專利名稱：一種用于焊接機器人的安全控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及的是一種安全控制器，具體涉及的是一種用于焊接機器人的安全控制器。
背景技術(shù)：
隨著焊接機器人技術(shù)在現(xiàn)代制造業(yè)的廣泛應(yīng)用，其安全保護問題受到人們的關(guān)注。作為一臺具有多個自由度的高速運轉(zhuǎn)設(shè)備，盡管在預(yù)編程中已經(jīng)做了大量保護工作，但不同工況下仍然可能存在安全隱患，甚至引發(fā)事故。尤其是在示教、維護等人工參與環(huán)節(jié)， 現(xiàn)場人員的誤操作、硬件錯誤和未知的系統(tǒng)設(shè)計缺陷都有可能造成巨大的損害。因此，必須在焊接機器人工作場所設(shè)置必要的安全設(shè)施，防止意外發(fā)生。在焊接機器人系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的信號傳輸和采集是通過眾多的I/O接口實現(xiàn)的，連線復(fù)雜，維護困難，實時性差。同時焊接設(shè)備轉(zhuǎn)速高，工作環(huán)境復(fù)雜，危險系數(shù)高，焊接現(xiàn)場的干擾強。針對機器人的安全要求，國際標準化組織和國家標準化管理委員會分別頒布了工業(yè)機器人安全規(guī)范，規(guī)定了工業(yè)機器人及其系統(tǒng)在設(shè)計、制造、編程、操作、使用、維護和修理階段的安全要求及注意事項。目前，國內(nèi)已在使用的機器人安全控制系統(tǒng)性能還不穩(wěn)定，功能還不完善，相比國外的同類產(chǎn)品還有很大差距。因此，迫切需要開發(fā)出一種擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的，先進、可靠、實用的焊接機器人安全控制器，使之能夠大大降低機器人運行時發(fā)生工傷和系統(tǒng)停運的風險，保護現(xiàn)場人員和設(shè)備，促進民族工業(yè)的發(fā)展，提高國際競爭能力。

實用新型內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)上存在的不足，本實用新型目的是在于提供一種連線簡單、可提高機器人工作的穩(wěn)定性及安全性的用于焊接機器人的安全控制器。為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型是通過如下的技術(shù)方案來實現(xiàn)本實用新型包括安全保護模塊、上位機、執(zhí)行模塊、運行信息采集模塊和現(xiàn)場總線；上位機及運行信息采集模塊通過現(xiàn)場總線向安全保護模塊發(fā)送參數(shù)初始化數(shù)據(jù)指令及機器人運行狀態(tài)指令；安全保護模塊通過現(xiàn)場總線向上位機發(fā)送報警及出錯指示；執(zhí)行模塊接收安全保護模塊的輸出。采用現(xiàn)場總線技術(shù)能夠大大減少連線復(fù)雜度。上述運行信息采集模塊包括運動控制器、各軸伺服放大器、示教盒和外圍環(huán)境檢測器；現(xiàn)場總線包括現(xiàn)場總線控制器、現(xiàn)場總線驅(qū)動器、現(xiàn)場總線控制卡和現(xiàn)場總線接口 ； 安全保護模塊、示教盒和外圍環(huán)境檢測器分別與對應(yīng)的現(xiàn)場總線控制器相連接，運動控制器和各軸伺服放大器分別通過現(xiàn)場總線接口與對應(yīng)的現(xiàn)場總線驅(qū)動器相連接，上位機與現(xiàn)場總線控制卡相連接。本實用新型的有益效果如下改進了傳統(tǒng)I/O接口的信號采集和傳輸方式，采用現(xiàn)場總線技術(shù)能夠大大減少連線復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)的靈活性、穩(wěn)定性和抗干擾性，同時還便于系統(tǒng)的進一步擴展；以下結(jié)合附圖和具體實施方式
來詳細說明本實用新型；

圖1為本實用新型的硬件結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本實用新型的系統(tǒng)通訊結(jié)構(gòu)圖；圖3為本實用新型的現(xiàn)場總線通訊流程圖；圖4為本實用新型的安全保護策略流程圖。
具體實施方式
為使本實用新型實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體實施方式
，進一步闡述本實用新型。參見圖1，本實用新型包括安全保護模塊101、上位機104、執(zhí)行模塊105、運行信息采集模塊103和現(xiàn)場總線102。其中，安全保護模塊101為中央處理器，用于制定和執(zhí)行各類各級安全保護策略， 通常采用集成各種外部接口的微控制器，在本實施例中，安全保護模塊101采用ARM9微控制器芯片S3CM40A，內(nèi)置豐富的外設(shè)資源包括中斷控制器、GPIO、SPI等接口電路。上位機104通過現(xiàn)場總線102可用于顯示安全保護模塊101做出的報警及出錯指示，本實用新型的上位機104為現(xiàn)有技術(shù)，在此不作贅述。執(zhí)行模塊105接收安全保護模塊101的輸出，執(zhí)行正?；蚓o急停止機器人的操作， 本實用新型的執(zhí)行模塊105為現(xiàn)有技術(shù)，在此不作贅述。運行信息采集模塊103包括運動控制器201、各軸伺服放大器202、示教盒203和外圍環(huán)境檢測器204。現(xiàn)場總線102提供安全保護模塊101、上位機104和運行信息采集模塊103之間的數(shù)據(jù)通訊功能；一般現(xiàn)場總線102包括現(xiàn)場總線控制器10 、現(xiàn)場總線驅(qū)動器102b、現(xiàn)場總線控制卡102c和現(xiàn)場總線接口 102d，這四者的連接關(guān)系為現(xiàn)有技術(shù)，在此不作贅述；安全保護模塊101、示教盒203和外圍環(huán)境檢測器204分別與對應(yīng)的現(xiàn)場總線控制器10 相連接，運動控制器201和各軸伺服放大器202分別通過現(xiàn)場總線接口 102d與對應(yīng)的現(xiàn)場總線驅(qū)動器10 相連接，上位機104與現(xiàn)場總線控制卡102c相連接；上位機104及運行信息采集模塊103通過現(xiàn)場總線102向安全保護模塊101發(fā)送參數(shù)初始化數(shù)據(jù)指令及機器人運行狀態(tài)指令。本實施例中，現(xiàn)場總線控制器10 采用的是現(xiàn)場總線控制器MCP2510，現(xiàn)場總線驅(qū)動器102b采用的是現(xiàn)場總線驅(qū)動器MCP2551，MCP2510是一款具有SPI接口的獨立現(xiàn)場總線控制器，完全支持CAN V2. OB技術(shù)規(guī)范，通信速率最高可達1Mbps。參見圖2，本實用新型的安全保護模塊101應(yīng)用于工業(yè)焊接機器人控制系統(tǒng)中，安全保護模塊101與運動控制器201、各軸伺服放大器202、示教盒203、外圍環(huán)境檢測器204、 上位機104通過現(xiàn)場總線102而連接。其中，運動控制器201用于將目標軌跡進行細分，輸出指令到各軸伺服放大器202 ；各軸伺服放大器202根據(jù)運動控制器201給定的控制量完成速度環(huán)運算，對電機進行相應(yīng)的伺服控制；示教盒203用于對焊接機器人的示教編程。作為現(xiàn)場總線102通訊網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點，安全保護模塊101負責機器人安全保護策略的制定和執(zhí)行工作，通過現(xiàn)場總線102從運動控制器201、各軸伺服放大器202、示教盒203和外圍環(huán)境檢測器204等部分采集信息，經(jīng)過CAN協(xié)議解析，計算分析機器人運動速度、轉(zhuǎn)矩、位姿，參照機器人安全空間和安全策略，做出相應(yīng)的執(zhí)行策略?；诂F(xiàn)場總線102的安全控制器為了區(qū)分通信網(wǎng)絡(luò)上的接收方和發(fā)送方，需要定義各節(jié)點的通信ID和通信指令集，參見本實用新型的系統(tǒng)通訊結(jié)構(gòu)圖，確定各節(jié)點的通信 ID如下安全保護模塊101對應(yīng)通信ID為0x501 ；運動控制器201對應(yīng)通信ID為0x502 ；1-8軸伺服放大器202對應(yīng)通信ID為0x503_0x50A ；示教盒203對應(yīng)通信ID為0x50B ；外圍環(huán)境檢測器204對應(yīng)通信ID為0x50C ；上位機104對應(yīng)通信ID為0x50D。通信指令集包括現(xiàn)場總線102各節(jié)點之間的信息交互內(nèi)容，是安全保護模塊101 與其他節(jié)點交換的有效分組信息，具體如下(1)參數(shù)初始化數(shù)據(jù)指令，是上位機104發(fā)送給安全保護模塊101的信息，幀初始字節(jié)是0x01，包括速度限定值、轉(zhuǎn)矩限定值、關(guān)節(jié)角限定值、初始位置值和時間設(shè)定值；(2)機器人運行狀態(tài)指令，是運動控制器201、各軸伺服放大器202、示教盒203和外圍環(huán)境檢測器204發(fā)送給安全保護模塊101的指令，幀初始字節(jié)是0x02，包括當前速度、 當前轉(zhuǎn)矩和當前位置的代碼；(3)警告信息指令，是安全保護模塊101發(fā)送給上位機104的指令，幀初始字節(jié)是 0x03，包括三種類型接近過速、接近過載和接近限位；(4)出錯信息指令，也是安全保護模塊101發(fā)送給上位機104的指令，幀初始字節(jié)是0x04，包括九種類型過速、過載、超出限位、運動控制邏輯錯誤、運動控制狀態(tài)錯誤、伺服放大器錯誤、安全防護裝置狀態(tài)錯誤、示教盒203急停出錯和面板急停出錯。參見圖3，介紹通信指令集的具體使用方法，基于現(xiàn)場總線102的通訊流程開始于步驟301，結(jié)束于步驟314 步驟301 安全保護模塊101配置現(xiàn)場總線102信息，包括設(shè)置通信波特率、接收寄存器和發(fā)送寄存器等，用于現(xiàn)場總線102的正常通訊；步驟302 安全保護模塊101向上位機104請求參數(shù)初始化數(shù)據(jù)；步驟303 上位機104發(fā)送參數(shù)初始化數(shù)據(jù)指令給安全保護模塊101 ；步驟304 安全保護模塊101接收參數(shù)初始化數(shù)據(jù)，用于保護策略的制定；步驟305 判斷初始化過程是否完成，如果完成就進入步驟306，否則回到步驟 302，重復(fù)初始化過程；步驟306 運行信息采集模塊103發(fā)送機器人運行狀態(tài)指令給安全保護模塊101 ；步驟307 安全保護模塊101接收焊接機器人當前的機器人運行狀態(tài)值；步驟308 安全保護模塊101根據(jù)現(xiàn)場總線102上已接收到的數(shù)據(jù)，進行安全保護規(guī)則判定；步驟309 判斷實際運行值是否接近參數(shù)設(shè)定最大值，如果到達報警狀態(tài)，進入步驟310，否則轉(zhuǎn)到步驟312 ；步驟310 安全保護模塊101發(fā)送警告信息指令給上位機104 ；步驟311 上位機104收到指令，并顯示相應(yīng)報警參數(shù)值；[0048]步驟312 判斷實際機器人運行狀態(tài)值是否超過參數(shù)初始化數(shù)據(jù)設(shè)定最大值，如果到達出錯狀態(tài)，進入步驟313，否則回到步驟307，繼續(xù)接收機器人運行狀態(tài)值；步驟313 安全保護模塊101發(fā)送出錯信息指令給上位機104 ；步驟314 上位機104收到指令，并顯示相應(yīng)出錯參數(shù)值。參見圖4，本實用新型的多種安全保護策略分為焊接工作前、焊接過程中和焊接結(jié)束后三個階段，每一階段檢測的部件有所差異，對應(yīng)的操作也分為多個安全等級，以最大限度地保障機器人運行的可靠性和安全控制器執(zhí)行的高效性，此流程開始于步驟401，結(jié)束于步驟419 步驟401:開始；步驟402 安全保護模塊101啟動焊接工作前安全規(guī)則檢查，包括檢查備用電源低電壓報警、控制電源工作不正常報警、安全門打開報警和安全柵欄工作不正常報警等；步驟403 如果安全檢查通過，則進入步驟405，否則有一項報警則轉(zhuǎn)到步驟404， 焊接機器人不能開動運行；步驟404 安全保護模塊101發(fā)送檢查異常信息給上位機104 ；步驟405 通過焊接工作前安全規(guī)則檢查，則允許焊接機器人開動；步驟406 焊接機器人開動運行后，需要進行焊接工作過程安全策略，將現(xiàn)場總線 102上接收到的當前轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速初始化數(shù)據(jù)比較，判斷是否過速；如果過速，進入步驟414 處理，否則轉(zhuǎn)到步驟407 ；步驟407 判斷當前轉(zhuǎn)速是否接近轉(zhuǎn)速初始化數(shù)據(jù)最大值，如果是，進入步驟415 處理，否則轉(zhuǎn)到步驟408步驟408 判斷焊接機器人是否過載，如果過載，進入步驟414處理，否則轉(zhuǎn)到步驟 409 ；步驟409 判斷是否接近過載，如果是，進入步驟415處理，否則轉(zhuǎn)到步驟410 ；步驟410 判斷關(guān)節(jié)空間是否超限，如果超限，進入步驟414處理，否則轉(zhuǎn)到步驟
411；步驟411 判斷關(guān)節(jié)空間是否接近限位，如果是，進入步驟415處理，否則轉(zhuǎn)到步412；步驟412 判斷運動控制邏輯是否錯誤，如果是，進入步驟414處理，否則轉(zhuǎn)到步驟
413；步驟413 判斷是否有其他錯誤，包括運動控制狀態(tài)錯誤、伺服放大器錯誤、示教盒203急停出錯和面板急停出錯等，如果存在問題，進入步驟414處理，否則轉(zhuǎn)到步驟416 ；步驟414 安全保護模塊101發(fā)送緊急停機操作給執(zhí)行模塊105，同時發(fā)送相應(yīng)的出錯信息給上位機104 ；步驟415 安全保護模塊101發(fā)送報警信息給上位機104，同時啟動修正處理程序， 避免焊接機器人運行出現(xiàn)更嚴重的錯誤；步驟416 判斷焊接工作是否結(jié)束，如果結(jié)束，進入步驟417，否則回到步驟406，繼續(xù)執(zhí)行焊接工作過程安全策略；步驟417 安全保護模塊101啟動焊接結(jié)束巡查規(guī)則，包括備用電源低電壓報警、 控制電源工作不正常報警、全門打開報警、全柵欄工作不正常報警、運行報警和錯誤分析自檢；步驟418 安全保護模塊101將巡查結(jié)果發(fā)送給上位機104，同時記錄日志信息，以備下次運作。步驟419 該流程結(jié)束。本實用新型圖3至圖4過程均可以用現(xiàn)有技術(shù)中的編程方法實現(xiàn)，在此不作進一步限制。本實用新型安全控制器的控制方法，包括以下幾個步驟(A)安全保護模塊101通過現(xiàn)場總線102向上位機104請求機器人運行狀態(tài)的參數(shù)初始化數(shù)據(jù)，然后上位機104通過現(xiàn)場總線102發(fā)送參數(shù)初始化數(shù)據(jù)指令給安全保護模塊101，安全保護模塊101接受參數(shù)初始化數(shù)據(jù)，未完成初始化，則不能進入步驟(B)；(參見圖3中步驟S302 S305)。(B)初始化完成后，運行信息采集模塊103通過現(xiàn)場總線102發(fā)送機器人運行狀態(tài)指令給安全保護模塊101，然后安全保護模塊101接受機器人運行狀態(tài)值；(參見圖3中步驟 S306 S307)。(C)完成步驟(B)后，安全保護模塊101制定不同的安全保護策略，安全保護策略包括以下幾個步驟(a)安全保護模塊101進行焊接工作前的安全規(guī)則檢查，有一項報警則焊接機器人不能開動運行；(參見圖4中步驟S401 S405)。(b)焊接機器人開動運行后，安全保護模塊101進行焊接工作過程安全策略，通過比較機器人運行狀態(tài)值和參數(shù)初始化數(shù)據(jù)，給出安全運行、警告及運行修正、出錯停機及指示三級不同的保護輸出；(參見圖4中步驟S406 S415)。(c)完成焊接工作后，安全保護模塊101進行焊接結(jié)束巡查規(guī)則，安全保護模塊 101將巡查結(jié)果發(fā)送給上位機104，同時記錄日志信息；(參見圖4中步驟S416 S418)。(d)結(jié)束。當機器人運行狀態(tài)值在參數(shù)初始化數(shù)據(jù)誤差容許范圍內(nèi)時，安全保護模塊101輸出安全運行；當機器人運行狀態(tài)值接近參數(shù)初始化數(shù)據(jù)設(shè)定最大值時，安全保護模塊101向上位機104發(fā)送警告信息指令同時向執(zhí)行模塊105輸出運行修正；上位機104收到警告信息指令后顯示相應(yīng)報警參數(shù)值，且執(zhí)行模塊105啟動修正處理程序；當機器人運行狀態(tài)值超過參數(shù)初始化數(shù)據(jù)設(shè)定最大值時，安全保護模塊101向執(zhí)行模塊105輸出緊急停機同時向上位機105發(fā)送出錯信息指令，執(zhí)行模塊105收到緊急停機后執(zhí)行緊急停止機器人的操作，且上位機104收到出錯信息指令后顯示相應(yīng)出錯參數(shù)值。以上顯示和描述了本實用新型的基本原理和主要特征和本實用新型的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神和范圍的前提下，本實用新型還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本實用新型范圍內(nèi)。本實用新型要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
權(quán)利要求1.一種用于焊接機器人的安全控制器，其特征在于，包括安全保護模塊(101)、上位機 (104)、執(zhí)行模塊(105)、運行信息采集模塊(103)和現(xiàn)場總線(102)；所述上位機(104)及運行信息采集模塊(10 通過現(xiàn)場總線(102)向安全保護模塊(101)發(fā)送參數(shù)初始化數(shù)據(jù)指令及機器人運行狀態(tài)指令；所述安全保護模塊(101)通過現(xiàn)場總線(102)向上位機 (104)發(fā)送報警及出錯指示；所述執(zhí)行模塊(105)接收安全保護模塊(101)的輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于焊接機器人的安全控制器，其特征在于，所述運行信息采集模塊(10 包括運動控制器001)、各軸伺服放大器002)、示教盒(20 和外圍環(huán)境檢測器(204)；所述現(xiàn)場總線(102)包括現(xiàn)場總線控制器(102a)、現(xiàn)場總線驅(qū)動器(102b)、 現(xiàn)場總線控制卡(102c)和現(xiàn)場總線接口 (102d)；所述安全保護模塊(101)、示教盒(203) 和外圍環(huán)境檢測器(204)分別與對應(yīng)的現(xiàn)場總線控制器(102a)相連接，所述運動控制器 (201)和各軸伺服放大器(202)分別通過現(xiàn)場總線接口(102d)與對應(yīng)的現(xiàn)場總線驅(qū)動器 (102b)相連接，所述上位機(104)與現(xiàn)場總線控制卡(102c)相連接。
專利摘要本實用新型公開了一種用于焊接機器人的安全控制器，包括安全保護模塊、上位機、執(zhí)行模塊、運行信息采集模塊和現(xiàn)場總線；上位機及運行信息采集模塊通過現(xiàn)場總線向安全保護模塊發(fā)送參數(shù)初始化數(shù)據(jù)指令及機器人運行狀態(tài)指令；安全保護模塊通過現(xiàn)場總線向上位機發(fā)送報警及出錯指示；執(zhí)行模塊接收安全保護模塊的輸出。本實用新型采用現(xiàn)場總線技術(shù)能夠大大減少連線復(fù)雜度；通過多種安全保護策略，實現(xiàn)安全區(qū)域保護功能，在出現(xiàn)異常時，給出相應(yīng)的警告或錯誤信息，同時采取修正措施或緊急停機，以保證系統(tǒng)能安全運行。
文檔編號G05B19/418GK202067121SQ201120068519
公開日2011年12月7日 申請日期2011年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月16日
發(fā)明者劉升鵬, 葉樺, 孫曉潔, 王丹, 鄭磊 申請人:東南大學(xué)