Servo-case, tutkijaseminaari

Transkriptio

1 , tutkijaseminaari Jari Halme Tutkija

2 Sisältö Servomoottori-case diagnostiikkaa ja prognostiikkaa varten Haasteita 2

3 Case: Servomoottorin toimintakunnon valvonta ja testaus Vastuullinen yritys ja vastuuhenkilö: Kimmo Ukkonen, Foxconn Oy Muut osallistuvat yritykset: Vesa Väänänen, LSK Electrics Oy Lisäksi linkki ABB:n moottorinohjauscaseen Vastuullinen tutkimustaho ja vastuuhenkilö: VTT TUO Muut tutkimustahot: VTT ELE Kuvaus (kohde, tarpeet, mitä pyritään ratkaisemaan) Kohde: AC-servomoottorit, Fanuc, Teho max 7,5 kw Tarpeet: 1. Vikatilanteiden ja korjaustarpeen ennustaminen mittaavalla huollolla. 2. Huollettujen moottoreiden testausjärjestelmän kehittäminen Tulosodotukset Järjestelmän tulee mittaustietoihin perustuen määrittää moottorien huoltotarve ja ajankohta sekä antaa lähtötiedot huollettujen moottorien testauksen lähtöarvoiksi. Odotettava hyöty (tekninen ja taloudellinen merkitys) Mittaavalla huollolla pystytään tarkentamaan huoltotarve ja moottorien vaihdon ajankohta. Varamoottorien määrä pystytään pitämään pienenä, koska huolto tehdään paikallisin voimin ja huoltoaika on lyhyt. 3

4 Servo -tilanne Raportit: AC-servomoottori - rakenne, vikaantuminen Planeettavaihteet - rakenne, vikaantuminen Servomoottorin planeettavaihde Testirobotin mittaus Hollolassa Tuotantorobotin etämittaus Hollola - Espoo Data-analyysi käynnistymässä 4

5 Riittävän tietämyksen muodostaminen Tarvitaan historiatietoa kohteesta tiedonkeruutavat Rakenne Olosuhteet (lämpötila, kosteus, voitelu, happamuus, käyttöaste, teho, rpm ) Materiaalit ja materiaaliparit ja väliaineet Vikatilastot Mittaustietoja vikaantumistapahtumista 5

6 Riittävän tietämyksen muodostaminen tiedonkeruutavat Suoritetaan analyyttinen analyysi kohteesta Vikaantumistapahtuman tai toimintahäiriön eteneminen (herätteet) dx Fysikaaliset tms. mallit/mallinnus vioille ja häiriöille dn Suorien ja epäsuorien vasteiden tunnistaminen Mittaus- ja havainnointimenetelmien valinta = C ( K ) n 6

7 Riittävän tietämyksen muodostaminen Toteutetaan mittaukset tiedonkeruutavat Sovitetaan kohteen tilanteeseen ja tarpeeseen Oikea mittausmenetelmä ja anturityyppi Oikea taajuus ja näyteväli Sopiva paikka Mittaustoimenpiteet poikkeamatilanteiden poiminta mittauksiin jatkokäsittely ja tallennus data - > tutkimustahojen tarpeisiin parametrit Aika [s] luokittelu aineiston avulla "Raakadataa" tarvitaan sofistikoidun prognostiikan kehittämiseksi Värähtelykiihtyvyys [m/s2] 7

8 Servomoottoriselvitys - tiivistelmä kartutettu tietämys Käyttökohteissa, joissa tarvitaan suurta tarkkuutta, voidaan soveltaa takaisinkytkettyjä moottorikäyttöjä. Takaisinkytkettyä ja säädettyä moottoriratkaisuja kutsutaan servomoottoreiksi. Yleisemmin sähkökäyttöiset servomoottorit ovat tyypiltään AC-moottoreita, jotka ovat liitetty osaksi käyttökohteen ohjaus- ja säätöjärjestelmää. Tyypillisesti servomoottorijärjestelmissä käytetään virta- ja/tai nopeustakaisinkytkentöjä ja -säätöjä. AC-servomoottoreita käytetään esimerkiksi teollisuusroboteissa. Kohdetta käyttävänä laitteena servomoottoreiden toimintakunto ja sen havainnointi ovat molemmat kriittistä kohteen luottavan toiminnan kannalta. AC-servomoottorina käytettävä moottori voi olla tavallinen AC-moottori, AC-moottorin ominaisuuksin, jossa huoltokohteena ovat pääasiassa vain moottorin laakerit. Laakereiden toimintakuntoon vaikuttaa erityisesti käytetyn laakerirasvan laatu sekä oikea määrä. Muita vikatyyppejä ovat mm. roottorin ja staattorin väsymisvauriot sekä roottorin hankaus. Hitaasti pyörivissä kohteissa moottorin yhteyteen tarvitaan käyttävä vaihde. Vaihteen tyypistä riippuen vaihteen käytettävyyteen vaikuttavat vaihteen käyttöön ja huoltoon liittyvä normaali problematiikka. Servomoottoreiden ohjauslogiikan ongelmat liittyvät useammin säädön asetusten epäkelpoisuuteen kuin varsinaisen ohjauslogiikan vikaantumiseen. Sähkömoottoreiden moottorivaurioihin liittyviä vikoja voidaan monitoroida sekä sähköisin että värähtelyteknisin mittauksin. Laakerivaurioiden osalta soveliaimpia monitorointimenetelmiä ovat värähtely- ja voitelurasvan öljyanalyysit. 8

9 Planeettavaihdeselvitys - tiivistelmä kartutettu tietämys Planeettavaihteilla on perinteisiin rinnakkaisakselisiin vaihteisiin verrattuna useita edullisia ominaisuuksia. Planeettavaihde voidaan mm. suunnitella pieneksi ja kompaktiksi, ratkaisulla saavutetaan moninkertainen pyörimisnopeuden alennus. Tyypillisiä käyttö- ja sovelluskohteita planeettavaihteille ovat mm. automaattivaihteistot sekä robottien toimilaitteet. Yksinkertaisessa planeettavaihteessa on sekä aurinko- ja rengaspyörä että joukko identtisiä planeettapyöriä, jotka ovat yhtäaikaisesti rynnössä sekä aurinko- että rengaspyörän kanssa. Planeettavaihteiden samanaikaisista hammasrynnöistä syntyvät dynaamiset kuormitukset kulkeutuvat vaihteen kantaviin rakenteisiin, joissa kertyvät kuormitusvaihtelut voivat kohteesta ja konstruktiosta riippuen lyhentää hampaiden ja vaihteen laakereiden kestoikää. Erityisenä haasteena planeettavaihteilla on paikantaa alkava vikaantuminen vaihteen muista herätteistä. Planeettavaihteiden vikojen ja vaurioiden havainnoinnissa tarvitaan yleensä kehittyneempiä menetelmiä kuin perinteisissä hammasvaihteissa, vaikkakin vikamuodot ovat pääsääntöisesti samankaltaisia ja yhtäläisiä. Tyypillisesti planeettavaihteiden luotettava havainnointi edellyttää eri elementeistä ja lähteistä tulevien värähtelyherätekomponenttien erottelua ja luokittelua, mahdollisesti näiden piirteiden mallinnusta ja/tai tarkkaa taajuussuodatusta. Yhteisenä piirteenä erilaisille analysointimenetelmille on se, että vaihteen pyörimisnopeus pysyy vakiona ja/tai analysoitavat mittaukset on näytteytetty hallitulla liipaisuehdolla (esim. määritelty pyörimisnopeus- ja kuormaehto). Tällöin mittaustilanne on yhtäläinen ja järkevä vikatilanneanalysoinnin kannalta. 9

10 Servomoottorin planeettavaihde kartutettu tietämys Kolme vaihdetta VTT:lle: Kuiva, käytössä vaurioitunut & uusi Käytetyn vaihteen purku osiin ja rakenteen selvitys sekä rasva- ja vaurionanalyysit. 10

11 Servomoottorin planeettavaihde Rakenne ja välityssuhteet kartutettu tietämys 11

12 Servomoottorin planeettavaihde Katkennut aurinkopyörän akseli kartutettu tietämys 12

13 Servomoottorin planeettavaihde Rasva-analyysit puhdas rasva & näytteet toisiopuolelta, hammaspyörästä ja pyörien sisäpuolelta Pikarasva-analysaattori rautapitoisuudelle Tulokset laitteen kohinatason alapuolella Ferrografianalyysit Tulokset raporteissa TUO TUO Vähän metallihiukkasia, hiukkaset pääasiassa pölyä Kulumistilanne muuten normaali paitsi toisiopuolen näytteessä, jossa havaittiin eniten metallisia kulumishiukkasia kartutettu tietämys 13

14 Anturit Testirobotin mittaus kiihtyvyys, radiaalisuuntaiset pyörimisherätteet 2 ja 3 akseleiden käytöillä AE kriittisimpään vaihteeseen (2) Ääni kokonaisäänitaso ja -tilanne Virtapihdit moottoreiden M2:n ja M3:n vaiheessa Moottori Uudehko M6-tyypin robotti, normaali työkierto, lyhennetyt tauot Instrumentointi LAN- mittalaite - PC Acc M3 ch0, Acc M2 ch1, AE Rms ch2, Sound ch3, AE filter ch4, Current M2 ch5, Current M3 ch6 kartutettu tietämys 14

15 Testirobotin mittaus Sekvenssiprosessi Värähtelykiihtyvyysmittaus (M3 red, M2 blue) kartutettu tietämys 15

16 Testirobotin mittaus Sekvenssiprosessi kartutettu tietämys Time doman and zoomed time domain 16

17 Tuotantorobotin etämittaus > Anturit kiihtyvyys, radiaalisuuntaiset pyörimisherätteet 2 ja 3 käytöillä AE kriittisimpään vaihteeseen (2) Äänitaso moottorilta 2 ja 3 Robotin moottorit Tuotannossa oleva M6-tyypin robotti, normaali työkierto ja tauot Instrumentointi LAN-mittalaite - PC - Adsl-modem - Diag.keskus Acc M3 ch0, Acc M2 ch1, AE M2 Rms ch2, AE M2 filter ch3, Sound M3 ch4, Sound M2 ch5 ETÄPISTE (FOXCONNILLA) MONITOROINTIPISTE (VTT:LLÄ) kartutettu tietämys Daqbook/2005 LAN ADSL netti Laptop Workstation LAPTOP TOIMISTOSSA: -Dasylab NET RunTime -PC-Anywhere -Ulkoinen nettilityntä (esimadsl) TYÖASEMA VTT:LLÄ: -Dasylab NET -PC-Anywhere 17

18 Prognostiikan menetelmiä A Tavoitteena ennustaa vikaantumisajankohta analyysi -> ennuste Parametri tai parametriyhdistelmä Parametri Historiatieto Ennuste Parametri Lin. sovite 2. ast. sovite 3. ast. sovite PROSEDUURI Kohde - malli Mittaus - piirre Sovite eri skenaarioilla Simulaatio Tulos Jäljellä olevat käyttötunnit Jäljellä olevat kertymät (h*p) Pahimmassa skenaariossa kriittisen rajan ylitys

19 Parametri tai parametriyhdistelmä VTT TUOTTEET JA TUOTANTO Prognostiikan menetelmiä B Tavoitteena ennustaa tila/kunto tiettynä ajanhetkenä Esim. lajinvaihto, huoltoseisokki, pääseisokki Historiatieto Ennuste 8 PROSEDUURI Huoltoseisokki Kohde - malli 6 Mittaus - piirre 4 Sovite eri skenaarioilla 2 Simulaatio 0 Parametri Lin. sovite Tulos 2. ast. sovite -2 Onko kriittinen raja ylitetty 3. ast. sovite -4 ennen seisokkia Parametri analyysi -> ennuste Pahimmassa skenaariossa voidaan ajaa huoltoseisokkiin 19

20 Prognostiikan menetelmiä analyysi -> ennuste C Tavoitteena ennustaa luotettavuus tiettynä ajanhetkenä Parametri tai parametriyhdistelmä Parametri Historiatieto Ennuste Vaurion hajonta Mittaushajonta Parametri Lin. sovite 2. ast. sovite 3. ast. sovite PROSEDUURI Kohde Mittaus - piirre -tilastot Kestävyystilastot Jakaumat Tulos todennäköisyys luotettavuudelle 80 % todennäköisyydellä ei vauriota

21 Jatkotoimenpiteet Soveltuvien kunnonarviointimenetelmien valinta planeettavaihteelle (myös robotin moottoreiden ja jarrujen kunto) Momentti ja pyörimisnopeus ei vakioita Sekvenssituotanto -> sekvenssiluokittelu Parametrien ja piirteiden irroitus datasta - vaihteluvälit eri parametreille Mallit ja luotettavuusvälit normaalille käytölle Havainnointi ja ennustemallit ylityksille - verifiointi voi olla kentällä haasteellista Pulssianturin asemointi osana synkronointijärjestelmää 21