基于智能制造新模式的電機(jī)在線檢測(cè)裝備研制

石 浩,李懷珍

(上海電科電機(jī)科技有限公司,上海 200063)

0 引 言

新一代信息技術(shù)與制造業(yè)的深度融合，已形成新的生產(chǎn)方式、產(chǎn)業(yè)形態(tài)和新經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，制造業(yè)數(shù)字化、智能化成為全球先進(jìn)制造業(yè)的核心技術(shù)[1-2]。

傳統(tǒng)電機(jī)生產(chǎn)制造是典型的勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，隨著人力成本的增加和人口紅利的逐步消失，電機(jī)行業(yè)亟須開(kāi)展集智能制造關(guān)鍵技術(shù)與裝備研發(fā)、關(guān)鍵工藝模型研究和信息化管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)為一體的智能化運(yùn)營(yíng)綜合平臺(tái)建設(shè)，通過(guò)研究探索形成成熟、可復(fù)制、可推廣的電機(jī)智能制造新模式并以此引導(dǎo)行業(yè)開(kāi)展智能制造工程建設(shè)，加快轉(zhuǎn)型發(fā)展，提升中國(guó)電機(jī)制造業(yè)整體水平及國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力[3-4]。

電機(jī)在線檢測(cè)是電機(jī)生產(chǎn)制造過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)之一，開(kāi)展基于智能制造新模式的電機(jī)在線檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究并開(kāi)發(fā)相應(yīng)裝備是電機(jī)智能制造的關(guān)鍵和核心，在電機(jī)智能制造中具有重要地位，對(duì)引領(lǐng)以手工方式、勞動(dòng)密集型模式的傳統(tǒng)電機(jī)制造企業(yè)向全面自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型具有重要意義。本文針對(duì)電機(jī)智能制造新模式下的成品電機(jī)在線檢測(cè)需求，研究了電機(jī)在線檢測(cè)工藝，并基于檢測(cè)工藝研制了全自動(dòng)、智能化和信息化的電機(jī)在線檢測(cè)裝備。

1 電機(jī)在線檢測(cè)特點(diǎn)

傳統(tǒng)的電機(jī)制造涉及電機(jī)配件加工和電機(jī)總裝等，多采用人工密集型流水線生產(chǎn)方式，自動(dòng)化程度非常低，且工序環(huán)節(jié)多、效率低、信息流通不暢。傳統(tǒng)總裝工藝流程如圖1所示?；趥鹘y(tǒng)的電機(jī)在線檢測(cè)裝備具有如下特點(diǎn)：

(1) 裝置分散、信息孤立；

(2) 自動(dòng)化水平低，人工參與度高；

(3) 測(cè)試節(jié)拍較慢，生產(chǎn)效率低下；

(4) 測(cè)試數(shù)據(jù)穩(wěn)定性差、溯源困難。

圖1 傳統(tǒng)總裝工藝流程圖

與傳統(tǒng)“孤島分立式”電機(jī)在線檢測(cè)裝備不同的是，基于智能制造新模式的電機(jī)在線檢測(cè)具有如下特點(diǎn)：

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

(2) 自動(dòng)化水平高。傳統(tǒng)工藝嚴(yán)重依賴人工，自動(dòng)化水平差，無(wú)法快速應(yīng)對(duì)小批量、多品種的主流生產(chǎn)模式，基于智能制造新模式的電機(jī)在線檢測(cè)對(duì)自動(dòng)檢測(cè)、柔性檢測(cè)、快速檢測(cè)均具有較高的需求。

(3) 協(xié)同質(zhì)量管理?；谥悄苤圃煨履Ｊ劫|(zhì)量管理對(duì)電機(jī)在線檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性、安全性、溯源性等均具有較高要求。

2 電機(jī)在線檢測(cè)的設(shè)計(jì)

2.1 基于智能制造新模式的在線檢測(cè)工藝及需求

電機(jī)總裝主要由電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子、機(jī)座、端蓋、軸承及附屬配件總裝加工工序組成，通過(guò)快換夾具工裝，進(jìn)行產(chǎn)品的無(wú)縫切換生產(chǎn)，大量采用機(jī)器人等柔性化設(shè)備，通過(guò)使用機(jī)器人進(jìn)行數(shù)字化流水裝配作業(yè)。電機(jī)智能制造新模式對(duì)電機(jī)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(zhì)量的完成電機(jī)的裝配、檢測(cè)、噴涂、打包等工序?；谥悄苤圃煨履Ｊ降碾姍C(jī)生產(chǎn)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(jī)生產(chǎn)線工藝流程

在線自動(dòng)檢測(cè)是產(chǎn)線工藝流程中很重要的一環(huán)，既是對(duì)前面工藝環(huán)節(jié)的直接檢驗(yàn)，也是對(duì)后續(xù)電機(jī)出廠后質(zhì)量的直接保證，其自動(dòng)化、智能化水平直接關(guān)系產(chǎn)線的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

基于示范產(chǎn)線建設(shè)需求，示范在線檢測(cè)裝備主要用于0.75～15 kW功率段、220～690 V范圍內(nèi)的三相異步電機(jī)的在線檢測(cè)，測(cè)試節(jié)拍60 s/臺(tái)?；陔姍C(jī)產(chǎn)線智能制造新模式質(zhì)量管理需要，在線檢測(cè)裝備需具有數(shù)據(jù)接口，檢測(cè)數(shù)據(jù)需實(shí)時(shí)交互，通過(guò)與質(zhì)量管理系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，保證檢測(cè)產(chǎn)品的溯源。依據(jù)GB/T 1032—2012《三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法》[5]等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定和電機(jī)檢測(cè)工藝需要，電機(jī)在線檢測(cè)裝備檢測(cè)項(xiàng)目包括：冷態(tài)絕緣電阻、工頻耐電壓、繞組直流電阻、堵轉(zhuǎn)電流和堵轉(zhuǎn)損耗的測(cè)定，額定電壓、額定頻率時(shí)的空載電流、損耗和噪聲、溫度的測(cè)定。

2.2 在線檢測(cè)裝備設(shè)計(jì)

基于電機(jī)智能制造新模式的在線檢測(cè)工藝及需求，設(shè)計(jì)電機(jī)在線檢測(cè)裝備原理圖如圖3所示。包括二維碼掃描識(shí)別系統(tǒng)、變頻電源、變壓器1T、觸摸式一體機(jī)、可編程控制器PLC、測(cè)量用儀器儀表電參數(shù)測(cè)量?jī)xQZ8967B、直流電阻儀RM3545、絕緣/耐壓儀3153、在線噪聲儀等。

圖3 在線檢測(cè)裝備原理圖

鑒于傳統(tǒng)檢測(cè)工藝檢測(cè)節(jié)拍約180 s/臺(tái)，無(wú)法滿足電機(jī)智能制造新模式對(duì)在線檢測(cè)節(jié)拍60 s/臺(tái)的需求，在線檢測(cè)裝置在檢測(cè)工藝上設(shè)計(jì)了靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試2個(gè)獨(dú)立測(cè)量工位，靜態(tài)測(cè)試工位用于對(duì)電機(jī)的冷態(tài)絕緣電阻、工頻耐電壓和繞組直流電阻測(cè)試，動(dòng)態(tài)測(cè)試工位進(jìn)行電機(jī)的堵轉(zhuǎn)、空載以及噪聲的測(cè)定，2個(gè)測(cè)試工位可同時(shí)試驗(yàn)，測(cè)試節(jié)拍均可控制在60 s/臺(tái)以內(nèi)，即在60 s內(nèi)能夠同時(shí)進(jìn)行2臺(tái)電機(jī)的檢測(cè)，能夠滿足電機(jī)智能制造60 s下線1臺(tái)電機(jī)的工藝要求。

2.2.1 工作原理

被測(cè)電機(jī)在前道工序(前端蓋)裝配完成后，電機(jī)置于托板，由人工將托板上的測(cè)試線與電機(jī)接線端子連接，通過(guò)流水線控制自動(dòng)流轉(zhuǎn)到靜態(tài)測(cè)試工位，托板自動(dòng)頂起，與靜態(tài)測(cè)試流水線測(cè)試接口自動(dòng)對(duì)接，對(duì)接信號(hào)發(fā)送到測(cè)試臺(tái)，在線檢測(cè)裝置通過(guò)二維碼掃碼識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別電機(jī)本體二維碼，由在線檢測(cè)裝置軟件在本地自動(dòng)建立測(cè)試信息數(shù)據(jù)庫(kù)并將被測(cè)電機(jī)信息數(shù)字化后進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試過(guò)程全程無(wú)人操作，檢測(cè)工藝流程為：直流電阻→絕緣電阻→耐壓測(cè)試。靜態(tài)測(cè)試完成后，由流水線控制自動(dòng)切換轉(zhuǎn)入至動(dòng)態(tài)測(cè)試工位進(jìn)行電機(jī)堵轉(zhuǎn)和空載性能測(cè)試，待電機(jī)測(cè)試完成后，裝置反饋測(cè)試完成信號(hào)給流水線控制系統(tǒng)，合格品由流水線自動(dòng)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(huán)形檢修區(qū)域，維修人員可根據(jù)質(zhì)量管理系統(tǒng)反饋不合格項(xiàng)對(duì)電機(jī)進(jìn)行檢修，待電機(jī)檢修完成后重新流入測(cè)試工位測(cè)試。

2.2.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由觸摸式一體機(jī)+上位機(jī)軟件+可編程控制器PLC等受控部分組成，通過(guò)觸摸式一體機(jī)實(shí)現(xiàn)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(cè)量用儀器儀表等?？刂葡到y(tǒng)通信連接組態(tài)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)通信連接組態(tài)結(jié)構(gòu)

在該控制系統(tǒng)中，流水線控制系統(tǒng)、觸摸式一體機(jī)和可編程控制器PLC通過(guò)Profinet總線組成自動(dòng)控制和檢測(cè)的核心，觸摸式一體機(jī)通過(guò)串行總線與變頻電源、測(cè)量用儀器儀表等通信控制以完成對(duì)被試電機(jī)的測(cè)試，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)總線與質(zhì)量管理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)交互以完成測(cè)試電機(jī)的質(zhì)量管控，從而實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)裝備與線體以及質(zhì)量、信息平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互和互聯(lián)互通。

2.3 主要功能的實(shí)現(xiàn)

2.3.1 在線檢測(cè)的功能實(shí)現(xiàn)

在線檢測(cè)裝備通過(guò)Profinet總線與流水線控制系統(tǒng)通信完成電機(jī)的接線，通過(guò)掃碼識(shí)別系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)電機(jī)進(jìn)行電機(jī)規(guī)格型號(hào)識(shí)別，進(jìn)而通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)總線與質(zhì)量管理系統(tǒng)進(jìn)行信息交互完成電機(jī)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)檢索，通過(guò)裝置自動(dòng)控制對(duì)試驗(yàn)電機(jī)進(jìn)行在線檢測(cè)和試驗(yàn)結(jié)果的判定。基于智能制造新模式的電機(jī)在線檢測(cè)裝備檢測(cè)流程圖如圖5所示。

圖5 電機(jī)在線檢測(cè)裝備檢測(cè)流程圖

2.3.2 靜態(tài)測(cè)試

直流電阻測(cè)試儀器：日置RM3545精密電阻測(cè)試儀，測(cè)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(cè)量電流1 A。

測(cè)試方法：利用直流電阻測(cè)試儀對(duì)電機(jī)繞組進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子保持不動(dòng)，連接繞組各相引出端，利用電阻測(cè)試儀測(cè)量各引出端之間的電阻，在線檢測(cè)裝置軟件自動(dòng)采集環(huán)溫并據(jù)此將電阻值修正到20 ℃時(shí)的電阻值，自動(dòng)計(jì)算不平衡度，并與質(zhì)量管理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互和判斷是否合格。

絕緣/耐壓測(cè)試儀器：日置3153自動(dòng)絕緣/耐壓測(cè)試儀，絕緣電阻測(cè)量范圍為0.10～9 999 MΩ，電流測(cè)量范圍為0.1～100 mA，測(cè)試時(shí)間為0.3～999 s可調(diào)。

測(cè)試方法：檢測(cè)繞組與機(jī)殼、繞組之間的絕緣電阻、工頻耐電壓和漏電流，在線檢測(cè)裝置軟件自動(dòng)采集所測(cè)得的結(jié)果并與質(zhì)量管理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互和判斷是否合格。

2.3.3 動(dòng)態(tài)測(cè)試

測(cè)試儀器：QZ8967B綜合電量監(jiān)測(cè)儀，電壓測(cè)量范圍為5～800 V，電流測(cè)量范圍為0.01～40.00 A；在線噪聲儀HS6288D。

測(cè)試方法：將變頻電源調(diào)整至試驗(yàn)電機(jī)額定頻率和約1/4額定電壓輸出，通過(guò)電參數(shù)測(cè)量?jī)xQZ8967B的快速測(cè)量功能采集電機(jī)起動(dòng)瞬間的電參數(shù)作為電機(jī)的堵轉(zhuǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)(堵轉(zhuǎn)電流和堵轉(zhuǎn)損耗)。堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)完成后由在線檢測(cè)裝置軟件自動(dòng)控制變頻電源將電源輸出調(diào)整至電機(jī)額定電壓和額定頻率，通過(guò)噪聲儀實(shí)時(shí)測(cè)量電機(jī)的噪聲值，經(jīng)運(yùn)轉(zhuǎn)磨合一定時(shí)間后測(cè)取試驗(yàn)電機(jī)額定電壓、額定頻率時(shí)的空載電流、損耗和噪聲值，由軟件進(jìn)行分析計(jì)算后與質(zhì)量管理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互和判斷是否合格。

2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

電機(jī)在線檢測(cè)裝備已在某司投入生產(chǎn)檢測(cè)，實(shí)物圖如圖6所示。該裝備運(yùn)行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，既實(shí)現(xiàn)了電機(jī)在線檢測(cè)的全自動(dòng)無(wú)人化作業(yè)，又能夠與質(zhì)量管理系統(tǒng)信息互通進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，滿足電機(jī)智能制造新模式的自動(dòng)化、信息化及智能化建設(shè)需求。設(shè)備投入生產(chǎn)使用后，實(shí)現(xiàn)年檢4萬(wàn)臺(tái)電機(jī)且無(wú)故障，檢測(cè)效率提高了200%，同時(shí)提高了產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。經(jīng)測(cè)算，該整機(jī)總裝數(shù)字化生產(chǎn)線總體生產(chǎn)效率提升了35.75%，生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)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(jī)在線檢測(cè)裝備實(shí)物圖

3 結(jié) 語(yǔ)

本文基于智能制造新模式的檢測(cè)工藝，設(shè)計(jì)研制了一種電機(jī)在線檢測(cè)裝備，具有自動(dòng)化程度高、信息交互能力強(qiáng)等特點(diǎn)，裝備運(yùn)行穩(wěn)定、測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、重復(fù)性好、維護(hù)簡(jiǎn)單方便，保障了高強(qiáng)度、快速作業(yè)下的電機(jī)質(zhì)量。裝備的研制和應(yīng)用為用戶企業(yè)進(jìn)行質(zhì)量管理提供了設(shè)備支持和技術(shù)保障，通過(guò)技術(shù)性降本增效提高了用戶制造電機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)力。