一體化六軸工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種一體化六軸工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置，包括采集電機(jī)工作狀態(tài)下的電流信息和功率單元的母線電壓信息的采集單元，所述采集單元將檢測(cè)到的信息實(shí)時(shí)傳送至控制單元，所述控制單元將控制機(jī)器人的指令信息實(shí)時(shí)傳送至功率單元。所述功率單元包括上電緩存單元，所述上電緩存單元的輸出端與整流單元相連接，所述整流單元與6路電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元相連接，所述6路電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元與動(dòng)態(tài)制動(dòng)單元相連接，所述動(dòng)態(tài)制動(dòng)單元與機(jī)器人的電機(jī)相連接。本裝置通過(guò)對(duì)機(jī)器人電機(jī)的電流信息和母線電壓信息進(jìn)行采集和判斷達(dá)到實(shí)時(shí)控制機(jī)器人的控制，搭建與機(jī)器人控制系統(tǒng)的高速信息通道，保證運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)時(shí)性與可靠性。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一體化六軸工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及電控制領(lǐng)域，尤其涉及一種一體化六軸工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]工業(yè)機(jī)器人集合多個(gè)學(xué)科的高新技術(shù)設(shè)備、因此發(fā)展空間巨大，在各個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用，是最近幾十年來(lái)發(fā)展最迅速的行業(yè)，對(duì)世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及未來(lái)的先進(jìn)生產(chǎn)制造業(yè)的發(fā)展起到促進(jìn)作用。
[0003]目前，西方發(fā)達(dá)國(guó)家的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)仍領(lǐng)先我國(guó)很多年。為打破國(guó)外對(duì)我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)壟斷，我們必須自力更生，掌握高性能工業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)，并在原來(lái)的基礎(chǔ)上有所創(chuàng)新。目前的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，一般由機(jī)器人本體、驅(qū)動(dòng)裝置和控制系統(tǒng)三部分組成，有些還具備傳感器和視覺(jué)系統(tǒng)，其中，機(jī)器人本體是機(jī)械部分，是機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)裝置為機(jī)器人本體工作提供動(dòng)力，可以采用的方式有三種:電氣傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)以及氣壓傳動(dòng)，考慮到效率及靈活性等因素，目前一般使用的是電氣傳動(dòng)方式?？刂葡到y(tǒng)則扮演著機(jī)器人大腦的角色，主要功能有軌跡規(guī)劃、插補(bǔ)運(yùn)算、運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算以及計(jì)算機(jī)器人各軸的位置等。
[0004]由于工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)的執(zhí)行器為電機(jī)，所以獲得電機(jī)的良好控制效果是非常重要的，要想獲得優(yōu)良的電機(jī)控制性能，就需要高性能的交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，因此研制高性能的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置是工業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)了一種一體化六軸工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置，包括采集電機(jī)工作狀態(tài)下的電流信息和功率單元的母線電壓信息的采集單元，所述采集單元將檢測(cè)到的信息實(shí)時(shí)傳送至控制單元，所述控制單元將控制機(jī)器人的指令信息實(shí)時(shí)傳送至功率單元；
[0006]所述功率單元包括上電緩存單元，所述上電緩存單元的輸出端與整流單元相連接，所述整流單元與6路電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元相連接，所述6路電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元與動(dòng)態(tài)制動(dòng)單元相連接，所述動(dòng)態(tài)制動(dòng)單元與機(jī)器人的電機(jī)相連接；
[0007]所述控制單元包括主控電路，所述主控電路通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路與6路電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元相連接，所述主控電路上連接有多個(gè)外圍接口電路；
[0008]該驅(qū)動(dòng)裝置還包括與采集單元、功率單元和控制單元相連接為該裝置提供電能的控制電源。
[0009]所述整流單元的輸出端還連接有電源報(bào)警檢測(cè)單元和回升能量處理單元，所述回升能量處理單元與制動(dòng)電阻相連接。
[0010]所述外圍接口電路包括編碼器接口、抱閘控制接口、光纖總線接口、RS232通信接口、數(shù)字1接口和可擴(kuò)展電源報(bào)警接口，所述編碼器接口通過(guò)編碼器線纜與機(jī)器人的電機(jī)相連接，所述主控電路通過(guò)RS232通信接口與上位機(jī)相連接。
[0011]所述采集單元包括電機(jī)電流采集單元和母線電壓采集單元，所述電機(jī)電流采集單元包括霍爾傳感器和電流檢測(cè)模塊，所述霍爾傳感器與電流檢測(cè)模塊相連接，所述電流檢測(cè)模塊和所述母線電壓采集單元與控制單元相連接。
[0012]所述上電緩沖單元包括主動(dòng)力電輸入端子和預(yù)充電旁路輸入端子，所述主動(dòng)力電輸入端子的輸入端與主動(dòng)力電接觸器相連接，所述預(yù)充電旁路輸入端子與限流電阻相連接，所述限流電阻與繼電器相連接，所述繼電器和主動(dòng)力電輸入端子與整流單元相連接，所述整流單元與母線電容相連接。
[0013]該裝置上電時(shí)，主動(dòng)力電接觸器不吸合，通過(guò)預(yù)充電旁路輸入端子對(duì)母線電容進(jìn)行充電，待母線電壓達(dá)到設(shè)定的閾值電壓后，主動(dòng)力電接觸器吸合同時(shí)切斷繼電器。
[0014]所述6路電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元包括六個(gè)獨(dú)立設(shè)置的智能功率模塊。
[0015]由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供的一體化六軸工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置，采用獨(dú)立的裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的6個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，采用集中整流技術(shù)，采用集中回升能量處理單元，能量共享，系統(tǒng)集成度高，節(jié)約成本。并且采用動(dòng)態(tài)制動(dòng)單元，可用于永磁同步電機(jī)，在系統(tǒng)意外斷電或電源異常時(shí)，可以使對(duì)應(yīng)永磁同步電機(jī)快速停止，與電機(jī)抱閘控制電路形成雙重防護(hù)，減少工件損失和人員傷亡。
【附圖說(shuō)明】
[0016]為了更清楚地說(shuō)明本申請(qǐng)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本申請(qǐng)中記載的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0017]圖1為本發(fā)明裝置的電氣原理圖；
[0018]圖2為本發(fā)明裝置的整體框圖；
[0019]圖3為本發(fā)明中上電緩沖單元的電氣原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]為使本發(fā)明的技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚完整的描述:
[0021]如圖1-圖3所示的一種一體化六軸工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置，包括采集單元300，采集單元300采集電機(jī)工作狀態(tài)下的電流信息和功率單元100的母線電壓信息，采集單元300將檢測(cè)到的信息實(shí)時(shí)傳送至控制單元200，控制單元200將控制指令信息實(shí)時(shí)傳送至功率單元100。
[0022]功率單元100包括上電緩存單元I，上電緩存單元I的輸出端與整流單元2相連接，整流單元2與6路電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元3相連接，6路電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元3與動(dòng)態(tài)制動(dòng)單元4相連接，動(dòng)態(tài)制動(dòng)單元4與機(jī)器人的電機(jī)相連接。6路電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元3包括六個(gè)獨(dú)立設(shè)置的智能功率模塊62。智能功率模塊62與對(duì)應(yīng)的6個(gè)動(dòng)態(tài)制動(dòng)單元4相連接。動(dòng)態(tài)制動(dòng)單元4與機(jī)器人的6個(gè)關(guān)節(jié)的電機(jī)相連接。
[0023]控制單元200包括主控電路8，主控電路8通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路9與6路電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元3相連接，主控電路8上連接有多個(gè)外圍接口電路。該驅(qū)動(dòng)裝置還包括與采集單元300、功率單元100和控制單元200相連接為該裝置提供電能的控制電源7。整流單元2的輸出端還連接有電源報(bào)警檢測(cè)單元5和回升能量處理單元6，回升能量處理單元6與制動(dòng)電阻61相連接。
[0024]外圍接口電路包括編碼器接口31、抱閘控制接口 32、光纖總線接口 33、RS232通信接口 34、數(shù)字1接口 35和可擴(kuò)展電源報(bào)警接口 36，編碼器接口 31通過(guò)編碼器線纜與機(jī)器人的電機(jī)相連接，主控電路8通過(guò)RS232通信接口 34與上位機(jī)相連接。編碼器接口 31通過(guò)編碼器線纜與機(jī)器人6個(gè)關(guān)節(jié)的控制電機(jī)相連接。抱閘控制接口 32與機(jī)器人6個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)抱閘端子連接，光纖總線接口 33通過(guò)光纖介質(zhì)與機(jī)器人的控制端相連接，RS232通信接口 34與上位機(jī)連接，數(shù)字1接口 35用于接收外圍設(shè)備反饋信號(hào)，可擴(kuò)展電源報(bào)警接口 36和可擴(kuò)展母線接口與其他伺服驅(qū)動(dòng)裝置連接。
[0025]采集單元300包括電機(jī)電流采集單元和母線電壓采集單元38，電機(jī)電流采集單元包括霍爾傳感器37.1和電流檢測(cè)模塊37.2，霍爾傳感器37.1與電流檢測(cè)模塊37.2相連接，電流檢測(cè)模塊37.2和母線電壓采集單元38與控制單元200相連接。
[0026]上電緩沖單元I包括主動(dòng)力電輸入端子11和預(yù)充電旁路輸入端子12，主動(dòng)力電輸入端子11的輸入端與主動(dòng)力電接觸器16相連接，預(yù)充電旁路輸入端子12與限流電阻13相連接，限流電阻13與繼電器14相連接，繼電器14和主動(dòng)力電輸入端子11與整流單元15相連接，所述整流單元15與母線電容17相連接。
[0027]實(shí)施例:
[0028]整流單元2為三相靜態(tài)整流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用Microsemi公司的三相整流橋模塊，最大瞬時(shí)功率可達(dá)27kW。
[0029]6路電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元3采用三菱公司的智能功率模塊，智能功率模塊簡(jiǎn)稱(chēng)IPM模塊，是一種將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的逆變器，是本系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，該模塊還具有短路保護(hù)及欠壓保護(hù)功能，當(dāng)檢測(cè)到欠壓或短路時(shí)，該模塊停止工作的同時(shí)，還通過(guò)FO引腳發(fā)出故障信號(hào)給DSP，DSP立即停止發(fā)送PffM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)。IPM的驅(qū)動(dòng)電路9采用TLP559光電耦合器，該款芯片具有傳播延時(shí)短，共模抑制能力高等優(yōu)點(diǎn)，適合應(yīng)用于接口隔離。
[0030]上電緩存單元I防止了系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)大電流對(duì)母線電容17的沖擊。此功能電路在系統(tǒng)上電時(shí)主動(dòng)力電接觸器不吸合，通過(guò)預(yù)充電旁路輸入端子12對(duì)母線電容進(jìn)行充電，預(yù)充電旁路串聯(lián)有限流電阻，有效的限制充電電流，待母線電壓達(dá)到設(shè)定的閾值電壓后，主動(dòng)力電接觸器吸合，同時(shí)切斷預(yù)充電旁路繼電器。
[0031]回升能量處理單元6可將電機(jī)制動(dòng)產(chǎn)生的多余能量迅速消耗，防止功率器件的損壞。為節(jié)約成本和限制體積，選用6路電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元3集成回升能量處理單元6、通過(guò)與外部制動(dòng)電阻61的配合使用，當(dāng)母線電壓過(guò)高時(shí)，開(kāi)通制動(dòng)回路，將能量迅速消耗在外部制動(dòng)電阻上，有效的限制母線電壓。動(dòng)態(tài)制動(dòng)單元4它可用于永磁同步電機(jī)，當(dāng)制動(dòng)有效或斷電時(shí)使電機(jī)快速停止。制動(dòng)時(shí)通過(guò)一個(gè)接觸器和制動(dòng)電阻使電機(jī)的三相繞組短接。電機(jī)中殘留的能量通過(guò)動(dòng)態(tài)制動(dòng)模塊內(nèi)部制動(dòng)電阻轉(zhuǎn)換為熱量。
[0032]控制電源7為裝置中所有功能電路的供電。其輸入電壓為24V，輸出電壓為±15V、+5V、+3.3V、+2.5V、+ 1.2V等。采用集成度高的DC-DC電源芯片設(shè)計(jì)，電源功率密度高，輸出紋波電壓小。
[0033]主控電路8為DSP+FPGA架構(gòu)，DSP采用TI公司的TMS320F2812，F(xiàn)PGA采用ALTERA公司的EP3C16Q240C8N，主要由DSP完成核心電機(jī)控制算法和與上位機(jī)的通信，采用矢量控制算法，提高控制動(dòng)態(tài)性能;FPGA完成總線協(xié)議傳輸、編碼器信息解碼等功能。
[0034]光纖總線接口33，GLINK光纖運(yùn)動(dòng)控制現(xiàn)場(chǎng)總線，總線協(xié)議解析由FPGA完成，物理層芯片為RTL8201BL，采用10Mbps的高速光纖介質(zhì)，高速響應(yīng)機(jī)器人系統(tǒng)的控制指令，并且保證其嚴(yán)格同步運(yùn)行；同時(shí)將機(jī)器人各關(guān)節(jié)位置、負(fù)載率、溫度等物理信息回傳系統(tǒng)，保證運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)時(shí)性與可靠性。編碼器接口 31采用高速差分芯片，支持最大編碼器信號(hào)頻率20M，支持SS1、BISS和Endat協(xié)議，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的位置閉環(huán)。抱閘控制接口 32:通過(guò)一級(jí)中間繼電器將控制器輸出的抱閘控制信號(hào)輸出放大，可直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)抱閘裝置。RS232通信接口 34可與上位機(jī)進(jìn)行通信，通過(guò)專(zhuān)用上位機(jī)軟件進(jìn)行配置和數(shù)據(jù)采集，便于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題的分析和調(diào)試。數(shù)字1接口 35主要作為外圍電氣設(shè)備的反饋輸入，采用隔離方案設(shè)計(jì)，隔離電壓達(dá)2kV，有效的防止外圍電氣設(shè)備的損壞對(duì)本驅(qū)動(dòng)裝置造成損壞?；魻杺鞲衅?7.1和母線電壓采集單元38將電流和母線電壓信息進(jìn)行采集，霍爾傳感器37.1具備電氣隔離、精度高、線性度好、動(dòng)態(tài)性能好、工作頻帶寬、過(guò)載能力強(qiáng)、尺寸小、靈敏度高、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用頗具優(yōu)勢(shì)。霍爾傳感器37.1輸出信號(hào)經(jīng)電流檢測(cè)模塊37.2進(jìn)行調(diào)整至AD器件輸入電壓范圍后連接至主控電路8的AD器件接口。
[0035]本發(fā)明公開(kāi)的一種一體化六軸工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置，通過(guò)對(duì)機(jī)器人電機(jī)的電流信息和母線電壓信息進(jìn)行采集和判斷達(dá)到實(shí)時(shí)控制機(jī)器人的控制，搭建與機(jī)器人控制系統(tǒng)的高速信息通道，保證運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)時(shí)性與可靠性。
[0036]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種一體化六軸工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于包括:采集電機(jī)工作狀態(tài)下的電流信息和功率單元的母線電壓信息的采集單元(300)，所述采集單元(300)將檢測(cè)到的信息實(shí)時(shí)傳送至控制單元(200)，所述控制單元(200)將控制機(jī)器人的指令信息實(shí)時(shí)傳送至功率單元(100)； 所述功率單元(100)包括上電緩存單元(I)，所述上電緩存單元(I)的輸出端與整流單元(2)相連接，所述整流單元(2)與6路電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元(3)相連接，所述6路電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元(3)與動(dòng)態(tài)制動(dòng)單元(4)相連接，所述動(dòng)態(tài)制動(dòng)單元(4)與機(jī)器人的電機(jī)相連接； 所述控制單元(200)包括主控電路(8)，所述主控電路(8)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路(9)與6路電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元(3)相連接，所述主控電路(8)上連接有多個(gè)外圍接口電路； 該驅(qū)動(dòng)裝置還包括與采集單元(300)、功率單元(100)和控制單元(200)相連接為該裝置提供電能的控制電源(7)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體化六軸工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置，其特征還在于:所述整流單元(2)的輸出端還連接有電源報(bào)警檢測(cè)單元(5)和回升能量處理單元(6)，所述回升能量處理單元(6)與制動(dòng)電阻(61)相連接。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體化六軸工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置，其特征還在于:所述外圍接口電路包括編碼器接口( 31)、抱閘控制接口( 32)、光纖總線接口( 33)、RS232通信接口( 34)、數(shù)字1接口(35)和可擴(kuò)展電源報(bào)警接口(36)，所述編碼器接口(31)通過(guò)編碼器線纜與機(jī)器人的電機(jī)相連接，所述主控電路(8)通過(guò)RS232通信接口(34)與上位機(jī)相連接。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體化六軸工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置，其特征還在于:所述采集單元(300)包括電機(jī)電流采集單元和母線電壓采集單元(38)，所述電機(jī)電流采集單元包括霍爾傳感器(37.1)和電流檢測(cè)模塊(37.2)，所述霍爾傳感器(37.1)與電流檢測(cè)模塊(37.2)相連接，所述電流檢測(cè)模塊(37.2)和所述母線電壓采集單元(38)與控制單元(200)相連接。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體化六軸工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置，其特征還在于:所述上電緩沖單元(I)包括主動(dòng)力電輸入端子(11)和預(yù)充電旁路輸入端子(12)，所述主動(dòng)力電輸入端子(11)的輸入端與主動(dòng)力電接觸器(16)相連接，所述預(yù)充電旁路輸入端子(12)與限流電阻(13)相連接，所述限流電阻(13)與繼電器(14)相連接，所述繼電器(14)和主動(dòng)力電輸入端子(I I)與整流單元(15)相連接，所述整流單元(15)與母線電容(17)相連接。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一體化六軸工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置，其特征還在于:該裝置上電時(shí)，主動(dòng)力電接觸器(16)不吸合，通過(guò)預(yù)充電旁路輸入端子(12)對(duì)母線電容(17)進(jìn)行充電，待母線電壓達(dá)到設(shè)定的閾值電壓后，主動(dòng)力電接觸器(16)吸合同時(shí)切斷繼電器(14)。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體化六軸工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置，其特征還在于:所述6路電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元(3)包括六個(gè)獨(dú)立設(shè)置的智能功率模塊(62)。
【文檔編號(hào)】H02P6/24GK105846733SQ201610374479
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年5月30日
【發(fā)明人】李文慶, 李作慶, 金蒙, 肖鵬, 隋繼平, 王慶朋
【申請(qǐng)人】科德數(shù)控股份有限公司