CN202763839U

CN202763839U - 一种基于现场总线的pac工业机器人控制系统

Info

Publication number: CN202763839U
Application number: CN 201220457724
Authority: CN
Inventors: 王伟栋
Original assignee: Individual
Current assignee: Suzhou East Automation Technology Co Ltd
Priority date: 2012-09-10
Filing date: 2012-09-10
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2022-09-10

Abstract

本实用新型公开了一种基于现场总线的PAC工业机器人控制系统，包括用于对工业机器人的各机械臂的轴关节进行控制及驱动的机器人轴伺服控制单元，高速实时以太网现场总线，人机交互单元，用于分别对所述机器人轴伺服控制单元和人机交互单元进行控制、且分别与机器人轴伺服控制单元和人机交互单元连接的PAC控制器，以及可扩展式设置、且分别通过高速实时以太网现场总线依次连接至机器人轴伺服控制单元的多个输入输出模块。本实用新型所述系统，可以克服现有技术中结构不合理、安装和维护不方便、可靠性低、精确性差、成本高、以及扩展性差等缺陷，以实现结构合理、安装和维护方便、可靠性高、精确性好、成本低、以及扩展性好的优点。

Description

一种基于现场总线的PAC工业机器人控制系统

技术领域

本实用新型涉及工业机器人技术领域，具体地，涉及一种基于现场总线的可编程自动化控制器（Programmable Automation Controller，简称PAC）工业机器人控制系统。

背景技术

一般地，工业机器人的手臂主要由多个机械臂和相应的轴关节组成，轴关节可以直接与驱动伺服电机连接、也可以通过齿轮箱与驱动伺服电机连接，通过控制相应驱动伺服电机的运动，可实现相应机械臂的运动轨迹和方向的控制。因而，实现对相应驱动伺服电机的精确控制，就可实现工业机器人相应机械臂的自由运动。工业机器人轴关节的单个驱动伺服电机的控制原理，可参见图1。

在图1中，工业机器人轴关节的单个驱动伺服电机控制系统，主要包括依次信号连接的第一比较器11、运动位置控制模块21、第二比较器12、速度控制模块22、第三比较器13、力矩控制模块23、电源单元3和电机（M）4，以及分别信号连接在电机（M）4与第一比较器11及第二比较器12之间、且用于将电机（M）4的速度及位置信号分别反馈至第一比较器11和第二比较器12的速度及位置反馈模块5；电源单元3与第三比较器13信号连接，将电源单元3的电流反馈信号反馈至第三比较器13；第一比较器11，还用于输入机器人轴运动设定信号。

图1中单个驱动伺服电机的控制单元，主要包括力矩控制模块23、速度控制模块22和运动位置控制模块21。为保证控制的精确性，各控制模块（即力矩控制模块23、速度控制模块22和运动位置控制模块21）的控制，均通过电流反馈，速度及位置反馈模块4，实现反馈闭环控制。

目前，工业机器人的控制系统，多采用运动控制部分和伺服驱动部分为一体的方案，即：将工业机器人的多个轴关节（如6轴）的伺服驱动部分装配成一体，运动控制部分通过内部背板总线与伺服驱动部分的各个伺服驱动单元进行通信，实现运动控制。例如，一个6轴机器人控制系统的控制原理，可参见图2；一个6轴机器人控制系统的结构，可参见图3。

在图2中，6轴机器人控制系统，包括依次信号连接的机器人编程开发环境单元、机器人控制单元和伺服电机单元。其中，机器人编程开发环境单元，包括并行设置的机器人应用编程模块、运动设置模块、机教功能模块、计算机辅助制造（computer Aided Manufacturing，简称CAM）编程模块和轨迹CAM图表生成模块。机器人控制单元，包括通过内部背板总线连接的运动控制部分和伺服驱动部分；运动控制部分，包括分别与内部背板总线连接的外部逻辑通讯接口、机器人应用控制模块和轴轨迹CAM图表模块；伺服驱动部分，包括并行设置、且分别与内部背板总线连接的6个驱动及控制机构；每个伺服及驱动机构，包括依次与内部背板总线连接的相应轴驱动模块（如第1至6轴驱动模块中的一个轴驱动模块）、运动位置控制模块、速度控制模块和力矩控制模块。伺服电机单元，包括分别与相应的驱动及控制机构中力矩控制模块连接的电机（M）。

在图3中，6轴机器人控制系统，包括机器人控制单元，以及分别与机器人控制单元信号连接的人机交互单元（用于提供人机界面）、自动化设备逻辑控制单元和伺服电机单元。机器人控制单元，包括分别与人机交互单元及自动化设备逻辑控制单元连接的运动位置控制模块，以及分别与运动位置控制模块及伺服电机单元连接、且并行设置的6个伺服驱动器。自动化设备逻辑控制单元，包括通过串行通信接口（或网口）与机器人控制单元中的运动位置控制模块连接的可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC），与PLC连接的第三输入输出模块53，以及依次通过过程现场总线（Profibus）或DeviceNet总线（是一种低成本的通讯总线）连接的第二输入输出模块52和第一输入输出模块51。伺服电机单元，包括分别与机器人控制单元中的相应伺服驱动器连接的6个伺服驱动机构；每个伺服驱动机构，包括分别与相应伺服驱动器连接的伺服电机7和编码器6，伺服电机7和编码器6连接。

在实现本实用新型的过程中，发明人发现，上述的各工业机器人控制系统，至少存在以下缺陷：

⑴结构不合理：驱动器为一体式设置（即相应伺服驱动器和运动位置控制模块为一体式设置），使得相应驱动器不可能放置到距离每个伺服电机较近的位置；并且，由于各驱动器均为一体式设置，当其中任何一个驱动器发生故障时，其他驱动器也会受到影响，而不能正常工作；

⑵安装和维护不方便：实际安装时，需要使用的电力电缆较多，安装人员经常为选择合适的电力电缆和安装方式而烦恼；另外，由于各驱动器均为一体式设置，当其中任何一个驱动器发生故障时，都会影响到其他驱动器，给维护和保养工作带来不便；

⑶可靠性低：编码器电缆较长，有时会降低速度反馈信号的可靠性；另外，由于各驱动器均为一体式设置，其中任何一个驱动器发生故障时，都会影响其他驱动器的可靠性；

⑷精确性差：编码器较长，有时会降低速度反馈信号的精确性；

⑸成本高：通常状态下，机器人控制单元只是一个自动化设备和生产制造系统的一部分，只有有限的输入输出模块；而自动化设备和生产制造系统自动化设备需要有逻辑控制单元，更多的输入输出模块；实际应用中，还需要另一个PLC，才能实现设备的自动化控制，这样就增加了设备成本；而且，机器人控制单元加PLC的方案，同时也加大了应用开发周期和系统的复杂性，降低了可靠性。

⑹扩展性差：因为运动控制部分和伺服驱动部分之间通过内部背板总线进行通讯，使得多轴驱动扩展受到限制，最多只能扩展到6轴或更多一些。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，针对上述问题，提出一种基于现场总线的PAC工业机器人控制系统，以实现结构合理、安装和维护方便、可靠性高、精确性好、成本低、以及扩展性好的优点。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种基于现场总线的PAC工业机器人控制系统，包括用于对工业机器人的各机械臂的轴关节进行控制及驱动的机器人轴伺服控制单元，高速实时以太网现场总线，人机交互单元，用于分别对所述机器人轴伺服控制单元和人机交互单元进行控制、且分别与机器人轴伺服控制单元和人机交互单元连接的PAC控制器，以及可扩展式设置、且分别通过高速实时以太网现场总线依次连接至机器人轴伺服控制单元的多个输入输出模块。

进一步地，所述机器人轴伺服控制单元，包括与工业机器人的各机械臂的相应轴关节相配合、用于实现速度控制和力矩电流控制、且并行分立设置的多个伺服驱动机构；所述多个伺服驱动机构，依次通过单独设置的高速实时以太网现场总线、和/或与多个输入输出模块及PAC控制器共享的同一高速实时以太网现场总线，连接在PAC控制器和输入输出模块之间。

进一步地，当所述多个伺服驱动机构、多个输入模块及PAC控制器共享同一高速实时以太网现场总线时，PAC控制器为该高速实时以太网现场总线的主站，所述多个伺服驱动机构和输入输出模块均为该高速实时以太网现场总线的从站。

进一步地，所述多个伺服驱动机构的结构相同或不同；可以根据工业机器人的机械臂的实际数量，可以简单的增加和减少伺服驱动机构的数量，例如可以减少到3伺服驱动机构，也可增加到10伺服驱动机构。

当所述多个伺服驱动机构的结构相同时，每个伺服驱动机构，包括通过高速实时以太网现场总线与PAC控制器和输入输出模块连接的伺服驱动器，以及与所述伺服驱动器连接的伺服电机和编码器。

进一步地，在所述多个伺服驱动机构中，每个伺服驱动机构，包括分别与所述PAC控制器和输入输出模块连接的伺服驱动器，以及分别与所述伺服驱动器连接的伺服电机和编码器；所述伺服电机和编码器配合连接。

进一步地，所述人机交互单元，至少包括CPU处理器，用于提供IDE（Integrated Development Environment）编程环境的IDE编程模块，以及用于提供人机界面的操作按键和/或显示模块；所述IDE编程模块、操作按键和/或显示模块，分别与CPU处理器连接，共享同一CPU处理器。

进一步地，所述IDE编程模块，包括并行设置、且分别与所述PAC控制器连接的逻辑编程子模块、运动设置子模块、机教功能子模块、CAM编程子模块、以及轨迹CAM图表生成子模块。

进一步地，所述PAC控制器，包括低功耗主控CPU，依次连接的轴轨迹CAM图表模块、机器人应用控制模块、运动位置控制模块和第一通讯协议模块，以及相连的逻辑控制模块和第二逻辑通讯协议模块；所述逻辑控制模块和运动位置控制模块，分别与低功耗主控CPU连接，共享同一低功耗主控CPU；所述运动位置控制模块，用于实现运动位置控制，即用于实现位置控制；

所述第一通讯协议模块，包括IEC61800-7通讯协议模块（电子功率可调速驱动系统框架与接口)；和/或，所述第二通讯协议模块，包括CANOpen【是一种架构在控制局域网路（Control Area Network，CAN）上的高层通讯协定】通讯协议模块。

进一步地，所述人机交互单元，包括工业计算机、笔记本、掌上电脑和其它具有工业PC机功能的移动终端（如可移动特殊电脑等等）中的任意一种。

进一步地，所述操作按键，包括键盘；和/或，所述显示模块，包括液晶显示屏和/或触摸屏。

进一步地，该系统能够应用工业机器人和/或包括工业机器人的自动化控制设备。

本实用新型各实施例的基于现场总线的PAC工业机器人控制系统，由于包括用于对工业机器人的各机械臂的轴关节进行控制及驱动的机器人轴伺服控制单元，高速实时以太网现场总线，人机交互单元，用于分别对机器人轴伺服控制单元和人机交互单元进行控制、且分别与机器人轴伺服控制单元和人机交互单元连接的PAC控制器，以及可扩展式设置、且分别通过高速实时以太网现场总线依次连接至机器人轴伺服控制单元的多个输入输出模块；可以采用现场总线和PAC控制器，实现对工业机器人各个轴关节的运动控制，从而对实现机器人功能和位置运动的控制；从而可以克服现有技术中结构不合理、安装和维护不方便、可靠性低、精确性差、成本高、以及扩展性差的缺陷，以实现结构合理、安装和维护方便、可靠性高、精确性好、成本低、以及扩展性好的优点。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为工业机器人轴关节的单个驱动伺服电机控制系统的工作原理示意图；

图2为6轴机器人控制系统的工作原理示意图；

图3为6轴机器人控制系统的结构框图；

图4为本实用新型基于现场总线的PAC工业机器人控制系统的工作原理示意图；

图5为本实用新型基于现场总线的PAC工业机器人控制系统的结构框图。

结合附图，本实用新型实施例中附图标记如下：

11-第一比较器；12-第二比较器；13-第三比较器；21-运动位置控制模块；22-速度控制模块；23-力矩控制模块；3-电机（M）；4-速度及位置反馈模块；51-第一输入输出模块；52-第二输入输出模块；53-第三输入输出模块；6-编码器；7-伺服电机。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

根据本实用新型实施例，提供了一种基于现场总线的PAC工业机器人控制系统，该系统能够应用工业机器人和/或包括工业机器人的自动化控制设备。

如图4和图5所示，本实施例包括用于对工业机器人的各机械臂的轴关节进行控制及驱动的机器人轴伺服控制单元，高速实时以太网现场总线，人机交互单元，用于分别对机器人轴伺服控制单元和人机交互单元进行控制、且分别与机器人轴伺服控制单元和人机交互单元连接的PAC控制器，以及可扩展式设置、且分别通过高速实时以太网现场总线依次连接至机器人轴伺服控制单元的多个输入输出模块（如第一输入输出模块51、第二输入输出模块52和第三输入输出模块53）。

其中，上述机器人轴伺服控制单元，包括与工业机器人的各机械臂的相应轴关节相配合、用于实现速度控制和力矩电流控制、且并行分立设置的多个伺服驱动机构；多个伺服驱动机构，依次通过单独设置的高速实时以太网现场总线、和/或与多个输入输出模块及PAC控制器共享的同一高速实时以太网现场总线，连接在PAC控制器和输入输出模块之间。该多个伺服驱动机构的结构相同，在该多个伺服驱动机构中，每个伺服驱动机构，包括分别与PAC控制器和输入输出模块连接的伺服驱动器，以及分别与伺服驱动器连接的伺服电机（如伺服电机7）和编码器（如编码器6）；伺服电机和编码器配合连接。每个伺服驱动器，包括通过现场总线依次连接在PAC控制器与相应伺服电机之间的相应轴驱动模块（如第1至第6轴驱动模块中的一个轴驱动模块）、速度控制模块和力矩控制模块。

优选地，当多个伺服驱动机构、多个输入输出模块和PAC控制器共享高速实时以太网现场总线时，PAC控制器为该高速实时以太网现场总线的总站；多个输入输出模块和多个伺服驱动机构中的相应伺服驱动器，均为该高速实时以太网现场总线的从站。

上述多个伺服驱动机构的结构相同或不同；当多个伺服驱动机构的结构相同时，每个伺服驱动机构，包括通过高速实时以太网现场总线与PAC控制器和输入输出模块连接的伺服驱动器，以及与伺服驱动器连接的伺服电机和编码器。

上述人机交互单元，至少包括CPU处理器，用于提供IDE编程环境的IDE编程模块，以及用于提供人机界面的操作按键和/或显示模块；IDE编程模块、操作按键和/或显示模块，分别与CPU处理器连接，共享同一CPU处理器。该IDE编程模块，包括并行设置、且分别与PAC控制器连接的逻辑编程子模块、运动设置子模块、机教功能子模块、CAM编程子模块、以及轨迹CAM图表生成子模块。该PAC控制器，包括低功耗主控CPU，依次连接的轴轨迹CAM图表模块、机器人应用控制模块、运动位置控制模块和第一通讯协议模块，以及相连的逻辑控制模块和第二逻辑通讯协议模块；逻辑控制模块和运动位置控制模块，分别与低功耗主控CPU连接，共享同一低功耗主控CPU；运动位置控制模块，用于实现运动位置控制，即用于实现位置控制；逻辑控制模块可以采用PLC，实现逻辑控制。

该第一通讯协议模块，包括IEC61800-7通讯协议模块；和/或，第二通讯协议模块，包括CANOpen通讯协议模块。该人机交互单元，包括工业计算机、笔记本、掌上电脑和其它具有工业PC机功能的移动终端中的任意一种。该操作按键，包括键盘；和/或，显示模块，包括液晶显示屏和/或触摸屏。

上述实施例的基于现场总线的PAC工业机器人控制系统，利用了实时高速以太网现场总线的总线最新发展的技术和新型自动化控制器（即PAC控制器）控制技术，可以应用于工业机器人的控制领域。例如，在图4和图5中列举有6伺服电机控制的工业机器人的6个关节轴（简称6轴）的运动。6轴的工业机器人可实现许多领域的应用，有着很强的柔性运动轨迹。6个独立的伺服驱动器分别与6个伺服电机对应连接，并分别与用于实现电力动力连接和速度反馈功能的编码器连接。PAC控制器通过实时以太网支持总线将6个伺服驱动器和3个从站的3个输入输出模块连接起来。伺服驱动器和输入输出模块可以共享同一现场总线，从而实现工业机器人和自动化设备一体化的控制。

具体实施时，上述伺服驱动器可以采用德国Metronix伺服驱动器，PAC控制器可以采用凯姆特PAC控制器，输入输出模块可以采用凯姆特输入输出模块。例如，可以采用德国Metronix最新的ARS2000系列伺服驱动器，该系列伺服驱动支持实时以太网现场总线（EtherCat）；PAC控制器可以采用凯姆特最新PAC-510的PAC控制器，该款PAC装载了Intel低功耗Atom CPU，支持运动控制、逻辑控制和Integrated HMI 软件操作界面；输入输出模块可以选用凯姆特现场总线模块。

上述实施例的基于现场总线的PAC工业机器人控制系统，利用现场总线通讯和自动化控制器（PAC）等自动化控制技术，实现工业机器人的多个轴关节的控制；工业现场总线采用了工业以太网技术和实时通讯协议；伺服驱动器与伺服电机，分别与用于进行电力动力和速度采集的编码器（如速度编码器）相连接，伺服驱动器仅对伺服电机进行速度闭环控制；编码器的速度信号通过伺服驱动器的实时现场总线，传送至工业机器人的控制器；工业机器人的控制器采用了PAC控制器，PAC控制器装载有具有运动控制功能和生成工业机器人各轴关节运动位置轨迹涉图表（Profile）功能；根据工业机器人各轴关节运动位置运动轨迹图表，PAC控制器对工业机器人的运动进行实时的控制。该基于现场总线的PAC工业机器人控制系统，由于采用的现场总线技术和PAC控制器的控制技术，使得各个伺服驱动器能尽可能地安装在相应伺服电机的附近，而PAC控制器可放置在远离工业控制现场的任何合适的地方，从而减少电缆材料和安装成本，同时短距离的编码器电缆，可大大增加速度反馈信号的可靠性和精确性。

上述实施例的基于现场总线的PAC工业机器人控制系统，至少具有以下特点：

⑴利用实时以太网高速现场总线实现对工业机器人各个轴关节的运动控制；

⑵在⑴的基础上，实时以太网高速现场总线同时连接有输入输出模块、其他传感器（如编码器或其他速度及位置传感器）、执行元件（如伺服电机）和驱动装置（如伺服驱动器）；

⑶PAC控制器为实时以太网高速现场总线的主站（Master），其他连接在现场总线上伺服驱动器、输入输出模块等等其他装置均为从站；

⑷ PAC控制器为该工业机器人的主控制器，实现机器人功能和位置运动的控制；而伺服驱动器实施电机的速度和电流控制；

⑸可以通过以太网LAN接口与上位机（即人机交互单元）相连接，上位机用于实现对该基于现场总线的PAC工业机器人控制系统的逻辑编程、工业机器人的轨迹机教和该基于现场总线的PAC工业机器人控制系统的状态监视；上位机可为桌面工业电脑、手持专用装置和笔记本电脑等等。

上述实施例的基于现场总线的PAC工业机器人控制系统，至少可以达到以下有益效果：

⑴体现了系统功能的模块化和组件化，实际应用中可根据需求进行灵活的扩展；

⑵实际应用时，可节约安装成本和电缆材料成本；

⑶伺服驱动器和输入输出模块可以共享同一现场总线，使得工业机器人与自动化设备控制一体化，结构简单且合理，可靠性增强；

⑷工业机器人的应用控制、运动控制和自动化设备应用控制共享同一开发平台，使用者可大大减少应用开发周期；

⑸安装、运行和维护均较简单。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种基于现场总线的PAC工业机器人控制系统，其特征在于，包括用于对工业机器人的各机械臂的轴关节进行控制及驱动的机器人轴伺服控制单元，高速实时以太网现场总线，人机交互单元，用于分别对所述机器人轴伺服控制单元和人机交互单元进行控制、且分别与机器人轴伺服控制单元和人机交互单元连接的PAC控制器，以及可扩展式设置、且分别通过高速实时以太网现场总线依次连接至机器人轴伺服控制单元的多个输入输出模块。

2.根据权利要求1所述的基于现场总线的PAC工业机器人控制系统，其特征在于，所述机器人轴伺服控制单元，包括与工业机器人的各机械臂的相应轴关节相配合、用于实现速度控制和力矩电流控制、且并行分立设置的多个伺服驱动机构；所述多个伺服驱动机构，依次通过单独设置的高速实时以太网现场总线、和/或与多个输入输出模块及PAC控制器共享的同一高速实时以太网现场总线，连接在PAC控制器和输入输出模块之间。

3.根据权利要求2所述的基于现场总线的PAC工业机器人控制系统，其特征在于，当所述多个伺服驱动机构、多个输入模块及PAC控制器共享同一高速实时以太网现场总线时，PAC控制器为该高速实时以太网现场总线的主站，所述多个伺服驱动机构和输入输出模块均为该高速实时以太网现场总线的从站。

4.根据权利要求3所述的基于现场总线的PAC工业机器人控制系统，其特征在于，所述多个伺服驱动机构的结构相同或不同；

5.根据权利要求1所述的基于现场总线的PAC工业机器人控制系统，其特征在于，所述人机交互单元，至少包括用于提供编程环境的IDE编程模块，以及用于提供人机界面的操作按键和/或显示模块；所述IDE编程模块、操作按键和/或显示模块，共享同一CPU处理器。

6.根据权利要求5所述的基于现场总线的PAC工业机器人控制系统，其特征在于，所述操作按键，包括键盘；和/或，所述显示模块，包括液晶显示屏和/或触摸屏。

7.根据权利要求1所述的基于现场总线的PAC工业机器人控制系统，其特征在于，所述PAC控制器，包括低功耗主控CPU，依次连接的轴轨迹CAM图表模块、机器人应用控制模块、运动位置控制模块和第一通讯协议模块，以及相连的逻辑控制模块和第二逻辑通讯协议模块；所述逻辑控制模块和运动位置控制模块，共享同一低功耗主控CPU；所述运动位置控制模块，用于实现运动位置控制，即用于实现位置控制；

所述第一通讯协议模块，包括IEC61800-7通讯协议模块；和/或，所述第二通讯协议模块，包括CANOpen通讯协议模块。

8.根据权利要求1所述的基于现场总线的PAC工业机器人控制系统，其特征在于，所述人机交互单元，包括工业计算机、笔记本、掌上电脑和其它具有工业PC机功能的移动终端中的任意一种。