發(fā)動機(jī)缸蓋清洗機(jī)KUKA機(jī)器人故障分析與處理

王宗穩(wěn)

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

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發(fā)動機(jī)缸蓋清洗機(jī)KUKA機(jī)器人故障分析與處理

王宗穩(wěn)

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

摘 要：隨著工業(yè)機(jī)器人在先進(jìn)制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人在汽車發(fā)動機(jī)缸蓋清洗機(jī)中的應(yīng)用也越來越普遍。清洗機(jī)工作空間狹小、環(huán)境惡劣，機(jī)器人工作程序復(fù)雜，機(jī)器人碰撞等故障時(shí)有發(fā)生，對維護(hù)人員分析解決故障和維修技能提出了更高的要求。

關(guān)鍵詞：KUKA機(jī)器人；缸蓋清洗機(jī)；機(jī)器人碰撞；故障處理

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.054

CLC NO.: U464.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-168-04

引言

近年來，汽車發(fā)動機(jī)清洗機(jī)正朝著柔性化、高速化的方向發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人清洗機(jī)引領(lǐng)著汽車發(fā)動機(jī)清洗行業(yè)的發(fā)展方向[1]。發(fā)動機(jī)清洗機(jī)內(nèi)工作環(huán)境比較惡劣，高溫高濕以及四處飛濺的清洗液對設(shè)備提出了嚴(yán)苛的要求。工業(yè)機(jī)器人清洗機(jī)通過安裝1臺或多臺6軸工業(yè)機(jī)器人對機(jī)械加工過程中或者完成后的工件孔及整體進(jìn)行清洗、空氣吹干，實(shí)現(xiàn)柔性化、兼容多樣化，可以方便的應(yīng)對產(chǎn)品換型、降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率。

公司發(fā)動機(jī)缸蓋加工生產(chǎn)線有八臺清洗機(jī)，均采用KUKA 6軸機(jī)器人。本文主要探討OP230缸蓋清洗機(jī)機(jī)器人故障分析與處理[2]，如圖1，兩臺機(jī)器人分別安裝于封閉的清洗空間中，通過交付門的升降，實(shí)現(xiàn)缸蓋的傳遞。

1、缸蓋清洗機(jī)KUKA機(jī)器人的工作流程

如圖1，清洗機(jī)自動運(yùn)行時(shí)，A門升起打開，1號機(jī)器人在上料位抓取缸蓋運(yùn)送到高壓清洗機(jī)內(nèi)，A門下降關(guān)閉，1號機(jī)器人夾住缸蓋在清洗機(jī)內(nèi)完成相關(guān)清洗項(xiàng)目。B門升起打開，1號機(jī)器人將缸蓋放置在中間交付位，1號機(jī)器人返回home，B門下降關(guān)閉。2號機(jī)器人抓取缸蓋在最終清洗機(jī)內(nèi)完成相關(guān)清洗項(xiàng)目并吹干。C門升起打開，將缸蓋放置在下料位，2號機(jī)器人返回home，C門下降關(guān)閉，至此完成一個(gè)缸蓋的全部清洗內(nèi)容[3]。

實(shí)際工作中為了避免兩個(gè)機(jī)器人相互等待浪費(fèi)時(shí)間，優(yōu)化工作節(jié)拍，提高效率，兩個(gè)機(jī)器人的工作是相互獨(dú)立的，有各自的工作循環(huán)。即1號機(jī)器人交付完成后，去取下一個(gè)缸蓋，一直循環(huán)工作。2號機(jī)器人將缸蓋放到下料位后，去取下一個(gè)缸蓋，一直循環(huán)工作。

1號機(jī)器人的交付位與2號機(jī)器人的取件上料位是同一位置，故下文統(tǒng)一稱此位置為中間交付位，下面要探討的兩個(gè)故障均發(fā)生在中間交付位。

圖1　發(fā)動機(jī)缸蓋OP230清洗機(jī)示意圖

2、KUKA機(jī)器人關(guān)鍵程序與邏輯信號

2.1 1號機(jī)器人相關(guān)信號與程序

SIGNAL do_186_Place_Release $OUT[186]; Place release

將186號輸出信號定義為do_186_Place_Release，do_186_Place_Release為TRUE意思是已經(jīng)將缸蓋放置在中間交付位。

user_cell.src 為1號機(jī)器人自動運(yùn)行主程序[4]。

Job01.src 為1號機(jī)器人工作M270缸蓋例行程序。

Place_J01.src 為1號機(jī)器人交付M270缸蓋的子程序。

mv75_J01_Flush_E_Place.src 為1號機(jī)器人將M270缸蓋從清洗位送至中間交付位程序。

MoveHomeAuto.src 為從當(dāng)前位置自動運(yùn)行至home位程序。

mv75_J01_Home_Place.src為1號機(jī)器人將M270缸蓋從home送至中間交付位程序。

mv75_J01_place_PickUp.src為1號機(jī)器人從中間交付位到上料位抓取M270缸蓋程序。

2.2 2號機(jī)器人相關(guān)信號與程序

SIGNAL di_177_GrOpenOK $IN[177] ; Gripper opened

將177號夾爪打開輸入信號命名為di_177_GrOpenOK，di_177_GrOpenOK為TRUE意思是夾爪是打開狀態(tài)。

SIGNAL di_178_GrCloseOK $IN[178] ; Gripper closed

將178號夾爪關(guān)閉輸入信號命名為di_178_GrCloseOK, di_178_GrCloseOK為TRUE意思是夾爪是關(guān)閉狀態(tài)。

SIGNAL di_185_PickUp_Enable $IN[185] ; Convoyer Pickup release

將185號輸入信號定義為di_185_PickUp_Enable，di_185_PickUp_Enable為TRUE意思是2號機(jī)器人可以去中間交付位抓取缸蓋。

SIGNAL do_178_GrClose $OUT[178] ; Gripper close

將178號夾爪關(guān)閉輸出信號命名為do_178_GrClose，do_178_GrClose為TRUE意思是夾爪是關(guān)閉狀態(tài)。

user_cell.src為2號機(jī)器人自動運(yùn)行主程序。

Job01.src 為2號機(jī)器人工作M270缸蓋例行程序。

Job03.src為2號機(jī)器人工作M274缸蓋例行程序。

PickUp_J01.src為2號機(jī)器人抓取M270缸蓋的子程序。

PickUp_J03.src為2號機(jī)器人抓取M274缸蓋的子程序。

mv05_J03_Home_Pickup.src為2號機(jī)器人從home去抓取M274缸蓋程序。

fault_m(nENRes17,#QUIT) 機(jī)器人程序停止并報(bào)警程序。

nStatus是工作標(biāo)志位，是Job01.src和Job03.src程序中的分支選擇條件，機(jī)器人執(zhí)行case 5之后會將nStatus賦值為17。機(jī)器人順序執(zhí)行case 17、18、70和75。執(zhí)行完case 75 將nStatus再次賦值為5。

3、兩臺機(jī)器人相撞故障

3.1 故障現(xiàn)場

由于工作需要，操作員重新示教1號機(jī)器人交付位置點(diǎn)pJ01_Place。示教完成之后，且運(yùn)行程序驗(yàn)證軌跡無誤后，將清洗機(jī)啟動為自動運(yùn)行模式，1號機(jī)器人的運(yùn)行速率調(diào)整為10%。1號機(jī)器人交付缸蓋，打開夾爪放下缸蓋，往回運(yùn)動時(shí)，2號機(jī)器人啟動抓取缸蓋的程序，以100%的運(yùn)行速度從home出發(fā)，在中間交付位，兩臺機(jī)器人相撞。相撞時(shí)1號機(jī)器人運(yùn)行交付缸蓋的程序Place_J01.src，2號機(jī)器人運(yùn)行抓取缸蓋程序PickUp_J01.src。

3.2 故障分析

再次檢查確認(rèn)1號機(jī)器人交付位置點(diǎn)示教無誤，程序軌跡及邏輯無誤。根據(jù)工作流程看，1號機(jī)器人尚未完成交付缸蓋，2號機(jī)器人不應(yīng)該啟動抓取缸蓋的程序，更不應(yīng)該到達(dá)中間交付位。根據(jù)PLC與機(jī)器人程序分析，2號機(jī)器人啟動抓取缸蓋程序PickUp_J01.src的前提條件為，2號機(jī)器人的di_185_PickUp_Enable為TRUE即$IN[185]==1，即下面兩個(gè)條件滿足其一即可：

（1）1號機(jī)器人完成交付缸蓋回到home，并且B門關(guān)閉；

（2）1號機(jī)器人輸出信號do_186_Place_Release為TRUE，即$OUT[186]==1。

根據(jù)故障現(xiàn)場現(xiàn)象看，由于滿足條件（2）后，兩臺機(jī)器人相撞。

1號機(jī)器人何時(shí)輸出信號do_186_Place_Release為TRUE ？檢查1號機(jī)器人程序發(fā)現(xiàn)，執(zhí)行交付缸蓋程序Place_J01.src，缸蓋放到位，夾爪打開之后立刻輸出信號do_186_Place_Release為TRUE。此時(shí)1號機(jī)器人未離開中間交付位，B門未下降關(guān)閉。由此可見，此處輸出信號do_186_Place_Release為TRUE不合適，機(jī)器人相撞的風(fēng)險(xiǎn)很大。

下面要分析條件（2）存在的原因及必要性：設(shè)備連續(xù)運(yùn)行時(shí)，為了優(yōu)化1號機(jī)器人運(yùn)動軌跡，提高設(shè)備效率，1號機(jī)器人并沒有回到home，而是從交付位直接去上料位抓取缸蓋。只要1號機(jī)器人離開交付區(qū)，無論B門是否關(guān)閉，2號機(jī)器人運(yùn)動都是安全的，不會發(fā)生機(jī)器人相撞。但是前提條件一定是1號機(jī)器人離開中間交付區(qū)后，才能輸出條件（2）。所以條件（2）存在的主要目的是提高機(jī)器人的效率，減少工時(shí)，優(yōu)化節(jié)拍，提高效益。

3.3 試驗(yàn)分析

控制兩臺機(jī)器人的自動運(yùn)行速率，調(diào)整為1%，監(jiān)控兩個(gè)機(jī)器人運(yùn)行的軌跡與信號狀態(tài)。1號機(jī)器人運(yùn)行程序Place_J01.src，交付缸蓋，缸蓋到位后，輸出信號do_186_ Place_Release由FALSE變?yōu)門RUE。同時(shí)2號機(jī)器人di_185_PickUp_Enable由FALSE變?yōu)門RUE，2號機(jī)器人執(zhí)行程序PickUp_J01.src，去抓取缸蓋。兩個(gè)機(jī)器人在交付區(qū)會發(fā)生碰撞。由于機(jī)器人運(yùn)行速度極低，在兩者相撞前結(jié)束試驗(yàn)，避免機(jī)器人真的發(fā)生碰撞，此時(shí)將兩臺機(jī)器人同時(shí)停止動作，手動將機(jī)器人分別運(yùn)行回到home。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了上面的分析過程。

3.4 解決措施

修改1號機(jī)器人程序，在Place_J01.src中修改語句“do_186_Place_Release=TRUE”為“do_186_Place_Release= FALSE”。在mv75_J01_place_PickUp.src中，機(jī)器人離開交付區(qū)到達(dá)上料位之前，添加語句“do_186_Place_Release= TRUE”。從而實(shí)現(xiàn)1號機(jī)器人離開中間交付區(qū)后，2號機(jī)器人方可啟動抓取缸蓋程序。

修改之后試驗(yàn)觀察，控制兩臺機(jī)器人的自動運(yùn)行速率，調(diào)整為1%，監(jiān)控兩個(gè)機(jī)器人運(yùn)行的軌跡與信號狀態(tài)。1號機(jī)器人運(yùn)行程序Place_J01.src，交付缸蓋，缸蓋到位后，輸出信號do_186_Place_Release仍然為FALSE，直至1號機(jī)器人到達(dá)pJ01_Home_Pick_20位置（此位置在home附近）后，輸出信號do_186_Place_Release為TRUE。此時(shí)2號機(jī)器人執(zhí)行程序PickUp_J01.src，去抓取缸蓋。兩個(gè)機(jī)器人不會同時(shí)出現(xiàn)在中間交付區(qū)，所以不會發(fā)生碰撞。驗(yàn)證上述修改方案是成功的。

3.5 進(jìn)一步分析

這臺清洗機(jī)已經(jīng)正常運(yùn)行兩年，機(jī)器人程序沒有發(fā)生過更改，在這期間沒有發(fā)生過兩臺機(jī)器人相撞，的確匪夷所思。

事實(shí)上，清洗機(jī)自動運(yùn)行正常節(jié)拍下，兩個(gè)機(jī)器人都是100%速率運(yùn)行時(shí)：

（1）初次運(yùn)行清洗機(jī)時(shí)，1號和2號機(jī)器人都在home位，啟動設(shè)備。由于2號機(jī)器人距離中間交付位較遠(yuǎn)，1號機(jī)器人離開中間交付區(qū)時(shí)，2號機(jī)器人往交付區(qū)運(yùn)動但是還未到達(dá)，兩者并未發(fā)生接觸。但是相撞的風(fēng)險(xiǎn)很高。

（2）連續(xù)工作循環(huán)時(shí)，1號機(jī)器人交付缸蓋時(shí)，2號機(jī)器人在清洗、吹干位置或者在對外交付缸蓋，兩者相距更遠(yuǎn)，機(jī)器人相撞的風(fēng)險(xiǎn)較小。

再回到故障現(xiàn)場，由于1號機(jī)器人的運(yùn)行速率調(diào)整為10%，打破了兩者的平衡。當(dāng)1號機(jī)器人交付缸蓋，往回運(yùn)動時(shí)，2號機(jī)器人以100%速率從home出發(fā)，準(zhǔn)備抓取缸蓋，1號機(jī)器人還未離開，2號機(jī)器人已經(jīng)到達(dá)，進(jìn)而發(fā)生相撞。

4、2號機(jī)器人與缸蓋碰撞故障

4.1 故障現(xiàn)場

2號機(jī)器人夾爪內(nèi)帶著缸蓋，與中間交付位的缸蓋發(fā)生碰撞。2號機(jī)器人當(dāng)前運(yùn)行程序?yàn)閙v05_J03_Home_ Pickup.src（從home運(yùn)行至中間交付位抓取缸蓋程序）。

4.2 故障分析

2號機(jī)器人抓取缸蓋到達(dá)第一個(gè)高壓清洗噴嘴處完成相關(guān)清洗，沒有按照正常工作流程繼續(xù)執(zhí)行，沒有去往下一個(gè)噴嘴清洗點(diǎn)，而是去抓取另一缸蓋，兩個(gè)缸蓋發(fā)生碰撞。

正常工作流程情況下，2號機(jī)器人執(zhí)行程序Job03.src時(shí)，首先執(zhí)行case5，進(jìn)行第一個(gè)噴嘴高壓清洗，接著執(zhí)行case17，進(jìn)行第二個(gè)噴嘴高壓清洗，然后執(zhí)行case18，進(jìn)行第三個(gè)噴嘴高壓清洗，接著執(zhí)行case70，進(jìn)行空氣吹干，最后執(zhí)行case75，交付缸蓋至下料位，完成工作。

分析機(jī)器人程序得知，僅當(dāng)2號機(jī)器人在程序Job03.src執(zhí)行完case5 之后再次重復(fù)執(zhí)行case5 才會發(fā)生上述碰撞。2號機(jī)器人抓取缸蓋后，即程序Job03.src的case5 中執(zhí)行完成PickUp_J03.src，由于夾爪關(guān)閉信號do_178_GrClose為FALSE，即$OUT[178]==0，nStatus還將保持為5，機(jī)器人不會去執(zhí)行case 17而是繼續(xù)執(zhí)行case 5。

當(dāng)2號機(jī)器人再次執(zhí)行 Case 5時(shí)，只有滿足夾爪打開條件，才會執(zhí)行程序movehomeauto.src回到home，然后執(zhí)行程序mv05_J03_Home_PickUP.src，從home運(yùn)行至PickUP位，即中間交付位。2號機(jī)器人夾爪打開的條件為di_177_GrOpenOK為TRUE并且di_178_GrCloseOK為FALSE，亦即$IN[177]==1 and $IN[178]==0。

上面的分析可以看出，2號機(jī)器人夾爪的兩個(gè)傳感器狀態(tài)有異常，需要檢查。拆開機(jī)器人夾爪的防護(hù)罩后發(fā)現(xiàn)，夾爪打開到位傳感器和夾爪關(guān)閉到位傳感器線均已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重銹蝕，進(jìn)而導(dǎo)致傳感器信號不穩(wěn)與閃斷。所以機(jī)器人執(zhí)行完case5后，夾爪仍處于關(guān)閉狀態(tài)，但夾爪關(guān)閉完成的傳感器信號丟失，do_178_GrClose為FALSE，機(jī)器人將繼續(xù)執(zhí)行case5.。再次執(zhí)行時(shí)，傳感器狀態(tài)異常，機(jī)器人夾爪打開條件滿足，即di_177_GrOpenOK為TRUE并且di_178_GrCloseOK 為FALSE，此時(shí)機(jī)器人將運(yùn)行至home然后運(yùn)行至中間交付位，導(dǎo)致兩個(gè)缸蓋發(fā)生相撞的現(xiàn)象。

4.3 解決措施

（1）將夾爪打開到位傳感器和夾爪關(guān)閉到位傳感器更換為新傳感器，并做好相應(yīng)的防水保護(hù)。

（2）修改程序，添加報(bào)警。在Job03.src程序的case 5中將“IF (do_178_GrClose) THEN nStatus=15 ENDIF”修改為“IF (do_178_GrClose) THEN nStatus=15 ELSE fault_m (nENRes17,#QUIT) ENDIF”。當(dāng)夾爪關(guān)閉信號do_178_GrClose異常時(shí)，機(jī)器人停止，并作出報(bào)警，提醒用戶檢查夾爪傳感器狀態(tài)。

修改完成之后，控制2號機(jī)器人的自動運(yùn)行速率，調(diào)整為10%，2號機(jī)器人運(yùn)行Job03.src程序，執(zhí)行case 5運(yùn)行PickUp_J03.src程序，2號機(jī)器人夾爪關(guān)閉條件一直滿足，即di_177_GrOpenOK為FALSE并且di_178_GrCloseOK為TRUE，do_178_GrClose為TRUE。當(dāng)1號機(jī)器人將另一缸蓋送至中間交付區(qū)，2號機(jī)器人執(zhí)行完case5 之后nStatus被賦值為17，2號機(jī)器人不再重復(fù)執(zhí)行case5 而是執(zhí)行case17。2號機(jī)器人缸蓋不會與新缸蓋發(fā)生碰撞。驗(yàn)證上面的解決方案是成功的。

5、總結(jié)

本文探討了發(fā)動機(jī)缸蓋清洗機(jī)中KUKA機(jī)器人的兩種不同的碰撞故障，確定了故障原因，提出了解決措施并進(jìn)行了驗(yàn)證，最終解決故障。通過這些故障分析與處理，充分認(rèn)識到機(jī)器人維護(hù)人員，需要熟悉設(shè)備的工藝流程，熟練掌握PLC與機(jī)器人編程，從而可以快速確定故障原因并解決故障，能夠更好的保障設(shè)備運(yùn)行與生產(chǎn)任務(wù)的完成。

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使用維修

KUKA Robot Troubleshooting In Engine Cylinder Head Washing Machine

Wang Zongwen
（Beijing Benz Automotive Co., Ltd., Beijing 100176）

Abstract:As the industrial robot most broadly available in advanced manufacturing industry , the robot is widely used in vehicle engine cylinder head washing machine.Since the workspace is quite narrow and the robot program iscomplicate, the robot crash malfunction occur time by time.It is highly requiredmalfunction analysis skill and troubleshooting skill for robot maintenance stuff.

Keywords:KUKA robot; Cylinder head washing machine; Robot crash; Troubleshooting

作者簡介：王宗穩(wěn)，就職于北京奔馳汽車有限公司。

中圖分類號：U464.9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)03-168-04