工業(yè)機器人安全和電磁兼容試驗及改進研究

引言

《裝備制造業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化和質(zhì)量提升規(guī)劃》等相關(guān)規(guī)劃中已將機器人列為十大重點領(lǐng)域之一,機器人技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)成為衡量國家科技水平的重要標(biāo)志,這也對機器人標(biāo)準(zhǔn)化和質(zhì)量提升提出了更高要求。本文主要在工業(yè)機器人標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展基礎(chǔ)上,重點對工業(yè)機器人安全和電磁兼容問題進行論述,借助測試案例和測試數(shù)據(jù)對工業(yè)機器人在安全和電磁兼容上不符合項進行分析,并提出整改措施,以保證工業(yè)機器人在電磁環(huán)境下能正常安全運行和穩(wěn)定工作。

1工業(yè)機器人電磁兼容試驗現(xiàn)狀問題

目前,工業(yè)機器人電磁兼容測試試驗主要包括發(fā)射類測試和抗擾度測試兩類,下面主要結(jié)合這兩方面測試現(xiàn)狀問題進行分析。

（1）在測試端口上的現(xiàn)狀問題分析:工業(yè)機器人主要由控制柜、機器人本體機、示教器三部分構(gòu)成。《電磁兼容通用標(biāo)準(zhǔn)居住、商業(yè)和輕工業(yè)環(huán)境中的發(fā)射》（GB17799.3一2012）標(biāo)準(zhǔn)對示教器與控制柜之間的線纜是否要參與測試沒有進行明確說明,僅對工業(yè)機器人交流輸入端口的傳導(dǎo)發(fā)射測試有相關(guān)規(guī)定,不能滿足工業(yè)機器人對于不同端口的電磁兼容性測試需求。

（2）在測試模式上的現(xiàn)狀問題分析:工業(yè)機器人在運行作業(yè)中存在帶載、空載、移動、靜止、機械臂轉(zhuǎn)動等不同運行模式,在這些模式進行機器人的電磁兼容測試,結(jié)果差異性大。但我國現(xiàn)有的工業(yè)機器人電磁兼容測試相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)沒有針對機器人在不同的工作模式進行測試內(nèi)容和方法的規(guī)定。筆者認(rèn)為應(yīng)該對工業(yè)機器人進行移動式和固定式分類,并針對性進行不同模式的測試。

（3）在終測時間上的現(xiàn)狀問題分析:《電磁兼容通用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)環(huán)境中的發(fā)射》（GB17799.4一2012）標(biāo)準(zhǔn)對于終測時間規(guī)定為1s,而實踐中工業(yè)機器人在非全速度狀態(tài)下運動周期為2～3s,因此在進行工業(yè)機器人的輻射發(fā)射測試過程中存在終測期間未能正確采到最高值的情況。筆者認(rèn)為應(yīng)合理調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測試時間,確保測試時間大于工業(yè)機器人的運動周期。

2工業(yè)機器人安全試驗

結(jié)合日常工作中對于大量工業(yè)機器人的檢測認(rèn)證實踐案例和測試數(shù)據(jù)分析,筆者總結(jié)出機器人在安全檢測試驗過程中常見不符合項主要體現(xiàn)在配線設(shè)計、降速控制和無驅(qū)動源運動上,下面從試驗安全角度對這些不符合項進行技術(shù)優(yōu)化。

2.1配線設(shè)計

《機械電氣安全機械電氣設(shè)備第1部分:通用技術(shù)條件》（GB/T5226.1一2019）中13章對于工業(yè)機器人電柜外配線、電氣設(shè)備的布線、電柜內(nèi)配線和導(dǎo)線的標(biāo)記等有相關(guān)技術(shù)要求。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)要求和試驗實踐總結(jié),在機器人配線設(shè)計時需要考慮以下操作要點:（1）確保線路特別是保護連接電路連接的牢固性,避免出現(xiàn)松脫現(xiàn)象,引發(fā)安全檢測問題:（2）采用色標(biāo)方式進行保護導(dǎo)線標(biāo)記時,要確保色標(biāo)是絕對專用,且在導(dǎo)線全長上以黃/綠雙色組合進行標(biāo)記:（3）選擇的接線端子要與導(dǎo)線截面積和類別相匹配:（4）一個端子對應(yīng)允許連接一根保護導(dǎo)線,基于特殊用途專門設(shè)計的端子才允許進行多根導(dǎo)線的連接:（5）接線座的端子需要進行清晰標(biāo)記,方便與電路圖進行對應(yīng):（6）遵循技術(shù)文件要求對每根導(dǎo)線的端部進行標(biāo)記。

2.2降速控制

《工業(yè)環(huán)境用機器人安全要求第1部分:機器人》（GB11291.1一2011）標(biāo)準(zhǔn)中對工業(yè)機器人的降速控制有明確規(guī)定和要求,如規(guī)定機器人在降速控制方式下操作時,末端執(zhí)行器的工具中心點（TCP）和安裝法蘭需要選擇低于250mm/s的速度。在進行具體機器人降速控制操作試驗時,需要對機器人末端直線軌跡運動操作時機器人末端TCP速度測試和機器人手臂完全伸展到極限位置時軸1、軸2和軸3是單獨轉(zhuǎn)動軸時的末端線速度進行測試。這要求在機器人出廠前需要對其直線軌跡運動和手臂完全伸展到極限位置兩種情況的末端線速度按要求進行限制。

2.3無驅(qū)動源運動

《工業(yè)環(huán)境用機器人安全要求第1部分:機器人》（GB11291.1一2011）標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定:進行機器人設(shè)計時需要確保各軸在異常緊急環(huán)境下無須驅(qū)動源就能運動,同時無驅(qū)動源運動的操作裝置符合易于接近、有操作說明、貼警告標(biāo)志和防止意外操作等要求。

3工業(yè)機器人電磁兼容試驗實踐分析

工業(yè)機器人電磁兼容試驗認(rèn)證的測試項目主要有工頻磁場、輻射抗擾度、靜電放電、傳導(dǎo)抗擾度、快速瞬變脈沖群、浪涌、電壓跌落和短時中斷、輻射發(fā)射和傳導(dǎo)發(fā)射。同時結(jié)合大量的工業(yè)機器人檢測認(rèn)證案例分析可知,在測試認(rèn)證過程中常見不符合項為傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射。下面結(jié)合搬運機器人RB20的電磁兼容測試案例進行分析。

3.1傳導(dǎo)發(fā)射

如果機器人的電磁兼容設(shè)計不當(dāng),工作信號就會沿著電源線向外傳輸,成為傳導(dǎo)騷擾。RB20整改前傳導(dǎo)發(fā)射超出認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn),如圖1所示。

圖1整改前超出認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)

本項目傳導(dǎo)發(fā)射測試采取如下整改測試:(1）電源線,測試時盡量要短些,電源入線口要加穿磁環(huán)。(2）加裝適合的濾波器,注意濾波器進出線不能一起走線,盡量要離得遠(yuǎn)些:接地要良好,最好就近接地。(3）變壓器進出線分開走線,盡量要離得遠(yuǎn)些。(4）其他電氣元器件進出線要分開,強弱電分開走線,多余的線盡量都去掉。走線工藝要嚴(yán)格遵守強弱電分開走,380V、220V、24V都要分開走線,合理布線,不同強弱電距離盡量離得遠(yuǎn)些。(5）輸出動力線和編碼線要嚴(yán)格分開走線,不可并排布線:都要使用屏蔽線,可靠、就近接地,屏蔽接地使用3609環(huán)形搭接。如果干擾下不來可以加穿合適磁環(huán):連接本體插頭屏蔽要連接插頭金屬殼體接地。(6）本體布線線纜使用屏蔽線,屏蔽可靠接地,地線可靠接地。驅(qū)動器動力輸出接線要繞合適磁環(huán),繞的扎數(shù)為3～5圈,磁環(huán)盡量離接線端子近些:輸出編碼線繞合適磁環(huán),繞1圈,磁環(huán)盡量離接線口近些。動力線、編碼線一定不可一起走線,距離盡量遠(yuǎn)些,強弱電分開走線。整改后電柜內(nèi)部如圖2所示。

3.2輻射發(fā)射

輻射發(fā)射測試是測量被測樣品通過空間傳播的輻射騷擾場強。在具體測試上,接口濾波不好或電纜設(shè)計有缺陷等都可能造成輻射發(fā)射超標(biāo)。此次是30～50MHz頻段超出認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn),使用排除法排除機器人電氣柜是產(chǎn)生輻射干擾的源頭,而主要干擾產(chǎn)生于變壓器、驅(qū)動器以及走線線路。

圖2整改后電柜內(nèi)部圖

機器人認(rèn)證測試對機器人走線要求很高,此次認(rèn)證反映出機器人走線不夠嚴(yán)謹(jǐn)。走線時強弱電要分開,輸入、輸出線要分開:動力線、編碼線、信號線要分開走線,不并行,屏蔽要3609搭接,就近接地:屏蔽要連接重載插頭:所有接地都要就近接地,接地線盡量短:電柜動力線出線要加穿磁環(huán):濾波器要考慮選用是否適合,此次輻射發(fā)射測試在變壓器輸出端多加了一個20A濾波器,有降低輻射發(fā)射干擾的效果。

本項目整改措施:(1）電源線進線加穿合適磁環(huán),有降輻射的效果,地線也可加穿磁環(huán)嘗試。(2）在變壓器三相輸出線多加接一個20A的濾波器以加穿磁環(huán),繞上一圈。(3）驅(qū)動、電源盒輸入/輸出都加穿了磁環(huán),抱閘輸出線加穿磁環(huán)。(4）各強弱電分開走線,把多余的線去掉,380V、220V、24V都要分開走線,以降低輻射干擾。(5）把所有接地連接更緊密,確保接地更良好。(6）電柜電源線連接要求盡可能短。(7）所有通風(fēng)口加貼銅箔,加強電柜的屏蔽效果。

此次整改由于時間問題,以通過測試為目的:對于整改的電源盒輸入/輸出、驅(qū)動輸入、抱閘輸出加穿磁環(huán)及通風(fēng)口加貼銅箔沒有驗證是否有降低輻射的效果。

4結(jié)語

本文基于大量的工業(yè)機器人檢測案例和豐富的試驗數(shù)據(jù),按照測試內(nèi)容從電磁兼容角度分析了常見的不符合項,介紹了測試原理,并提出了整改建議,使機器人能夠在電磁環(huán)境中符合要求并正常運行,不對其環(huán)境中的任何其他設(shè)備產(chǎn)生無法忍受的電磁干擾,提升了機器人的可靠性,有利于國產(chǎn)工業(yè)機器人領(lǐng)域健康有序發(fā)展。