基于振動監(jiān)測的桁架預(yù)測性維護(hù)方案

李華濤，張龔磊

（北京奔馳汽車有限公司，北京 102600）

0 引言

伴隨工業(yè)4.0 的提出，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)追蹤方式得到了前所未有的改變。在整個汽車制造業(yè)中，機(jī)加工設(shè)備最為復(fù)雜，設(shè)備具備高度自動化、高精度、高速度的特點(diǎn)。數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)控及可視化追蹤有更高的價值，盡早預(yù)警和觸發(fā)預(yù)見性工作，對提升TA 及OEE 具有重要意義。

1 桁架介紹

1.1 桁架結(jié)構(gòu)

桁架是機(jī)加工線的關(guān)鍵設(shè)備，其主要用于各工位加工中心以及SPC 工位的上下料，桁架與輥道的組合使用實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線全自動化物流。桁架另一功能是數(shù)據(jù)傳遞，是數(shù)據(jù)流中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。桁架一般有H 型和Z 型兩種結(jié)構(gòu)（圖1），H 型桁架由Z1、Z2、X 三軸組成，實(shí)現(xiàn)工件的上下和水平移動；較復(fù)雜的帶Y 軸和A 軸，用于實(shí)現(xiàn)工件的前后移動和翻轉(zhuǎn)。Z 型桁架一般只有X、C 軸組成，通過X 與C 的配合實(shí)現(xiàn)工件在Z 方向移動。

圖1 H 型與Z 型桁架

1.2 存在問題

桁架自重大，運(yùn)行速度快，導(dǎo)致機(jī)械磨損比較嚴(yán)重，特別是齒輪箱及其連接背板磨損比較快。齒輪箱及其背板的磨損比較隱蔽，在TPM 時不能有效的診斷。在2018 年缸體線因桁架齒輪箱及其連接背板損壞造成的停機(jī)達(dá)6 次，每次停機(jī)時間達(dá)3～6 h，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。

2 預(yù)測性維修方案

基于過往停機(jī)經(jīng)驗(yàn)，齒輪箱及連接背板是整個機(jī)械結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)，為此在齒輪箱X 方向和Z 方向上安裝振動傳感器，實(shí)時監(jiān)控X、Z 方向的振動，通過對振動幅值的分析來評估傳動機(jī)構(gòu)的健康狀況。同時為了跟蹤齒輪箱的健康趨勢對振動數(shù)值在服務(wù)器端進(jìn)行實(shí)時存儲，通過對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提前預(yù)判桁架的故障，做到預(yù)測性維修。

2.1 整體方案

振動數(shù)據(jù)分別接入設(shè)備層和遠(yuǎn)程服務(wù)器層，功能規(guī)劃如下：

（1）設(shè)備層：主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時振動數(shù)據(jù)評估與超差報警。當(dāng)振動過大時，IFM 振動評估模塊觸發(fā)設(shè)備預(yù)警及報警；預(yù)警次數(shù)在HMI 上顯示，當(dāng)達(dá)到一定次數(shù)時，設(shè)備預(yù)警提醒維修人員檢查桁架；振動報警使設(shè)備及時停止，防止發(fā)生撞擊，保護(hù)設(shè)備。

（2）遠(yuǎn)程監(jiān)控層：主要實(shí)現(xiàn)對實(shí)時振動數(shù)據(jù)監(jiān)控、存儲及對歷史數(shù)據(jù)的分析。振動數(shù)據(jù)接入遠(yuǎn)程服務(wù)器，振動數(shù)據(jù)實(shí)時存入數(shù)據(jù)庫，Smart observer 軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化，在公司域內(nèi)任意電腦通過IE 即可監(jiān)控振動數(shù)據(jù)。

2.2 硬件組成

振動傳感器VSA001 在減速機(jī)外殼上徑向安裝，剛性連接。由于該傳感器僅能監(jiān)測一個方向的振動，為了更全面的監(jiān)控桁架的振動需要安裝2 個相互垂直的傳感器。布局如圖2。振動數(shù)據(jù)處理模塊VSE100 用于處理振動信號，支持時域分析及頻域FFT 分析。該模塊可連接4 個VSA001 振動傳感器探頭，可以滿足1 臺桁架監(jiān)控的需求。

2.3 軟件最優(yōu)值設(shè)定

預(yù)警值和報警值的選取對于桁架的故障預(yù)測與設(shè)備保護(hù)至關(guān)重要，預(yù)警值選取過小會導(dǎo)致設(shè)備頻繁報警，進(jìn)而使齒輪箱等機(jī)械部件被過早的更換掉；預(yù)警值選取過大，起不到預(yù)警作用，齒輪箱損壞了才報警或檢測不到齒輪箱損壞進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備碰撞。在選取預(yù)警值與報警值時還要考慮到抱閘測試對振動評估的影響，抱閘測試時振動很大但屬于正常的振動。基于此，預(yù)警值和報警值的設(shè)定并不是一蹴而就，而是在運(yùn)行中不斷優(yōu)化。首先預(yù)警值按照正常值的1.5 倍，報警值按照2 倍設(shè)定，PLC 程序設(shè)計中對預(yù)警信號分2種處理方式：

圖2 振動監(jiān)測電氣構(gòu)架

（1）對每天預(yù)警次數(shù)在PLC 中設(shè)定一個限值（可調(diào)），當(dāng)預(yù)警次數(shù)超過限值后觸發(fā)設(shè)備報警；該限值的大小與預(yù)警值的大小息息相關(guān)，且成反比例關(guān)系。

（2）對每次預(yù)警信號的持續(xù)時間進(jìn)行計時，當(dāng)預(yù)警信號持續(xù)一個限值（可調(diào)）后，觸發(fā)設(shè)備報警，說明桁架在持續(xù)振動異常。對報警值一般選取比較大，當(dāng)有報警觸發(fā)時說明桁架存在碰撞或磨損已經(jīng)比較嚴(yán)重，使機(jī)床立即停機(jī)。振動預(yù)警與報警在PLC中總共3 種評估策略，可用圖3 來表示。

2.4 HMI 設(shè)計

HMI 集成到桁架HMI Pro 的診斷功能下，作為桁架HMI Pro 的一部分。如圖4 所示HMI 上半部分是振動信號的實(shí)時顯示。報警記錄畫面和報警次數(shù)畫面是配合使用的，報警記錄部分作用有2 點(diǎn)：

（1）作為簡單的預(yù)警趨勢統(tǒng)計：顯示過去一周桁架預(yù)警以天單位的次數(shù)統(tǒng)計。

圖3 振動信號三種處理策略

圖4 HMI 設(shè)計

（2）在振動預(yù)警與報警閾值的定義階段，通過該記錄可以判斷預(yù)警值的設(shè)定是否合理。如果每天預(yù)警次數(shù)都很多，說明預(yù)警閾值過小，需要重新調(diào)整預(yù)警值及報警次數(shù)；在某些場合抱閘測試的振動量接近于預(yù)警值，用“預(yù)警次數(shù)上限”就可以過濾掉抱閘測試的影響。根據(jù)使用場合的不同來定義預(yù)警值與預(yù)警次數(shù)。比如桁架，早期齒輪箱等機(jī)械部件的磨損導(dǎo)致的振動不至于對設(shè)備運(yùn)行造成大的影響，預(yù)警值可以設(shè)定比較高，預(yù)警次數(shù)可以設(shè)定很少；而Marposs 等測量設(shè)備，由于機(jī)械磨損對測量影響比較大，需要早發(fā)現(xiàn)，預(yù)警值應(yīng)比較小，預(yù)警次數(shù)可以設(shè)定稍大一些。這樣通過調(diào)整預(yù)警閾值與次數(shù)就可以達(dá)到調(diào)節(jié)系統(tǒng)靈敏度的作用，進(jìn)而提高系統(tǒng)的通用性。

2.5 遠(yuǎn)程監(jiān)控及大數(shù)據(jù)分析

作為狀態(tài)監(jiān)控的第二層級，在設(shè)計時充分考慮數(shù)據(jù)的可視化、可追溯化，數(shù)據(jù)可視化由IFM 的遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件Smart Obsver呈現(xiàn)。通過Smart Obsver 可以對振動的實(shí)時值以及過去幾個小時的趨勢作一呈現(xiàn)。

為了對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行可追溯，振動數(shù)據(jù)全部存入SQL Server 2008 R2 數(shù)據(jù)庫，在Smart Obsver 客戶端可以對過去任意時間段的振動數(shù)據(jù)進(jìn)行評估，從而對桁架的健康狀態(tài)進(jìn)行趨勢評估，提前預(yù)見故障，做到預(yù)測性維修。

3 總結(jié)

該項(xiàng)目以現(xiàn)場實(shí)際問題出發(fā)，開發(fā)一套基于設(shè)備端振動評估與遠(yuǎn)端大數(shù)據(jù)分析及監(jiān)控的完整桁架健康狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。對桁架的健康狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，并對桁架振動數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時存儲，通過對歷史數(shù)據(jù)的分析，及時預(yù)判桁架是否需要維修保養(yǎng)，改變過去的預(yù)防性維護(hù)方式為預(yù)測性維護(hù)，使維護(hù)工作更精準(zhǔn)高效。