IGM焊接機器人驅動問題診斷與分析

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

內容導讀

機器人廣泛應用在各行各業中，但機器人的技術含量高，一旦發生故障，一般情況下操作人員或設備維修員不易排查出問題，只能依靠專業的人員發現并排除故障，給后續的應用和維護帶來了困難。本文介紹了一種U肋焊接機器人，描述了IGM機器人代碼為385，詳情為“無法打開驅動，因為操作模式不是自動！請按下允許開關”的故障，并對該故障進行深入的挖掘，查找出深層次的問題和根本問題。對根本問題進行研究，分析可能產生該問題的原因并逐一進行排查，找出其根本原因并給出相應的解決方案。

當前機器人已廣泛應用于各行各業，機器人的應用不僅能夠降低相關人員的勞動強度和工作量，而且其在連續工作時長、工作精度和工作效率等方面都遠優于人工作業[1]，在工業機器人的應用中，焊接機器人的數量所占比重達50%以上[2]。但由于機器人的技術含量高，一旦發生故障，一般情況下機器人操作人員或設備維修員不易排查出問題，只有專業的人員才能發現并排除故障，給后續的應用和維護帶來了困難。本文就IGM機器人的一種驅動問題進行了診斷和分析。

設備介紹

該設備名稱為U肋焊接機器人，設備上采用了兩組IGM機器人系統，每組IGM機器人系統包含兩臺IGM的機械手。

U肋焊接機器人設備概要

U肋焊接機器人主要滿足橋梁U肋板單元構件的焊接，同時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。設備的主要結構由機器人本體及控制系統、機器人外部軸行走機構、反變形翻轉胎架及夾具、焊接電源、其他輔助裝置等組成。行走機構采用懸臂行走機構，縱向行走時兩臺懸臂行走機構能獨立控制，互不干擾。每臺機構上設置兩個焊接機器人，焊接機器人之間具有通信功能，可以相互協調與修正。為提高焊接效率，反變形翻轉胎架采用雙工位布置。焊接系統具有焊絲接觸傳感和電弧跟蹤能力，焊縫質量穩定。

U肋焊接機器人可焊接最大工件規格為：長度16 m；寬度4.5 m；高度0.33 m；質量：30000 kg。

IGM機器人介紹

U肋焊接機器人的機器人本體采用IGM公司的RTE 486S-6軸焊接機器人。該系列機器人采用K6編程示教器和離線教學系統的出色編程技術[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，實現了空心軸，因此工作區域大，焊縫位置焊接優秀，所有電纜均使用空心軸位于機器人手臂內；高動態，免維護的交流伺服電機和剛性鑄鋁聯合結構的突出特點保證了所有軸的高轉速和快速加速，驅動力通過免維護的Cyclo變速箱傳遞；電機配備抱閘，關閉機器人后無需校準等優點。

RTE 486S機器人采用的是RCE控制系統，是一種全數字控制系統，整個控制系統只涉及數字信號處理器，沒有任何模擬電子元件，控制系統所有的部件均由數字總線系統連接。全數字機器人控制系統使得機器人受環境影響的概率降到最低，機器人響應速度得到高，響應時間大大縮短。

IGM機器人驅動問題的闡述、挖掘與分析

IGM機器人驅動問題的闡述與挖掘

在U肋焊接機器人的某次正常開機過程中，設備上的其中一組IGM機器人控制系統發出報警，示教器顯示報警代碼“385”，內容為“無法打開驅動，因為操作模式不是自動！請按下允許開關”的報警，如圖1所示。

圖1 代碼為“385”的報警

嘗試通過各種方式打開驅動，但均以失敗告終。對機器人控制柜進行檢查，但未發現任何電氣元件有明顯的故障或報警顯示。

之后對U肋焊接機器人進行重啟操作，發現故障的機器人開機后最先出現報警代碼為“210”，內容為“外部停止激活！”的報警，如圖2所示。

圖2 代碼為“210”的報警

對機器人外部的各急停按鈕等相關信號源進行檢查，各信號源處于正常工作狀態，且均未激活外部停止信號。

經過對上述兩個問題的分析，得出了兩個問題的關聯：“外部停止激活”導致了機器人“無法打開驅動”，因此決定首先解決“外部停止激活！”這一問題。

相關問題和現象的分析、處理及挖掘

在確定了初步方向后，決定再次對設備的各急停按鈕、聯動開關、限位開關等相關信號源逐一進行排查，排除了外部相關信號源故障的可能性。

之后，通過查閱IGM相關技術資料以及咨詢IGM工程師后得知出現“外部停止激活！”報警的原因眾多，并不一定由外部產生，也有可能是機器人控制柜內的某一控制元件故障。因此，將故障點鎖定在了機器人的電氣控制柜內部。

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

雖然之前對控制柜內各電氣元件經過了簡單的檢查，未發現有明顯的故障或報警，但在縮小范圍后經過細致的檢查，發現PilzPNOZ安全繼電器上的PilzPNOZ mc21p模塊的RUN燈未亮，PilzPNOZ安全繼電器實物如圖3所示。

圖3 PilzPNOZ安全繼電器

根據經驗來說這明顯是不正常的，經過與另一臺一模一樣的設備在同等狀態下對比，確定了這一不正常項。起初認為是Pilz模塊故障或損壞，但通過與另一臺設備置換Pilz模塊后發現并非是該模塊的問題(經過相關技術方面的確認，現場使用的兩組IGM機器人系統除個別具有程序的控制器外，其余電氣元件可進行調換)。在對Pilz深入了解后發現PilzPNOZ mc21p屬于通信模塊，且其LINK ACT1和LINK ACT2狀態燈也屬于熄滅狀態，再結合以往的故障排查經驗，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行檢查后發現Pilz模塊前端的一個BECKHOFF BK1120模塊中的RUN燈、I/O RUN燈均為熄滅狀態，其狀態如圖5所示。

圖5 BECKHOFF BK1120模塊狀態

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

深層次問題和現象的分析、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問題，經過相關的技術研究發現其模組中的KL6021模塊負責與焊機的通訊交互；另一方面故障發生點可能還在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行對接測試該模組及其關聯設備元件是否正常。同時，在機器人示教器端查看設備內各路通訊的狀況。

通過跳接測試及查看設備各路通訊狀態后確定了問題點發生在正在排查的這條通訊線路上，并且確定了問題并非發生在BECKHOFF BK1120模組及其關聯設備元件上，因為經過測試后故障仍然存在，由此能夠肯定的是問題點還在BECKHOFF BK1120模組的前端。

最終問題和現象的分析、處理

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

通常來說出現通訊問題一般是由以下幾點導致的：

(1)通訊線路斷開：通訊線路的排查，即更換以太網線路，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，將目標放在了前端的KEBA控制器上，經過了解，確認了調換KEBA控制器的可行性，但前提是要取出程序卡后再進行更換。在調換KEBA控制器后排除了KEBA控制器損壞的可能性。接著將目光轉移到了后端的BECKHOFF BK1110模組上，按照常規思路對BECKHOFF BK1110模塊進行了調換，但發現依然不是BECKHOFF BK1110模塊的問題。

(3)軟件問題：由于現場條件有限，而且相關程序具有一定的保密性，因此無法對程序進行檢查，相關故障的排查陷入了死胡同。

但憑借著相關經驗，考慮軟件出現問題的概率是極低的，于是與IGM資深工程師進行了深入的咨詢和了解，得知通訊后端BECKHOFF BK1110模組中的任意一個模塊故障均會導致該通訊線路異常。

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

圖6 BECKHOFF BK1110模組

在將該模塊進行調換后，設備正常運轉，最終確定了設備故障的最終原因是BECKHOFF BK1110模組中的一個BECKHOFF EL6021模塊故障。

解決方案及延展

在確定故障點后，聯系設備廠家購買BECKHOFF EL6021模塊并進行更換。但正常情況下的模塊是不會無緣無故損壞的，除非該模塊質量不合格。于是對原BECKHOFF EL6021模塊進行拆卸，發現其內部存在短路現象。分析短路原因可能是由于現場電氣控制柜密封不嚴導致焊接金屬煙塵進入控制柜，再加上控制柜內清掃不及時，使得細小的金屬粉塵進入模塊內部，最終導致模塊內部電氣元件短路損壞。

為了降低類似情況的發生，立即對設備的電氣控制柜進行了整改，并定期進行清掃。

結束語

外部安全裝置、急停按鈕的觸發到控制柜內部電氣元件甚至是軟件程序有可能會引起外部停止信號被激活，從而導致驅動無法打開，一般情況下成熟設備的軟件程序出現問題的概率極低，絕大多數情況都是硬件的問題。在排查故障的過程中雖然耗費了大量的時間，但是使相關的技術人員對設備的了解更上一層樓，以后遇到類似的問題也會更加得心應手加以解決。