CN112653222A - 一种工业机器人双电源安全工作模块 - Google Patents

Abstract

一种工业机器人双电源安全工作模块，属于工业机器人生产制造技术领域，本发明为解决现有工业机器人断电后从起始位置重新运行的问题。它包括：外部供电电源和超级电容共同作为工业机器人的输入电源；外部供电电源处于供电状态时，超级电容处于充电或浮充电状态，外部供电电源处于断电状态时，超级电容处于供电状态；电源状态检测电路检测外部供电电源的工作状态，输出指示指令，并将指示指令发送至工控机；工控机判断外部供电电源的通断电状态，当外部供电电源处于断电状态时，工控机向电源切换电路发送IO信号；工控机在超级电容供电过程中检测工业机器人的前序操作参数保存是否完成，完成后控制超级电容断开。本发明用于工业机器人生产。

Description

一种工业机器人双电源安全工作模块

技术领域

本发明涉及一种工业机器人双电源安全工作模块，属于工业机器人生产制造技术领域。

背景技术

工业机器人是广泛应用于工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，具有一定的自动性，可依靠自身的动力能源和控制能力实现各种工业加工制造功能。工业机器人被广泛应用于电子、物流、化工等各个工业领域之中。

相比于传统的工业设备，工业机器人有众多的优势，机器人由于具有易用性、智能化水平高、生产效率及安全性高、易于管理且经济效益显著等特点，使得它们可以在高危环境下进行作业。

在工业生产的过程中，可能会出现意外断电的情况。由于现有机器人不具备断电保存功能，如果机器人在工作过程中遇到意外断电的情况，当其再次上电后，它将从起始位置运行轨迹。这将导致断电前的操作(例如焊接、打磨)又重复执行了一遍，导致机器人加工操作的前后不一致，严重者会出现次品或废品。

发明内容

本发明目的是为了解决现有工业机器人断电后从起始位置重新运行的问题，提供了一种工业机器人双电源安全工作模块。

本发明所述一种工业机器人双电源安全工作模块，它包括：

外部供电电源和超级电容共同作为工业机器人的输入电源；外部供电电源处于供电状态时，超级电容处于充电或浮充电状态，外部供电电源处于断电状态时，超级电容处于供电状态；

电源状态检测电路用于检测外部供电电源的工作状态，根据外部供电电源的工作状态输出指示指令，并将指示指令发送至工控机；

工控机根据电源状态检测电路的指示指令判断外部供电电源的通断电状态，当外部供电电源处于断电状态时，工控机向电源切换电路发送IO信号；

电源切换电路接收到工控机的IO信号时，控制超级电容接入供电；

工控机在超级电容供电过程中检测工业机器人的前序操作参数保存是否完成，完成后控制超级电容断开。

优选的，它还包括升压电路和功率放大电路；所述超级电容的供电输出端依次通过升压电路和功率放大电路后连接至工业机器人的供电输入端。

优选的，它还包括状态指示灯，对外部供电电源和超级电容的工作状态进行指示。

优选的，它还包括交流继电器，用于检测工业机器人处于正常上电状态或意外断电状态，交流继电器的常开触点作为超级电容的接入开关，交流继电器的常闭触点作为工业机器人意外断电的指示指令输出端。

优选的，它还包括充电电路，当外部供电电源处于供电状态时，充电电路为超级电容进行充电，在超级电容充满电后充电电路进入恒压工作模式。

优选的，它还包括稳压电路，所述稳压电路包括2路24V稳压电路和1路12V稳压电路，所述稳压电路在外部供电电源处于断电状态时为工业机器人提供稳压电源。

优选的，它还包括切换电路，用于实现外部供电电源和超级电容的供电状态的切换。

优选的，超级电容的电容量依据工业机器人的参数计算，计算方法包括：

工业机器人保持期间所需能量

其中，V_work表示正常工作电压，V_min表示最小工作电压，t表示工作时间，I表示工作电流；

其中，C表示超级电容的电容量；

根据超级电容减少的能量等于工业机器人各支路正常工作所需能量之和，并且工业机器人各支路正常工作所需能量之和即为保持期间所需能量，因此有：

本发明的优点：本发明提出的一种工业机器人双电源安全工作模块，采用外部供电电源和超级电容作为双电源安全模块，与工控机协同完成断电后参数的保存，再上电后能够从断电处接续运行。能够有效地解决意外断电故障在机器人加工生产中带来的影响，提高生产效率，保证产品质量。尤其在一些重要应用场景，给机器人可靠工作提供了保障。

附图说明

图1是本发明所述一种工业机器人双电源安全工作模块的原理框图；

图2是本发明所述一种工业机器人双电源安全工作模块的工作原理图。

具体实施方式

下面将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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种工业机器人双电源安全工作模块，它包括：

外部供电电源和超级电容共同作为工业机器人的输入电源；外部供电电源处于供电状态时，超级电容处于充电或浮充电状态，外部供电电源处于断电状态时，超级电容处于供电状态；

电源状态检测电路用于检测外部供电电源的工作状态，根据外部供电电源的工作状态输出指示指令，并将指示指令发送至工控机；

工控机根据电源状态检测电路的指示指令判断外部供电电源的通断电状态，当外部供电电源处于断电状态时，工控机向电源切换电路发送IO信号；

电源切换电路接收到工控机的IO信号时，控制超级电容接入供电；

工控机在超级电容供电过程中检测工业机器人的前序操作参数保存是否完成，完成后控制超级电容断开。

本实施方式中，所述IO信号为开关量信号。

本实施方式中，外部供电电源处于正常供电状态时，外部供电电源同时为超级电容充电，超级电容充满后转入浮充电状态。浮充电状态是一种连续、长时间的恒电压充电方法，浮充电电压略高于涓流充电，足以补偿蓄电池自放电损失并能够在电池放电后较快地使蓄电池恢复到接近完全充电状态。

本实施方式中，当正常关机时，外部供电电源停止向工业机器人供电，此时超级电容接入为工业机器人供电，工控机查询工业机器人是否完成前序操作参数保存的指令，如未完成，控制相关模块继续执行操作，直至完成前序操作参数保存的相关指令，工控机控制超级电容断开，停止向工业机器人供电。当工业机器人意外掉电时，接入超级电容为工业机器人供电，工业机器人继续完成前序指令，并完成前序操作参数保存等指令，完成后工控机控制超级电容断开，停止向工业机器人供电。

本实施方式中，选用30V/10F的超级电容模组。采用超级电容作为工业机器人后备电源储能方案，具有充电速度快、循环使用寿命长、大电流放电能力强、能量转换效率高、过程损失小等特点。

本实施方式中，双电源安全模块，协同工控机软件一起，完成断电参数保存，再上电，从断点接续运行功能。

进一步的，它还包括升压电路和功率放大电路；所述超级电容的供电输出端依次通过升压电路和功率放大电路后连接至工业机器人的供电输入端。

本实施方式中，所述工业机器人的供电输入端包括工控机、驱动器和接口板的供电输入端。

再进一步的，它还包括状态指示灯，对外部供电电源和超级电容的工作状态进行指示。

再进一步的，它还包括交流继电器，用于检测工业机器人处于正常上电状态或意外断电状态，交流继电器的常开触点作为超级电容的接入开关，交流继电器的常闭触点作为工业机器人意外断电的指示指令输出端。

本实施方式中，采用220V交流继电器作为工业机器人正常上电/意外断电的检测元件，其常开触点作为超级电容接入开关，使系统一上电就给超级电容充电。其常闭触点作为意外断电指示输出，接至IO接口板。

本实施方式中，IO接口板输出另一路IO信号控制双电源安全模块的板载24V继电器，该继电器常开触点与220V交流继电器常开触点并联，在意外断电情况下仍能保证超级电容接入放电电路。在工控机工作参数保存完成后，再输出IO信号切断超级电容供电。

再进一步的，它还包括充电电路，当外部供电电源处于供电状态时，充电电路为超级电容进行充电，在超级电容充满电后充电电路进入恒压工作模式。

再进一步的，它还包括稳压电路，所述稳压电路包括2路24V稳压电路和1路12V稳压电路，所述稳压电路在外部供电电源处于断电状态时为工业机器人提供稳压电源。

再进一步的，它还包括切换电路，用于实现外部供电电源和超级电容的供电状态的切换。

再进一步的，超级电容的电容量依据工业机器人的参数计算，计算方法包括：

工业机器人保持期间所需能量

其中，V_work表示正常工作电压，V_min表示最小工作电压，t表示工作时间，I表示工作电流；

其中，C表示超级电容的电容量；

根据超级电容减少的能量等于工业机器人各支路正常工作所需能量之和，并且工业机器人各支路正常工作所需能量之和即为保持期间所需能量，因此有：

本实施方式中，举例说明，采用如表1所示供电情况的工业机器人：

表1

即：

因为IO板和示教器的工作电流为0.6A，正常工作电压为24V，最小工作电压为18.0V，工作时间为3s，所以IO板和示教器工作所需能量为：

同理可知控制器的工作电流为1.7A，正常工作电压为12V，最小工作电压为10.8V，工作时间为3s，所以控制器工作所需能量为：

驱动器本体的工作电流为3.0A，正常工作电压为24V，最小工作电压为18.5V，工作时间为3s，所以控制器工作所需能量为：

驱动器本体的工作电流为1.92A，正常工作电压为24V，最小工作电压为18.5V，工作时间为3s，所以控制器工作所需能量为：

因为在电路连接时，能量经过升压器降压器并不能以100％的传递效率传递，根据上一章的方案对比，选择了方案一，由于LM338的转换效率为90％，所以在能量转换前，也就是到达LM338时所需要的能量Q就等于转换之后的能量除以转换效率。

所以得到：

计算结果列出了表格如表2：

表2

由于方案选择了10串3V电容器，充电时需要30V，所以超级电容的正常工作电压为30V，最小工作电压为27V，超级电容的总能量Q为各支路能量之和。

Q_总＝Q₁+Q₂+Q₃+Q₄＝455.1J

因此，获得：

超级电容器需要提供至少5.3F的电容，因为本专利选择10个电容串联，所以每个单体电容的容量至少是10个5.3F为53F，最终选用电容100F，额定电压3V。

本发明中，在意外断电情况下，超级电容进入放电状态，通过稳压芯片提供2路24V电源和1路12V电源，其中1路24V电源给驱动器供电，1路24V电源给IO接口板供电，12V电源给工控机供电。

在外部220V电源断电情况下，双电源安全模块提供1路备用24V电源给驱动器供电，1路备用24V电源给IO接口板供电，备用12V电源给工控机供电。

在正常供电情况下，由外部24V电源并联接出，作为输入电源给超级电容充电。

外部220V电源接至双电源安全模块板载220V交流继电器，检测意外断电情况。其常闭触点作为输出信号提供给IO接口板。其常开触点与控制超级电容接入的继电器的常开触点并联，用于在上电过程中，即给超级电容充电。

超级电容接入控制继电器，其线圈接入IO接口板输出端，在机器人工控机启动完成后，输出控制信号，将超级电容接入。

双电源安全模块提供有超级电容充放电接口。

本发明中，当机器人上电过程中，超级电容接入系统，同时外部开关电源通过比较切换电路和充电电路给超级电容充电。在工控机正常启动后，工控机通过IO接口板控制另一路开关闭合，进行超级电容双路接入。当超级电容充满电后，充电电路转换成恒压工作状态。同时外部开关电源通过切换电路给工控机、IO接口板和驱动器供电。

当机器人意外断电情况下，这时切换电路转换到超级电容供电，超级电容经稳压电路给工控机、IO接口板和驱动器供电。同时，IO接口板接收到断电指示信号，传送给工控机。工控机接收到此信号后，进行运行状态参数保存，在保存完成后，输出控制信号，切断开关电容接入，系统彻底断电。

当机器人再次上电后，机器人读取保存参数，从断点继续按原轨迹运行。

本发明提出的一种工业机器人双电源安全工作模块，采用超级电容作为工业机器人的后备储能电源，超级电容具有充电速度快、循环使用寿命长、大电流放电能力超强、能量转换效率高、过程损失小的特点。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (8)

1.一种工业机器人双电源安全工作模块，其特征在于，它包括：

外部供电电源和超级电容共同作为工业机器人的输入电源；外部供电电源处于供电状态时，超级电容处于充电或浮充电状态，外部供电电源处于断电状态时，超级电容处于供电状态；

电源状态检测电路用于检测外部供电电源的工作状态，根据外部供电电源的工作状态输出指示指令，并将指示指令发送至工控机；

工控机根据电源状态检测电路的指示指令判断外部供电电源的通断电状态，当外部供电电源处于断电状态时，工控机向电源切换电路发送IO信号；

电源切换电路接收到工控机的IO信号时，控制超级电容接入供电；

工控机在超级电容供电过程中检测工业机器人的前序操作参数保存是否完成，完成后控制超级电容断开。

2.根据权利要求1所述的一种工业机器人双电源安全工作模块，其特征在于，它还包括升压电路和功率放大电路；所述超级电容的供电输出端依次通过升压电路和功率放大电路后连接至工业机器人的供电输入端。

3.根据权利要求1所述的一种工业机器人双电源安全工作模块，其特征在于，它还包括状态指示灯，对外部供电电源和超级电容的工作状态进行指示。

4.根据权利要求1所述的一种工业机器人双电源安全工作模块，其特征在于，它还包括交流继电器，用于检测工业机器人处于正常上电状态或意外断电状态，交流继电器的常开触点作为超级电容的接入开关，交流继电器的常闭触点作为工业机器人意外断电的指示指令输出端。

5.根据权利要求1所述的一种工业机器人双电源安全工作模块，其特征在于，它还包括充电电路，当外部供电电源处于供电状态时，充电电路为超级电容进行充电，在超级电容充满电后充电电路进入恒压工作模式。

6.根据权利要求1所述的一种工业机器人双电源安全工作模块，其特征在于，它还包括稳压电路，所述稳压电路包括2路24V稳压电路和1路12V稳压电路，所述稳压电路在外部供电电源处于断电状态时为工业机器人提供稳压电源。

7.根据权利要求1所述的一种工业机器人双电源安全工作模块，其特征在于，它还包括切换电路，用于实现外部供电电源和超级电容的供电状态的切换。

8.根据1-7中任一项权利要求所述的一种工业机器人双电源安全工作模块，其特征在于，超级电容的电容量依据工业机器人的参数计算，计算方法包括：

工业机器人保持期间所需能量

其中，V_work表示正常工作电压，V_min表示最小工作电压，t表示工作时间，I表示工作电流；

超级电容减少的能量

其中，C表示超级电容的电容量；

根据超级电容减少的能量等于工业机器人各支路正常工作所需能量之和，并且工业机器人各支路正常工作所需能量之和即为保持期间所需能量，因此有：

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