實現對KUKA機器人故障維修的快速響應

摘 要：本課題通過對KUKA機器人在高架庫系統中的應用和程序進行研究，在KUKA Control Panel（KCP）上對各類參數進行標注，制作KCP操作指導書，優化任務模式切換，設計任務處理程序，從而大幅縮短了維修人員對KUKA機器人故障的判斷和維修時間，實現KUKA機器人故障維修的快速響應。

關鍵詞：KUKA機器人；參數標注；操作指導；任務程序優化；煙草類

文章主要通過研究KUKA機器人的任務類型，結合KUKA Control Panel（KCP）上軟件的使用，對任務模式切換的指導，對程序的優化改進，使對KUKA機器人故障判斷更加快速有效，減少KUKA機器人的維修時間，使KUKA機器人故障引起的停機時間大幅縮短，實現對KUKA機器人故障維修的快速響應。

我國的煙草行業自2003年工商分離的十二年來，致力于推進科技創新、管理創新和服務創新，通過產品知名度、美譽度、安全度的提高，卷煙銷量平穩發展，銷售結構合理上升，煙草行業發展前景更加廣闊。浙江中煙杭州卷煙廠在卷煙上水平的大趨勢下，大刀闊斧，“十一五”技改項目于2012年正式投產啟用，標志著全國乃至全世界一流卷煙生產基地的誕生，實現了卷煙生產制造自動化全覆蓋。杭州卷煙廠制絲車間抓緊技改契機，引進了當前世界最先進的物流系統以及煙葉制造裝備，例如Swisslog高架庫物流系統、德國KUKA機器人、Garbuio翻箱機器人等，全面步入自動化、智能化的工業4.0時代。

文章主要針對其中的關鍵設備—KUKA機器人進行了相關的分析和研究，通過一系列優化改進，實現對KUKA機器人故障維修的快速響應。

杭州卷煙廠高架庫物流系統中采用的機器人手臂是由德國KUKA公司生產。制絲車間CT1（葉絲高架庫）、CT2（成絲高架庫）各自配備兩臺KUKA機器人，主要用于拾取、放置進出高架庫煙箱的箱蓋。其主要組成部分如下圖所示。

機器人A6軸上安裝特制的夾具，通過夾具上鉤爪的伸縮夾取煙箱箱蓋。夾具上裝有8個吸盤，連通負壓管道，用于輔助吸取煙箱箱蓋。負壓管道通路中安裝有負壓檢測裝置，對機器人在夾取箱蓋時的負壓進行檢測，判斷是否出現夾取故障。

KUKA機器人在運行過程中，在KCP上可以隨時查看程序的運行過程，查看各個輸入輸出節點的實時狀態，查看當前正在執行的任務類型。經過對KUKA機器人長時間運行的觀察，同時總結之前出現的問題和積累的維護經驗，發現KUKA機器人KCP上顯示的部分輸入輸出節點的功能與廠家提供的設備說明書有較大出入，在操作、維修過程中容易引起操作、維修人員對相應功能認識錯誤，從而導致操作失誤、維修進程陷入僵局等問題。另外，KUKA機器人在運行時出現報警，主程序會停在相對應的報警程序內，但是由于缺乏相應注釋，無法對程序進行閱讀，導致無法第一時間了解故障信息，從而延長了故障判斷時間，導致維修效率降低。

如果對程序內容進行簡單標注，使操作、維修人員能夠對程序簡單閱讀，及時了解相關故障信息，就能根據故障信息快速處理問題。所以通過對KUKA機器人的操作方式和功能進行完整驗證，明確操作規范，對操作方法進行完善，對各個輸入輸出節點的功能內容進行驗證，并在KCP上進行詳細標注，同時對機械手程序添加詳細注釋，提高程序可讀性。為KUKA機器人制作現場操作說明書，現場可隨時查閱。通過這些舉措，方便操作人員和維修人員能夠快速判斷機械手的運行狀態和故障類型，實現對KUKA機器人的任務執行過程從始至終進行貫通。

KUKA機器人正常運行一般有兩種運行模式—“半程模式”和“全程模式”。當2臺機器人都正常運行時，處于“半程模式”狀態。此時，2臺機器人同時工作，分別控制左右兩個輸送線區塊上煙箱箱蓋的拾取和放置任務。當其中一臺發生故障需要維護時，為保證物流系統繼續正常運行，需要由另一臺完好的機器人對整個區塊的煙箱箱蓋任務進行全面覆蓋，這時運行中的機器人處于“全程模式”狀態。在出現外部非正常停止故障（機器人夾具與箱蓋發生碰撞等）引起的CPU程序中的任務中斷，將導致機器人的任務執行出現停滯，進而無法正常執行后續其他煙箱的取蓋或放蓋任務，將直接導致煙箱在輸送線上停止運輸，造成物流系統停止運行。在故障機器人無法及時恢復正常運行時，需要進行“半程—全程”模式切換。但是由于殘留任務的存在，經常導致模式切換不成功，從而無法對機器人故障維修進行快速響應，對高架庫物流系統的穩定運行造成很大影響。

針對這一問題，我們決定對模式切換過程進行優化。在進行模式切換時我們發現，切換的前提條件非常復雜，對任務處理的要求非常嚴格。在將“半程”切換為“全程”模式時，需要將故障機器人的未完成任務進行手動完成。在“全程”切換為“半程”時，需要整個高架庫庫區的輸送線沒有提出煙箱箱蓋拾取或放置的任務要求。所以，在切換時需要對KCP上的輸入輸出節點進行觀察和更改，使其滿足切換條件后才能完成模式切換。為了實現順利切換運行模式，通過經驗積累，與廠家交流溝通后，制作了詳細的機械手“半程—全程”模式切換說明書，置于運行現場。在進行模式切換時，依據此說明書，可判斷切換條件是否滿足，實現對機械手運行模式切換的現場指導，確保切換過程順利進行，使物流系統迅速恢復正常。

同時，由于在模式切換時對當前的任務狀態有所要求，如果任務未完成，形成任務殘留，則需要手動操作完成任務（包括拾取箱蓋或釋放箱蓋）。而手動操作完成任務需要多名人員配合，在很大程度上影響了切換速度。通過深入研究，對KCP中程序語言的融匯貫通，我們設計了一段任務復位程序（atreset），在CPU任務執行意外中斷后，能夠實現對機器人當前任務的復位操作，滿足模式切換要求。

經過反復驗證，該程序能很好的復位殘留的未完成任務，將其返回PLC重新進行任務分配，無需手動完成，從而滿足模式切換的必要條件，使模式切換更加流暢有效。

經統計，改進前機器人的維修時間平均為每月50分鐘，造成高架庫物流系統停止運行時間為每月30分鐘，進而引起喂絲站停機的時間為每月15分鐘。改進后機器人的維修時間縮短為每月13分鐘，造成高架庫物流系統停止運行時間為每月8分鐘，引起喂絲站停機時間為每月5分鐘，改進前后平均每月縮短了10分鐘的停機時間。制絲車間一共有5個喂絲站，每個喂絲站擁有4臺喂絲機，每臺喂絲機平均對2臺卷包機臺進行供絲。以HAUNI PROTOS-M8卷煙機20000支/分鐘生產能力來算，相當于每月為公司增加了20000？鄢4？鄢5？鄢10=4000000支的卷煙生產量。

綜上所述，通過對本課題的實施，我們優化了KUKA機器人的人機交互功能，改善了故障判斷方式，優化了維修模式，縮短了維修時間，提高了對KUKA機器人故障維修的響應速度，保障了整個高架庫物流系統的穩定運行，為車間乃至公司有效地增加了生產能力。