CN220913548U - 一种基于EtherCAT总线协议的机器人控制系统用IO从站 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于EtherCAT总线协议的机器人控制系统用IO从站，属于机器人技术领域。解决人工安装及调试中操作繁琐、扩展功能接口困难的问题。包括EtherCAT通讯电路、IO从站数字量输入模块、IO从站数字量输出模块、IO从站数字通讯电路、IO从站可扩展功能模块接口、IO从站可扩展功能模块选择电路和IO从站的控制电路，IO从站的控制电路与EtherCAT通讯电路、IO从站数字量输入模块、IO从站数字量输出模块、IO从站数字通讯电路、IO从站可扩展功能模块接口、IO从站可扩展功能模块选择电路电性连接。本实用新型通用性强，便于调试和装配，满足客户对扩展性的要求。

Description

一种基于EtherCAT总线协议的机器人控制系统用IO从站

技术领域

本实用新型涉及一种基于EtherCAT的控制系统用IO从站，属于机器人技术领域。

背景技术

在工业机器人控制系统中，IO板是系统必备可少的重要部件。而在工业机器人控制系统的设计中，开放兼容、分布互联、多元协同成为工业机器人控制系统的重要特征。在此种发展趋势下，EtherCAT作为一种开放、灵活的工业以太网技术，在工业机器人应用十分广泛。因此，基于EtherCAT协议的IO从站成为现今国产机器人设计的主流方向；而工业机器人因其属于自动化生产线中的柔性环节，所需满足的生产需求也需广泛，进而带动控制系统中IO从站需具有的功能增多。控制系统中各个模块的集成化要求更高，经过调研，基于EtherCAT总线的IO从站绝大多数只单纯具有EtherCAT通讯功能及数字IO量控制部分；且同类产品多采用内部总线的形式，用于扩展除数字量IO外的其他功能模块。由于目前柜内空间受限、操作不便等，EtherCAT总线的IO从站设计装配难度大，可靠性较低，所以实现难度大而且难以适应客户要求的变化。

因此，亟需提出一种基于EtherCAT总线协议的机器人控制系统用IO从站，以解决上述技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决人工安装及调试中操作繁琐、扩展功能接口困难的问题，在下文中给出了关于本实用新型的简要概述，以便提供关于本实用新型的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本实用新型的穷举性概述。它并不是意图确定本实用新型的关键或重要部分，也不是意图限定本实用新型的范围。

本实用新型的技术方案：

一种基于EtherCAT总线协议的机器人控制系统用IO从站，包括EtherCAT通讯电路、IO从站数字量输入模块、IO从站数字量输出模块、IO从站数字通讯电路、IO从站可扩展功能模块接口、IO从站可扩展功能模块选择电路和IO从站的控制电路，IO从站的控制电路与EtherCAT通讯电路、IO从站数字量输入模块、IO从站数字量输出模块、IO从站数字通讯电路、IO从站可扩展功能模块接口、IO从站可扩展功能模块选择电路电性连接。

优选的：所述EtherCAT通讯电路包括EtherCAT从站协议芯片、EtherCAT IN和EtherCAT OUT，EtherCAT从站协议芯片与EtherCAT IN、EtherCAT OUT电性连接，EtherCAT从站协议芯片通过EtherCAT IN与EtherCAT主站电性连接，EtherCAT从站协议芯片通过EtherCAT OUT与其他从站电性连接，EtherCAT从站协议芯片与IO从站的控制电路电性连接。

优选的：所述IO从站数字量输入模块包括24路数字量输入。

优选的：IO从站数字量输出模块包括24路数字量输出。

优选的：还包括IO从站电源电路，IO从站电源电路为EtherCAT通讯电路、IO从站数字量输入模块、IO从站数字量输出模块、IO从站数字通讯电路、IO从站可扩展功能模块接口、IO从站可扩展功能模块选择电路、IO从站的控制电路提供电源。

优选的：IO从站可扩展功能模块接口包括2路编码器读取接口和模拟型焊机扩展接口，IO从站的控制电路与2路编码器读取接口、模拟型焊机扩展接口电性连接。

优选的：还包括编码器数据读取扩展电路板和模拟量焊机扩展电路板，所述IO从站可扩展功能模块接口的模拟型焊机扩展接口与编码器数据读取扩展电路板电性连接，所述IO从站可扩展功能模块接口的2路编码器读取接口与模拟量焊机扩展电路板电性连接，IO从站电源电路为编码器数据读取扩展电路板、模拟量焊机扩展电路板提供电源。

优选的：编码器数据读取扩展电路板包括与模拟型焊机扩展接口电性连接的2路模拟量输入电路、2路模拟量输出电路、6路数字量输入、6路数字量输出，模拟量焊机扩展电路板包括与2路编码器读取接口电性连接的第一ABZ编码器读取电路、第二ABZ编码器读取电路。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型通用性强，便于调试和装配，满足客户对扩展性的要求；

本实用新型的IO从站控制电路主要用于对EtherCAT总线协议的数据收发，执行数字量输入/输出、模拟量输入/输出、CAN总线通讯及增量式编码器的数据读取功能；

本实用新型实现了在IO从站底板硬件不变的情况下对2路增量式编码器读取功能、模拟量焊机控制功能以及数字量IO扩展的功能；采用堆叠式拓展结构，解决了体积大、占用资源以及总体成本提升的问题；

本实用新型基于EtherCAT总线协议的机器人控制系统整体体积小，在降低成本的基础上，提高了IO从站数据传输的实时性、安全稳定性。

附图说明

图1是一种基于EtherCAT总线协议的机器人控制系统用IO从站的示意图；

图2是一种基于EtherCAT总线协议的机器人控制系统用IO从站的立体图。

图中，1-EtherCAT通讯电路，2-IO从站数字量输入模块，3-IO从站数字量输出模块，4-IO从站数字通讯电路，5-IO从站电源电路，6-IO从站可扩展功能模块接口，7-IO从站可扩展功能模块选择电路，8-IO从站的控制电路，9-编码器数据读取扩展电路板，10-模拟量焊机扩展电路板。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本实用新型。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本实用新型的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本实用新型的概念。

具体实施方式一：结合图1-2说明本实施方式，本实施方式的一种基于EtherCAT总线协议的机器人控制系统用IO从站，包括EtherCAT通讯电路1、IO从站数字量输入模块2、IO从站数字量输出模块3、IO从站数字通讯电路4、IO从站可扩展功能模块接口6、IO从站可扩展功能模块选择电路7和IO从站的控制电路8，IO从站的控制电路8与EtherCAT通讯电路1、IO从站数字量输入模块2、IO从站数字量输出模块3、IO从站数字通讯电路4、IO从站可扩展功能模块接口6、IO从站可扩展功能模块选择电路7电性连接；。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种基于EtherCAT总线协议的机器人控制系统用IO从站，所述EtherCAT通讯电路1包括EtherCAT从站协议芯片、EtherCAT IN和EtherCAT OUT，EtherCAT从站协议芯片与EtherCAT IN、EtherCAT OUT电性连接，EtherCAT以太网控制自动化技术，IN输入，OUT输出，EtherCAT从站协议芯片通过EtherCAT IN与EtherCAT主站电性连接，EtherCAT从站协议芯片通过EtherCAT OUT与其他从站电性连接，EtherCAT从站协议芯片与IO从站的控制电路8电性连接；该电路采用LAN9252为从站协议芯片执行数据链路层协议，完成对数据帧的处理，该通讯电路包含两个工业以太网口，机器人控制器即EtherCAT主站连接EtherCAT IN口，主站向从站所连接的从站发送数据，数据从EtherCAT IN口经过LAN9252从站协议芯片经过解析和处理后，一方面从第一个从站的EtherCAT OUT口，向其他从站发送或接收数据，另一方面将第一IO从站的输入/输出数据、通讯数据及状态回发给EtherCAT主站，等待主站(EtherCAT主站)的控制。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种基于EtherCAT总线协议的机器人控制系统用IO从站，所述IO从站数字量输入模块2包括24路数字量输入，IO板底板上设置有24路数字量输出，按输入的公共端分组，24路数字量输入分为3组，每组有8个输入和1个公共端；IO从站数字量输入模块2采用光耦隔离的方式将外部信号与IO板从站的内部电路隔离，保证IO板从站电路的安全，本IO板为满足客户现场接线中所出现的不同情况；24路数字量输入端采用双向导通的高速光耦芯片EL3H7C，无论外部输入是低电平有效还是高电平有效，可将公共端接电源电压还是地来保证外部信号传送至IO从站的控制电路8，IO从站的控制电路8接到数据后通过EtherCAT通讯电路1向EtherCAT主站发送数字量输入数据。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种基于EtherCAT总线协议的机器人控制系统用IO从站，IO从站数字量输出模块3包括24路数字量输出，IO板底板上设置有24路数字量输出，按输出的公共端分组，分为3组，每组有8个输出和1个公共端IO从站数字量输出模块3采用光耦隔离的方式将外部信号与IO板从站的内部电路隔离，保证IO板从站电路的安全，机器人控制器即EtherCAT主站通过EtherCAT网络向IO从站控制电路8发送对外的数字量控制指令，IO从站的控制电路8通过IO从站数字量输出模块3的光电耦合芯片EL817S1C向外部设备发出指令。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种基于EtherCAT总线协议的机器人控制系统用IO从站，还包括IO从站电源电路5，独立供电的IO从站电源电路5为EtherCAT通讯电路1、IO从站数字量输入模块2、IO从站数字量输出模块3、IO从站数字通讯电路4、IO从站可扩展功能模块接口6、IO从站可扩展功能模块选择电路7、IO从站的控制电路8提供电源，IO从站电源电路5、EtherCAT通讯电路1、IO从站数字量输入模块2、IO从站数字量输出模块3、IO从站数字通讯电路4、IO从站可扩展功能模块接口6、IO从站可扩展功能模块选择电路7、IO从站的控制电路8均安装在IO板底板上，该种IO从站采用电路板设计，用以配合机器人柜体及应用需求，可适用于多种机器人电控柜系统，通用性强，既能很好的解决可靠性及人工装配的问题，满足客户对扩展性的要求；IO从站数字通讯电路4(从站外部设备通讯电路)与IO从站控制电路8的主控芯片直接相连，该模块作为IO从站与数字量焊机的通讯接口，机器人控制器即EtherCAT主站首先通过IO从站控制电路8再通过IO从站外部设备通讯电路对外部数字量焊机发送请求连接的数据帧，待外部数字量焊机接收到数字帧后，再向IO从站控制电路8发送指令，从而机器人控制器得到握手信息；IO从站与数字量焊机建立CAN协议的数字通讯，机器人主站通过IO从站向外部数字量焊机进行发送操作指令，同时接收设备的状态数据和指令完成数据。

具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种基于EtherCAT总线协议的机器人控制系统用IO从站，IO从站可扩展功能模块接口6包括2路编码器读取接口和模拟型焊机扩展接口，IO从站的控制电路8与2路编码器读取接口、模拟型焊机扩展接口电性连接；国产兆易创新的GD32系列主芯片作为IO从站控制电路8的主控芯片，用于解析EtherCAT主站传输的网络通信数据，用于接收IO从站数字量输入电路2信息，依据EtherCAT主站命令通过IO从站给定数字量输出模块3信号，通过IO从站数字通讯电路4实现与外部数字焊机设备的通讯交互，可通过IO从站可扩展功能模块选择电路7选择外部扩展模块接口，选择外部通讯接口后，由IO从站的控制电路8的主控芯片与IO从站可扩展功能模块接口6连接，实现控制指令输出与外部状态或数据的输入。

具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种基于EtherCAT总线协议的机器人控制系统用IO从站，还包括编码器数据读取扩展电路板9和模拟量焊机扩展电路板10，所述IO从站可扩展功能模块接口6的模拟型焊机扩展接口与编码器数据读取扩展电路板9电性连接，所述IO从站可扩展功能模块接口6的2路编码器读取接口与模拟量焊机扩展电路板10电性连接，IO从站电源电路5为编码器数据读取扩展电路板9、模拟量焊机扩展电路板10提供电源；IO从站可扩展功能模块接口6可通过IO从站可扩展功能模块选择电路7将数据发送给IO从站控制电路8，IO从站的控制电路8通过外部扩展模块接口6选择IO从站连接编码器数据读取扩展电路板9或模拟量焊机扩展电路板10，IO从站可扩展功能模块接口6与IO从站可扩展功能模块选择电路7联合使用既可以满足焊接作业的用户需求，也可以满足搬运分拣的用户需求。

具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种基于EtherCAT总线协议的机器人控制系统用IO从站，编码器数据读取扩展电路板9包括与模拟型焊机扩展接口电性连接的2路模拟量输入电路、2路模拟量输出电路、6路数字量输入、6路数字量输出，该模块主要功能是为IO从站扩展控制模拟量焊机的功能电路，6路数字量输入/输出电路用作机器人控制器通过IO从站控制和读取模拟量焊机的开关类型信号的功能电路，2路模拟量输出电路主要是机器人控制器(EtherCAT主站)通过IO从站连接外部模拟量焊机的焊接电压和焊接电流信号，控制这两个物理量的大小从而达到机器人控制焊机的目的，2路模拟量输入电路用作读取焊机焊接时的电压、电流信号，通过IO从站可扩展功能模块接口6向IO从站控制电路8发送模拟电压数据，作为对机器人控制器(EtherCAT主站)的反馈信号；模拟量焊机扩展电路板10包括与2路编码器读取接口电性连接的第一ABZ编码器读取电路、第二ABZ编码器读取电路，ABZ编码器的A相、B相、Z相在编码器旋转的时候都会输出脉冲,三相的脉冲是各自独立的按常用的编码器来说，A相和B相的单圈脉冲量是相等的，Z相为一圈一个脉冲，该模块主要功能是为IO从站扩展读取增量式编码器传输数据的功能电路，增量式编码器多采用ABZ差分信号传输，编码器数据读取扩展电路板9具有两路读取ABZ差分信号的功能电路，该电路采用高速光电耦合芯片6N137S，6N137S的输入端接ABZ差分信号，由6N137S的输出端通过，IO从站可扩展功能模块接口6向IO从站的控制电路8发送编码器数据，IO从站的控制电路8接收数据后通过EtherCAT通讯电路1向机器人控制器(即EtherCAT主站)发送编码器数据，为了保证编码器读取及IO从站内部电路安全，采用电源隔离模块与光电耦合器结合使用的设计。

基于EtherCAT总线协议的机器人控制系统用IO从站的具体运行过程如下：机器人控制器(即EtherCAT主站)通过EtherCAT网络协议与IO从站进行数据收发；IO从站的输入接口采集到外部的数字输入信号，隔离电路将外部的数字输入信号的干扰信号进行隔离，再将读取到的数字输入信号发送至IO从站控制电路的主控芯片GD32中；由IO从站控制电路通过EtherCAT从站协议芯片LAN9252将数据发送到机器人控制器(EtherCAT主站)；机器人控制器(EtherCAT主站)通过EtherCAT网络向IO从站发送控制数字量指令，IO从站控制电路得到指令后，解析指令，将所要控制的数字量输出信号发出，信号通过输出隔离电路接口控制IO从站外部的数字量信号；机器人控制器(EtherCAT主站)同时可通过EtherCAT网络向IO从站发送连接外部数字量焊机指令，再有IO从站通过CAN总线通讯协议对外部数字量焊机发送请求连接的数据帧，待外部数字量焊机通过CAN总线通讯协议接收到数字帧后，再向IO从站控制电路发送同意连接指令，从而完成机器人控制器与外部数字量焊机的通讯连接动作；IO从站与数字量焊机建立CAN协议的数字通讯，机器人主站通过EtherCAT网络实现IO从站的控制，利用IO从站通过CAN总线协议实现对外部数字通讯焊机的数据收发，达到控制外部数字量焊机的目的；机器人控制器(即EtherCAT主站)还可以通过EtherCAT网络协议与IO从站建立数据收发，由IO从站控制电路扩展两个功能模块电路；

在本技术方案中，IO从站控制电路主要用于对EtherCAT总线协议的数据收发，执行数字量输入/输出、模拟量输入/输出、CAN总线通讯及增量式编码器的数据读取功能；

本基于EtherCAT总线协议的机器人控制系统用IO从站模块实现了在IO从站底板(电路板)硬件不变的情况下对2路增量式编码器读取功能、模拟量焊机控制功能以及数字量IO扩展的功能；采用堆叠式拓展结构，具有自主与机器人控制器通信的功能，并在此基础上，扩展了模拟量焊机控制、编码器数据读取两种功能，便于调试和装配，解决了体积大、占用资源以及总体成本提升的问题；同时采用EtherCAT总线通讯和CAN总线通讯两种通信方式，既方便适配机器人控制器，也可以适配外部数字量焊机设备，增加了IO从站的通用性、扩展性。

本基于EtherCAT总线协议的机器人控制系统整体体积小，而且可使用网络通信，兼容CAN总线通信协议，可以方便挂载多台IO从站设备在主控制器上，方便IO扩展；采用国产GD32系列芯片作为IO从站控制电路核心结合EtherCAT总线从站协议芯片LAN9252，在降低成本的基础上，提高了IO从站数据传输的实时性、安全稳定性，减轻了主控制器的系统负载，简化了机器人电控系统的结构；采用CAN总线协议、数字量输入/输出与模拟量输入/输出结合的方式，方便连接数字量焊机和模拟量焊机，基于该工业以太网协议设计一种机器人控制系统用IO从站。

在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此本实用新型不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本实用新型所公开。

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，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。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 (8)

1.一种基于EtherCAT总线协议的机器人控制系统用IO从站，其特征在于：包括EtherCAT通讯电路(1)、IO从站数字量输入模块(2)、IO从站数字量输出模块(3)、IO从站数字通讯电路(4)、IO从站可扩展功能模块接口(6)、IO从站可扩展功能模块选择电路(7)和IO从站的控制电路(8)，IO从站的控制电路(8)与EtherCAT通讯电路(1)、IO从站数字量输入模块(2)、IO从站数字量输出模块(3)、IO从站数字通讯电路(4)、IO从站可扩展功能模块接口(6)、IO从站可扩展功能模块选择电路(7)电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于EtherCAT总线协议的机器人控制系统用IO从站，其特征在于：所述EtherCAT通讯电路(1)包括EtherCAT从站协议芯片、EtherCAT IN和EtherCAT OUT，EtherCAT从站协议芯片与EtherCAT IN、EtherCAT OUT电性连接，EtherCAT从站协议芯片通过EtherCAT IN与EtherCAT主站电性连接，EtherCAT从站协议芯片通过EtherCAT OUT与其他从站电性连接，EtherCAT从站协议芯片与IO从站的控制电路(8)电性连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于EtherCAT总线协议的机器人控制系统用IO从站，其特征在于：所述IO从站数字量输入模块(2)包括24路数字量输入。

4.根据权利要求1或3所述的一种基于EtherCAT总线协议的机器人控制系统用IO从站，其特征在于：IO从站数字量输出模块(3)包括24路数字量输出。

5.根据权利要求1所述的一种基于EtherCAT总线协议的机器人控制系统用IO从站，其特征在于：还包括IO从站电源电路(5)，IO从站电源电路(5)为EtherCAT通讯电路(1)、IO从站数字量输入模块(2)、IO从站数字量输出模块(3)、IO从站数字通讯电路(4)、IO从站可扩展功能模块接口(6)、IO从站可扩展功能模块选择电路(7)、IO从站的控制电路(8)提供电源。

6.根据权利要求5所述的一种基于EtherCAT总线协议的机器人控制系统用IO从站，其特征在于：IO从站可扩展功能模块接口(6)包括2路编码器读取接口和模拟型焊机扩展接口，IO从站的控制电路(8)与2路编码器读取接口、模拟型焊机扩展接口电性连接。

7.根据权利要求6所述的一种基于EtherCAT总线协议的机器人控制系统用IO从站，其特征在于：还包括编码器数据读取扩展电路板(9)和模拟量焊机扩展电路板(10)，所述IO从站可扩展功能模块接口(6)的模拟型焊机扩展接口与编码器数据读取扩展电路板(9)电性连接，所述IO从站可扩展功能模块接口(6)的2路编码器读取接口与模拟量焊机扩展电路板(10)电性连接，IO从站电源电路(5)为编码器数据读取扩展电路板(9)、模拟量焊机扩展电路板(10)提供电源。

8.根据权利要求7所述的一种基于EtherCAT总线协议的机器人控制系统用IO从站，其特征在于：编码器数据读取扩展电路板(9)包括与模拟型焊机扩展接口电性连接的2路模拟量输入电路、2路模拟量输出电路、6路数字量输入、6路数字量输出，模拟量焊机扩展电路板(10)包括与2路编码器读取接口电性连接的第一ABZ编码器读取电路、第二ABZ编码器读取电路。