液晶面板搬运机械手设备的高频故障分析与预防对策研究

0引言

在制造业自动生产线中, 自动机械手设备以高效、稳定的优势得到了广泛应用,是提升工业自动化水平的一个重要途径[1—2]。然而,高度自动化设备的故障排查往往有较高的技术难度。通过持续观察、统计分析和经验累积,提升维护人员的技术水平,是保障自动机械手设备高效运行的重要途径[3]。

1 M公司自动机械手设备概况

1.1 设备工作原理

广州M公司是一家专注于液晶玻璃面板加工的企业,厂内有2台自动机械手设备。该设备的核心功能是将卡匣中的液晶玻璃面板取出,精确放置于移载机,为下一道制程做准备。该设备实物照片与主要动作部件如图1所示,其整体由取放片手臂、动作单元、真空单元、电控单元和设备主体机构构成。设备的运动自由度包括:设备整体沿X轴横移;取放片手臂沿Y轴伸出与回收;固定手臂的机构沿Z轴升降;该机构同时具备绕T轴旋转的功能。取放片手臂上有真空吸嘴,手臂从卡匣中取片后,对玻璃基板吸真空固定,防止玻璃基板在手臂旋转等动作过程中因失稳而发生位移甚至掉落[4]。

1.2 设备使用状况

M公司现有2台同型号的 自动机械手设备,于2017年建立生产线时导入和开始使用。8年来,均处于稳定生产的状态,平均每日完成面板搬运4 500次,最大日搬运量可达6 800次。设备使用和管理上,自投 入使用以来,设备发生的故障和进行的保养均保存有详细记录。

2近8年的自动机械手故障统计与研究

2.1历史故障统计与初步分析

对该公司两台机械手设备的故障处理记录进行整理、统计和数据清洗,剔除无参考和研究价值的记录后,共搜集到2018年2月至2025年6月期间发生的70次有效故障记录,其中处理时间最长的故障发生在2023年9月2日,处理时长达9 h15 min,参加排查处理的技术人员达6人。

故障的基本概况如表1所示。

从表1统计可以发现,2018年设备导入初期,设备处于较新的状态,故障较少,而随着使用时间的推移,设备故障逐渐增加,2023年故障率达到了峰值。同时,该时期频发的故障引起了管理和技术人员的高度重视,采取了加强保养、设备改造等措施,到2024年,故障发生率显著降低。

同时,设备运行初期,故障发生率较低。然而,由于维修人员经验不足,故障处理时间不稳定且普遍较长。随着设备运行年限增加,维修人员的技术能力和实践经验得到显著提升。因此,尽管2023年故障次数大幅增加(表1),但平均处理时间反而下降并趋于稳定。

2.2基于设备故障部位的研究

该机械手设备整体结构相对简单,发生过故障的部位有搬送手臂、电控配件、防护盖板和离子风扇,如图2所示。其中,故障集中发生在取放片手臂上,次数达62次,占总故障的88%。

一般而言,机械结构类故障高发于承受振动、存在相对运动或热交换的部位;而电气控制类故障则常见于易发生接触不良或发热的元器件[5]。取放片手臂由于长期高频、高速动作,机构和线路不断磨损,导致故障发生的频率极高,此外,手臂上有密集分布的真空吸嘴及管路系统,因漏气或堵塞导致的故障也占有相当的比例。

除取放片手臂,该机械手设备发生过故障的部位还有电控配件、防护盖板和离子风扇,这些部位发生故障的频率极小,但往往排查起来需要耗费更多的时间,从设备维护的角度来讲也不容忽视。电控配件发生故障损坏的有电磁阀、马达和机器人控制主板,设备防护盖板相关故障一般是由固定螺栓松动、机构变形引发的动作时各部位干涉,出现异常噪声并摩擦出大量磨屑。离子风扇是独立于机械手设备之外的辅助设备,其主要功能是消除静电。尽管其本身损坏的可能性极小,发生故障对机械手设备运行也影响甚微,但对保障搬运的液晶面板质量起的作用却至关重要。离子风扇的故障是由于针头大量结晶堆积,导致除静电能力减弱或失效,一般进行清洁即可。

2.3基于设备故障特征类型的分析与解决办法

如图3所示,该机械手设备发生的故障类型共8项,其中出现频率最高、占比最大的有2项,分别是真空异常和伺服异常无法启动,这两项发生次数合计59次,占全部故障的84%左右。

取放片手臂真空异常是出现最为频繁的故障,是指取放片手臂在抓取面板时真空无法建立或建立后真空度低于阈值,为防止面板位置移动甚至掉落的风险出现的停机警报。在70次设备故障记录中,真空异常出现了45次,其中真空吸嘴上杂物堵塞导致的真空异常42次,气管磨损导致漏真空2次,真空吸嘴的固定板松动导致真空异常1次。真空异常发生时,从触发原因入手,先检查吸嘴是否有杂质堆积、是否有松动,如果有则使用无尘布清洁即可恢复设备的正常运行,如果没有则需进一步排查,确认气管是否有磨损,以及电磁阀等控制配件是否有故障。

伺服异常导致无法启动的原因较为多样,但往往是由于伺服马达有关的线路、控制配件出现损坏,线路出现磨损、松动或者接触不良。在故障记录中,由伺服异常导致无法启动的故障共出现14次,其中伺服马达的编码线磨损、接头接触不 良导致故障9次,伺服马达电源线磨损、接头接触不良导致故障2次,此外,减速机损坏、伺服器损坏和伺服电池损耗各导致故障1次。排查这类异常时,往往需要较高的技能水平和充足的维修经验,依次排查线路、马达、伺服器等各部件的状态。

自动机械手设备典型故障特征的照片示例如图4所示。

2.4基于设备故障发生原因的分析与解决办法

机械手设备故障发生的根本原因多样化,各类原因会引发相应的一种或多种故障,如表2所示。 针对不同故障,需从根本原因出发,制定对策进行解决。各类故障原因中最多的是来自外界环境的干扰,共导致故障45次,如液晶面板带来的杂质导致吸嘴堵塞,进而真空异常,这也是发生次数最多的故障。排名第二的故障原因是设备部件的磨损,导致故障12次,如线路磨损引发的伺服启动异常、皮带轮磨损引发的取放片手臂无法正常行走等。排名第三的故障原因是线路接触不良,导致设备故障5次,如线路接触不良导致伺服无法启动。依据现场实际处理经验和研究结果,针对发生原因的处理方法已在表2列举出来。

3针对设备频发故障的改善措施

通过前文分析可知,导致该公司自动机械手设备故障最多的是真空异常和伺服启动异常,故障发生的根本原因分别是外界环境干扰和部件磨损。基于上述分析,该公司技术人员实施了一系列改进措施,来降低故障发生次数,提高故障处理效率。

3.1加装高效空气过滤器(FFU)

由液晶面板携带或环境粉尘导致的杂质堵塞吸嘴,进而引发真空异常,是本设备最高发的故障类型,而空气中的粉尘杂质则可以采取措施进行净化处理。此外,空气中杂质多,也是导致离子风扇结晶的原因之一,因此,提升设备内部环境的空气质量是减少这类故障发生的有效手段。

高效空气过滤器(FFU)是无尘车间广泛应用的空气净化设备,FFU安装在设备顶部封闭空间上方,其风机驱动外部空气经过高效滤网过滤后,形成洁净正压气流持续送入设备内部封闭空间,有效阻止外部粉尘进入,洁净气流最终通过设备底部预设的排风口排出。该机械手臂设备处于无尘室环境中,且四周均有铝型材骨架和PVC板封闭,2023年技术人员加装FFU后,设备内空气质量得到大幅改善,经半年度观察统计,杂质堵塞吸嘴引发的故障比上半年

减少了30%。

3.2加装手动气枪

通过加装FFU可以改善内空气质量导致的真空问题,却无法解决液晶面板产品中自带杂质引发的故障。产品原材的杂质无法通过本设备解决,但设法提高故障处理效率也是一个切实有效的途径。过去出现杂质堵塞吸嘴引发的真空问题,往往是使用带有酒精的无尘布擦拭,该方法需要消耗大量的耗材,且处理效率低,还有让杂质进入吸嘴气孔更深处导致堵塞恶化的风险。

为解决这个问题,2023年技术人员在设备内部加装了气枪,使用设备原有的压缩空气对堵塞的杂质进行快速清洁。该方法以极低的成本,显著提高了故障处理效率,虽不能减少杂质导致真空异常故障发生的频率,却大大缩短了故障发生后的处理时间,单次故障处理时间 由原来的约20min降低至约5min。

3.3新增马达负载监控与报警

伺服异常引发的无法启动也是该机械手设备的频发故障之一,多由线路老化、皮带轮/轴等磨损所致。技术人员研究发现,装配精度低、配件磨损往往会导致动作组件受额外的力,进而使马达负载上升。因此,对该机械手的各马达新增了负载监控,正常动作时马达负载均在50%以内,设定负载的阈值为超过75%即报警、超过100%即自动停机,马达负载监控页面写入人机界面,随时可以查看马达状态,如图5所示。通过负载监控,发现负载异常增大后及时处理,对滑块、滑轨等进行保养,对机构进行全面检查,可避免摩擦磨损等进一步恶化。

4总结与维护建议

本文基于M公司自动机械手设备8年的运行数据,系统统计并深入分析了其历史故障模式、成因及处理方法,并针对高频故障实施了有效的改进对策,使频发故障的发生率降低了30%,处理效率提高了75%以上,可供相关行业的技术人员学习与探讨。

对自动化机械手设备使用中的维护有如下建议:1)设备安装调试阶段应确保定位于装配的精度,避免安装误差过大、固定不牢固等问题导致设备机构容易磨损;2)提升设备环境质量,尽可能采取封闭防护或正压洁净措施,最大限度阻隔外界环境中的杂质、粉尘等进入设备,堵塞真空管路或者加速滑轨、滑块等活动部件的磨损;3)建立健全预防性维护体系,制定基于设备运行状态的保养计划,确保潜在问题得到及时发现和处理。

[参考文献]

[1]张仔龙,王利强.机械手发展现状与趋势[J].机械研究与应用,2022,35(6):219-225.

[2]王玉华,潘中正.自动上下料机械手的硬件优化[J].化纤与纺织技术,2021,50(3):100-101.

[3]汪勇勇,李家松.浅谈冲压机械手管理与现场维护[J].锻造与冲压,2024(2):77-79.

[4]刘飞飞,孟得姣,高堂盼.数控加工自动上下料机械手爪设计与仿真[J].组合机床与自动化加工技术,2017(6):150-153.

[5]王玉山,贾思敏,宋照爱,等.基于故障树反演的复合材料成形生产线故障诊断[J].锻压装备与制造技术,2024,59(2):12-17.

《机电信息》2025年第22期第19篇