輕型H型鋼自動(dòng)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(jī)械裝備制造、造船、水利等國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)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(dòng)化程度越來越高，但如何預(yù)測(cè)、預(yù)警故障，大幅降低自動(dòng)生產(chǎn)線的故障發(fā)生率，提高故障診斷及維護(hù)的快速性和準(zhǔn)確性，是目前亟待解決的問題。該項(xiàng)目以河北創(chuàng)力機(jī)電科技有限公司輕型H型鋼自動(dòng)焊接生產(chǎn)線為研究對(duì)象，根據(jù)H型鋼工藝及控制要求，重點(diǎn)開展H型鋼自動(dòng)生產(chǎn)線的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀和基于現(xiàn)場(chǎng)總線的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)研究，包括生產(chǎn)線關(guān)鍵部件運(yùn)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(dòng)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(dòng)生產(chǎn)線的可靠運(yùn)行，提高H型鋼自動(dòng)生產(chǎn)裝備的技術(shù)和服務(wù)水平。

關(guān)鍵詞：H型鋼? 自動(dòng)焊接生產(chǎn)線? 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)? 故障狀態(tài)預(yù)警? 故障特征分析

中圖分類號(hào)：TH11 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：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(jī)械裝備制造、高層建筑、造船、化工企業(yè)等國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)方面。作為綠色建材，H型鋼的生產(chǎn)得到國(guó)家政策支持，根據(jù)國(guó)家十三五規(guī)劃，到2025年，我國(guó)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(guó)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(dòng)化程度也在不斷提高，但如何有效預(yù)測(cè)、預(yù)警故障，降低自動(dòng)生產(chǎn)線的故障率，延長(zhǎng)生產(chǎn)線使用壽命，提高故障診斷及維護(hù)的快速性和準(zhǔn)確性，是目前亟待解決的問題。利用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將生產(chǎn)線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為H型鋼自動(dòng)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(xiàng)目由河北河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院牽頭，依托河北創(chuàng)力機(jī)電科技有限公司的輕型H型鋼自動(dòng)焊接生產(chǎn)線為研究對(duì)象，根據(jù)H型鋼工藝及控制要求，重點(diǎn)開展H型鋼自動(dòng)生產(chǎn)線的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀和網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)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(dòng)生產(chǎn)線的可靠運(yùn)行，提高H型鋼自動(dòng)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(jī)電科技有限公司進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證及推廣。

2? 研究的主要內(nèi)容

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

項(xiàng)目在分析輕型H型鋼自動(dòng)焊接生產(chǎn)線CAN總線控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)信息特性的基礎(chǔ)上，針對(duì)大量特性各異狀態(tài)信息，對(duì)其遠(yuǎn)程采集、數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)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(hào)處理器（DSP）與嵌入式操作系統(tǒng)DSP/BIOS的H型鋼自動(dòng)焊接生產(chǎn)線遠(yuǎn)程狀態(tài)數(shù)據(jù)采集控制器軟硬件設(shè)計(jì)，最后在河北創(chuàng)力機(jī)電科技有限公司生產(chǎn)的輕型H型鋼自動(dòng)焊接生產(chǎn)線遠(yuǎn)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(jī)組如圖1所示。

為實(shí)現(xiàn)安全參數(shù)及運(yùn)行參數(shù)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)測(cè)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(dòng)、液位、轉(zhuǎn)速、力矩等;（2）工況信息：如長(zhǎng)度、工作半徑、額定負(fù)載等;（3）控制命令：如主控制器對(duì)變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)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(jì)工作時(shí)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(dòng)焊接生產(chǎn)線故障特征分析

通過對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)線上的結(jié)構(gòu)特征相關(guān)的重要監(jiān)測(cè)點(diǎn)及關(guān)鍵點(diǎn)的故障特點(diǎn)分析，總結(jié)故障產(chǎn)生的規(guī)律，改進(jìn)并優(yōu)化控制策略，既能抓住重點(diǎn)，又那能做到較為全面、深入的分析，為輕型H型鋼自動(dòng)焊接生產(chǎn)線的壽命預(yù)測(cè)及維護(hù)、控制系統(tǒng)優(yōu)化研究打下基礎(chǔ)。項(xiàng)目結(jié)合實(shí)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(dòng)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(dòng)化生產(chǎn)線主要由夾具、控制裝置、焊接設(shè)備、機(jī)器人、自動(dòng)輸送裝置及其他輔助設(shè)備構(gòu)成。由于焊接自動(dòng)化生產(chǎn)線上各系統(tǒng)間的故障事件相互是獨(dú)立的，不會(huì)互相影響，因此在進(jìn)行設(shè)備的故障樹建立和分析時(shí)，可單獨(dú)對(duì)各系統(tǒng)進(jìn)行FTA研究。該課題的研究對(duì)象主要針對(duì)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(dú)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(jī)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(dòng)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(jī)下料→H型鋼組立機(jī)進(jìn)行對(duì)中定位拼裝點(diǎn)焊成型→懸臂式龍門H型鋼焊接機(jī)焊接→H型鋼在翼緣正機(jī)矯正翼板焊接變形→拋丸除銹→完成。以上分析可以看出，對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)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(yùn)作流程，從而進(jìn)一步研究其故障情況及維護(hù)策略。由于總拼生產(chǎn)線上各設(shè)備間的故障事件都是獨(dú)立的，且不會(huì)互相影響，因此在研究總拼生產(chǎn)線的故障樹時(shí)，可單獨(dú)對(duì)各個(gè)設(shè)備進(jìn)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(dòng)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(jī)組啟動(dòng)時(shí)間過長(zhǎng)問題;設(shè)有自動(dòng)點(diǎn)焊系統(tǒng)，可自動(dòng)組立、點(diǎn)焊，效率高，點(diǎn)焊導(dǎo)弧機(jī)構(gòu)，采用輕型液壓油缸驅(qū)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、可靠，無需增加氣源，方便使用。

項(xiàng)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(jī)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(dòng)焊接生產(chǎn)線壽命預(yù)測(cè)與維護(hù)優(yōu)化

該文以焊接自動(dòng)化生產(chǎn)線這類復(fù)雜大型系統(tǒng)為主要研究對(duì)象，利用壽命預(yù)測(cè)信息進(jìn)行設(shè)備系統(tǒng)維護(hù)規(guī)劃的相關(guān)預(yù)測(cè)性研究。

（1）焊接自動(dòng)化生產(chǎn)線預(yù)測(cè)性維護(hù)優(yōu)化模型。

通過對(duì)設(shè)備故障特征的研究分析，建立了壽命預(yù)測(cè)方法，主要用于預(yù)測(cè)系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)刻至失效時(shí)刻的時(shí)間剩余值，而維護(hù)優(yōu)化則是根據(jù)特征參數(shù)的衰退信號(hào)變化規(guī)律決策設(shè)備維護(hù)的最優(yōu)時(shí)序，從而建立取得設(shè)備最優(yōu)、可靠性最好為目標(biāo)的函數(shù)。根據(jù)檢測(cè)的數(shù)據(jù)，結(jié)合焊接自動(dòng)化生產(chǎn)線上各設(shè)備的壽命預(yù)測(cè)方法和維護(hù)時(shí)序規(guī)劃模型，建立了焊接自動(dòng)化生產(chǎn)線預(yù)測(cè)性維護(hù)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(shí)際壽命ARUL=△t時(shí)的預(yù)測(cè)壽命PRUL值（這里定義△t=1h）。

由該項(xiàng)目研究?jī)?yōu)化后的維護(hù)策略為優(yōu)化策略，并對(duì)兩種策略的流程進(jìn)行了詳細(xì)描述。基于以上兩種策略分別對(duì)總拼生產(chǎn)線進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)和最優(yōu)維護(hù)時(shí)序的求解并通過應(yīng)用，證明了所提優(yōu)化模型的先進(jìn)性，最終對(duì)比得出所研究的多設(shè)備混聯(lián)系統(tǒng)預(yù)測(cè)性維護(hù)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(jià)值。

5? 課題研究的結(jié)論與創(chuàng)新點(diǎn)

5.1 結(jié)論

本項(xiàng)目的實(shí)施解決了三個(gè)方面的技術(shù)難點(diǎn)。

（1）輕型H型鋼自動(dòng)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(dòng)焊接生產(chǎn)線性能狀態(tài)數(shù)據(jù)庫和故障知識(shí)庫建立;（3）輕型H型鋼自動(dòng)焊接生產(chǎn)線健康狀態(tài)評(píng)估、性能預(yù)測(cè)預(yù)警及故障診斷模型開發(fā)。

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

5.2 項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)

（1）輕型H型鋼自動(dòng)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(dòng)焊接生產(chǎn)線性能狀態(tài)數(shù)據(jù)庫和故障知識(shí)庫建立;（3）輕型H型鋼自動(dòng)焊接生產(chǎn)線健康狀態(tài)評(píng)估、性能預(yù)測(cè)預(yù)警及故障診斷模型開發(fā)。

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