張成,楊成,牛焱,邵崇杰

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

在北京奔馳涂裝車間，需要對(duì)車身焊縫噴涂一層以聚氯乙烯（PVC）為主要原料的焊縫密封膠，該密封膠既有密封防漏、增強(qiáng)車體防銹蝕能力，又有填補(bǔ)焊縫、增加車體美觀性的作用。根據(jù)奔馳工藝要求，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋或行李箱蓋板內(nèi)部焊縫以及外圍折邊區(qū)域，為了保證可視區(qū)域的外觀美觀性，通常會(huì)采用德國(guó)SCA公司生產(chǎn)的E-swirl旋轉(zhuǎn)膠槍裝配口徑為0.9或1mm槍嘴進(jìn)行噴涂。該膠槍在噴涂時(shí)以每分鐘21000轉(zhuǎn)的速度高速旋轉(zhuǎn)，會(huì)在焊縫處形成致密連續(xù)的環(huán)形花紋，因此具有較好的外觀，下圖1為GLC發(fā)動(dòng)機(jī)蓋涂膠示意圖。該設(shè)備雖然體型較小，但是單臺(tái)設(shè)備（不含其余閥組）的價(jià)值高達(dá)十五萬(wàn)元，而且維護(hù)保養(yǎng)難度和成本也非常高。因此針對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究，并根據(jù)其機(jī)械和電氣特性對(duì)經(jīng)常出現(xiàn)的故障進(jìn)行預(yù)判，以及建立專用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行功能測(cè)試，能為公司節(jié)省大量成本以及降低故障時(shí)間。

圖1 GLC車身發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋槍涂膠圖

1 旋轉(zhuǎn)膠槍結(jié)構(gòu)和功能介紹

旋轉(zhuǎn)膠槍的內(nèi)部剖視結(jié)構(gòu)如下圖2所示，其結(jié)構(gòu)主要由外部殼體、定子繞組、永磁體轉(zhuǎn)子、中心導(dǎo)管、和偏心襯套等組成。其需要機(jī)器人一起配合使用，機(jī)器人保持以一定的低速運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)膠槍則保持21000轉(zhuǎn)/分鐘的高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)保持一定壓力的材料供應(yīng)，才能形成致密的環(huán)形花紋。

定子繞組和永磁體轉(zhuǎn)子可以看成一個(gè)小型的永磁4極同步電機(jī)，永磁體在轉(zhuǎn)子上的安裝方式采用的是內(nèi)嵌式，轉(zhuǎn)子和定子之間的氣隙均勻分布。

圖2 旋轉(zhuǎn)膠槍內(nèi)部剖視圖

為了對(duì)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量和監(jiān)控，在定子繞組之間安裝有3個(gè)靈敏度高和體積較小的霍爾傳感器。根據(jù)霍爾傳感器具有電磁效應(yīng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子表面永磁體的S極接近且垂直于霍爾傳感器表面時(shí)，霍爾傳感器內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生明顯的電勢(shì)差，憑此對(duì)霍爾傳感器的感應(yīng)電流以100ms的周期進(jìn)行采樣，可以對(duì)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量并反饋到控制器，控制器會(huì)根據(jù)反饋對(duì)輸入電流頻率進(jìn)行調(diào)整，形成一個(gè)閉環(huán)控制。而且當(dāng)霍爾傳感器離轉(zhuǎn)子的磁極太遠(yuǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電流過(guò)小無(wú)法探測(cè)的現(xiàn)象，而太近則會(huì)導(dǎo)致傳感器燒毀，而這種破壞則是無(wú)法修復(fù)的，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備無(wú)法使用。

轉(zhuǎn)子由前后兩個(gè)軸承固定安裝在定子兩側(cè)，轉(zhuǎn)子中間為通孔構(gòu)造，裝有175mm長(zhǎng)的不銹鋼導(dǎo)管，在轉(zhuǎn)子的延長(zhǎng)側(cè)裝有一個(gè)偏心套，內(nèi)部含有一個(gè)軸承，軸承的內(nèi)圈和不銹鋼導(dǎo)管的頭部用膠水粘牢，0.9或者1mm口徑的噴嘴安裝在導(dǎo)管的末端。轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)由于偏心襯套的作用將帶動(dòng)中央膠管以環(huán)形的軌跡進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

由于設(shè)備精密，同時(shí)德國(guó)SCA考慮知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，沒(méi)有為客戶提供專業(yè)工具和測(cè)試臺(tái)設(shè)備的服務(wù)，也不提供專業(yè)的維修培訓(xùn)，而且單臺(tái)設(shè)備維修成本高達(dá)2萬(wàn)元，且耗時(shí)半年，導(dǎo)致主機(jī)廠無(wú)法針對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行進(jìn)一步分析，因此在使用和維修過(guò)程中存在著多種疑難問(wèn)題，導(dǎo)致出現(xiàn)大量停機(jī)。主要問(wèn)題為：①故障原因不明，需要通過(guò)反復(fù)的更換以及在線測(cè)試才能最終確認(rèn)故障原因。②專業(yè)工具缺失，導(dǎo)致安裝困難以及備件損壞。③維修后備件質(zhì)量無(wú)法保證，沒(méi)有測(cè)試臺(tái)，只能反復(fù)等待周末停產(chǎn)進(jìn)行測(cè)試，耗時(shí)較長(zhǎng)，存在停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。因此采用專門的工具，創(chuàng)建一個(gè)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能為公司節(jié)約大量的成本以及有效降低停機(jī)時(shí)間。

2 主要失效模式分析

上文提到，對(duì)于本文研究對(duì)象而言，其物理模型可以簡(jiǎn)化為一臺(tái)帶偏心負(fù)載的永磁同步電機(jī)。因此其故障類型有電機(jī)過(guò)流、繞組過(guò)熱、匝間短路、絕緣老化和電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心等，而且因?yàn)槠滢D(zhuǎn)子上還裝有永磁體，可能還會(huì)發(fā)生不可逆的退磁現(xiàn)象。由于旋轉(zhuǎn)膠槍結(jié)構(gòu)較小，集電氣和機(jī)械一體，同時(shí)又處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此可能導(dǎo)致故障原因較多，因此需要具體問(wèn)題具體分析。

根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，旋轉(zhuǎn)膠槍80%以上的故障原因目前在于軸承損壞引起的三相電流超上限或者霍爾傳感器損壞。關(guān)于軸承的使用壽命主要受三個(gè)方面影響，一是工作負(fù)載，而是工作環(huán)境，三是潤(rùn)滑情況。本文對(duì)拆下的軸承進(jìn)行了拆解，對(duì)滾珠、內(nèi)圈和外圈進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)了局部的疲勞磨損和缺口，具體見(jiàn)圖3。

圖3 軸承缺陷圖

根據(jù)上圖可知，我們?cè)谳S承內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了疲勞點(diǎn)蝕現(xiàn)象以及缺口，疲勞點(diǎn)蝕的行程因素很多，但是缺口的產(chǎn)生一般來(lái)自于過(guò)載或者沖擊載荷。首先根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的軸承壽命計(jì)算公式為：

其中：C表示基本額定動(dòng)載荷，該數(shù)據(jù)來(lái)自軸承性能數(shù)據(jù)，P表示當(dāng)量動(dòng)載荷，當(dāng)量動(dòng)載荷和軸承所受的徑向載荷和軸向載荷相關(guān)。?值可以從參數(shù)表中算出，球軸承一般為3。根據(jù)公式可知當(dāng)量動(dòng)載荷越大，軸承的實(shí)際使用壽命和理論壽命相比就會(huì)越小。

根據(jù)旋轉(zhuǎn)膠槍剖視結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)膠槍使用的三個(gè)軸承全部為深溝球軸承，而深溝球軸承主要用于承受徑向作用力。上文已經(jīng)提到旋轉(zhuǎn)膠槍在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)子一端的偏心套帶動(dòng)導(dǎo)管做螺旋運(yùn)動(dòng)，偏心套和軸承的具體結(jié)構(gòu)如下圖4所示。從圖4第二圖可知，轉(zhuǎn)子中心和軸承中心不同心，偏心套材料為鋁，不帶軸承時(shí)重量約為16g，偏心套的質(zhì)心由于軸承座偏離轉(zhuǎn)子中心位置向上偏移0.6～0.7毫米加工而向下發(fā)生了偏移。同時(shí)626Z深溝球軸承重量約為8g，軸承安裝以后，其重心由于軸承座位置向上偏移了0.6～0.7毫米。根據(jù)保持回轉(zhuǎn)體機(jī)械振動(dòng)平衡的必要條件，回轉(zhuǎn)體的中心主軸必須與旋轉(zhuǎn)軸一致。因此從偏心套的結(jié)構(gòu)圖可以看出，廠家在進(jìn)行平衡測(cè)試時(shí)需要對(duì)偏心套局部進(jìn)行去重和質(zhì)量調(diào)整，以盡量降低機(jī)械振動(dòng)，但機(jī)械振動(dòng)一直存在。位于軸承中心的導(dǎo)管中心由于位于軸承孔中心偏離轉(zhuǎn)子中心0.6～0.7毫米，仍然會(huì)形成一定的彎曲應(yīng)力P，而且在生產(chǎn)噴涂過(guò)程中持續(xù)流動(dòng)的高壓密封膠材料也會(huì)增加這種應(yīng)力作用，在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)由于導(dǎo)管中心和轉(zhuǎn)子中心偏心，會(huì)持續(xù)形成對(duì)軸承的不對(duì)稱的慣性離心力，導(dǎo)致沖擊載荷出現(xiàn)。

雖然使用軸承采用端蓋封閉而且免潤(rùn)滑，但是由于旋轉(zhuǎn)速度超高，且承受著一定的徑向載荷，隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，軸承必定產(chǎn)生疲勞磨損，同時(shí)也會(huì)增加軸承內(nèi)部的摩擦轉(zhuǎn)矩，也會(huì)影響軸承壽命。隨著負(fù)載的不斷增加，輸入的三相電流值也會(huì)相應(yīng)增加，由于散熱不佳，電機(jī)表面的溫度可能高達(dá)80～90℃，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致軸承潤(rùn)滑油脂變質(zhì)，影響軸承使用壽命。

另外，如果由于軸承磨損發(fā)生轉(zhuǎn)子偏心，會(huì)進(jìn)一步影響轉(zhuǎn)子和定子之間的磁隙大小變化，從而影響磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化。而霍爾傳感器在永磁轉(zhuǎn)子S極接近其表面時(shí)產(chǎn)生電勢(shì)差大小與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，因此當(dāng)軸承磨損導(dǎo)致轉(zhuǎn)子出現(xiàn)偏心時(shí)，霍爾傳感器表面會(huì)由于產(chǎn)生的電勢(shì)差過(guò)大而導(dǎo)致傳感器損毀。

3 預(yù)見(jiàn)性維修方法

旋轉(zhuǎn)膠槍最常見(jiàn)的故障為軸承失效導(dǎo)致的三相電流過(guò)大，因此找到合適的方法對(duì)電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對(duì)電流變化的趨勢(shì)進(jìn)行分析研究，可以提前對(duì)旋轉(zhuǎn)膠槍的使用壽命進(jìn)行預(yù)判。電機(jī)的三相電流和電機(jī)所受負(fù)載相關(guān)，而電機(jī)的負(fù)載變化主要來(lái)源于三個(gè)軸承。根據(jù)上圖3顯示，軸承主要缺陷有疲勞點(diǎn)蝕和沖擊缺口，因此隨著缺陷的出現(xiàn)，也會(huì)逐漸導(dǎo)致負(fù)載增大，因此三相電流也會(huì)漸進(jìn)式的增加。為了進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)不同時(shí)間安裝使用的6臺(tái)旋轉(zhuǎn)膠槍設(shè)備進(jìn)行了監(jiān)控，通過(guò)對(duì)電機(jī)三相電流的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)電機(jī)負(fù)載的變化和使用時(shí)間的長(zhǎng)短呈現(xiàn)一定的正比關(guān)系。

對(duì)使用的6臺(tái)設(shè)備的電機(jī)的三相電流進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)控記錄，采樣周期選為10ms，一個(gè)節(jié)拍時(shí)間內(nèi)記錄的電流值為20000個(gè)左右。選取其中兩臺(tái)監(jiān)控得到的三相電流點(diǎn)陣數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB中得到的效果圖如圖5所示。對(duì)于旋轉(zhuǎn)膠槍而言，一個(gè)工作節(jié)拍分為加速階段、勻速階段和停止階段，如圖6所示。由于輸入電流總是處于波動(dòng)無(wú)規(guī)律狀態(tài)，不考慮加速啟動(dòng)和停止階段，其波動(dòng)幅度基本在600～1000mA之間。為了對(duì)比不同設(shè)備三相電流的大小，決定采取計(jì)算均值的方法進(jìn)行比較，而且由于加速啟動(dòng)階段和停止階段的電流值過(guò)大或者過(guò)小，會(huì)明顯影響均值的分布。因此在計(jì)算均值時(shí)，設(shè)定了一個(gè)閾值范圍，電流值小于500mA或大于1500mA的點(diǎn)都會(huì)被剔除，不參與計(jì)算。圖中的紅色的直線表示均值大小，兩臺(tái)設(shè)備均值大小分別為834mA和1087mA。

圖5 旋轉(zhuǎn)膠槍電流監(jiān)控圖

表1為統(tǒng)計(jì)的旋轉(zhuǎn)膠槍的電流均值，除去機(jī)器人R24以外，從數(shù)據(jù)上基本上可以看出，隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，三相電流在呈逐步上升趨勢(shì)。尤其是機(jī)器人R23在使用13個(gè)月以后，三相電流值為1023mA，而在更換新的軸承以后，電流值降低為777mA。

雖然影響影響電機(jī)負(fù)載的因素有很多，長(zhǎng)時(shí)間使用導(dǎo)致內(nèi)部損傷引起負(fù)載增加只是其中一種因素，但是本文想要展示的是通過(guò)電流的監(jiān)控可以在很大程度上得知設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并且對(duì)進(jìn)一步發(fā)展有比較清晰的預(yù)期。因?yàn)殡娏髦档拇笮∈怯|發(fā)系統(tǒng)停機(jī)的最重要的也是最常見(jiàn)的因素，當(dāng)三相電流大于1400mA時(shí)，系統(tǒng)會(huì)觸發(fā)報(bào)警停機(jī)，而且電流過(guò)大，定制繞組產(chǎn)生的熱量會(huì)增大很多，3班連續(xù)運(yùn)行情況下，電機(jī)殼體的溫度可能會(huì)高達(dá)60～70℃，甚至更高。而且永磁轉(zhuǎn)子長(zhǎng)時(shí)間在高溫環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)，也可能會(huì)出現(xiàn)磁體不可逆的失磁現(xiàn)象。

圖6 旋轉(zhuǎn)膠槍三相電流曲線介紹

表1 旋轉(zhuǎn)膠槍電流值

因此為了確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，降低設(shè)備停機(jī)，在考慮維護(hù)成本等因素的情況下制定了以下規(guī)則：①每半月對(duì)旋轉(zhuǎn)膠槍的電流進(jìn)行一次監(jiān)控，并對(duì)電流均值進(jìn)行計(jì)算，如果發(fā)現(xiàn)某臺(tái)設(shè)備的電流值超過(guò)了1000mA，則加入更換計(jì)劃，閑時(shí)進(jìn)行更換。②建立每臺(tái)設(shè)備的歷史檔案庫(kù)，記錄每次更換前的電流值和磨損情況，以及保養(yǎng)后測(cè)試成功后的初始電流值，并對(duì)所有更換的備件進(jìn)行記錄，以便日后進(jìn)行追溯分析。

4 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本公司采用的設(shè)備為德國(guó)杜爾公司設(shè)計(jì)的密封膠噴涂機(jī)器人系統(tǒng)，SCA公司的旋轉(zhuǎn)膠槍為專用噴涂工具使用，并采用杜爾定制的控制器對(duì)其進(jìn)行控制。杜爾的機(jī)器人站系統(tǒng)采用SERCOSIII網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和各個(gè)子模塊單元進(jìn)行通訊，由于控制器的通訊接口為BUS接口，因此機(jī)器人控制單元和膠槍控制器之間采用了網(wǎng)關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

本文在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)之初，由于杜爾系統(tǒng)集成商和制造商的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)和限制，基本無(wú)法現(xiàn)場(chǎng)使用設(shè)備方案進(jìn)行測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)。而且底層通訊協(xié)議和設(shè)備控制參數(shù)都無(wú)法直接獲取，只能通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)破解。最后決定利用PLC通過(guò)BUS接口與旋轉(zhuǎn)膠槍控制器之間進(jìn)行直接通信，在破解設(shè)備控制參數(shù)的基礎(chǔ)上利用PLC程序?qū)πD(zhuǎn)膠槍進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。見(jiàn)下圖7所示，為本文離線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的系統(tǒng)構(gòu)成，其包含西門子S300 PLC控制器、西門子HMI、膠槍控制器、測(cè)試對(duì)象旋轉(zhuǎn)膠槍以及供電變壓設(shè)備等。

程序功能設(shè)計(jì)時(shí)采取了自動(dòng)測(cè)試和手動(dòng)測(cè)試兩種模式，自動(dòng)測(cè)試時(shí)系統(tǒng)會(huì)按照事先設(shè)定好的速度和對(duì)應(yīng)的時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試，而手動(dòng)測(cè)試則需要手動(dòng)輸入轉(zhuǎn)速和測(cè)試時(shí)間，通常我們會(huì)要求維修人員首先進(jìn)行手動(dòng)測(cè)試，確定安裝無(wú)異響，而且電流不會(huì)過(guò)大，再開(kāi)始進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試。本文根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，確定的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為：表面溫度低于50度；速度誤差范圍在±500轉(zhuǎn)以內(nèi)；3秒內(nèi)轉(zhuǎn)速達(dá)到21000r/min，且三相電流穩(wěn)定在1000mA以內(nèi)；無(wú)異響。

圖7 測(cè)試系統(tǒng)硬件組態(tài)結(jié)構(gòu)

5 結(jié)語(yǔ)

由于德國(guó)生產(chǎn)廠家的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)和限制，損壞設(shè)備被要求發(fā)回德國(guó)維修，極大的限制了故障解決的時(shí)效性和設(shè)備備件的可利用性。目前通過(guò)預(yù)見(jiàn)性維修方法以及測(cè)試平臺(tái)已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)了有效的維修測(cè)試和故障預(yù)判，目前已經(jīng)提前更換了三相電流較高的設(shè)備。同時(shí)由于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的投入使用，有效地保證了設(shè)備維修質(zhì)量，已基本上避免了由于設(shè)備損壞或者備件質(zhì)量問(wèn)題引起的長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)。后續(xù)將繼續(xù)開(kāi)展研究，通過(guò)采用耐久性更加出色的陶瓷軸承對(duì)現(xiàn)有軸承進(jìn)行替換，同時(shí)對(duì)偏心套的振動(dòng)進(jìn)行分析，力圖極大提高旋轉(zhuǎn)膠槍的使用壽命，同時(shí)降低維修成本。