машиностроения в процессе жизненного цикла находится в одном 
из четырех состояний: исправном, неисправном, работоспособном, неработоспособном. Особым видом неработоспособного состояния является предельное 
состояние. Переход объекта из одного состояния в другое фиксируется событиями – повреждением или отказом. 
ɂɫɩɪɚɜɧɨɟ ɫɨɫɬɨɹɧɢɟ (исправность) – состояние объекта, при котором 
он удовлетворяет всем требованиям НТД. 
ɇɟɢɫɩɪɚɜɧɨɟ ɫɨɫɬɨɹɧɢɟ (неисправность) – состояние объекта, при котором он не удовлетворяет хотя бы одному из требований НТД. 
ɉɪɟɞɟɥɶɧɨɟ ɫɨɫɬɨɹɧɢɟ – состояние объекта, при достижении которого 
его дальнейшее применение по назначению недопустимо или невозможно. 
Последствием предельного состояния деталей является их замена, а последствием предельного состояния машины или ее сборочных единиц – списание 
или капитальный ремонт. 
ɉɨɜɪɟɠɞɟɧɢɟ – событие, заключающееся в нарушении исправности объекта при сохранении его работоспособности. 
Все виды состояний и событий, согласно ГОСТ 27.103-83, определяются 
критериями, установленными в соответствующей НТД. Все виды событий обнаруживаются через признаки, также оговоренные в НТД на изделие. 
ɉɨɤɚɡɚɬɟɥɶ ɧɚɞɟɠɧɨɫɬɢ – величина, характеризующая одно из свойств 
(единичный показатель) или несколько свойств надежности (комплексный показатель). Причины, определяющие надежность технических объектов, определяются 
большим числом факторов, часть из которых являются детерминированными, а 
большая часть – случайными, поэтому показатели, применяемые для оценки 
надежности, имеют вероятностную природу. 
8 

Ʉɨɧɬɪɨɥɟɩɪɢɝɨɞɧɨɫɬɶ – свойство объекта, характеризующее его приспособленность к проведению контроля заданными средствами. 
Ɋɟɦɨɧɬɢɪɭɟɦɵɣ ɨɛɴɟɤɬ – объект, для которого возможность проведения ремонтов и технического обслуживания предусмотрена в НТД. 
ɇɟɪɟɦɨɧɬɢɪɭɟɦɵɣ ɨɛɴɟɤɬ – объект, для которого возможность проведения ремонтов и технического обслуживания не предусмотрена в НТД. 
Абсолютное большинство машин и их сборочных единиц относят к классу 
ремонтируемых объектов. К неремонтируемым объектам могут быть отнесены 
подшипники качения, зубчатые колеса, клиновые ремни, уплотнения и другие изделия машиностроения, нарушение работоспособности которых по критерию 
прочности или предельного износа соответствует их переходу в предельное состояние с последующей утилизацией. 
ɇɚɪɚɛɨɬɤɚ – продолжительность или объем работы объекта. 
Ɋɟɫɭɪɫ – наработка объекта от начала его применения до наступления 
предельного состояния. 
ɋɪɨɤ ɫɥɭɠɛɵ – календарная продолжительность эксплуатации объекта от 
начала его применения до наступления предельного состояния. 
ɋɪɨɤ ɫɨɯɪɚɧɹɟɦɨɫɬɢ – календарная продолжительность хранения и (или) 
транспортирования объекта в заданных условиях, в течение и после которых 
сохраняются исправность, а также значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности. 
Ɉɩɟɪɚɬɢɜɧɨɟ ɜɪɟɦɹ ɜɨɫɫɬɚɧɨɜɥɟɧɢɹ – затраты времени каждого исполнителя на выполнение операций по восстановлению работоспособности объекта, 
определяемые его конструкцией и техническим состоянием. 
Ɉɩɟɪɚɬɢɜɧɚɹ 
ɩɪɨɞɨɥɠɢɬɟɥɶɧɨɫɬɶ 
ɜɨɫɫɬɚɧɨɜɥɟɧɢɹ 
– 
время 
проведения операций по восстановлению работоспособности объекта, определяемое его конструкцией, техническим состоянием и приспособленностью 
к одновременному выполнению работ несколькими исполнителями.  
Далее рассмотрим основные понятия и термины технической диагностики. 
Техническая диагностика – это раздел теории надежности, являющийся 
комплексной дисциплиной и включающий также математическую теорию надежности, физику отказов, контроль надежности и другие разделы, т. е. отрасль научно-технических знаний, объединяющая теорию, методы и средства обнаружения и 
поиска дефектов технических объектов. В то же время техническая диагностика – 
наука о распознавании состояния технического объекта, включающая широкий 
круг вопросов, связанных с организацией контроля состояния и локализацией дефектов, структурой диагностического процесса, принципами построения систем 
контроля и диагностирования и оценкой диагностической информации. 
Ɍɟɯɧɢɱɟɫɤɢɣ ɤɨɧɬɪɨɥɶ – проверка соответствия объекта установленным 
техническим требованиям. 
Ɍɟɯɧɢɱɟɫɤɨɟ ɞɢɚɝɧɨɫɬɢɪɨɜɚɧɢɟ – процесс определения технического состояния объекта с определенной точностью, базирующийся на анализе данных, 
9 

полученных при контроле состояния, с целью распознавания вида состояния и 
места отказа. 
Ɉɛɴɟɤɬ ɤɨɧɬɪɨɥɹ (ɞɢɚɝɧɨɫɬɢɪɨɜɚɧɢɹ) – объект, состояние которого 
подвергается контролю (диагностированию). 
ɋɪɟɞɫɬɜɚ ɤɨɧɬɪɨɥɹ (ɞɢɚɝɧɨɫɬɢɪɨɜɚɧɢɹ) – аппаратные и программные 
средства, с помощью которых осуществляется контроль (диагностирование); в 
качестве указанных средств может также выступать человек-оператор (в человеко-машинных системах). 
Совокупность средств и объекта контроля (диагностирования) и при 
необходимости операторов, взаимодействующих с объектом, называется системой контроля (технического диагностирования). 
Ʉɨɧɬɪɨɥɶ ɬɟɯɧɢɱɟɫɤɨɝɨ ɫɨɫɬɨɹɧɢɹ – определение вида технического 
состояния объекта, включающее совокупность операций по проверке работоспособности, локализации и прогнозированию отказов объекта.  
Ƚɥɭɛɢɧɚ ɩɨɢɫɤɚ ɞɟɮɟɤɬɚ – степень детализации при диагностировании, указывающая, до какой составной части объекта определяется место отказа. 
ɉɚɪɚɦɟɬɪ ɬɟɯɧɢɱɟɫɤɨɝɨ ɫɨɫɬɨɹɧɢɹ – физическая величина, характеризующая работоспособность объекта контроля (диагностирования), изменяющаяся в процессе работы. 
Ⱦɢɚɝɧɨɫɬɢɱɟɫɤɢɟ ɩɚɪɚɦɟɬɪɵ – параметры объекта диагностирования, 
используемые в установленном порядке для определения технического состояния. Их можно разделить на три группы:  
– функциональные параметры, характеризующие рабочие процессы оборудования (усилия, время разгона, давление жидкости и т. п.); 
– структурные параметры, непосредственно характеризующие состояние 
узлов (зазоры, координаты положения, дисбалансы и т. п.); 
– параметры сопутствующих процессов (температура, вибрация, погрешность обработки и т. п.). 
ɉɪɹɦɚɹ ɡɚɞɚɱɚ ɞɢɚɝɧɨɫɬɢɪɨɜɚɧɢɹ – определение технического состояния, в котором находится объект в настоящий момент времени, и оценка перспектив его использования в будущем. 
Ɉɛɪɚɬɧɚɹ ɡɚɞɚɱɚ ɞɢɚɝɧɨɫɬɢɪɨɜɚɧɢɹ – определение технического состояния, в котором находился объект в некоторый момент времени в прошлом, что 
связано, например, с расследованием причин аварий. 
Ʉɨɧɫɬɪɭɤɰɢɨɧɧɵɣ ɨɬɤɚɡ – отказ, возникший в результате несовершенства или нарушения установленных правил или норм конструирования объекта. 
ɉɪɨɢɡɜɨɞɫɬɜɟɧɧɵɣ ɨɬɤɚɡ – отказ, возникающий в результате несовершенства или нарушения процесса изготовления или ремонта объекта. 
ɗɤɫɩɥɭɚɬɚɰɢɨɧɧɵɣ ɨɬɤɚɡ – отказ, возникший в результате нарушения 
установленных правил или условий эксплуатации. 
ȼɧɟɡɚɩɧɵɣ ɨɬɤɚɡ – отказ, вызванный скачкообразным изменением значений одного или нескольких параметров объекта. 
ɉɨɫɬɟɩɟɧɧɵɣ ɨɬɤɚɡ – отказ, характеризующийся постепенным изменением значений одного или нескольких параметров объекта. 
10