基于智能制造新模式的電機在線檢測裝備研制

石 浩,李懷珍

(上海電科電機科技有限公司,上海 200063)

0 引 言

新一代信息技術與制造業的深度融合，已形成新的生產方式、產業形態和新經濟增長點，制造業數字化、智能化成為全球先進制造業的核心技術[1-2]。

傳統電機生產制造是典型的勞動密集型產業，隨著人力成本的增加和人口紅利的逐步消失，電機行業亟須開展集智能制造關鍵技術與裝備研發、關鍵工藝模型研究和信息化管理系統開發為一體的智能化運營綜合平臺建設，通過研究探索形成成熟、可復制、可推廣的電機智能制造新模式并以此引導行業開展智能制造工程建設，加快轉型發展，提升中國電機制造業整體水平及國際競爭力[3-4]。

電機在線檢測是電機生產制造過程中的重要環節之一，開展基于智能制造新模式的電機在線檢測關鍵技術研究并開發相應裝備是電機智能制造的關鍵和核心，在電機智能制造中具有重要地位，對引領以手工方式、勞動密集型模式的傳統電機制造企業向全面自動化、數字化、智能化轉型具有重要意義。本文針對電機智能制造新模式下的成品電機在線檢測需求，研究了電機在線檢測工藝，并基于檢測工藝研制了全自動、智能化和信息化的電機在線檢測裝備。

1 電機在線檢測特點

傳統的電機制造涉及電機配件加工和電機總裝等，多采用人工密集型流水線生產方式，自動化程度非常低，且工序環節多、效率低、信息流通不暢。傳統總裝工藝流程如圖1所示。基于傳統的電機在線檢測裝備具有如下特點：

(1) 裝置分散、信息孤立；

(2) 自動化水平低，人工參與度高；

(3) 測試節拍較慢，生產效率低下；

(4) 測試數據穩定性差、溯源困難。

圖1 傳統總裝工藝流程圖

與傳統“孤島分立式”電機在線檢測裝備不同的是，基于智能制造新模式的電機在線檢測具有如下特點：

(1) 裝備分散，信息化程度高。電機制造由于其制造工藝的特殊性，多采用離散型數字化車間模式，造成電機在線檢測裝備具有分布范圍廣且分散等特點，而基于智能制造新模式的電機在線檢測需要與線體、信息平臺可以實現信息的互聯互通。

(2) 自動化水平高。傳統工藝嚴重依賴人工，自動化水平差，無法快速應對小批量、多品種的主流生產模式，基于智能制造新模式的電機在線檢測對自動檢測、柔性檢測、快速檢測均具有較高的需求。

(3) 協同質量管理。基于智能制造新模式質量管理對電機在線檢測數據實時性、安全性、溯源性等均具有較高要求。

2 電機在線檢測的設計

2.1 基于智能制造新模式的在線檢測工藝及需求

電機總裝主要由電機定子、轉子、機座、端蓋、軸承及附屬配件總裝加工工序組成，通過快換夾具工裝，進行產品的無縫切換生產，大量采用機器人等柔性化設備，通過使用機器人進行數字化流水裝配作業。電機智能制造新模式對電機總裝提出了更高的要求：在更少的人工參與的情況下高效率、高質量的完成電機的裝配、檢測、噴涂、打包等工序。基于智能制造新模式的電機生產線總裝工藝流程如圖2所示。

圖2 基于智能制造新模式的電機生產線工藝流程

在線自動檢測是產線工藝流程中很重要的一環，既是對前面工藝環節的直接檢驗，也是對后續電機出廠后質量的直接保證，其自動化、智能化水平直接關系產線的正常運轉。

基于示范產線建設需求，示范在線檢測裝備主要用于0.75～15 kW功率段、220～690 V范圍內的三相異步電機的在線檢測，測試節拍60 s/臺。基于電機產線智能制造新模式質量管理需要，在線檢測裝備需具有數據接口，檢測數據需實時交互，通過與質量管理系統聯動，保證檢測產品的溯源。依據GB/T 1032—2012《三相異步電動機試驗方法》[5]等標準規定和電機檢測工藝需要，電機在線檢測裝備檢測項目包括：冷態絕緣電阻、工頻耐電壓、繞組直流電阻、堵轉電流和堵轉損耗的測定，額定電壓、額定頻率時的空載電流、損耗和噪聲、溫度的測定。

2.2 在線檢測裝備設計

基于電機智能制造新模式的在線檢測工藝及需求，設計電機在線檢測裝備原理圖如圖3所示。包括二維碼掃描識別系統、變頻電源、變壓器1T、觸摸式一體機、可編程控制器PLC、測量用儀器儀表電參數測量儀QZ8967B、直流電阻儀RM3545、絕緣/耐壓儀3153、在線噪聲儀等。

圖3 在線檢測裝備原理圖

鑒于傳統檢測工藝檢測節拍約180 s/臺，無法滿足電機智能制造新模式對在線檢測節拍60 s/臺的需求，在線檢測裝置在檢測工藝上設計了靜態測試和動態測試2個獨立測量工位，靜態測試工位用于對電機的冷態絕緣電阻、工頻耐電壓和繞組直流電阻測試，動態測試工位進行電機的堵轉、空載以及噪聲的測定，2個測試工位可同時試驗，測試節拍均可控制在60 s/臺以內，即在60 s內能夠同時進行2臺電機的檢測，能夠滿足電機智能制造60 s下線1臺電機的工藝要求。

2.2.1 工作原理

被測電機在前道工序(前端蓋)裝配完成后，電機置于托板，由人工將托板上的測試線與電機接線端子連接，通過流水線控制自動流轉到靜態測試工位，托板自動頂起，與靜態測試流水線測試接口自動對接，對接信號發送到測試臺，在線檢測裝置通過二維碼掃碼識別系統識別電機本體二維碼，由在線檢測裝置軟件在本地自動建立測試信息數據庫并將被測電機信息數字化后進行測試，測試過程全程無人操作，檢測工藝流程為：直流電阻→絕緣電阻→耐壓測試。靜態測試完成后，由流水線控制自動切換轉入至動態測試工位進行電機堵轉和空載性能測試，待電機測試完成后，裝置反饋測試完成信號給流水線控制系統，合格品由流水線自動控制流向下一道工序(噴漆線)，不合格品則由流水線控制流向環形檢修區域，維修人員可根據質量管理系統反饋不合格項對電機進行檢修，待電機檢修完成后重新流入測試工位測試。

2.2.2 控制系統

控制系統由觸摸式一體機+上位機軟件+可編程控制器PLC等受控部分組成，通過觸摸式一體機實現集中控制和分散管理，受控部分包括可編程控制器PLC、變頻電源、測量用儀器儀表等。控制系統通信連接組態結構如圖4所示。

圖4 控制系統通信連接組態結構

在該控制系統中，流水線控制系統、觸摸式一體機和可編程控制器PLC通過Profinet總線組成自動控制和檢測的核心，觸摸式一體機通過串行總線與變頻電源、測量用儀器儀表等通信控制以完成對被試電機的測試，通過工業以太網總線與質量管理系統進行實時檢測數據交互以完成測試電機的質量管控，從而實現在線檢測裝備與線體以及質量、信息平臺的數據交互和互聯互通。

2.3 主要功能的實現

2.3.1 在線檢測的功能實現

在線檢測裝備通過Profinet總線與流水線控制系統通信完成電機的接線，通過掃碼識別系統對試驗電機進行電機規格型號識別，進而通過工業以太網總線與質量管理系統進行信息交互完成電機的試驗標準檢索，通過裝置自動控制對試驗電機進行在線檢測和試驗結果的判定。基于智能制造新模式的電機在線檢測裝備檢測流程圖如圖5所示。

圖5 電機在線檢測裝備檢測流程圖

2.3.2 靜態測試

直流電阻測試儀器：日置RM3545精密電阻測試儀，測量范圍0～1 200 MΩ，基本精度0.006%，最小分辨率為0.01 μΩ，最大測量電流1 A。

測試方法：利用直流電阻測試儀對電機繞組進行檢測，測量時，電機轉子保持不動，連接繞組各相引出端，利用電阻測試儀測量各引出端之間的電阻，在線檢測裝置軟件自動采集環溫并據此將電阻值修正到20 ℃時的電阻值，自動計算不平衡度，并與質量管理系統進行實時數據交互和判斷是否合格。

絕緣/耐壓測試儀器：日置3153自動絕緣/耐壓測試儀，絕緣電阻測量范圍為0.10～9 999 MΩ，電流測量范圍為0.1～100 mA，測試時間為0.3～999 s可調。

測試方法：檢測繞組與機殼、繞組之間的絕緣電阻、工頻耐電壓和漏電流，在線檢測裝置軟件自動采集所測得的結果并與質量管理系統進行實時數據交互和判斷是否合格。

2.3.3 動態測試

測試儀器：QZ8967B綜合電量監測儀，電壓測量范圍為5～800 V，電流測量范圍為0.01～40.00 A；在線噪聲儀HS6288D。

測試方法：將變頻電源調整至試驗電機額定頻率和約1/4額定電壓輸出，通過電參數測量儀QZ8967B的快速測量功能采集電機起動瞬間的電參數作為電機的堵轉測試數據(堵轉電流和堵轉損耗)。堵轉試驗完成后由在線檢測裝置軟件自動控制變頻電源將電源輸出調整至電機額定電壓和額定頻率，通過噪聲儀實時測量電機的噪聲值，經運轉磨合一定時間后測取試驗電機額定電壓、額定頻率時的空載電流、損耗和噪聲值，由軟件進行分析計算后與質量管理系統進行實時數據交互和判斷是否合格。

2.4 試驗驗證

電機在線檢測裝備已在某司投入生產檢測，實物圖如圖6所示。該裝備運行穩定、數據準確、操作簡單、維護方便，既實現了電機在線檢測的全自動無人化作業，又能夠與質量管理系統信息互通進行實時數據交互，滿足電機智能制造新模式的自動化、信息化及智能化建設需求。設備投入生產使用后，實現年檢4萬臺電機且無故障，檢測效率提高了200%，同時提高了產品質量的一致性。經測算，該整機總裝數字化生產線總體生產效率提升了35.75%，生產運營成本降低了26.21%，不良品率下降了75.8%，能源綜合利用率提高了20.11%。

圖6 電機在線檢測裝備實物圖

3 結 語

本文基于智能制造新模式的檢測工藝，設計研制了一種電機在線檢測裝備，具有自動化程度高、信息交互能力強等特點，裝備運行穩定、測試數據準確、重復性好、維護簡單方便，保障了高強度、快速作業下的電機質量。裝備的研制和應用為用戶企業進行質量管理提供了設備支持和技術保障，通過技術性降本增效提高了用戶制造電機的競爭力。