CN105583828A - 用于使工业机器人的轴停止运转的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于使工业机器人的轴安全停止运转的一种方法或一种系统。工业机器人包括控制装置(501，502)、功率电子器件(201，202，203)和直流电源(300)以及至少一个轴(700)，该轴配置有电动机(100)和机械制动器(600)。为了使轴停止运转，由直流电源向电机的至少一个电机相输送直流电流，由此产生制动力矩。

Description

用于使工业机器人的轴停止运转的方法和系统
技术领域
本发明涉及用于控制工业机器人、特别是使工业机器人的轴安全地停止运转的一种方法和一种系统。
背景技术
工业机器人是配备有三个或多个可自由编程的轴的自动引导的处理机器，这些处理机器配备有适当的工具用以主动地处理对象。它们可以被移动地或静止地使用。这些机器人被设计用在工业环境中(例如汽车生产)，并通常包括操纵器(机器人臂)、控制装置以及用于使操纵器运动的驱动装置。常常通过传感器来监控驱动器和操纵器。这种监控用于控制和调节驱动器。驱动器例如可以是电驱动器，其包括功率电子器件和电动机。
在某些情况下，例如当有人进入围绕工业机器人的保护装置或用于电机参数或轴参数的预先确定的边界值被超过时，需要可靠并迅速地停止工业机器人的运动，以及因此需要使机器人的(多个)轴安全地停止运转。安全地停止运转的目的是阻止会招致危险的运动，以便不会危及机器、工件，特别是人。
在此，标准EN60204-1将机器人的安全停止运转区分为三类：
类别0：通过即时(<200ms)切断驱动器能源供应，使轴不受控制地停止运转。
类别1：在轴到达停止状态之后，通过中断驱动器能源供应，使轴受控地停止运转(＝时间滞后地切断能源供应)。
类别2：在不中断驱动器能源供应的情况下，使轴受控地停止运转。
在许多应用中，例如在非常迅速地运动或被重力加载的轴中，切断驱动器能源不会使轴安全地停止运转，因为轴会继续惯性运转(austrudeln)或由于重力而下垂。因此需要附加的机械制动器，通常为盘式制动器，其例如直接作用于电机轴，并在机器人的无干扰运行中通过通电的电磁铁而保持打开。如果在类别0的停止(Stopp)时切断驱动器能源，制动器因此自动闭合。所有机械制动器的共同点在于：它们均具有一定的触发滞后。在目前通用的盘式制动器中，该触发滞后例如在100ms-200ms的范围内，直至在发出制动信号后制动衬片与制动盘相接触。
由于切断驱动器能源会几乎立刻、即在发出指令后(也就是在发出用于中断能源供应的信号后)的几毫秒后导致切断电机，所以驱动器不受控制地惯性运转直至被机械制动器抓住(Greifen)。此外，由机械制动器引起的制动是有缺陷的，因为较高的机械负荷作用于待制动的组件。
为了避免这些缺点，例如在专利文献WO2009/074396A1中公开了一种用于电机的短路制动，其能够减少轴的惯性运转。为此，通过切断驱动器能源使电动机的电机相短路以及由此产生制动力矩。由于这种短路制动公知地是以电机的电机相中的电流的感应为基础，所以所产生的制动力矩然而与电机的切断驱动器能源的时间点时的转速有关。因此特别是对于缓慢运动的轴或对于直立的、受到重力加载的轴来说，基本上都继续存在下垂这一问题。
发明内容
因此，本发明的目的在于提出用于使一个轴或多个轴安全地停止运转的一种方法和一种系统，其消除了上述缺点，以及因此使轴能够迅速停止运转，以便特别是减少或避免轴的惯性运转和下垂。本发明的目的通过一种用于使工业机器人的轴停止运转的方法和一种用于控制工业机器人的系统来实现。
根据本发明的用于使轴停止运转的方法和根据本发明的用于控制工业机器人的系统特别是用于：在避免轴的惯性运转和/或下垂的情况下，对工业机器人的轴进行制动直至轴处于停止状态，并使轴保持在非运动状态下直至轴被重新启动，即停止运转。特别优选地，当发生类别0或类别1的停止时、即不再向驱动器提供驱动器能源时，根据本发明的系统以及根据本发明的方法能够避免惯性运转和/或下垂。
根据本发明的方法或系统涉及工业机器人，该工业机器人具有至少一个轴、配属的驱动器和相应的控制装置。该轴或多个轴可以被设计为旋转或平移的，在此，优选每个轴均配置有节肢和驱动器，以使节肢能够与轴相应地通过驱动器平移或旋转地运动。
驱动器包括：至少一个执行器，该执行器在本发明中被设计为电动机；和配属的功率电子器件。优选地，采用三相的同步机器或异步机器。为了使电机运动，通过工业机器人的控制装置来控制或调节功率电子器件。
优选地，功率电子器件具有用于驱动电机的三相逆变器和前置连接逆变器的中间电路，该中间电路由整流器供电。该逆变器例如借助于脉冲宽度调制(PWM)基于中间电路的直流电压产生三相交流电压，该三相交流电压具有与控制装置的控制信号相应的、可调整的频率和振幅。
控制装置可以既包括控制和/或调节电机所需的硬件，又包括所需的软件。在本发明的范围内同样地也可以考虑完全基于硬件的控制装置。为此，将该控制装置设计为，利用控制信号通过功率电子器件控制电机并监控轴。在此，控制装置将电机的额定值(例如旋转角度、旋转速度或加速度)转换为可以被功率电子器件处理的信号。在本文中所使用的术语“控制信号”包括单个控制信号的情况。
除了对轴的本来的控制和调节之外，优选将控制装置设计为，发送用于使轴停止运转的信号。例如，当控制装置探测到控制错误时就发送使轴停止运转的信号。控制错误可以基于例如监控工业机器人的周围环境安全的传感器的触发。停止运转信号此外也可以通过手动操纵紧急停止开关等来产生。此外，控制错误还可以通过超越驱动器和/或操纵器的容许边界值时由控制装置本身获悉。此外，容许的最高速度、加速度、电机电流和操纵器位置也可以形成可能的边界值。
此外，用于使轴停止运转的信号可以导致电机的机械制动器以及电制动触发。在此，优选为工业机器人的每个电动机配置机械制动器。然而，至少为受到重力加载的轴的电机配备机械制动器。优选地，该机械制动器被配置给电机轴，并被设计为盘式制动器。然而，同样地也可以采用其它合适的制动器。驻车制动器的任务是使运动的质量体或负载被制动而结束运动，或者使它们安全地保持在停止状态中。如开始部分所述，这样的机械制动蒙受一定的触发滞后，即，在制动信号的指令(发出)与制动器实际抓住(产生制动力矩)之间存在通常为100ms-200ms的时间间隔，该时间间隔取决于所使用的制动系统。
根据本发明，设置电动直流制动作为电动制动，然而其可以与其它的电动制动方法(例如短路制动)组合。这对于非常沉重的机器人来说是特别有利的，并且当电机在制动指令的时间点仍然具有足够大的转速时也可能大约是有意义的。在这种情况下，只有当短路制动已经将电机制动到特定的转速时，根据本发明的直流制动才会被使用。
为了触发直流制动，需要设置直流电源(DC-Quelle)，用于产生直流电流。直流电源这样与电机相连接：使直流电流可被输送到电机的至少一个电机相中。优选地，将直流电输送到至少两个电机相中。基于该输入的直流电流在电机中形成静态的磁场，该磁场产生制动力矩并将电机制动，直至电机停止。由直流制动引起的制动力矩与电机转速无关，并优选相应于电机的最大转矩(保持力矩)。因此，这种直流制动除了对要停止运转的轴实施本来的制动之外，还适于使轴保持在所期望的位置上。
根据本发明的一种优选的实施方式，直流电源是不同于电机电源的、独立的电源。因此，也可以在类别0或类别1的停止之后(即切断驱动器能源后)，由直流电源向电机供应直流电流，以产生制动力矩(或保持力矩)。优选地，直流电源是蓄电池或电容器。这样的直流电源以及根据本发明的控制装置可以被单独地设置用于各个待停止运转的轴。替代地，可以通过一个直流电源和一个控制装置实现对多个电机的直流制动(即，对多个轴实行制动)。
附图说明
下面参照附图对本发明的优选的实施方式进行详细的说明。其中：
图1示出了具有六个轴A1-A6的工业机器人；
图2示意性示出了工业机器人控制系统的信号和能量流图；
图3示出了根据本发明第一种实施方式的工业机器人控制系统的信号和能量流图；和
图4示出了根据本发明第二种实施方式的工业机器人控制系统的信号和能量流图。
其中，附图标记说明如下：
1工业机器人
2操纵器
3机器人基座
10节肢
11关节
100电动机
102配置给轴A2的电机
104配置给轴A4的电机
105配置给轴A5的电机
106配置给轴A6的电机
200功率电子器件
201整流器
202中间电路
203逆变器
300直流电源
400电源
500控制装置
501非安全控制器
502安全控制器
503能量切断装置(安全控制器)
504直流制动触发装置(安全控制器)
505机械制动触发装置(安全控制器)
600机械制动器
700轴
800传感装置
A1-A6工业机器人的轴
SE1，SE2，SE3驱动器能量断开信号
SBDC直流制动触发信号
SBm机械制动触发信号
S0轴停止运转信号
vM电机的速度(实际值)
τref控制信号
电机角度，电机转速，电机加速度(额定值)
具体实施方式
在图1中示出了工业机器人1，其具有操纵器2，该操纵器围绕被设计为竖直轴的轴A1可转动地竖立在机器人基座3上。操纵器2一共具有6个旋转轴A1-A6，它们由电动机102、104、105、106驱动。轴A1和A3的电动机基于立体图的原因是不可见的。
图2示意性示出了工业机器人控制系统的信号和能量流图。在图2中信号路径以虚线示出，当能量路径为电能量路径时以实线示出，当能量路径为动力能量路径时以双线示出。
用于执行轴700的额定运动的信号例如以电机角度电机转速和/或电机加速度的形式由控制程序传递到控制装置500。控制装置将该信号转换用于功率电子器件200。在功率电子器件中，根据该信号产生频率和振幅可变的三相交流电压或交流电流，以控制电机100，该电机通过电机轴驱动轴700。通过传感装置800来监控电机的运动以及由此确定运动的实际值。调节回路通过实际值的反馈而闭环。
图3示出了根据本发明第一种实施方式的工业机器人控制系统的信号和能量流图。该系统包括工业机器人，该工业机器人具有至少一个轴700、机械制动器600、带有配属的功率电子器件的电动机100和控制装置。电机100配置给轴700，该电机受到功率电子器件的控制。功率电子器件包括整流器201、中间电路202和逆变器203，并由电源400供电。直流电源300与电机100相连接，以使直流电流能够被输送到至少一个电机相中，以产生制动力矩。通过传感装置800来监控电机，该传感装置将相关的电机参数、例如速度、转矩等传送到控制装置。
在所示出的根据本发明的实施方式中，控制装置被分成两个部分，包括非安全控制器501和安全控制器502。无论是非安全控制器501还是安全控制器502均包括软件和硬件组件，并且可以是冗余系统。
为此将非安全控制器501设计为，通过功率电子器件借助控制信号τref来控制电机，并监控一个轴或多个轴的传感装置800，由此能够以闭环调节电路对轴进行调节。此外，安全控制器502监控传感装置800，并将测量值与容许边界值相比较，以辨识控制错误。例如，如果安全控制器502检测到控制错误，则输出用于使轴停止运转的信号。
在发生类别0停止(“紧急停止”)或类别1停止的情况下，安全控制器向机械制动器发送轴停止运转信号SBm，并优选同时向直流电源发送轴停止运转信号SBDC。另外，优选由安全控制器发出用于断开驱动器能量的信号。这种断开优选通过对合适开关的寻址来进行，这些开关例如为功率晶体管，例如双极晶体管或IGBT。在如图3所示的实施方式中，断开电机的驱动器能源例如可以通过三种不同的方式实现：即，使整个功率电子器件与电源400断开(信号SE1)，或使中间电路201与整流器202断开(信号SE2)，或使功率电子器件与电机断开(信号SE3)。在实践中有这三种类型的其中一种就足够了，并优选采用使功率电子器件与电机断开(信号SE3)。但是，这些不同的开关装置也可以组合使用。
在对轴停止运转信号SBDC的响应中，直流电流被输送到电机的至少一个电机相中，以产生制动力矩。根据本发明的一种实施方式，可调节的直流电源300是功率电子器件的一部分，并被设计为，由整流器201供电，然而优选由功率电子器件的中间电路202供电。在本发明的一种特别优选的实施方式中，直流电源300由中间电路电容器或者说是中间电容器供电，使得系统即使在功率电子器件与电源400断开(信号SE1)之后仍然能够实现直流制动。
替代地，直流电源300也可以是完全冗余的直流电源，并优选是可调节的直流电源。该可调节的直流电源优选被设计用于产生可调节的直流电流，该直流电流不超过预设的最大值，以防止损坏电机。此外，可以将该可调节的直流电源设计为，在向电机相输送直流电流的时间内使直流电流保持不变。
在本发明的一种优选的实施方式中，除了根据本发明的直流制动之外，还设有短路制动。对电机的短路制动被设置在直流制动(即，向直流电源发送轴停止运转信号SBDC)之前。为此，控制装置发出用于触发短路制动的信号，以使电机相短路。该短路产生与电机转速相关的制动力矩。在此，电机相例如通过制动电阻被短路。对此例如参考前述专利文献WO2009/074396A1的开头部分。这种短路制动可以由安全控制器触发，也可以由非安全控制器触发。特别是在高电机转速的情况下，短路制动会产生高制动力矩。在低电机转速的情况下，可以实现的制动力矩将急剧下降，因此采用直流制动。
在本发明的另一种实施方式中，向直流电源发送轴停止运转信号SBDC可以根据例如电机电流或电机转速或轴速度的电机参数进行。优选地，当电机转速已低于1000转/分、优选已低于100转/分、特别优选已低于10转/分时，才会触发向直流电源发送轴停止运转信号SBDC。如上所述，在短路制动的情况下，制动力矩随着电机转速的降低而下降。因此，如果制动力矩低于边界值则转接到根据本发明的直流制动，该直流制动与转速无关地起作用。
本发明能够使电机非常迅速地停止运转，并能够优选地使电机在机械制动器抓住之前完全停止。也就是说，电机优选地在机械制动器的触发滞后期间被电动地制动直至停止状态，使得机械制动器被用作纯粹的驻车制动器。通过这种方式有利地将轴上的机械负荷降至最小程度。
图4示出了根据本发明第二种实施方式的信号和能量流图。与图3所示系统不同的是，控制装置500发出轴停止运转信号S0，该控制装置可以包括安全控制器和非安全控制器。其他的控制装置503、504、505接收信号S0，并将该轴停止运转信号转变为驱动器能量供应断开信号SE1、SE2、SE3(在实践中通常只在一个位置上实行断开)、直流制动触发信号SBDC和机械制动触发信号SBm。在此，能量切断装置503生成信号SE1、SE2和/或SE3并将它们发送给相应的开关，以使驱动器能源与电机断开。直流制动触发装置504产生直流制动触发信号SBDC，并将该信号发送到直流电源300，以触发直流制动。机械制动器触发装置505产生机械制动触发信号SBm，并将该信号发送到机械制动器600。控制装置503、504、505可以滞后地转换信号S0，以实现所需要的时间上的信号顺序。未示出用于触发短路制动的装置。然而，该装置可以如前所述类似地实施。

Claims (10)

1.一种用于使工业机器人(1)的轴停止运转的方法，其中，所述工业机器人包括至少一个控制装置(500)、功率电子器件(200)、直流电源(300)和至少一个轴(700)，所述轴配置有电动机(100)和机械制动器(600)，并且其中，将所述控制装置(500)设计为，利用控制信号(τref)通过所述功率电子器件(200)来控制至少一个电机(100)，所述方法具有以下步骤：
a)由所述控制装置(500)向所述机械制动器(600)发送用于使所述至少一个轴停止运转的信号；
b)在所述机械制动器(600)抓住之前，由所述控制装置(500)向所述直流电源(300)发送用于使所述至少一个轴停止运转的信号；
c)在对步骤b)的所述信号的响应中：将所述直流电源(300)的直流电流输送到配置给所述至少一个轴的电机(100)的至少一个电机相中，以产生制动力矩。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述功率电子器件(200)包括整流器(201)、中间电路(202)和逆变器(203)，并由电源(400)供电，并且其中，所述步骤a)和步骤b)中的信号触发类别0的停止或类别1的停止，使得所述电机(100)与驱动器能量断开。
3.根据前面权利要求所述的方法，其中，所述驱动器能量的断开使所述功率电子器件(200)与所述电源(400)断开，优选使所述中间电路(202)与所述整流器(201)断开，并特别优选使所述功率电子器件(200)与所述电机断开。
4.根据前面任一项权利要求所述的方法，其中，所述方法还具有以下步骤：
触发所述电机(100)的短路制动，所述步骤位于步骤b)之前，并且其中，所述控制装置(500)发出短路制动触发信号，并且响应于所述短路制动触发信号使所述电机相短路，以产生制动力矩。
5.根据前面任一项权利要求所述的方法，其中，所述方法的步骤b)根据电机参数被触发，并且其中，当电机转速已低于1000转/分时，优选已低于100转/分时，特别优选已低于10转/分时，步骤b)优选地才会发生。
6.一种用于控制工业机器人、特别是用于使所述工业机器人的轴停止运转的系统，其中，所述工业机器人具有：
至少一个轴(700)，其配置有电动机(100)和机械制动器(600)；
控制装置(500)；和
功率电子器件(200)，其中，
将所述控制装置(500)设计为，利用控制信号通过所述功率电子器件(200)来控制所述电机(100)，并且其中，进一步将所述控制装置(500)设计为，发送用于使所述至少一个轴停止运转的信号，其中，
用于使所述至少一个轴停止运转的所述信号导致所述机械制动器(600)触发以及使配置给所述至少一个轴的电机被电动制动，其中，所述系统为了实现所述电动制动还包括直流电源(300)，所述直流电源与所述电机(100)相连接，以便将直流电流输送到配置给所述至少一个轴的电机(100)的至少一个电机相中，以便产生制动力矩，并且将所述控制装置(500)设计为，在所述机械制动器(600)抓住之前引起对所述电机的电动制动。
7.根据前面任一项权利要求所述的系统或方法，其中，所述直流电源(300)是独立的电源，使得也能够在所述类别0停止或类别1停止的情况下在切断所述电动机的驱动器能量之后执行直流制动。
8.根据前面任一项权利要求所述的系统或方法，其中，所述直流电源(300)是不同于所述电机(100)的功率电子器件(200)的独立电源，或者其中，所述直流电源(300)是所述功率电子器件(200)的一部分并为此被设计为，优选由所述功率电子器件(200)的中间电路(202)供电，更确切地说优选由中间电路电容器供电，使得即使在切断所述电动机的驱动器能量之后也能够执行直流制动。
9.根据前面任一项权利要求所述的系统或方法，其中，所述直流电源(300)是可调节直流电源，并且其中，将所述可调节直流电源设计用于产生被调节的直流电流，所述直流电流不超过预设的最大值并优选在向所述电机相输送所述直流电流的时间内保持不变。
10.根据前面任一项权利要求所述的系统或方法，其中，所述控制装置(500)包括至少一个非安全控制器(501)和安全控制器(502)，并且其中，所述非安全控制器(501)通过所述功率电子器件(200)并根据控制信号来控制所述至少一个电机(100)，所述功率电子器件(200)根据所述控制信号基于所述电源(400)来产生频率和振幅可变的交流电压，用于供应和控制所述至少一个电机(100)，并且其中，所述安全控制器(502)在超过预设的边界值时触发所述类别0或类别1的停止，使得所述电机(100)与所述驱动器能量断开。
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