工业机器人安全和电磁兼容试验及改进研究

李永和

摘要：工業机器人作为智能制造领域的先进设备，已被广泛应用于危险和精度要求高的作业现场。电磁兼容性是工业机器人众多关键指标中的重要一项，复杂电磁环境下工业机器人的电磁兼容性对于安全、可靠性尤为重要。基于此，在了解工业机器人安全和电磁兼容认证所用标准的基础上，结合搬运机器人RB20的电磁兼容测试案例，运用测试数据对工业机器人使用安全和电磁兼容两方面重点进行了分析。

关键词：工业机器人;智能制造;安全;电磁兼容;标准化

0    引言

《装备制造业标准化和质量提升规划》等相关规划中已将机器人列为十大重点领域之一，机器人技术的发展已经成为衡量国家科技水平的重要标志，这也对机器人标准化和质量提升提出了更高要求。本文主要在工业机器人标准化发展基础上，重点对工业机器人安全和电磁兼容问题进行论述，借助测试案例和测试数据对工业机器人在安全和电磁兼容上不符合项进行分析，并提出整改措施，以保证工业机器人在电磁环境下能正常安全运行和稳定工作。

1    工业机器人电磁兼容试验现状问题

目前，工业机器人电磁兼容测试试验主要包括发射类测试和抗扰度测试两类，下面主要结合这两方面测试现状问题进行分析。

（1）在测试端口上的现状问题分析：工业机器人主要由控制柜、机器人本体机、示教器三部分构成。《电磁兼容 通用标准 居住、商业和轻工业环境中的发射》（GB 17799.3—2012）标准对示教器与控制柜之间的线缆是否要参与测试没有进行明确说明，仅对工业机器人交流输入端口的传导发射测试有相关规定，不能满足工业机器人对于不同端口的电磁兼容性测试需求。

（2）在测试模式上的现状问题分析：工业机器人在运行作业中存在带载、空载、移动、静止、机械臂转动等不同运行模式，在这些模式进行机器人的电磁兼容测试，结果差异性大。但我国现有的工业机器人电磁兼容测试相关标准没有针对机器人在不同的工作模式进行测试内容和方法的规定。笔者认为应该对工业机器人进行移动式和固定式分类，并针对性进行不同模式的测试。

（3）在终测时间上的现状问题分析：《电磁兼容 通用标准 工业环境中的发射》（GB 17799.4—2012）标准对于终测时间规定为1 s，而实践中工业机器人在非全速度状态下运动周期为2～3 s，因此在进行工业机器人的辐射发射测试过程中存在终测期间未能正确采到最高值的情况。笔者认为应合理调整标准规定的测试时间，确保测试时间大于工业机器人的运动周期。

2    工业机器人安全试验

结合日常工作中对于大量工业机器人的检测认证实践案例和测试数据分析，笔者总结出机器人在安全检测试验过程中常见不符合项主要体现在配线设计、降速控制和无驱动源运动上，下面从试验安全角度对这些不符合项进行技术优化。

2.1    配线设计

《机械电气安全 机械电气设备 第1部分：通用技术条件》（GB/T 5226.1—2019）中13章对于工业机器人电柜外配线、电气设备的布线、电柜内配线和导线的标记等有相关技术要求。结合标准要求和试验实践总结，在机器人配线设计时需要考虑以下操作要点：（1）确保线路特别是保护连接电路连接的牢固性，避免出现松脱现象，引发安全检测问题;（2）采用色标方式进行保护导线标记时，要确保色标是绝对专用，且在导线全长上以黄/绿双色组合进行标记;（3）选择的接线端子要与导线截面积和类别相匹配;（4）一个端子对应允许连接一根保护导线，基于特殊用途专门设计的端子才允许进行多根导线的连接;（5）接线座的端子需要进行清晰标记，方便与电路图进行对应;（6）遵循技术文件要求对每根导线的端部进行标记。

2.2    降速控制

《工业环境用机器人 安全要求 第1部分：机器人》（GB 11291.1—2011）标准中对工业机器人的降速控制有明确规定和要求，如规定机器人在降速控制方式下操作时，末端执行器的工具中心点（TCP）和安装法兰需要选择低于250 mm/s的速度。在进行具体机器人降速控制操作试验时，需要对机器人末端直线轨迹运动操作时机器人末端TCP速度测试和机器人手臂完全伸展到极限位置时轴1、轴2和轴3是单独转动轴时的末端线速度进行测试。这要求在机器人出厂前需要对其直线轨迹运动和手臂完全伸展到极限位置两种情况的末端线速度按要求进行限制。

2.3    无驱动源运动

《工业环境用机器人 安全要求 第1部分：机器人》（GB 11291.1—2011）标准中明确规定：进行机器人设计时需要确保各轴在异常紧急环境下无须驱动源就能运动，同时无驱动源运动的操作装置符合易于接近、有操作说明、贴警告标志和防止意外操作等要求。

3    工业机器人电磁兼容试验实践分析

工业机器人电磁兼容试验认证的测试项目主要有工频磁场、辐射抗扰度、静电放电、传导抗扰度、快速瞬变脉冲群、浪涌、电压跌落和短时中断、辐射发射和传导发射。同时结合大量的工业机器人检测认证案例分析可知，在测试认证过程中常见不符合项为传导发射和辐射发射。下面结合搬运机器人RB20的电磁兼容测试案例进行分析。

3.1    传导发射

如果机器人的电磁兼容设计不当，工作信号就会沿着电源线向外传输，成为传导骚扰。RB20整改前传导发射超出认证标准，如图1所示。

本项目传导发射测试采取如下整改测试：（1）电源线，测试时尽量要短些，电源入线口要加穿磁环。（2）加装适合的滤波器，注意滤波器进出线不能一起走线，尽量要离得远些;接地要良好，最好就近接地。（3）变压器进出线分开走线，尽量要离得远些。（4）其他电气元器件进出线要分开，强弱电分开走线，多余的线尽量都去掉。走线工艺要严格遵守强弱电分开走，380 V、220 V、24 V都要分开走线，合理布线，不同强弱电距离尽量离得远些。（5）输出动力线和编码线要严格分开走线，不可并排布线;都要使用屏蔽线，可靠、就近接地，屏蔽接地使用360°环形搭接。如果干扰下不来可以加穿合适磁环;连接本体插头屏蔽要连接插头金属壳体接地。（6）本体布线线缆使用屏蔽线，屏蔽可靠接地，地线可靠接地。驱动器动力输出接线要绕合适磁环，绕的扎数为3～5圈，磁环尽量离接线端子近些;输出编码线绕合适磁环，绕1圈，磁环尽量离接线口近些。动力线、编码线一定不可一起走线，距离尽量远些，强弱电分开走线。整改后电柜内部如图2所示。