一体化六轴工业机器人驱动装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种一体化六轴工业机器人驱动装置，包括采集电机工作状态下的电流信息和功率单元的母线电压信息的采集单元，所述采集单元将检测到的信息实时传送至控制单元，所述控制单元将控制机器人的指令信息实时传送至功率单元。所述功率单元包括上电缓存单元，所述上电缓存单元的输出端与整流单元相连接，所述整流单元与6路电机驱动单元相连接，所述6路电机驱动单元与动态制动单元相连接，所述动态制动单元与机器人的电机相连接。本装置通过对机器人电机的电流信息和母线电压信息进行采集和判断达到实时控制机器人的控制，搭建与机器人控制系统的高速信息通道，保证运动控制的实时性与可靠性。
【专利说明】
一体化六轴工业机器人驱动装置
技术领域
[0001]本发明涉及电控制领域，尤其涉及一种一体化六轴工业机器人驱动装置。
【背景技术】
[0002]工业机器人集合多个学科的高新技术设备、因此发展空间巨大，在各个领域都有应用，是最近几十年来发展最迅速的行业，对世界经济的发展及未来的先进生产制造业的发展起到促进作用。
[0003]目前，西方发达国家的工业机器人技术仍领先我国很多年。为打破国外对我国工业机器人的技术垄断，我们必须自力更生，掌握高性能工业机器人的关键技术，并在原来的基础上有所创新。目前的工业机器人系统，一般由机器人本体、驱动装置和控制系统三部分组成，有些还具备传感器和视觉系统，其中，机器人本体是机械部分，是机器人的执行机构，驱动装置为机器人本体工作提供动力，可以采用的方式有三种:电气传动、液压传动以及气压传动，考虑到效率及灵活性等因素，目前一般使用的是电气传动方式。控制系统则扮演着机器人大脑的角色，主要功能有轨迹规划、插补运算、运动学计算以及计算机器人各轴的位置等。
[0004]由于工业机器人关节的执行器为电机，所以获得电机的良好控制效果是非常重要的，要想获得优良的电机控制性能，就需要高性能的交流伺服驱动系统，因此研制高性能的机器人驱动装置是工业机器人的关键技术之一。
【发明内容】
[0005]根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种一体化六轴工业机器人驱动装置，包括采集电机工作状态下的电流信息和功率单元的母线电压信息的采集单元，所述采集单元将检测到的信息实时传送至控制单元，所述控制单元将控制机器人的指令信息实时传送至功率单元；
[0006]所述功率单元包括上电缓存单元，所述上电缓存单元的输出端与整流单元相连接，所述整流单元与6路电机驱动单元相连接，所述6路电机驱动单元与动态制动单元相连接，所述动态制动单元与机器人的电机相连接；
[0007]所述控制单元包括主控电路，所述主控电路通过驱动电路与6路电机驱动单元相连接，所述主控电路上连接有多个外围接口电路；
[0008]该驱动装置还包括与采集单元、功率单元和控制单元相连接为该装置提供电能的控制电源。
[0009]所述整流单元的输出端还连接有电源报警检测单元和回升能量处理单元，所述回升能量处理单元与制动电阻相连接。
[0010]所述外围接口电路包括编码器接口、抱闸控制接口、光纤总线接口、RS232通信接口、数字1接口和可扩展电源报警接口，所述编码器接口通过编码器线缆与机器人的电机相连接，所述主控电路通过RS232通信接口与上位机相连接。
[0011]所述采集单元包括电机电流采集单元和母线电压采集单元，所述电机电流采集单元包括霍尔传感器和电流检测模块，所述霍尔传感器与电流检测模块相连接，所述电流检测模块和所述母线电压采集单元与控制单元相连接。
[0012]所述上电缓冲单元包括主动力电输入端子和预充电旁路输入端子，所述主动力电输入端子的输入端与主动力电接触器相连接，所述预充电旁路输入端子与限流电阻相连接，所述限流电阻与继电器相连接，所述继电器和主动力电输入端子与整流单元相连接，所述整流单元与母线电容相连接。
[0013]该装置上电时，主动力电接触器不吸合，通过预充电旁路输入端子对母线电容进行充电，待母线电压达到设定的阈值电压后，主动力电接触器吸合同时切断继电器。
[0014]所述6路电机驱动单元包括六个独立设置的智能功率模块。
[0015]由于采用了上述技术方案，本发明提供的一体化六轴工业机器人驱动装置，采用独立的装置实现对机器人的6个关节电机进行驱动，采用集中整流技术，采用集中回升能量处理单元，能量共享，系统集成度高，节约成本。并且采用动态制动单元，可用于永磁同步电机，在系统意外断电或电源异常时，可以使对应永磁同步电机快速停止，与电机抱闸控制电路形成双重防护，减少工件损失和人员伤亡。
【附图说明】
[0016]为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0017]图1为本发明装置的电气原理图；
[0018]图2为本发明装置的整体框图；
[0019]图3为本发明中上电缓冲单元的电气原理图。
【具体实施方式】
[0020]为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述:
[0021]如图1-图3所示的一种一体化六轴工业机器人驱动装置，包括采集单元300，采集单元300采集电机工作状态下的电流信息和功率单元100的母线电压信息，采集单元300将检测到的信息实时传送至控制单元200，控制单元200将控制指令信息实时传送至功率单元100。
[0022]功率单元100包括上电缓存单元I，上电缓存单元I的输出端与整流单元2相连接，整流单元2与6路电机驱动单元3相连接，6路电机驱动单元3与动态制动单元4相连接，动态制动单元4与机器人的电机相连接。6路电机驱动单元3包括六个独立设置的智能功率模块62。智能功率模块62与对应的6个动态制动单元4相连接。动态制动单元4与机器人的6个关节的电机相连接。
[0023]控制单元200包括主控电路8，主控电路8通过驱动电路9与6路电机驱动单元3相连接，主控电路8上连接有多个外围接口电路。该驱动装置还包括与采集单元300、功率单元100和控制单元200相连接为该装置提供电能的控制电源7。整流单元2的输出端还连接有电源报警检测单元5和回升能量处理单元6，回升能量处理单元6与制动电阻61相连接。
[0024]外围接口电路包括编码器接口31、抱闸控制接口 32、光纤总线接口 33、RS232通信接口 34、数字1接口 35和可扩展电源报警接口 36，编码器接口 31通过编码器线缆与机器人的电机相连接，主控电路8通过RS232通信接口 34与上位机相连接。编码器接口 31通过编码器线缆与机器人6个关节的控制电机相连接。抱闸控制接口 32与机器人6个关节电机抱闸端子连接，光纤总线接口 33通过光纤介质与机器人的控制端相连接，RS232通信接口 34与上位机连接，数字1接口 35用于接收外围设备反馈信号，可扩展电源报警接口 36和可扩展母线接口与其他伺服驱动装置连接。
[0025]采集单元300包括电机电流采集单元和母线电压采集单元38，电机电流采集单元包括霍尔传感器37.1和电流检测模块37.2，霍尔传感器37.1与电流检测模块37.2相连接，电流检测模块37.2和母线电压采集单元38与控制单元200相连接。
[0026]上电缓冲单元I包括主动力电输入端子11和预充电旁路输入端子12，主动力电输入端子11的输入端与主动力电接触器16相连接，预充电旁路输入端子12与限流电阻13相连接，限流电阻13与继电器14相连接，继电器14和主动力电输入端子11与整流单元15相连接，所述整流单元15与母线电容17相连接。
[0027]实施例:
[0028]整流单元2为三相静态整流拓扑结构，采用Microsemi公司的三相整流桥模块，最大瞬时功率可达27kW。
[0029]6路电机驱动单元3采用三菱公司的智能功率模块，智能功率模块简称IPM模块，是一种将直流电转换为交流电的逆变器，是本系统的关键元件，该模块还具有短路保护及欠压保护功能，当检测到欠压或短路时，该模块停止工作的同时，还通过FO引脚发出故障信号给DSP，DSP立即停止发送PffM信号，实现自我保护。IPM的驱动电路9采用TLP559光电耦合器，该款芯片具有传播延时短，共模抑制能力高等优点，适合应用于接口隔离。
[0030]上电缓存单元I防止了系统启动时大电流对母线电容17的冲击。此功能电路在系统上电时主动力电接触器不吸合，通过预充电旁路输入端子12对母线电容进行充电，预充电旁路串联有限流电阻，有效的限制充电电流，待母线电压达到设定的阈值电压后，主动力电接触器吸合，同时切断预充电旁路继电器。
[0031]回升能量处理单元6可将电机制动产生的多余能量迅速消耗，防止功率器件的损坏。为节约成本和限制体积，选用6路电机驱动单元3集成回升能量处理单元6、通过与外部制动电阻61的配合使用，当母线电压过高时，开通制动回路，将能量迅速消耗在外部制动电阻上，有效的限制母线电压。动态制动单元4它可用于永磁同步电机，当制动有效或断电时使电机快速停止。制动时通过一个接触器和制动电阻使电机的三相绕组短接。电机中残留的能量通过动态制动模块内部制动电阻转换为热量。
[0032]控制电源7为装置中所有功能电路的供电。其输入电压为24V，输出电压为±15V、+5V、+3.3V、+2.5V、+ 1.2V等。采用集成度高的DC-DC电源芯片设计，电源功率密度高，输出纹波电压小。
[0033]主控电路8为DSP+FPGA架构，DSP采用TI公司的TMS320F2812，FPGA采用ALTERA公司的EP3C16Q240C8N，主要由DSP完成核心电机控制算法和与上位机的通信，采用矢量控制算法，提高控制动态性能;FPGA完成总线协议传输、编码器信息解码等功能。
[0034]光纤总线接口33，GLINK光纤运动控制现场总线，总线协议解析由FPGA完成，物理层芯片为RTL8201BL，采用10Mbps的高速光纤介质，高速响应机器人系统的控制指令，并且保证其严格同步运行；同时将机器人各关节位置、负载率、温度等物理信息回传系统，保证运动控制的实时性与可靠性。编码器接口 31采用高速差分芯片，支持最大编码器信号频率20M，支持SS1、BISS和Endat协议，实现控制系统的位置闭环。抱闸控制接口 32:通过一级中间继电器将控制器输出的抱闸控制信号输出放大，可直接驱动电机抱闸装置。RS232通信接口 34可与上位机进行通信，通过专用上位机软件进行配置和数据采集，便于工业现场问题的分析和调试。数字1接口 35主要作为外围电气设备的反馈输入，采用隔离方案设计，隔离电压达2kV，有效的防止外围电气设备的损坏对本驱动装置造成损坏。霍尔传感器37.1和母线电压采集单元38将电流和母线电压信息进行采集，霍尔传感器37.1具备电气隔离、精度高、线性度好、动态性能好、工作频带宽、过载能力强、尺寸小、灵敏度高、可靠性高、抗干扰能力强等优点，在工业现场应用颇具优势。霍尔传感器37.1输出信号经电流检测模块37.2进行调整至AD器件输入电压范围后连接至主控电路8的AD器件接口。
[0035]本发明公开的一种一体化六轴工业机器人驱动装置，通过对机器人电机的电流信息和母线电压信息进行采集和判断达到实时控制机器人的控制，搭建与机器人控制系统的高速信息通道，保证运动控制的实时性与可靠性。
[0036]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种一体化六轴工业机器人驱动装置，其特征在于包括:采集电机工作状态下的电流信息和功率单元的母线电压信息的采集单元(300)，所述采集单元(300)将检测到的信息实时传送至控制单元(200)，所述控制单元(200)将控制机器人的指令信息实时传送至功率单元(100)； 所述功率单元(100)包括上电缓存单元(I)，所述上电缓存单元(I)的输出端与整流单元(2)相连接，所述整流单元(2)与6路电机驱动单元(3)相连接，所述6路电机驱动单元(3)与动态制动单元(4)相连接，所述动态制动单元(4)与机器人的电机相连接； 所述控制单元(200)包括主控电路(8)，所述主控电路(8)通过驱动电路(9)与6路电机驱动单元(3)相连接，所述主控电路(8)上连接有多个外围接口电路； 该驱动装置还包括与采集单元(300)、功率单元(100)和控制单元(200)相连接为该装置提供电能的控制电源(7)。2.根据权利要求1所述的一体化六轴工业机器人驱动装置，其特征还在于:所述整流单元(2)的输出端还连接有电源报警检测单元(5)和回升能量处理单元(6)，所述回升能量处理单元(6)与制动电阻(61)相连接。3.根据权利要求1所述的一体化六轴工业机器人驱动装置，其特征还在于:所述外围接口电路包括编码器接口( 31)、抱闸控制接口( 32)、光纤总线接口( 33)、RS232通信接口( 34)、数字1接口(35)和可扩展电源报警接口(36)，所述编码器接口(31)通过编码器线缆与机器人的电机相连接，所述主控电路(8)通过RS232通信接口(34)与上位机相连接。4.根据权利要求1所述的一体化六轴工业机器人驱动装置，其特征还在于:所述采集单元(300)包括电机电流采集单元和母线电压采集单元(38)，所述电机电流采集单元包括霍尔传感器(37.1)和电流检测模块(37.2)，所述霍尔传感器(37.1)与电流检测模块(37.2)相连接，所述电流检测模块(37.2)和所述母线电压采集单元(38)与控制单元(200)相连接。5.根据权利要求1所述的一体化六轴工业机器人驱动装置，其特征还在于:所述上电缓冲单元(I)包括主动力电输入端子(11)和预充电旁路输入端子(12)，所述主动力电输入端子(11)的输入端与主动力电接触器(16)相连接，所述预充电旁路输入端子(12)与限流电阻(13)相连接，所述限流电阻(13)与继电器(14)相连接，所述继电器(14)和主动力电输入端子(I I)与整流单元(15)相连接，所述整流单元(15)与母线电容(17)相连接。6.根据权利要求5所述的一体化六轴工业机器人驱动装置，其特征还在于:该装置上电时，主动力电接触器(16)不吸合，通过预充电旁路输入端子(12)对母线电容(17)进行充电，待母线电压达到设定的阈值电压后，主动力电接触器(16)吸合同时切断继电器(14)。7.根据权利要求1所述的一体化六轴工业机器人驱动装置，其特征还在于:所述6路电机驱动单元(3)包括六个独立设置的智能功率模块(62)。
【文档编号】H02P6/24GK105846733SQ201610374479
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月30日
【发明人】李文庆, 李作庆, 金蒙, 肖鹏, 隋继平, 王庆朋
【申请人】科德数控股份有限公司