高速?zèng)_壓自動(dòng)化生產(chǎn)線連續(xù)模式下低電壓故障分析

閆占海，侯志棟，李 強(qiáng)，李 飛，劉迎普

（1.長城汽車股份有限公司 技術(shù)中心，河北 保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000）

高速?zèng)_壓自動(dòng)化生產(chǎn)線連續(xù)模式下低電壓故障分析

閆占海1，2，侯志棟1，2，李 強(qiáng)1，2，李 飛1，2，劉迎普1，2

（1.長城汽車股份有限公司 技術(shù)中心，河北 保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000）

利用5Y分析方法解決復(fù)雜伺服自動(dòng)化系統(tǒng)問題，分析結(jié)果表明編碼器信號(hào)采集嚙合齒輪間隙過小，造成齒輪向上竄動(dòng)，引起自動(dòng)化編碼器信號(hào)曲線波形不穩(wěn)，從而造成機(jī)器人連續(xù)運(yùn)行力矩超限，報(bào)低電壓故障。

沖壓生產(chǎn)線；故障分析；5Y分析法；編碼器；低電壓故障；高速；伺服

如圖1所示，某高速?zèng)_壓自動(dòng)化生產(chǎn)線由拆垛機(jī)、清洗機(jī)、涂油機(jī)、上料機(jī)、壓力機(jī)、上下料機(jī)器人、線尾皮帶機(jī)組成。該生產(chǎn)線具備鋁板生產(chǎn)功能，生產(chǎn)線投資成本1.5億元左右。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及高速壓力機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)等先進(jìn)技術(shù)。

圖1 連續(xù)沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線示意圖

其工藝流程如圖2所示。垛料（含托盤）由叉車裝載到上料臺(tái)車上，對(duì)托盤定位，拆垛機(jī)構(gòu)通過拆垛裝置從垛料上吸取料片并把它輸送到傳送帶。通過傳送帶將板料經(jīng)過清洗和涂油送到對(duì)中臺(tái)。經(jīng)過對(duì)中定位后，由上料裝置取料將板料送入第一臺(tái)壓機(jī)第一道工序模具中。沖壓后工件通過快速送料裝置從第一臺(tái)壓機(jī)中取出并定位，放置于下一臺(tái)壓機(jī)的模具中，這一過程重復(fù)到最后一道工序。下料裝置在最后一臺(tái)壓機(jī)完成沖壓后取走工件放到傳送皮帶上，最后檢查、裝箱。

圖2 工藝流程圖

電氣控制系統(tǒng)滿足設(shè)備所有控制要求和控制精度要求，控制系統(tǒng)采用監(jiān)控層、控制層和設(shè)備層的控制模式，如圖3所示。

監(jiān)控層：通過工業(yè)以太網(wǎng)與車間MES系統(tǒng)交換信息。

控制層：系統(tǒng)控制采用Beckhoff的PC軟PLC，實(shí)現(xiàn)單元及設(shè)備的單獨(dú)控制，采用現(xiàn)場總線形式的控制方式，通過Profinet、以太網(wǎng)等多種通訊方式集成壓力機(jī)、機(jī)器人、清洗機(jī)、涂油機(jī)等控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整線控制。

設(shè)備層：主要包括現(xiàn)場操作站、現(xiàn)場設(shè)備檢測單元（接近開關(guān)、光電開關(guān)等）、現(xiàn)場其他輸入設(shè)備、現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如電動(dòng)機(jī)、電磁閥）等，通過EtherCAT總線控制系統(tǒng)連接。

1 故障情況

本沖壓車間共有4條基本相同的高速?zèng)_壓自動(dòng)化連續(xù)同步生產(chǎn)線，其中沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線1#線在高速自動(dòng)化生產(chǎn)過程中R2和R3自動(dòng)化機(jī)器人（如圖1所示）伺服控制柜電源模塊報(bào)F2026故障，設(shè)備緊急停機(jī)，設(shè)備復(fù)位后生產(chǎn)3分鐘左右設(shè)備故障重現(xiàn)。

其他沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線2#、3#、4#線在高速自動(dòng)化生產(chǎn)過程中沒有該故障情況。

監(jiān)控1#生產(chǎn)線，發(fā)現(xiàn)F2026故障報(bào)警時(shí)，直流母線電壓短時(shí)間內(nèi)下降比較嚴(yán)重。

圖3 電氣控制系統(tǒng)

圖4 F2026問題5Y真因分析

2 故障原因分析

Rexroth驅(qū)動(dòng)故障手冊(cè)顯示，F(xiàn)2026動(dòng)力部分低壓原因如表1所示。

表1 故障原因

根據(jù)Rexroth驅(qū)動(dòng)故障手冊(cè)，運(yùn)用5Y分析方法對(duì)故障問題進(jìn)行分析，如圖4所示。

對(duì)以上問題原因進(jìn)行逐項(xiàng)排查，結(jié)果如下：

（A）在去掉驅(qū)動(dòng)器使能之前關(guān)閉電源

錯(cuò)誤排除：檢查激活驅(qū)動(dòng)器的邏輯，與另外三條相同且沒有F2026故障報(bào)警的線體與故障線體核對(duì)檢查，故障線體驅(qū)動(dòng)參數(shù)以及邏輯結(jié)構(gòu)與另外一條線體完全一樣，排除存在邏輯錯(cuò)誤。

（B）電網(wǎng)本身質(zhì)量不達(dá)標(biāo)

在生產(chǎn)線停止?fàn)顟B(tài)下對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行測量，數(shù)值如表2所示。

表2 停止?fàn)顟B(tài)下電壓測量結(jié)果

在生產(chǎn)線同步連續(xù)模式運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行測量，數(shù)值如表3所示。

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，得到折線圖如圖5所示。

表3 運(yùn)行狀態(tài)下電壓測量結(jié)果

圖5 同步連續(xù)模式生產(chǎn)時(shí)電壓值變化

電網(wǎng)電壓變化最低221.7V，最高229.8V，振動(dòng)幅度為3.7%，低于國家電網(wǎng)B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（±7%）。且滿足設(shè)備對(duì)電網(wǎng)波動(dòng)要求范圍。

錯(cuò)誤排除：兩條相同的沖壓自動(dòng)化線體分別由兩組相同的變壓器開關(guān)柜接入，將開關(guān)柜接線互相交換，并監(jiān)測電源質(zhì)量，電網(wǎng)電壓振動(dòng)幅度符合標(biāo)準(zhǔn)要求±7%，但是互換變壓器后1#生產(chǎn)線F2026故障再現(xiàn)，問題原因排除電網(wǎng)本身質(zhì)量不達(dá)標(biāo)因素。

（C）電抗器故障

壓力機(jī)主電機(jī)和機(jī)器人運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的高次諧波，而高次諧波會(huì)對(duì)設(shè)備造成很大的影響。分析高次諧波產(chǎn)生的來源可能有：①電網(wǎng)本身質(zhì)量不好；電網(wǎng)波動(dòng)較大，L1相電壓明顯偏低且降幅偏大，導(dǎo)致三相電壓不平衡；②壓機(jī)主驅(qū)動(dòng)采用Siemens帶能量回饋功能，回饋到電網(wǎng)的能量含有高次諧波，單獨(dú)運(yùn)行壓機(jī)確實(shí)產(chǎn)生高次諧波；③機(jī)器人運(yùn)行時(shí)反饋電網(wǎng)大量高次諧波：單獨(dú)運(yùn)行機(jī)器人確實(shí)也產(chǎn)生了大量高次諧波。

電抗器具有限制電網(wǎng)電壓突變和過電壓引起的電流沖擊，平滑電源電壓中包含的尖峰脈沖，有效保護(hù)變頻器和改善功率因數(shù)，阻止電網(wǎng)的干擾，減少整流單元產(chǎn)生的諧波電流對(duì)電網(wǎng)的污染。

綜合考慮后，更換1#線電抗器。但是更換電抗器后，F(xiàn)2026問題沒有消除，排除電抗器問題。

（D）驅(qū)動(dòng)電源模塊故障

將兩相同線體的電柜內(nèi)驅(qū)動(dòng)電源模塊進(jìn)行互換，問題沒有隨電源模塊轉(zhuǎn)移而轉(zhuǎn)移，所以可以排除是驅(qū)動(dòng)電源模塊故障引起的問題。

（E）機(jī)器人運(yùn)行過程中力矩超限

通過監(jiān)控報(bào)低電壓故障的1#線體機(jī)器人運(yùn)行過程曲線，1#生產(chǎn)線機(jī)器人單獨(dú)運(yùn)行（圖6）和生產(chǎn)線同步連續(xù)運(yùn)行時(shí)（圖7）的曲線情況，可以發(fā)現(xiàn)僅在線體同步運(yùn)行時(shí)機(jī)器人扭矩超限，且與機(jī)器人單獨(dú)運(yùn)行正常的扭矩曲線進(jìn)行比較，可以明顯看出在生產(chǎn)線同步連續(xù)運(yùn)行時(shí)曲線的異常。

圖6 1#線體機(jī)器人單獨(dú)運(yùn)行時(shí)曲線

圖7 1#線體生產(chǎn)線同步運(yùn)行曲線

監(jiān)控沒有報(bào)低電壓故障的2#線體機(jī)器人運(yùn)行過程中曲線，2#線體正常情況下生產(chǎn)線同步連續(xù)運(yùn)行與機(jī)器人單獨(dú)運(yùn)行曲線基本一致。

通過上述可以看出，1#線機(jī)器人僅在連續(xù)同步運(yùn)行過程中扭矩超限。是否是因?yàn)榕ぞ禺惓Ｒ鸬腇2026故障報(bào)警，需要進(jìn)一步分析確認(rèn)。

機(jī)器人運(yùn)行過程中力矩超限原因分析如圖8所示。

通過以上原因分析，機(jī)器人運(yùn)行過程中力矩超限主要有三方面原因：（1）機(jī)器人本身存在質(zhì)量缺陷；（2）編碼器故障；（3）編碼器接口振動(dòng)過大。

（1）機(jī)器人本身存在質(zhì)量缺陷

對(duì)機(jī)器人本身存在的質(zhì)量缺陷進(jìn)行排查。為排除編碼器數(shù)據(jù)波動(dòng)過大對(duì)機(jī)器人扭矩影響，將壓力機(jī)停止運(yùn)行，僅將機(jī)器人同步運(yùn)行，觀察1#機(jī)器人單獨(dú)運(yùn)行扭矩曲線，通過圖6曲線，并與2#生產(chǎn)線機(jī)器人在同工況下曲線對(duì)比，可以看出1#機(jī)器人在單獨(dú)運(yùn)行工況下扭矩基本正常，因而可以排除自動(dòng)化機(jī)器人本身因設(shè)計(jì)、加工、裝配、安裝過程中存在質(zhì)量問題的嫌疑。

圖8 機(jī)器人力矩超限5Y原因分析

（2）編碼器數(shù)據(jù)波動(dòng)過大

通過圖6、圖7曲線可以看出，機(jī)器人僅在連續(xù)同步運(yùn)行過程中扭矩有明顯異常，生產(chǎn)線連續(xù)同步運(yùn)行與斷續(xù)模式區(qū)別在于：同步模式下壓力機(jī)采用連續(xù)運(yùn)行模式，離合器無動(dòng)作，自動(dòng)化系統(tǒng)通過編碼器采集壓力機(jī)滑塊曲線，并自動(dòng)跟隨壓力機(jī)滑塊位置自動(dòng)化運(yùn)行，完成自動(dòng)化上下料工藝動(dòng)作。如果編碼器數(shù)據(jù)波動(dòng)過大，自動(dòng)化機(jī)器人在自動(dòng)跟隨壓力機(jī)連續(xù)運(yùn)行過程中，會(huì)因?yàn)榫幋a器波動(dòng)導(dǎo)致自動(dòng)化機(jī)器人伺服電機(jī)曲線波動(dòng)。

在同步運(yùn)行時(shí)讀取1#線和其他生產(chǎn)線編碼器信號(hào)曲線，分別如圖9、10所示。

通過可以看出，1#線體編碼器曲線毛糙，曲線波動(dòng)不平穩(wěn)。

圖9 1#線同步運(yùn)行時(shí)編碼器曲線

圖10 其他線體同步運(yùn)行時(shí)編碼器曲線

圖11 編碼器安裝情況

對(duì)編碼器進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)如下問題：自動(dòng)化編碼器安裝固定支架底座焊接不實(shí)，處于懸空狀態(tài)，如圖11所示，從而導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行過程中編碼器發(fā)生振動(dòng)。

排查編碼器齒輪嚙合情況，齒側(cè)、尺頂間隙比圖紙要求過小，導(dǎo)致編碼器運(yùn)行過程中每運(yùn)轉(zhuǎn)一周編碼器齒輪及殼體向上進(jìn)行竄動(dòng)，如圖12所示。

圖12 編碼器傳動(dòng)齒輪間隙

針對(duì)此情況，對(duì)編碼器支架及編碼器傳動(dòng)齒輪進(jìn)行調(diào)整。對(duì)編碼器及其傳動(dòng)安裝精度進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)后編碼器殼體竄動(dòng)及編碼器振動(dòng)消失，編碼器運(yùn)行平穩(wěn)。

讀取編碼器曲線，編碼器曲線恢復(fù)平滑。觀察機(jī)器人同步運(yùn)行扭矩，扭矩曲線異常消失，扭矩?zé)o超限情況。進(jìn)一步對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行同步生產(chǎn)驗(yàn)證3天，系統(tǒng)F2026報(bào)警未出現(xiàn)。

綜上所述，同步?jīng)_壓自動(dòng)化生產(chǎn)線F2026報(bào)警是因?yàn)閴毫C(jī)與自動(dòng)化編碼器接口安裝精度超差引起自動(dòng)化機(jī)器人運(yùn)行扭矩超限，導(dǎo)致電源模塊輸出電壓不夠，最終引發(fā)F2026故障報(bào)警。

3 結(jié)論

對(duì)于大型復(fù)雜的自動(dòng)化設(shè)備疑難故障處理時(shí)可以采用5Y原因分析方法，將復(fù)雜問題分解為簡單、具體的原因。利用5Y分析方法并不急于立即解決問題，而是立足于揭示問題根源，多問5個(gè)為什么。在問題處理中要現(xiàn)實(shí)、現(xiàn)場、現(xiàn)物調(diào)查事故情況，充分分析各種可能引發(fā)設(shè)備故障的因素，并逐一排查分析，最終發(fā)現(xiàn)問題真相。

[1]倪建成,宋愛民.沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線技術(shù)特點(diǎn)淺析[J].鍛壓裝備與制造技術(shù),2014年02期:7-9.

[2]GUDEL AG自動(dòng)化說明書.

[3]JIER壓力機(jī)說明書.

[4]Rexroth Drive fault manual力士樂驅(qū)動(dòng)故障手冊(cè).

Analysis of low voltage fault under continuous mode of automatic high speed stamping production line

YAN Zhanhai1,2,HOU Zhidong1,2,LI Qiang1,2,LI Fei1,2,LIU Yingpu1,2
（1.Technical center,Great Wall Motor Company Limited,Baoding 071000,Hebei China; 2.Hebei Research Center of Vehicle Engineering Technology,Baoding 071000,Hebei China）

The issues of complex servo automation system have been solved by use of 5Y analysis method. The analysis results show that encoder signal collection meshing gear gap is too small.Then the gear wheel bounces up to make the signal curve profile of the automatic encoder unstable.Thus in this way,the torque has been over-limited during continuous running of the robot.Finally,the low voltage fault has been alarmed.

5Y analysis method;Encoder;Low voltage fault

TG385.9

B

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.06.003

1672-0121（2016）06-0019-04

2016-08-24；

2016-09-28

閆占海（1979-），男，工程師，從事工廠規(guī)劃、設(shè)備管理等工作。E-mail：yanzhanhai2008@163.com