基于工業機器人安全IO接口控制系統設計

孫英飛　羅愛華　徐亮

摘 要：針對工業機器人安全I/O接口控制系統，主要是將安全接口電路系統分為I/O接口系統和安全處理系統兩部分組成，完成安全邏輯保護功能、伺服接口控制功能、PMAC軸接口功能、PMAC各I/O光電隔離處理以及外圍通訊控制功能設計。通過現場大量的應用驗證了此系統的正確性和可行性。

關鍵詞：工業機器人；I/O接口控制系統；PMAC；光電隔離

中圖分類號：TP242.2 文獻標識碼：B

隨著科學技術的進步和人們對產品質量的要求，大量國外工業機器人已廣泛應用于國內各大工廠的各條生產線上，但是工業機器人安全I/O接口控制系統在國內還是空白。目前各大工廠引進的國外機器人包括KUKA、FUNUC、COMAU等世界知品牌名機器人，而國產工業機器人卻鳳毛麟角，對工業機器人安全I/O接口控制系統的研究就更少了。針對目前機器人技術被國外壟斷的局面，對機器人安全I/O接口控制系統的研究對成本節約和人機安全方面有著重要意義。這套系統用于國產ER165-C30重載點焊工業機器人上，并已投入奇瑞汽車公司焊裝生產線應用直到現在，使得現場較多外圍安全裝置都能得到有效控制，I/O接口擴展方便，系統運行穩定，故障率較低，擁有防塵和散熱保護，維修維護非常方便，不但能滿足生產需求，而且性能穩定。

1 安全I/O接口控制系統設計內容

安全I/O接口控制系統主要分為I/O接口板和安全板兩部分組成，整個系統完成安全邏輯保護功能、伺服接口控制功能、PMAC軸接口功能、PMAC各I/O光電隔離處理以及與外圍設備通訊控制功能。

2 安全I/O接口控制系統整體介紹

工業機器人安全I/O接口控制系統實物如圖1所示。

3 安全I/O接口控制系統各功能介紹

3.1 安全邏輯保護電路

安全I/O接口控制系統的安全邏輯電路是通過判斷PMAC看門狗報警和各種急停（包括機器人控制柜急停、機器人示教盒急停、用戶外部急停、安全門急停、備用急停等），再由軟件編程來控制伺服系統主電源的接通和斷開，通過硬件邏輯電路處理和軟件邏輯判斷來實現對機器人的安全控制。

3.2 伺服控制模塊

安全I/O接口控制系統的伺服控制模塊主要是實現各軸編碼器信號的讀取和發送、位置模式或速度模式的控制，每個軸的伺服使能、伺服準備、伺服報警和電機抱閘的控制。

3.3 伺服使能

安全I/O接口控制系統的伺服使能主要是通過軟件將PMAC使能輸出置位，同時控制機器人各個軸使能。

3.4 伺服準備

安全I/O接口控制系統的伺服準備主要是用來控制，當機器人各個軸的伺服均處于正常狀態下，伺服驅動器才發出伺服準備信號，此時機器人才能將抱閘打開。

3.5 伺服報警和撥碼開關

安全I/O接口控制系統的伺服報警主要是用來控制，當伺服驅動器中任何一軸發生伺服報警時，機器人均產生伺服故障報警，機器人各軸電機輸出抱閘信號使其抱閘，在伺服報警未清除或故障未解決之前，機器人無法運動。此時只有手動將伺服準備和抱閘撥碼開關撥為ON狀態，才能使各軸抱閘打開，才能使未發生伺服報警的軸使能運動。

3.6 PMAC軸接口電路

安全I/O接口控制系統的PMAC軸接口電路主要是用來控制，PMAC與伺服之間的通訊、控制信號的轉接和處理，編碼器位置信號的讀寫、伺服使能、伺服報警、模擬量控制信號、脈沖控制信號、標志位、PMAC看門狗報警處理等。

3.7 輸入輸出接口電路

安全I/O接口控制系統的輸入輸出接口電路主要是用來控制，將PMAC中各軸標志位和通用I/O經輸入輸出電路板用光電隔離處理。輸入以高電平有效，輸出通過繼電器處理，提高帶負載能力，高低電平均有效。可用輸入24個，可用輸出23個。輸入輸出均通過D型頭連接。JJ1和JJ2為輸入口，JJ3、JJ4和JJ5為輸出口。

3.8 指示燈信號

安全I/O接口控制系統的接口板各指示燈從上到下分別為開伺服、示教盒急停、再現、外部急停、安全門急停、備用急停、PMAC主控、PMAC看門狗報警、伺服準備、制動、使能、伺服報警。

結論

此工業機器人安全I/O接口控制系統，已經成功的運用到了安徽埃夫特智能裝備有限公司所有的ER165-C30機器人上，機器人在生產過程中表現了良好的穩定性和安全性，也更好的解決了機器人與外圍設備的信號交互，不但提高了機器人的運行效率，而且也保證了機器人的安全性。

參考文獻

[1]周孝成，孟正大.KUKA機器人運動學算法的研究[J].工業控制計算機，2014，19（09）：64-67.

[2]劉金漢.點焊工業機器人系統的開發與研究[J].機器人，2000，22（07）：156-161.

[3]蘭文寶.基于PMAC的工業機器人控制系統研究與實現[D].哈爾濱工程大學，2013.

[4]陳紅春.基于PMAC的開放式數控系統的研究[D].浙江大學，2006.

[5]黃堅，宋麗蓉.數控伺服系統位置控制模式的研究[J].電氣傳動，2005，12（08）：23-26.

[6]門昌華，關學鋒，胡明.基于PMAC的六自由度機器人開放式控制系統開發[J].機電產品開發與創新，2008，4（08）：15-18.

[7]昕皓.基于PMAC的機器人伺服系統研究[D].東北大學，2009.