IGM焊接機(jī)器人驅(qū)動(dòng)問題診斷與分析

供稿|湯晨宇，李小建 / TANG Chen-yu, LI Xiao-jian

內(nèi)容導(dǎo)讀

機(jī)器人廣泛應(yīng)用在各行各業(yè)中，但機(jī)器人的技術(shù)含量高，一旦發(fā)生故障，一般情況下操作人員或設(shè)備維修員不易排查出問題，只能依靠專業(yè)的人員發(fā)現(xiàn)并排除故障，給后續(xù)的應(yīng)用和維護(hù)帶來了困難。本文介紹了一種U肋焊接機(jī)器人，描述了IGM機(jī)器人代碼為385，詳情為“無法打開驅(qū)動(dòng)，因?yàn)椴僮髂Ｊ讲皇亲詣?dòng)！請(qǐng)按下允許開關(guān)”的故障，并對(duì)該故障進(jìn)行深入的挖掘，查找出深層次的問題和根本問題。對(duì)根本問題進(jìn)行研究，分析可能產(chǎn)生該問題的原因并逐一進(jìn)行排查，找出其根本原因并給出相應(yīng)的解決方案。

當(dāng)前機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，機(jī)器人的應(yīng)用不僅能夠降低相關(guān)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和工作量，而且其在連續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)、工作精度和工作效率等方面都遠(yuǎn)優(yōu)于人工作業(yè)[1]，在工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用中，焊接機(jī)器人的數(shù)量所占比重達(dá)50%以上[2]。但由于機(jī)器人的技術(shù)含量高，一旦發(fā)生故障，一般情況下機(jī)器人操作人員或設(shè)備維修員不易排查出問題，只有專業(yè)的人員才能發(fā)現(xiàn)并排除故障，給后續(xù)的應(yīng)用和維護(hù)帶來了困難。本文就IGM機(jī)器人的一種驅(qū)動(dòng)問題進(jìn)行了診斷和分析。

設(shè)備介紹

該設(shè)備名稱為U肋焊接機(jī)器人，設(shè)備上采用了兩組IGM機(jī)器人系統(tǒng)，每組IGM機(jī)器人系統(tǒng)包含兩臺(tái)IGM的機(jī)械手。

U肋焊接機(jī)器人設(shè)備概要

U肋焊接機(jī)器人主要滿足橋梁U肋板單元構(gòu)件的焊接，同時(shí)也能夠滿足橋梁隔板單元、鋼桁梁箱式桿件和工型桿件焊接。設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)由機(jī)器人本體及控制系統(tǒng)、機(jī)器人外部軸行走機(jī)構(gòu)、反變形翻轉(zhuǎn)胎架及夾具、焊接電源、其他輔助裝置等組成。行走機(jī)構(gòu)采用懸臂行走機(jī)構(gòu)，縱向行走時(shí)兩臺(tái)懸臂行走機(jī)構(gòu)能獨(dú)立控制，互不干擾。每臺(tái)機(jī)構(gòu)上設(shè)置兩個(gè)焊接機(jī)器人，焊接機(jī)器人之間具有通信功能，可以相互協(xié)調(diào)與修正。為提高焊接效率，反變形翻轉(zhuǎn)胎架采用雙工位布置。焊接系統(tǒng)具有焊絲接觸傳感和電弧跟蹤能力，焊縫質(zhì)量穩(wěn)定。

U肋焊接機(jī)器人可焊接最大工件規(guī)格為：長(zhǎng)度16 m；寬度4.5 m；高度0.33 m；質(zhì)量：30000 kg。

IGM機(jī)器人介紹

U肋焊接機(jī)器人的機(jī)器人本體采用IGM公司的RTE 486S-6軸焊接機(jī)器人。該系列機(jī)器人采用K6編程示教器和離線教學(xué)系統(tǒng)的出色編程技術(shù)[3]；由于采用了最佳的軸向幾何形狀和焊槍在腕軸上的固定，實(shí)現(xiàn)了空心軸，因此工作區(qū)域大，焊縫位置焊接優(yōu)秀，所有電纜均使用空心軸位于機(jī)器人手臂內(nèi)；高動(dòng)態(tài)，免維護(hù)的交流伺服電機(jī)和剛性鑄鋁聯(lián)合結(jié)構(gòu)的突出特點(diǎn)保證了所有軸的高轉(zhuǎn)速和快速加速，驅(qū)動(dòng)力通過免維護(hù)的Cyclo變速箱傳遞；電機(jī)配備抱閘，關(guān)閉機(jī)器人后無需校準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)。

RTE 486S機(jī)器人采用的是RCE控制系統(tǒng)，是一種全數(shù)字控制系統(tǒng)，整個(gè)控制系統(tǒng)只涉及數(shù)字信號(hào)處理器，沒有任何模擬電子元件，控制系統(tǒng)所有的部件均由數(shù)字總線系統(tǒng)連接。全數(shù)字機(jī)器人控制系統(tǒng)使得機(jī)器人受環(huán)境影響的概率降到最低，機(jī)器人響應(yīng)速度得到高，響應(yīng)時(shí)間大大縮短。

IGM機(jī)器人驅(qū)動(dòng)問題的闡述、挖掘與分析

IGM機(jī)器人驅(qū)動(dòng)問題的闡述與挖掘

在U肋焊接機(jī)器人的某次正常開機(jī)過程中，設(shè)備上的其中一組IGM機(jī)器人控制系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，示教器顯示報(bào)警代碼“385”，內(nèi)容為“無法打開驅(qū)動(dòng)，因?yàn)椴僮髂Ｊ讲皇亲詣?dòng)！請(qǐng)按下允許開關(guān)”的報(bào)警，如圖1所示。

圖1 代碼為“385”的報(bào)警

嘗試通過各種方式打開驅(qū)動(dòng)，但均以失敗告終。對(duì)機(jī)器人控制柜進(jìn)行檢查，但未發(fā)現(xiàn)任何電氣元件有明顯的故障或報(bào)警顯示。

之后對(duì)U肋焊接機(jī)器人進(jìn)行重啟操作，發(fā)現(xiàn)故障的機(jī)器人開機(jī)后最先出現(xiàn)報(bào)警代碼為“210”，內(nèi)容為“外部停止激活！”的報(bào)警，如圖2所示。

圖2 代碼為“210”的報(bào)警

對(duì)機(jī)器人外部的各急停按鈕等相關(guān)信號(hào)源進(jìn)行檢查，各信號(hào)源處于正常工作狀態(tài)，且均未激活外部停止信號(hào)。

經(jīng)過對(duì)上述兩個(gè)問題的分析，得出了兩個(gè)問題的關(guān)聯(lián)：“外部停止激活”導(dǎo)致了機(jī)器人“無法打開驅(qū)動(dòng)”，因此決定首先解決“外部停止激活！”這一問題。

相關(guān)問題和現(xiàn)象的分析、處理及挖掘

在確定了初步方向后，決定再次對(duì)設(shè)備的各急停按鈕、聯(lián)動(dòng)開關(guān)、限位開關(guān)等相關(guān)信號(hào)源逐一進(jìn)行排查，排除了外部相關(guān)信號(hào)源故障的可能性。

之后，通過查閱IGM相關(guān)技術(shù)資料以及咨詢IGM工程師后得知出現(xiàn)“外部停止激活！”報(bào)警的原因眾多，并不一定由外部產(chǎn)生，也有可能是機(jī)器人控制柜內(nèi)的某一控制元件故障。因此，將故障點(diǎn)鎖定在了機(jī)器人的電氣控制柜內(nèi)部。

由于報(bào)警是“外部停止激活！”，因此首先將排查重點(diǎn)放在了機(jī)器人控制柜內(nèi)的各類數(shù)字量模塊、繼電器模塊等電氣元件。通過翻閱機(jī)器人控制柜的電氣原理圖，以及查閱相關(guān)的技術(shù)資料，最終將范圍縮小為PilzPNOZ安全繼電器及BECKHOFF I/O模塊等相關(guān)模塊。

雖然之前對(duì)控制柜內(nèi)各電氣元件經(jīng)過了簡(jiǎn)單的檢查，未發(fā)現(xiàn)有明顯的故障或報(bào)警，但在縮小范圍后經(jīng)過細(xì)致的檢查，發(fā)現(xiàn)PilzPNOZ安全繼電器上的PilzPNOZ mc21p模塊的RUN燈未亮，PilzPNOZ安全繼電器實(shí)物如圖3所示。

圖3 PilzPNOZ安全繼電器

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來說這明顯是不正常的，經(jīng)過與另一臺(tái)一模一樣的設(shè)備在同等狀態(tài)下對(duì)比，確定了這一不正常項(xiàng)。起初認(rèn)為是Pilz模塊故障或損壞，但通過與另一臺(tái)設(shè)備置換Pilz模塊后發(fā)現(xiàn)并非是該模塊的問題(經(jīng)過相關(guān)技術(shù)方面的確認(rèn)，現(xiàn)場(chǎng)使用的兩組IGM機(jī)器人系統(tǒng)除個(gè)別具有程序的控制器外，其余電氣元件可進(jìn)行調(diào)換)。在對(duì)Pilz深入了解后發(fā)現(xiàn)PilzPNOZ mc21p屬于通信模塊，且其LINK ACT1和LINK ACT2狀態(tài)燈也屬于熄滅狀態(tài)，再結(jié)合以往的故障排查經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮是PilzPNOZ mc21p模塊所在的通訊線路中的前端的元件存在問題。在查看控制柜的電氣原理圖后，經(jīng)過初步的分析和篩選，最終初步確定了疑似的故障線路，其示意圖如圖4所示。

圖4 疑似故障的線路示意圖

在按照電氣原理圖進(jìn)行檢查后發(fā)現(xiàn)Pilz模塊前端的一個(gè)BECKHOFF BK1120模塊中的RUN燈、I/O RUN燈均為熄滅狀態(tài)，其狀態(tài)如圖5所示。

圖5 BECKHOFF BK1120模塊狀態(tài)

因此考慮可能是該模塊損壞或通訊以太網(wǎng)線斷開。先通過更換以太網(wǎng)線，排除了通訊線路斷開的可能，之后通過調(diào)換BECKHOFF BK1120模塊后也排除了其損壞的可能。

深層次問題和現(xiàn)象的分析、處理及挖掘

之后的故障排查一方面可能是BECKHOFF BK1120模組的連接元件出現(xiàn)問題，經(jīng)過相關(guān)的技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)其模組中的KL6021模塊負(fù)責(zé)與焊機(jī)的通訊交互；另一方面故障發(fā)生點(diǎn)可能還在BECKHOFF BK1120模組的前端。

在與IGM的資深工程師的交流后，決定將BECKHOFF BK1120模組跳過，直接將其通訊的前端元件與后端元件進(jìn)行對(duì)接測(cè)試該模組及其關(guān)聯(lián)設(shè)備元件是否正常。同時(shí)，在機(jī)器人示教器端查看設(shè)備內(nèi)各路通訊的狀況。

通過跳接測(cè)試及查看設(shè)備各路通訊狀態(tài)后確定了問題點(diǎn)發(fā)生在正在排查的這條通訊線路上，并且確定了問題并非發(fā)生在BECKHOFF BK1120模組及其關(guān)聯(lián)設(shè)備元件上，因?yàn)榻?jīng)過測(cè)試后故障仍然存在，由此能夠肯定的是問題點(diǎn)還在BECKHOFF BK1120模組的前端。

最終問題和現(xiàn)象的分析、處理

在沿著BECKHOFF BK1120模組的前端線路仔細(xì)的排查后發(fā)現(xiàn)該條通訊線路最前端的一條支線存在異常，即一臺(tái)KEBA控制器與BECKHOFF BK1110模塊的通訊存在問題，其現(xiàn)象為EtherCAT通訊口指示燈綠燈常亮，在正常的通訊狀態(tài)下，其指示燈應(yīng)為綠燈閃爍，這種現(xiàn)象并不常見，因此在故障排查的時(shí)候很容易被忽視掉。

通常來說出現(xiàn)通訊問題一般是由以下幾點(diǎn)導(dǎo)致的：

(1)通訊線路斷開：通訊線路的排查，即更換以太網(wǎng)線路，從而排除了通訊線路的問題。

(2)通訊線路前后端硬件故障：在硬件排查的一開始，將目標(biāo)放在了前端的KEBA控制器上，經(jīng)過了解，確認(rèn)了調(diào)換KEBA控制器的可行性，但前提是要取出程序卡后再進(jìn)行更換。在調(diào)換KEBA控制器后排除了KEBA控制器損壞的可能性。接著將目光轉(zhuǎn)移到了后端的BECKHOFF BK1110模組上，按照常規(guī)思路對(duì)BECKHOFF BK1110模塊進(jìn)行了調(diào)換，但發(fā)現(xiàn)依然不是BECKHOFF BK1110模塊的問題。

(3)軟件問題：由于現(xiàn)場(chǎng)條件有限，而且相關(guān)程序具有一定的保密性，因此無法對(duì)程序進(jìn)行檢查，相關(guān)故障的排查陷入了死胡同。

但憑借著相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，考慮軟件出現(xiàn)問題的概率是極低的，于是與IGM資深工程師進(jìn)行了深入的咨詢和了解，得知通訊后端BECKHOFF BK1110模組中的任意一個(gè)模塊故障均會(huì)導(dǎo)致該通訊線路異常。

考慮到BECKHOFF BK1110模組上線路較多，直接調(diào)換的話工作量較多，于是將該模組的工作狀態(tài)(狀態(tài)指示燈)與另一臺(tái)正常設(shè)備進(jìn)行比較，最終排查出BECKHOFF BK1110模組中的一個(gè)BECKHOFF EL6021模塊存在異常。BECKHOFF BK1110模組如圖6所示。

圖6 BECKHOFF BK1110模組

在將該模塊進(jìn)行調(diào)換后，設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，最終確定了設(shè)備故障的最終原因是BECKHOFF BK1110模組中的一個(gè)BECKHOFF EL6021模塊故障。

解決方案及延展

在確定故障點(diǎn)后，聯(lián)系設(shè)備廠家購買BECKHOFF EL6021模塊并進(jìn)行更換。但正常情況下的模塊是不會(huì)無緣無故損壞的，除非該模塊質(zhì)量不合格。于是對(duì)原BECKHOFF EL6021模塊進(jìn)行拆卸，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部存在短路現(xiàn)象。分析短路原因可能是由于現(xiàn)場(chǎng)電氣控制柜密封不嚴(yán)導(dǎo)致焊接金屬煙塵進(jìn)入控制柜，再加上控制柜內(nèi)清掃不及時(shí)，使得細(xì)小的金屬粉塵進(jìn)入模塊內(nèi)部，最終導(dǎo)致模塊內(nèi)部電氣元件短路損壞。

為了降低類似情況的發(fā)生，立即對(duì)設(shè)備的電氣控制柜進(jìn)行了整改，并定期進(jìn)行清掃。

結(jié)束語

外部安全裝置、急停按鈕的觸發(fā)到控制柜內(nèi)部電氣元件甚至是軟件程序有可能會(huì)引起外部停止信號(hào)被激活，從而導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)無法打開，一般情況下成熟設(shè)備的軟件程序出現(xiàn)問題的概率極低，絕大多數(shù)情況都是硬件的問題。在排查故障的過程中雖然耗費(fèi)了大量的時(shí)間，但是使相關(guān)的技術(shù)人員對(duì)設(shè)備的了解更上一層樓，以后遇到類似的問題也會(huì)更加得心應(yīng)手加以解決。