涂膠機器人3D膠槍的預見性維護方法

張寧 徐劍

摘 要：文章介紹了杜爾打膠機器人中最新一代3D膠槍EcoGun2 3D結構和功能，針對EcoGun2 3D在現場應用時出現的主要故障問題，分析了產生原因。最后通過對電機扭矩和溫度進行定期實時監控的預見性維護方法替代了傳統的計劃維修，降低了停機時間和生產制造成本。

關鍵詞：3D膠槍;預見性維護;機器人

中圖分類號：U466 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）14-140-03

Abstract： Introduction to the structure and function of the latest version of 3D Eco Gun 2， focusing on main faults occurring onsite during production， analyzing the root cause. Finally， the predictive maintenance method of regular real-time monitoring of the motor torque and temperature replaces the traditional planned maintenance and reduces the downtime and manufacturing costs.

Keywords： 3D gule gun; predictive maintenance; Robot

CLC NO.： U466 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）14-140-03

前言

隨著機器人噴涂技術的進步和智能化，對車身涂膠質量的要求不斷提高以及人力成本的提升，機器人在汽車涂裝車間得到了廣泛的應用，其中涂膠工序也逐步開始大量使用機器人。吉利汽車臨海涂裝車間雙線共16臺涂膠機器人，主要應用在UBS（焊縫涂膠）、UBC（底部減震膠）工位，其中3D膠槍的應用包括了德國杜爾老一代的產品和最新一代EcoGun2 3D。EcoGun2 3D相比老一代產品，一種型號就實現從隔音阻尼墊噴涂到焊縫密封的所有應用領域，并且在壓縮空氣消耗、涂膠質量等方面均有所改善，但是結構更加精密、維護保養難度更高。因此針對3D膠槍結構進行分析研究，根據其機械和電氣特性對經常出現的故障進行提前預判和優化改進，從而達到降低打膠機器人的整體故障率和節約成本的目的。

1 3D膠槍功能與結構介紹

3D膠槍作為涂膠機器人的重要組成部分，是一種噴涂裝置，主要搭配機器人本體用于向汽車車身上噴涂高粘度膏狀材料。例如PVC塑料溶膠或丙烯酸脂。

主要工作方式為：機器人將噴涂器定位至噴涂位置，噴涂材料通過3D膠槍輸送至頂部的各個噴嘴，按照要噴涂表面的尺寸、狀況或機器人對表面的可達性，選擇合適角度的噴嘴，然后相應的主針打開，材料進行噴涂;當無材料進行噴涂時，主針關閉，回流閥打開，材料進行回流。

3D膠槍的主要結構包括旋轉套管、噴頭和接口模塊，如圖1所示。旋轉套管包括一個旋轉部件和一個固定部件，旋轉部件安裝在機器人法蘭上，由機器人驅動電機帶動旋轉，保證旋轉部件沿軸向做旋轉運動。在接口模塊上連接有全部電氣、氣動組件和材料供應裝置，其中包括電磁閥連接口、溫度和壓力傳感器接口、材料供應接口、材料回流接口、觸發空氣連接口、固定塊等。在存在材料回流的3D膠槍上，在接口模塊處安裝有回流閥。在不帶材料回流的3D膠槍上，可通過供回路兩個接口，連接兩種材料。材料流經接口模塊進入軸，之后流經法蘭管至噴頭，噴頭的噴嘴通過主針來控制打開或關閉。

噴頭由法蘭外殼和噴嘴支座組成 。三個噴嘴按照0°、45°和 90°三個噴涂角度安裝在噴嘴支座上。噴頭經由法蘭管與旋轉套管相連接。

2 主要故障案例分析

Eco Gun2 3D作為杜爾公司最新一代3D膠槍，在使用過程中會出現一些新的故障，沒有任何歷史數據可以參照，存在故障點判斷不準確、處理時間長等問題，在生產初期對設備開動率造成了一定的影響。主要故障有主針卡滯斷裂導致的出膠異常、3D膠槍導致驅動電機超差報警、膠槍固定塊脫落導致信號異常等。其中3D膠槍導致的驅動電機超差報警大約占總故障時間的70%，因此本文著重對該故障進行展開說明。

2.1 故障現象

驅動電機超差報警故障在初期體現為生產線開線時機器人在某個噴涂姿態時控制驅動電機運行的伺服驅動器報超差（F2028），也就是實際運行時扭矩值超過了兩極扭矩極限值，報警可復位。機器人在噴涂幾臺車身后不再報警，故障只在長期停線后的初次開機時出現。機器人再經過一段時間生產運行后，會慢慢變化成頻繁報警并且無法復位，機器人故障停機，只能通過更換3D膠槍或臨時調整極限值來恢復生產。

2.2 故障原因

發生該故障后對3D膠槍進行拆解分析，主要原因有以下兩點：

（1）圖2所示，旋轉部件中的密封件與固定部件接觸位置存在磨損，產生大量凝固的磨損物。磨損物會隨著運行時間而增加，在旋轉套管內堆積。固化后造成負載端膠槍旋轉阻力提升，電機運行扭矩和溫度不斷升高。

（2）旋轉部件兩端固定的滾珠軸承存在損傷，導致旋轉部件旋轉過程中出現偏心現象。

3 預見性維護方法

德國杜爾建議的維護方法為定期的預防性維護，也稱計劃維修，在機器人運行一段時間后，對3D膠槍進行拆解、檢查、更換零部件。其中不同零部件的更換周期不一樣，比如密封套件更換周期為6個月，主針更換周期為2年。在這種維護方式下，無論有無故障都需進行拆解，維護工作存在很大的盲目性，有可能過剩維修，導致人力和備件成本的浪費。因為3D膠槍結構復雜，甚至會出現損害性的保養活動，降低原有的設備精度。

3D膠槍最常見的故障為旋轉套管導致的驅動電機過扭矩、運行溫度升高。因此找到合適的方式對狀態進行實時監控，通過對扭矩和電機溫度的變化趨勢進行研究分析，可以提前對旋轉套管使用壽命進行判斷，從而實現預見性維護的目的。

現場通過力士樂的Indra Works軟件對8臺機器人的膠槍驅動電機狀態進行實時監控，針對性的采集數據進行對比分析。對比發現，當負載端3D膠槍狀態下降，體現出來的主要數據變化為扭矩和電機溫度的上升。

2019年11月4日在UBS站R22機器人上安裝全新的3D膠槍進行數據持續監測對比。首次安裝后第1個車型噴涂周期的扭矩峰值為2.23 Nm，如圖3所示。在連續噴涂49982臺車身后測量峰值達到3.60Nm，超過報警限值3.51Nm。通過對膠槍進行更換密封件和軸承，保養后的3D膠槍安裝上去初次測量，扭矩峰值為2.40Nm。

選用UBC_R11和UBS_R22兩個處于不同站的機器人進行數據采集，采集周期為1個月/次，發現影響3D膠槍壽命的主要因素為噴涂軌跡的復雜程度和噴涂車身數量。隨著噴涂車身數量的增加，扭矩呈上升趨勢。但是在噴涂同樣數量的車身后，因為UBC站機器人軌跡相比于UBS站機器人較為簡單，所以扭矩和溫度的上升趨勢慢很多，3D膠槍的使用壽命也就會延長。

通過以上分析，說明通過軟件監控電機扭矩和溫度能夠推測出3D膠槍的當前使用狀態，并分析和判斷劣化趨勢。為了使該預見性維護方法能夠在現場有效實施，制定了以下幾點措施：（1）每周對所有機器人的所有車型均進行扭矩和溫度測量，測量后對峰值數據進行統計并存檔。（2）對數據超過警戒范圍的機器人制定維護計劃，在停產期間進行更換。膠槍每次更換后需重新對數據進行測量，保證保養的有效性。（3）建立3D膠槍履歷表，記錄備件更換情況和更換前后狀態。（4）根據數據分析，提前申購相關保養備件。

4 結語

噴涂機器人設備故障率占涂裝車間整體設備故障率較大比重。未來噴涂機器人的維護模式必定是從現在的定期保養、事后維修的傳統維護方法逐步轉變為預見性維護。通過預見性維護方法，收集、分析和判斷機器人劣化趨勢、故障部位、原因并預測其變化，在故障發生之前就采取措施，預防和控制潛在故障的出現。

本文通過現場維護經驗分析，使用預見性維護方法徹底解決了3D膠槍旋轉部件導致的意外故障停線，有效提高了設備穩定性。通過數據分析進行保養更換和申購備件，降低了整體備件使用成本和庫存壓力。