针对旋转胶枪的预见性维修方法和专用测试系统

张成,杨成,牛焱,邵崇杰

（北京奔驰汽车有限公司，北京 100176）

在北京奔驰涂装车间，需要对车身焊缝喷涂一层以聚氯乙烯（PVC）为主要原料的焊缝密封胶，该密封胶既有密封防漏、增强车体防锈蚀能力，又有填补焊缝、增加车体美观性的作用。根据奔驰工艺要求，对于发动机舱盖或行李箱盖板内部焊缝以及外围折边区域，为了保证可视区域的外观美观性，通常会采用德国SCA公司生产的E-swirl旋转胶枪装配口径为0.9或1mm枪嘴进行喷涂。该胶枪在喷涂时以每分钟21000转的速度高速旋转，会在焊缝处形成致密连续的环形花纹，因此具有较好的外观，下图1为GLC发动机盖涂胶示意图。该设备虽然体型较小，但是单台设备（不含其余阀组）的价值高达十五万元，而且维护保养难度和成本也非常高。因此针对设备结构进行分析研究，并根据其机械和电气特性对经常出现的故障进行预判，以及建立专用的实验平台对设备进行功能测试，能为公司节省大量成本以及降低故障时间。

图1 GLC车身发动机舱盖枪涂胶图

1 旋转胶枪结构和功能介绍

旋转胶枪的内部剖视结构如下图2所示，其结构主要由外部壳体、定子绕组、永磁体转子、中心导管、和偏心衬套等组成。其需要机器人一起配合使用，机器人保持以一定的低速运动，旋转胶枪则保持21000转/分钟的高转速旋转，同时保持一定压力的材料供应，才能形成致密的环形花纹。

定子绕组和永磁体转子可以看成一个小型的永磁4极同步电机，永磁体在转子上的安装方式采用的是内嵌式，转子和定子之间的气隙均匀分布。

图2 旋转胶枪内部剖视图

为了对转子的转速进行测量和监控，在定子绕组之间安装有3个灵敏度高和体积较小的霍尔传感器。根据霍尔传感器具有电磁效应，当转子表面永磁体的S极接近且垂直于霍尔传感器表面时，霍尔传感器内部会产生明显的电势差，凭此对霍尔传感器的感应电流以100ms的周期进行采样，可以对转子的转速进行测量并反馈到控制器，控制器会根据反馈对输入电流频率进行调整，形成一个闭环控制。而且当霍尔传感器离转子的磁极太远时会出现感应电流过小无法探测的现象，而太近则会导致传感器烧毁，而这种破坏则是无法修复的，会导致整个设备无法使用。

转子由前后两个轴承固定安装在定子两侧，转子中间为通孔构造，装有175mm长的不锈钢导管，在转子的延长侧装有一个偏心套，内部含有一个轴承，轴承的内圈和不锈钢导管的头部用胶水粘牢，0.9或者1mm口径的喷嘴安装在导管的末端。转子在高速旋转时由于偏心衬套的作用将带动中央胶管以环形的轨迹进行旋转。

由于设备精密，同时德国SCA考虑知识产权保护，没有为客户提供专业工具和测试台设备的服务，也不提供专业的维修培训，而且单台设备维修成本高达2万元，且耗时半年，导致主机厂无法针对设备故障进行进一步分析，因此在使用和维修过程中存在着多种疑难问题，导致出现大量停机。主要问题为：①故障原因不明，需要通过反复的更换以及在线测试才能最终确认故障原因。②专业工具缺失，导致安装困难以及备件损坏。③维修后备件质量无法保证，没有测试台，只能反复等待周末停产进行测试，耗时较长，存在停机风险。因此采用专门的工具，创建一个专业的实验平台，能为公司节约大量的成本以及有效降低停机时间。

2 主要失效模式分析

上文提到，对于本文研究对象而言，其物理模型可以简化为一台带偏心负载的永磁同步电机。因此其故障类型有电机过流、绕组过热、匝间短路、绝缘老化和电机转子偏心等，而且因为其转子上还装有永磁体，可能还会发生不可逆的退磁现象。由于旋转胶枪结构较小，集电气和机械一体，同时又处于高速旋转状态，因此可能导致故障原因较多，因此需要具体问题具体分析。

根据使用经验，旋转胶枪80%以上的故障原因目前在于轴承损坏引起的三相电流超上限或者霍尔传感器损坏。关于轴承的使用寿命主要受三个方面影响，一是工作负载，而是工作环境，三是润滑情况。本文对拆下的轴承进行了拆解，对滚珠、内圈和外圈进行了检查，发现了局部的疲劳磨损和缺口，具体见图3。

图3 轴承缺陷图

根据上图可知，我们在轴承内部发现了疲劳点蚀现象以及缺口，疲劳点蚀的行程因素很多，但是缺口的产生一般来自于过载或者冲击载荷。首先根据标准的轴承寿命计算公式为：

其中：C表示基本额定动载荷，该数据来自轴承性能数据，P表示当量动载荷，当量动载荷和轴承所受的径向载荷和轴向载荷相关。ɛ值可以从参数表中算出，球轴承一般为3。根据公式可知当量动载荷越大，轴承的实际使用寿命和理论寿命相比就会越小。

根据旋转胶枪剖视结构，旋转胶枪使用的三个轴承全部为深沟球轴承，而深沟球轴承主要用于承受径向作用力。上文已经提到旋转胶枪在高速旋转时，通过转子一端的偏心套带动导管做螺旋运动，偏心套和轴承的具体结构如下图4所示。从图4第二图可知，转子中心和轴承中心不同心，偏心套材料为铝，不带轴承时重量约为16g，偏心套的质心由于轴承座偏离转子中心位置向上偏移0.6～0.7毫米加工而向下发生了偏移。同时626Z深沟球轴承重量约为8g，轴承安装以后，其重心由于轴承座位置向上偏移了0.6～0.7毫米。根据保持回转体机械振动平衡的必要条件，回转体的中心主轴必须与旋转轴一致。因此从偏心套的结构图可以看出，厂家在进行平衡测试时需要对偏心套局部进行去重和质量调整，以尽量降低机械振动，但机械振动一直存在。位于轴承中心的导管中心由于位于轴承孔中心偏离转子中心0.6～0.7毫米，仍然会形成一定的弯曲应力P，而且在生产喷涂过程中持续流动的高压密封胶材料也会增加这种应力作用，在高速转动时由于导管中心和转子中心偏心，会持续形成对轴承的不对称的惯性离心力，导致冲击载荷出现。

虽然使用轴承采用端盖封闭而且免润滑，但是由于旋转速度超高，且承受着一定的径向载荷，随着使用时间的增长，轴承必定产生疲劳磨损，同时也会增加轴承内部的摩擦转矩，也会影响轴承寿命。随着负载的不断增加，输入的三相电流值也会相应增加，由于散热不佳，电机表面的温度可能高达80～90℃，长期运行会导致轴承润滑油脂变质，影响轴承使用寿命。

另外，如果由于轴承磨损发生转子偏心，会进一步影响转子和定子之间的磁隙大小变化，从而影响磁场强度的变化。而霍尔传感器在永磁转子S极接近其表面时产生电势差大小与磁场强度成正比，因此当轴承磨损导致转子出现偏心时，霍尔传感器表面会由于产生的电势差过大而导致传感器损毁。

3 预见性维修方法

旋转胶枪最常见的故障为轴承失效导致的三相电流过大，因此找到合适的方法对电流进行实时监控，并对电流变化的趋势进行分析研究，可以提前对旋转胶枪的使用寿命进行预判。电机的三相电流和电机所受负载相关，而电机的负载变化主要来源于三个轴承。根据上图3显示，轴承主要缺陷有疲劳点蚀和冲击缺口，因此随着缺陷的出现，也会逐渐导致负载增大，因此三相电流也会渐进式的增加。为了进行验证，对现场不同时间安装使用的6台旋转胶枪设备进行了监控，通过对电机三相电流的实时监控，可以准确发现电机负载的变化和使用时间的长短呈现一定的正比关系。

对使用的6台设备的电机的三相电流进行了实时监控记录，采样周期选为10ms，一个节拍时间内记录的电流值为20000个左右。选取其中两台监控得到的三相电流点阵数据导入MATLAB中得到的效果图如图5所示。对于旋转胶枪而言，一个工作节拍分为加速阶段、匀速阶段和停止阶段，如图6所示。由于输入电流总是处于波动无规律状态，不考虑加速启动和停止阶段，其波动幅度基本在600～1000mA之间。为了对比不同设备三相电流的大小，决定采取计算均值的方法进行比较，而且由于加速启动阶段和停止阶段的电流值过大或者过小，会明显影响均值的分布。因此在计算均值时，设定了一个阈值范围，电流值小于500mA或大于1500mA的点都会被剔除，不参与计算。图中的红色的直线表示均值大小，两台设备均值大小分别为834mA和1087mA。

图5 旋转胶枪电流监控图

表1为统计的旋转胶枪的电流均值，除去机器人R24以外，从数据上基本上可以看出，随着使用时间的延长，三相电流在呈逐步上升趋势。尤其是机器人R23在使用13个月以后，三相电流值为1023mA，而在更换新的轴承以后，电流值降低为777mA。

虽然影响影响电机负载的因素有很多，长时间使用导致内部损伤引起负载增加只是其中一种因素，但是本文想要展示的是通过电流的监控可以在很大程度上得知设备的运行状态，并且对进一步发展有比较清晰的预期。因为电流值的大小是触发系统停机的最重要的也是最常见的因素，当三相电流大于1400mA时，系统会触发报警停机，而且电流过大，定制绕组产生的热量会增大很多，3班连续运行情况下，电机壳体的温度可能会高达60～70℃，甚至更高。而且永磁转子长时间在高温环境下运转，也可能会出现磁体不可逆的失磁现象。

图6 旋转胶枪三相电流曲线介绍

表1 旋转胶枪电流值

因此为了确保系统运行的稳定性，降低设备停机，在考虑维护成本等因素的情况下制定了以下规则：①每半月对旋转胶枪的电流进行一次监控，并对电流均值进行计算，如果发现某台设备的电流值超过了1000mA，则加入更换计划，闲时进行更换。②建立每台设备的历史档案库，记录每次更换前的电流值和磨损情况，以及保养后测试成功后的初始电流值，并对所有更换的备件进行记录，以便日后进行追溯分析。

4 测试系统设计

本公司采用的设备为德国杜尔公司设计的密封胶喷涂机器人系统，SCA公司的旋转胶枪为专用喷涂工具使用，并采用杜尔定制的控制器对其进行控制。杜尔的机器人站系统采用SERCOSIII网络协议和各个子模块单元进行通讯，由于控制器的通讯接口为BUS接口，因此机器人控制单元和胶枪控制器之间采用了网关进行转换。

本文在设计实验平台之初，由于杜尔系统集成商和制造商的知识产权保护和限制，基本无法现场使用设备方案进行测试系统设计。而且底层通讯协议和设备控制参数都无法直接获取，只能通过反复实验破解。最后决定利用PLC通过BUS接口与旋转胶枪控制器之间进行直接通信，在破解设备控制参数的基础上利用PLC程序对旋转胶枪进行运动控制。见下图7所示，为本文离线实验平台的系统构成，其包含西门子S300 PLC控制器、西门子HMI、胶枪控制器、测试对象旋转胶枪以及供电变压设备等。

程序功能设计时采取了自动测试和手动测试两种模式，自动测试时系统会按照事先设定好的速度和对应的时间进行自动测试，而手动测试则需要手动输入转速和测试时间，通常我们会要求维修人员首先进行手动测试，确定安装无异响，而且电流不会过大，再开始进行自动测试。本文根据使用经验，确定的测试标准为：表面温度低于50度；速度误差范围在±500转以内；3秒内转速达到21000r/min，且三相电流稳定在1000mA以内；无异响。

图7 测试系统硬件组态结构

5 结语

由于德国生产厂家的知识产权保护和限制，损坏设备被要求发回德国维修，极大的限制了故障解决的时效性和设备备件的可利用性。目前通过预见性维修方法以及测试平台已经能实现了有效的维修测试和故障预判，目前已经提前更换了三相电流较高的设备。同时由于实验平台的投入使用，有效地保证了设备维修质量，已基本上避免了由于设备损坏或者备件质量问题引起的长时间停机。后续将继续开展研究，通过采用耐久性更加出色的陶瓷轴承对现有轴承进行替换，同时对偏心套的振动进行分析，力图极大提高旋转胶枪的使用寿命，同时降低维修成本。