風(fēng)馳電掣，澎湃動(dòng)力
作為中國(guó)的支柱性產(chǎn)業(yè)之一，汽車制造行業(yè)在過(guò)去的數(shù)十年里一直引領(lǐng)著工廠自動(dòng)化領(lǐng)域的前沿技術(shù)。
近幾年來(lái)，汽車行業(yè)盡管面臨著銷量持續(xù)下滑的態(tài)勢(shì)，競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境日益激烈，但隨著工業(yè)4.0和中國(guó)制造2025的提出，如何利用先進(jìn)的自動(dòng)化和數(shù)字化技術(shù)，提升制造效率、優(yōu)化生產(chǎn)質(zhì)量并降低相應(yīng)成本，開(kāi)始成為當(dāng)前汽車及零部件制造行業(yè)的關(guān)注焦點(diǎn)。
在汽車制造邁向工業(yè)4.0的道路上，沒(méi)有一套固定的模式可以照搬。不過(guò)，對(duì)于數(shù)字化轉(zhuǎn)型的目標(biāo)來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)顯然是至關(guān)重要的。尤其對(duì)于汽車變速器這樣的重資產(chǎn)生產(chǎn)企業(yè)而言，通過(guò)機(jī)床狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)加工設(shè)備狀態(tài)的透明化和預(yù)測(cè)性維護(hù)能力，正是當(dāng)前利用數(shù)據(jù)力量邁向數(shù)字化轉(zhuǎn)型目標(biāo)的切實(shí)可行途徑。
因此，長(zhǎng)城汽車徐水變速器工廠開(kāi)始攜手ifm（易福門(mén)），為其大約200臺(tái)機(jī)床部署設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，力求通過(guò)改造升級(jí)為其注入“智能工廠”血液。
超級(jí)工廠，運(yùn)行無(wú)憂
作為長(zhǎng)城汽車旗下全資子公司，蜂巢傳動(dòng)科技河北有限公司在河北保定徐水擁有一個(gè)“超級(jí)工廠”——年產(chǎn)能超過(guò)100萬(wàn)臺(tái)的變速器生產(chǎn)廠，為H6/F7/WEY等多款長(zhǎng)城汽車熱銷車型提供7DCT濕式雙離合變速箱。
面對(duì)如此巨大的產(chǎn)量，確保現(xiàn)場(chǎng)機(jī)床設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，并且有針對(duì)性地安排現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的維修維護(hù)，是徐水變速器工廠維修工程師團(tuán)隊(duì)所期待的。因?yàn)閷?duì)于工廠的200多臺(tái)機(jī)床而言，設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中必須要有一定的監(jiān)控，監(jiān)控設(shè)備健康狀態(tài)，從而及時(shí)作出維修和保養(yǎng)計(jì)劃，提高設(shè)備壽命，才能避免機(jī)床運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)突發(fā)性的故障和風(fēng)險(xiǎn)，減少設(shè)備故障損失，節(jié)省硬件成本。
針對(duì)機(jī)床設(shè)備的核心部件，徐水變速器工廠對(duì)于機(jī)床主軸部件的加工狀態(tài)監(jiān)控尤為關(guān)注。主軸系統(tǒng)通常由主軸、軸承和傳動(dòng)件（齒輪或帶輪）等組成，主要用以支撐齒輪、帶輪等傳動(dòng)零件，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)及扭矩作用的傳遞，也是機(jī)床設(shè)備的易損易耗部件。在機(jī)床運(yùn)行過(guò)程中，往往會(huì)面臨主軸突然撞擊、主軸軸承磨損、老化等故障，這些突發(fā)和潛在的風(fēng)險(xiǎn)都會(huì)影響變速器零件的加工精度，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率并帶來(lái)成本的損失。
為了保障這些“工業(yè)母機(jī)”、“加工重器”始終能夠安穩(wěn)、健康地運(yùn)行，徐水工廠決定全面采用ifm提供的機(jī)床設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。
狀態(tài)監(jiān)測(cè)，防患未然
基于汽車行業(yè)幾十年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，ifm為長(zhǎng)城汽車徐水變速器工廠提供了一整套機(jī)床設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控方案，包括傳感器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)交互支持、軟件平臺(tái)和預(yù)警系統(tǒng)：
該監(jiān)控方案主要針對(duì)客戶現(xiàn)場(chǎng)的KAPP磨齒機(jī)床，通過(guò)在機(jī)床主軸加工端安裝振動(dòng)傳感器探頭，再通過(guò)邊緣計(jì)算數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)智能分析和數(shù)據(jù)篩選。
ifm邊緣計(jì)算數(shù)據(jù)采集模塊具有三個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口：兩個(gè)接口支持Profinet、Ethermet IP、Modbus TCP等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線，另外一個(gè)接口是普通TCP/IP接口。
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)和PLC的協(xié)議互通，振動(dòng)數(shù)據(jù)采集模塊不僅僅采集振動(dòng)數(shù)據(jù)，而且可以直接將現(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵的生產(chǎn)工藝參數(shù)和振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配分析。下圖是分析軟件結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)主軸電流以及刀具位置信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的歷史趨勢(shì)展示：
在機(jī)床生產(chǎn)加工過(guò)程中，主軸突發(fā)撞擊和主軸軸承故障往往是徐水工廠最為頭疼的問(wèn)題。以下我們將通過(guò)實(shí)例詳細(xì)說(shuō)明ifm振動(dòng)傳感器如何預(yù)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備故障。
下圖為工廠現(xiàn)場(chǎng)一段設(shè)備狀態(tài)歷史趨勢(shì)圖，生產(chǎn)過(guò)程前期設(shè)備運(yùn)行較平穩(wěn)，到了后期設(shè)備振動(dòng)值呈逐漸上升趨勢(shì)。
通過(guò)顯微鏡拍攝軸承滾動(dòng)體對(duì)比發(fā)現(xiàn)，其根本原因在于滾動(dòng)體的磨損。下方左圖是主軸軸承滾動(dòng)體磨損照片，右圖是滾動(dòng)體未磨損照片。
對(duì)此，ifm振動(dòng)傳感器在第一時(shí)間給出報(bào)警提示，避免了后續(xù)零件加工的誤差增大，減少了不良品。那么振動(dòng)傳感器是如何發(fā)現(xiàn)軸承滾動(dòng)體早期磨損的呢？
（1）首先明確客戶現(xiàn)場(chǎng)主軸軸承品牌屬于FAG，型號(hào)71916。通過(guò)ifm振動(dòng)分析軟件軸承數(shù)據(jù)庫(kù)添加對(duì)應(yīng)軸承并確定特征頻率，其中滾動(dòng)體特征頻率因子為10.812。
（2）確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)床當(dāng)時(shí)的加工速度大約是4,900rpm，即振動(dòng)分析基頻為81.67Hz。經(jīng)過(guò)振動(dòng)分析的經(jīng)驗(yàn)公式（故障頻率=基頻*頻率因子）得出，在4,900RPM轉(zhuǎn)速下的滾動(dòng)體故障頻率點(diǎn)大約在883Hz。
（3）通過(guò)分析H-FFT頻譜（如下圖），可以很清晰地看到低頻有諧波產(chǎn)生，并且在軸承對(duì)應(yīng)的損壞頻率處可以看到峰值，屬于軸承故障的早期階段。
（4）通過(guò)對(duì)頻譜的放大查找，可以看到對(duì)應(yīng)886.154Hz處有明顯的峰值，和之前確定的滾動(dòng)體特征頻率頻率883Hz非常接近（如下圖）。
在振動(dòng)數(shù)據(jù)采集和通訊的基礎(chǔ)上，ifm機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)一步幫助蜂巢傳動(dòng)徐水工廠實(shí)現(xiàn)了機(jī)床狀態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示與可視化分析。
依托ifm邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)所內(nèi)嵌的LR agent接口技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)床的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)直接傳輸?shù)焦S服務(wù)器，在服務(wù)器端安裝有ifm LR Smartobserver軟件，支持工廠辦公室任何一臺(tái)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備直接訪問(wèn)/讀取現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)查看運(yùn)行趨勢(shì)。此外，利用該軟件的多功能歷史數(shù)據(jù)記錄功能，用戶還可以將不同參數(shù)（曲線顏色不同）在同一坐標(biāo)系下進(jìn)行分析（如下圖）。
通過(guò)ifm機(jī)床設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，長(zhǎng)城汽車徐水變速器工廠現(xiàn)在不但可以在設(shè)備異常振動(dòng)時(shí)發(fā)現(xiàn)并快速停機(jī)、檢測(cè)主軸故障原因，而且可以提前監(jiān)測(cè)主軸故障，預(yù)先實(shí)施維修和保養(yǎng)或進(jìn)行加工過(guò)程的優(yōu)化，從而大大增加了主軸使用壽命，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床設(shè)備的預(yù)測(cè)性維護(hù)。
事實(shí)上，ifm機(jī)床設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)不僅是針對(duì)機(jī)床主軸，還可以對(duì)機(jī)床不同部件實(shí)現(xiàn)多功能全方位的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，譬如對(duì)滾珠絲桿主軸進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控、過(guò)程及負(fù)載控制；對(duì)車床設(shè)備進(jìn)行過(guò)程監(jiān)控、顫振監(jiān)測(cè)和平衡監(jiān)控；對(duì)研磨設(shè)備進(jìn)行切割刀/工件監(jiān)測(cè)、刀具磨損檢測(cè)和平衡監(jiān)控等等。
如今，長(zhǎng)城汽車徐水變速器工廠的維護(hù)工程師們終于可以放下心來(lái)，因?yàn)樗麄兛梢噪S時(shí)隨地獲得機(jī)床狀態(tài)信息從而提前采取行動(dòng)，變被動(dòng)為主動(dòng)，為保障變速器產(chǎn)品的及時(shí)快速交付提供可靠保障。
