輕型H型鋼自動焊接生產(chǎn)線的故障預(yù)警及診斷技術(shù)研究

張兆隆 孫志平 楊立云

摘? 要：H型鋼現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于大型橋梁機械裝備制造、造船、水利等國民經(jīng)濟建設(shè)的各個方面。H型鋼的需求量越來越大，生產(chǎn)效率和生產(chǎn)設(shè)備自動化程度越來越高，但如何預(yù)測、預(yù)警故障，大幅降低自動生產(chǎn)線的故障發(fā)生率，提高故障診斷及維護的快速性和準確性，是目前亟待解決的問題。該項目以河北創(chuàng)力機電科技有限公司輕型H型鋼自動焊接生產(chǎn)線為研究對象，根據(jù)H型鋼工藝及控制要求，重點開展H型鋼自動生產(chǎn)線的現(xiàn)場檢測儀和基于現(xiàn)場總線的遠程監(jiān)測平臺研究，包括生產(chǎn)線關(guān)鍵部件運行性能狀態(tài)信息提取，設(shè)備部件信息特性與參數(shù)采集方法研究，故障特征分析方法。自動生產(chǎn)線主要故障狀態(tài)預(yù)警與診斷的方法，從而確保自動生產(chǎn)線的可靠運行，提高H型鋼自動生產(chǎn)裝備的技術(shù)和服務(wù)水平。

關(guān)鍵詞：H型鋼? 自動焊接生產(chǎn)線? 遠程監(jiān)測平臺? 故障狀態(tài)預(yù)警? 故障特征分析

中圖分類號：TH11 ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2019）04（c）-0063-03

1? 背景及意義

H型鋼也稱寬平行邊工字鋼，被廣泛應(yīng)用于大型橋梁、機械裝備制造、高層建筑、造船、化工企業(yè)等國民經(jīng)濟建設(shè)的各個方面。作為綠色建材，H型鋼的生產(chǎn)得到國家政策支持，根據(jù)國家十三五規(guī)劃，到2025年，我國城鎮(zhèn)綠色建筑占新建建筑比重要從2012年的2%提升至50%。替代傳統(tǒng)的型鋼，發(fā)展前景可觀。目前，我國建筑鋼結(jié)構(gòu)、橋梁鋼結(jié)構(gòu)快速發(fā)展，H型鋼的需求量日益增加，H型鋼生產(chǎn)效率和設(shè)備自動化程度也在不斷提高，但如何有效預(yù)測、預(yù)警故障，降低自動生產(chǎn)線的故障率，延長生產(chǎn)線使用壽命，提高故障診斷及維護的快速性和準確性，是目前亟待解決的問題。利用現(xiàn)場總線技術(shù)將生產(chǎn)線遠程監(jiān)測系統(tǒng)作為H型鋼自動生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的一部分，越來越展現(xiàn)出其重要性和必要性。該項目由河北河北機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院牽頭，依托河北創(chuàng)力機電科技有限公司的輕型H型鋼自動焊接生產(chǎn)線為研究對象，根據(jù)H型鋼工藝及控制要求，重點開展H型鋼自動生產(chǎn)線的現(xiàn)場檢測儀和網(wǎng)絡(luò)化遠程監(jiān)測平臺研究，提出這類裝備主要故障狀態(tài)預(yù)警與診斷的方法，從而保證H型鋼自動生產(chǎn)線的可靠運行，提高H型鋼自動生產(chǎn)裝備的技術(shù)和服務(wù)水平。通過“產(chǎn)、學(xué)、研”聯(lián)合攻關(guān)，最后成功在河北創(chuàng)力機電科技有限公司進行應(yīng)用驗證及推廣。

2? 研究的主要內(nèi)容

2.1 輕型H型鋼自動焊接生產(chǎn)線關(guān)鍵部件性能狀態(tài)信息獲取

項目在分析輕型H型鋼自動焊接生產(chǎn)線CAN總線控制系統(tǒng)與現(xiàn)場監(jiān)測信息特性的基礎(chǔ)上，針對大量特性各異狀態(tài)信息，對其遠程采集、數(shù)據(jù)傳輸、遠程設(shè)置等方法做了深入研究，并且闡述了基于高性能信號處理器（DSP）與嵌入式操作系統(tǒng)DSP/BIOS的H型鋼自動焊接生產(chǎn)線遠程狀態(tài)數(shù)據(jù)采集控制器軟硬件設(shè)計，最后在河北創(chuàng)力機電科技有限公司生產(chǎn)的輕型H型鋼自動焊接生產(chǎn)線遠程監(jiān)控系統(tǒng)中成功應(yīng)用。輕型H型鋼焊接生產(chǎn)線機組如圖1所示。

為實現(xiàn)安全參數(shù)及運行參數(shù)監(jiān)控，實現(xiàn)故障預(yù)測與診斷，分析需要采集的信息，分為以下幾類：（1）工作狀態(tài)信息，如流量、壓力、溫度、振動、液位、轉(zhuǎn)速、力矩等;（2）工況信息：如長度、工作半徑、額定負載等;（3）控制命令：如主控制器對變頻器、伺服驅(qū)動器、執(zhí)行器等器件輸出的控制指令;（4）故障診斷信息：如主控制器的故障信息、各執(zhí)行設(shè)備的故障代碼等;（5）工作狀態(tài)信息：如液壓泵累計工作時間、總產(chǎn)量等;（6）環(huán)境信息：如工作環(huán)境濕度、溫度等。

2.2 輕型H型鋼自動焊接生產(chǎn)線故障特征分析

通過對自動化生產(chǎn)線上的結(jié)構(gòu)特征相關(guān)的重要監(jiān)測點及關(guān)鍵點的故障特點分析，總結(jié)故障產(chǎn)生的規(guī)律，改進并優(yōu)化控制策略，既能抓住重點，又那能做到較為全面、深入的分析，為輕型H型鋼自動焊接生產(chǎn)線的壽命預(yù)測及維護、控制系統(tǒng)優(yōu)化研究打下基礎(chǔ)。項目結(jié)合實際研究情況，采用根據(jù)故障特征逆向分析的方法來剖析焊接自動化生產(chǎn)線的故障模式及故障特征。

2.3 故障樹的建立方法

焊接自動化生產(chǎn)線主要由夾具、控制裝置、焊接設(shè)備、機器人、自動輸送裝置及其他輔助設(shè)備構(gòu)成。由于焊接自動化生產(chǎn)線上各系統(tǒng)間的故障事件相互是獨立的，不會互相影響，因此在進行設(shè)備的故障樹建立和分析時，可單獨對各系統(tǒng)進行FTA研究。該課題的研究對象主要針對正常和故障兩種狀態(tài)的設(shè)備，且該設(shè)備的故障狀態(tài)是相互獨立的，因此可采用靜態(tài)邏輯門來建立結(jié)構(gòu)函數(shù)。

3? 總拼生產(chǎn)線的故障樹建立及分析

河北創(chuàng)力機電科技有限公司的總拼生產(chǎn)線采用智能化技術(shù)，其主要功能是自動生產(chǎn)H型鋼焊接件，生產(chǎn)流程為：直條（數(shù)控/直條）火焰切割機下料→H型鋼組立機進行對中定位拼裝點焊成型→懸臂式龍門H型鋼焊接機焊接→H型鋼在翼緣正機矯正翼板焊接變形→拋丸除銹→完成。以上分析可以看出，對生產(chǎn)線進行預(yù)測性維護規(guī)劃的前提，是要充分剖析工位上的各設(shè)備的物理結(jié)構(gòu)關(guān)系，了解它們的生產(chǎn)運作流程，從而進一步研究其故障情況及維護策略。由于總拼生產(chǎn)線上各設(shè)備間的故障事件都是獨立的，且不會互相影響，因此在研究總拼生產(chǎn)線的故障樹時，可單獨對各個設(shè)備進行分析。結(jié)合北方地區(qū)冬季氣溫寒冷的狀況，設(shè)備的液壓系統(tǒng)增加了液壓油自動加熱裝置，極大便利了用戶的使用，提高了生產(chǎn)效率，解決了寒冷氣候機組啟動時間過長問題;設(shè)有自動點焊系統(tǒng)，可自動組立、點焊，效率高，點焊導(dǎo)弧機構(gòu)，采用輕型液壓油缸驅(qū)動，運動平穩(wěn)、可靠，無需增加氣源，方便使用。

項目結(jié)合通用部件在其他設(shè)備上各工況下常見故障模式，給出了組立機的主要失效模式，可以推廣應(yīng)用到相似的其他設(shè)備上。

4? 輕型H型鋼自動焊接生產(chǎn)線壽命預(yù)測與維護優(yōu)化

該文以焊接自動化生產(chǎn)線這類復(fù)雜大型系統(tǒng)為主要研究對象，利用壽命預(yù)測信息進行設(shè)備系統(tǒng)維護規(guī)劃的相關(guān)預(yù)測性研究。

（1）焊接自動化生產(chǎn)線預(yù)測性維護優(yōu)化模型。

通過對設(shè)備故障特征的研究分析，建立了壽命預(yù)測方法，主要用于預(yù)測系統(tǒng)當前時刻至失效時刻的時間剩余值，而維護優(yōu)化則是根據(jù)特征參數(shù)的衰退信號變化規(guī)律決策設(shè)備維護的最優(yōu)時序，從而建立取得設(shè)備最優(yōu)、可靠性最好為目標的函數(shù)。根據(jù)檢測的數(shù)據(jù)，結(jié)合焊接自動化生產(chǎn)線上各設(shè)備的壽命預(yù)測方法和維護時序規(guī)劃模型，建立了焊接自動化生產(chǎn)線預(yù)測性維護優(yōu)化模型。

圖2和圖3分別展示的是PHM1和PHM2的100組參照樣本在實際壽命ARUL=△t時的預(yù)測壽命PRUL值（這里定義△t=1h）。

由該項目研究優(yōu)化后的維護策略為優(yōu)化策略，并對兩種策略的流程進行了詳細描述。基于以上兩種策略分別對總拼生產(chǎn)線進行壽命預(yù)測和最優(yōu)維護時序的求解并通過應(yīng)用，證明了所提優(yōu)化模型的先進性，最終對比得出所研究的多設(shè)備混聯(lián)系統(tǒng)預(yù)測性維護優(yōu)化模型的表現(xiàn)較優(yōu)，以此證明了該課題的積極意義和價值。

5? 課題研究的結(jié)論與創(chuàng)新點

5.1 結(jié)論

本項目的實施解決了三個方面的技術(shù)難點。

（1）輕型H型鋼自動焊接生產(chǎn)線關(guān)鍵部件性能狀態(tài)信息獲取;（2）輕型H型鋼自動焊接生產(chǎn)線性能狀態(tài)數(shù)據(jù)庫和故障知識庫建立;（3）輕型H型鋼自動焊接生產(chǎn)線健康狀態(tài)評估、性能預(yù)測預(yù)警及故障診斷模型開發(fā)。

提出了輕型H型鋼自動焊接生產(chǎn)線的性能預(yù)測與故障診斷方法，并構(gòu)建了故障可診斷，性能可預(yù)測的優(yōu)化模型，實現(xiàn)對H型鋼自動組立機、液壓矯正機等關(guān)鍵狀態(tài)信息的監(jiān)測。

5.2 項目創(chuàng)新點

（1）輕型H型鋼自動焊接生產(chǎn)線關(guān)鍵部件性能狀態(tài)信息獲取技術(shù);（2）輕型H型鋼自動焊接生產(chǎn)線性能狀態(tài)數(shù)據(jù)庫和故障知識庫建立;（3）輕型H型鋼自動焊接生產(chǎn)線健康狀態(tài)評估、性能預(yù)測預(yù)警及故障診斷模型開發(fā)。

參考文獻

[1] 李冬林，游穎，李歡.高頻焊接輕型H型鋼自動化生產(chǎn)線的設(shè)計[J].機床與液壓，2011（20）：1-3，8.

[2] 孟憲成，周和敏，馮光宏.輕型焊接H型鋼生產(chǎn)工藝及其質(zhì)量保證措施[J].鋼鐵，2004（4）：34-37.

[3] 任衛(wèi)華.基于虛擬樣機H型鋼高頻焊接生產(chǎn)線的研究[D].湖北工業(yè)大學(xué)，2009.

[4] 張猛.面向焊接自動化生產(chǎn)線的動態(tài)預(yù)防性維護方法設(shè)計與實現(xiàn)[D].電子科技大學(xué)，2010.

[5] 冉岸綠，孫旻.新型H型鋼支撐工程應(yīng)用分析[J].工程技術(shù)研究，2018（12）：47-48.

[6] 羅文輝，朱雄偉，史樹波.中輕型焊接H型鋼自動生產(chǎn)線的設(shè)計和制造[J].金屬加工，2002（5）：32-34，37.