专利名称：具有冗余紧急制动电路的工业机器人的制作方法
具有冗余紧急制动电路的工业机器人
背景技术：
工业机器人是执行机器，其装备有特定的工具，并对多个运动轴，特别是关于方 向、位置和工作流程是可编程的，以自动地处理对象。工业机器人通常包括具有多个轴和杠 杆的机器人臂，利用驱动装置可以使轴和杠杆运动。所述驱动例如是电驱动装置。在紧急情况下，例如当工作人员碰到围绕工业机器人的保护装置时，必须可靠地 停止工业机器人的运动。
发明内容
因此本发明的目的在于提出一种具有至少一个电驱动装置的工业机器人，该机器 人被设置为，在紧急制动时安全、可靠地停止所述电驱动装置的电动机。本发明的目的通过一种具有机器人臂的工业机器人来实现，所述机器人臂具有 多个轴和至少一个电驱动装置，电驱动装置具有电动机和控制电动机的功率电子电路 (Leistimgselektronik)，并设置用于使相关的轴运动，其中，工业机器人被设置为，在紧急 制动时同时利用两个彼此独立的电流通路短接电动机。根据本发明的工业机器人具有机器人臂，机器人臂包括多个轴，这些轴可以分别 通过驱动装置运动。这些驱动装置中至少有一个是电驱动装置。电驱动装置以普遍公知的 方式具有电动机和控制电动机的功率电子电路。为了使电动机运转，例如由根据本发明的 工业机器人的控制装置对功率电子电路进行控制或调整。根据本发明的工业机器人的一种扩展方式，至少一个电驱动装置的电动机是交流 电动机，例如三相同步电动机或三相异步电动机，相关的功率电子电路具有用于驱动交流 电动机的三相逆变器；和具有中间电路电容器并连接在该三相逆变器之前的中间电路。逆 变器例如是变频器，其以普遍公知的方式，例如利用脉宽调制，由中间电路的直流电压产生 具有可调节的基波频率的三相交变电压。这种三相逆变器具有例如第一半桥电路和第二半桥电路，每个半桥电路都包括由 工业机器人控制器的控制装置控制的半导体开关。半导体开关例如是大功率晶体管，例如 IGBTs，它的发射极-集电极路径(Pfade)通过合适的门极触发来截止或导通。因此，通过 对大功率晶体管的适合的门极触发即可实现半导体开关。每个半桥电路可以在交流电动机 的每一相都具有一个半导体开关，所以每个半桥电路总共有三个半导体开关。单独的半导 体开关通常还具有并联的续流二极管。通过半导体开关的双向连接，能够可选择地向电动 机的每个电动机连接点提供正直流电压或负直流电压。因此可以通过对半导体开关的适当 控制，以普遍公知的方式调整或控制位于电动机上的三相电压的基波频率。借助于续流二 极管，电流可以在通向电动机的输入导线(Zuleitimg)中沿任意方向流动。例如，可以借助整流器由电网交变电压产生直流电压，中间电路电容器使该直流 电压平滑。如果电网电压是三相电网电压，则整流器例如是交流_桥式整流器。在紧急情况下，例如当工作人员危险地接近工业机器人时，必须可靠地停止驱动 装置，也就是可靠地停止至少一个电驱动装置或电驱动装置的电动机。这可以通过在电动机中造成短接(kurzschliessen)，从而依靠由此流过的电流使电动机制动来实现。在交流 电动机中，由此所出现的制动力矩在交流电动机的三相短路时达到最大，但是当只有两相 短路时(或完全只有三相中的一相对地短路时)，同样也使电动机制动。现在为了确保在紧急情况下安全、可靠地制动电动机，也即是安全可靠地短接电 动机，根据本发明的工业机器人被设置为，在紧急制动时，同时利用两个彼此独立的电流通 路短接电动机。如果所述两个电流通路中的一个部分地或完全地失效，则仍然可以通过另 一个电流通路可靠地短接电动机。由此，在紧急情况下利用两个相互独立的短接-制动方 法制动根据本发明的工业机器人的电动机。如果电动机是交流电动机并且功率电子电路具有两个半桥电路，则根据本发明的 工业机器人的一种实施方式，工业机器人被设置为，在紧急制动时使第一半桥电路的半导 体开关截止并闭合第二半桥电路的半导体开关，从而使用于紧急制动的两个电流通路中的 一个通过第二半桥电路的半导体开关运行。可以用相对简单的方式实现这种紧急制动。另外，根据本发明的工业机器人可以被设置为，对于紧急制动，通过第一通道使第 一半桥电路的半导体开关截止并闭合第二半桥电路的半导体开关，以及通过与第一通道不 同的第二通道切断中间电路的外部电压。外部电压例如是整流器的电网电压，即，通过切断 电网电压使整流器与电网分离。但是，例如也可以通过使整流器与中间电路分离来切断外 部电压。根据本发明的工业机器人的一种变形，中间电路具有第一制动电阻和第一开关， 在此，根据本发明的工业机器人被设置为，在紧急制动期间闭合第一开关，使制动电阻与 中间电路电容器并联，从而使用于紧急制动的两个电流通路中的一个通过第一制动电阻运 行。第一开关例如具有第一半导体开关和/或由第一继电器控制的第一机械开关。在工业 机器人正常运行时第一开关打开，工业机器人只在短接制动时闭合第一开关。由此通过续 流二极管短接中间电路电容器，并因此短接电动机。但是，当例如中间电路电容器的电压超 过最大容许电压时，在正常运行时也可以短时间接通第一制动电阻。例如，如果在紧急制动时不但通过中间电路的制动电阻，而且还通过逆变器来短 接电动机，则电动机的电流将主要流经闭合的第二半桥电路的半导体开关。如果例如一个 或多个半导体开关失效或起作用，则无法令人满意地控制半导体开关，这样电流就可以通 过中间电路的制动电阻流动，由此保证可靠的紧急制动。根据本发明的工业机器人的一种变形，工业机器人可以具有第二开关，在此，根据 本发明的工业机器人被设置为，在紧急制动期间闭合该第二开关，以直接短接电动机。但 是，根据本发明的工业机器人还可以具有第二制动电阻，在此，根据本发明的工业机器人被 设置为，在紧急制动期间闭合第二开关，从而通过该第二制动电阻直接短接电动机，从而使 两个用于紧急制动的电流通路中的一个通过第二制动电阻运行。第二开关具有例如第二半 导体开关和/或由第二继电器控制的第二机械开关。根据这种变形，对于紧急制动，也可以 将电动机绕组通过第二制动电阻直接短接到例如从功率电子电路到电动机的输入导线上。还可以对控制路径和/或电流路径进行检查和/或测试。例如可以将用于激活逻辑电路的电流路径的控制信号返回并与额定值进行比较。在正常运行时，可以对潜在的电流路径进行检查，因为只有在有效运行的情况下 才能进行无差错的电机运行。
如果例如通过第二制动电阻制动电动机，则例如第二开关的继电器可以具有辅助 触点，基于这些辅助触点，例如在激活继电器时可以产生信号。这样，通过对该信号进行分 析，可以推断出第二机械开关的可靠闭合。替代地或附加地，还可以例如根据电动机电流计 算或测量被制动的电动机的制动力矩。可以对逆变器的功能进行检查，其中，在电动机尚在旋转时确定电动机的电流并 进行分析。对于正常工作的逆变器，不允许电流流经第一半桥电路的续流二极管。这例如 可以这样进行检查其中，在中间电路的关断电压下通过第一制动电阻来确定中间电路电 容器的放电并进行分析。如果该放电与自放电曲线(Selbstentladimgskurve)相符，则没 有电流流经第一半桥电路的续流二极管，在此自放电曲线是根据第一制动电阻的欧姆电阻 和中间电路电容器的电容得到的。还可以在电动机尚在旋转时测量或计算电动机的制动力矩。也可以在电动机静止时例如通过测量中间电路电容器上的电压并进行分析来检 查中间电路。在接通第一制动电阻之后，该电压必然取决于中间电路电容器的电容、第一制 动电阻的欧姆电阻以及可能由旋转的电动机反馈的能量地下降。还可以确定通过第一制动 电阻的电流并进行分析，或在电动机仍在旋转时确定和分析电动机的制动力矩。
在附图中举例示出了本发明的实施例。图1示出了一种工业机器人，图2以方框图的形式示出了工业机器人的电驱动装置，图3示出了电驱动装置的一部分的细节，图4和图5示出了说明电驱动装置的部分的运行状态的示意图，图6示出了功率电子电路的中间电路，以及图7示出了适于制动电动机的电路。
具体实施例方式图1示出了工业机器人1，其具有在6个自由度上运动的运动学。工业机器人1以 普遍公知的方式具有关节2-5、杠杆6、六个运动轴A1到A6以及法兰13。轴A1-A6中的每一个都通过驱动装置运动，在本实施例中的驱动装置为电驱动装 置，并且各具有一个电动机7-12。在此，电动机7驱动轴A1，电动机8驱动轴A2，电动机9 驱动轴A3，轴A4-A6通过在图1中未详细示出但为专业人员所熟知的电动机10-12驱动。在本实施例中的电动机7-12是交流电动机，尤其是同步电动机。电动机7-12分 别由功率电子电路16控制，在本实施例中，功率电子电路16设置在控制装置14中。功率 电子电路16分别以未示出的方式与自身的电动机7-12电连接。在图2中以方框图的形式 举例示出了用于电动机10的功率电子电路16。电驱动装置或者电动机7-12的功率电子电路16与控制计算机15连接，在控制计 算机15上运行合适的且原则上为专业人员所熟知的计算程序，该计算程序以合适的且普 遍公知的方式控制功率电子电路16，由此使工业机器人如同所希望的那样运动。在本实施 例中，控制计算机15与功率电子电路16 —起设置在控制装置14的壳体中。
在本实施例中，每个用于电动机7-12的功率电子电路16都具有整流器21、中间电 路22和逆变器23。图3准确地示出了中间电路22和逆变器23。中间电路22具有电容器C，而整流器21以普遍公知的方式从三相电网电压产生通 过中间电路22的电容器C平滑的直流电压V。该平滑的直流电压V是逆变器23的输入电 压，逆变器23以普遍公知的方式由直流电压V产生具有可调节的基波频率的三相电压。该 三相电压被提供给电动机10的电动机连接点24，并且该三相电压例如通过脉宽调制(PWM) 生成。在该实施例中，逆变器23具有第一半桥电路23a和第二半桥电路23b，所述半桥电 路分别具有三个带有所属的续流二极管D1-D6的半导体开关。在该实施例中所涉及到的半 导体开关是例如为IGBTs的大功率晶体管T1-T6。第一半桥电路23a的大功率晶体管和所 属的续流二极管用附图标记T1-T3及D1-D3表示，而第二半桥电路23b的大功率晶体管和 所属的续流二极管用附图标记T4-T6及D4-D6表示。第一半桥电路23a的大功率晶体管T1-T3的发射极以普遍公知的方式与电容器C 的连接点电连接，第一半桥电路23a的大功率晶体管T1-T3的集电极以普遍公知的方式与 电动机10的电动机连接点24电连接。第二半桥电路23b的大功率晶体管T4-T6的集电极 与电容器C的另一连接点电连接，第二半桥电路23b的大功率晶体管T4-T6的发射极与电 动机10的电动机连接点24电连接。大功率晶体管T1-T6的栅极与驱动电路25-27连接，驱动电路25_27以公知的方 式接通和断开形成半导体开关的大功率晶体管T1-T6，从而使电动机10的每个电动机连接 点24可选择地位于中间电路22的正或负直流电压VI。因此，通过适当地控制大功率晶 体管T1-T6，能够以普遍公知的方式控制或调整位于电动机10上的三相电压的基波频率。在该实施例中，驱动电路25-27由第一子逻辑电路28控制，另一方面，第一子逻辑 电路28连接安全逻辑电路29。安全逻辑电路29又以未示出的方式连接控制计算机15，或 者作为控制计算机15的一部分。在工业机器人1运行时，有可能出现必须安全地制动电动机7-12的情况。这在该 实施例中可以通过下述方法实现，即，安全逻辑电路29通过第一通道K1向子逻辑电路28 提供信号，从而使子逻辑电路28控制驱动电路25-27，使第一半桥电路23a的大功率晶体管 T1-T3关断(截止)而第二半桥电路23b的大功率晶体管T4-T6接通。由此使电动机10的 定子绕组通过第二半桥电路的大功率晶体管T4-T6短接。在图4中对此有所表示，其中，以 虚线示出了第一半桥电路23a的组成部分，而以实线示出了第二半桥电路23b的组成部分。 由电动机10产生的电流在制动期间流经大功率晶体管T4-T6。同时安全逻辑电路29通过独立于第一通道K1的第二通道K2将信号传送给在图 2中示出的开关S1,开关S1将整流器21与中间电路22分开。替代地或附加地，还可以利 用三相开关S2通过通道K2使整流器21与电网电压分离。为了确保通过短接制动使电动机10安全、可靠地制动，即便是例如逆变器23的组 成部分和/或驱动电路25-27中的一个或多个失效，工业机器人1的电驱动装置还分别具 有第二种可能性利用短接制动来制动电动机7-12。在该实施例中，利用中间电路22的制动电阻30来实现使电动机10制动的第二种 可能性，中间电路22可以借助作为半导体开关的大功率晶体管T7与电容器C并联。大功率晶体管T7例如同样是IGBT，并通过与安全逻辑电路29连接的驱动电路31被接通和关 断。在工业机器人1运行时大功率晶体管T3关断。为了安全的短接制动，安全逻辑电 路29不仅通过第一通道K1将信号发送给子逻辑电路28，以利用逆变器23如前面所述的那 样制动电动机10，而且还通过独立于第一通道K1和第二通道K2的第三通道K3向驱动电 路31发送信号，以关闭中间电路22的大功率晶体管T7，从而通过制动电阻30短接电容器 C。由此也可以通过制动电阻来短接电动机10。在图5中用实线示出在制动期间电动机10 产生的电流所流经的部分。在图5的图示中假设所有的大功率晶体管都截止，从而在电动 机10的制动期间电流经续流二极管D1-D6流动。如果逆变器23在短接制动期间正确地工 作，则由电动机10产生的电流流经第二半桥电路23b的大功率晶体管T4-T6。因此能够确保即使两种制动可能性之一失效也能使电动机10可靠地制动。图6示出了另一种中间电路22'，其可以替代图3和图5中所示出的中间电路22 用于逆变器23。图6所示的中间电路22'的不同之处主要在于附加的继电器32和可借助 继电器32开关的机械开关33，机械开关33与中间电路22'的大功率晶体管T7并联。中 间电路22'具有驱动电路31'以替代驱动电路31，驱动电路31'不仅控制大功率晶体管 T7，还控制继电器32。在工业机器人1正常运行时，机械开关33和中间电路22'的大功率晶体管T7打 开。为了实现安全的短接制动，安全逻辑电路29通过第三通道K3向驱动电路31'发送信 号，从而不仅使大功率晶体管T7闭合，而且还使继电器32控制机械开关33闭合。由此制 动电阻30不仅通过大功率晶体管T7，而且还通过机械开关33与电容器C并联。替代地，中 间电路22'还可以不包括大功率晶体管T7，而是仅通过机械开关33接通制动电阻30。图7示出了另一种制动电动机的可能性。在图7所示出的实施例中，可以利用三 个星形连接的电阻71通过开关短接电动机7。该开关例如可以是大功率晶体管形式的半 导体开关，例如IGBTs ；或者如图7所示，通过例如由继电器73控制的机械开关72来实现。 在工业机器人1正常运行时开关72打开。为了实现安全制动，安全逻辑电路29向驱动电 路74发送信号，驱动电路74据此激活继电器73，从而使驱动电路74闭合开关71。由此使 电动机10短接并被制动。为了实现安全的制动，可以将电动机10的这种制动可能性与上 面所述的利用逆变器23实现的制动可能性并行使用。但是也可能在制动时不使用制动电 阻而直接短接电动机10。此时不需要三相机械开关，而是可以通过两个开关使电动机10的 全部三相短接。替代地，还可以附加地利用制动电阻30和电阻71使电动机制动。但是，为了实现安全制动，还可以利用制动电阻30、电阻71和逆变器23来制动电 动机10。附加地，还可以在这些实施例中对用于制动电动机7-12的组成部分进行检查。如果通过电阻71使电动机10制动，则例如继电器73可以具有辅助触点，根据辅 助触点例如在激活继电器时产生信号。通过对该信号的分析可以推断出开关72的可靠闭 合。替代地或附加地，例如还可以根据电动机电流来计算或测量已制动电动机10的制动力矩。可以对逆变器23的功能进行检查，其中，当电动机10还在旋转时确定电动机10的电流并进行分析。对于正常工作的逆变器23，不允许有电流流过第一半桥电路23a的续 流二极管D1-D3。这种情况例如可以通过下述方法进行检测即在断开整流器21时通过制 动电阻30确定电容器C的放电并进行分析。如果放电与自放电曲线相符，则没有电流流经 第一半桥电路的续流二极管D1-D3，在此，自放电曲线是根据制动电阻的欧姆电阻和电容器 C的电容得到的。还可以当电动机10还在旋转时测量或计算电动机10的制动力矩。也可以在电动机10静止时检查中间电路22，例如通过测量和分析电容器C的电 压。在接通制动电阻30之后，电容器C的电压与电容器的电容、制动电阻的欧姆电阻以及可 能由旋转的电动机反馈的能量相关地下降。还可以确定经过制动电阻的电流并进行分析， 或在电动机10仍然旋转时确定电动机10的制动力矩并进行分析。
权利要求
一种具有机器人臂的工业机器人，所述机器人臂具有多个轴(A1 A6)和至少一个电驱动装置，所述电驱动装置具有电动机(7 12)和控制所述电动机(7 12)的功率电子电路(16)，所述电驱动装置设置用于使相关的轴(A1 A6)运动，其中，该工业机器人(1)设置用于，在紧急制动时同时利用两个彼此独立的电流通路使所述电动机(7 12)短接。
2.如权利要求1所述的工业机器人，其中，所述至少一个电驱动装置的电动机(7-12) 是交流电动机，所述至少一个电驱动装置的功率电子电路(16)具有驱动所述电动机 (7-12)的三相逆变器(23)和连接在该三相逆变器(23)之前且具有中间电路电容器(C)的 中间电路(22)。
3.如权利要求2所述的工业机器人，其中，所述中间电路(22)具有第一制动电阻(30) 和第一开关(T7，32，33)，以及该工业机器人(1)设置用于，在紧急制动期间闭合所述第一 开关(T7，32，33)，使所述制动电阻(30)与所述中间电路电容器(C)并联，从而使所述两个 用于紧急制动的电流通路中的一个通过所述第一制动电阻(30)运行。
4.如权利要求3所述的工业机器人，其中，所述第一开关具有第一半导体开关(T7)和 /或受第一继电器(32)控制的第一机械开关(33)。
5.如权利要求2到4中任一项所述的工业机器人，其中，所述三相逆变器(23)具有第 一半桥电路(23a)和第二半桥电路(23b)，每个半桥电路分别具有由该工业机器人(1)控 制的半导体开关(TI-T6)，该工业机器人(1)在所述紧急制动时被设置为，使所述第一半 桥电路(23a)的半导体开关(TI-T3)截止并闭合所述第二半桥电路(23b)的半导体开关 (T4-T6)，从而使所述两个用于紧急制动的电流通路中的一个通过所述第二半桥电路(23b) 的半导体开关(T4-T6)运行。
6.如权利要求5所述的工业机器人，其被设置为，对于紧急制动通过第一通道(K1)使 所述第一半桥电路(23a)的半导体开关(TI-T3)截止并闭合所述第二半桥电路(23b)的 半导体开关(T4-T6)，通过与所述第一通道(K1)不同的第二通道(K2)切断所述中间电路 (22)的外部电压。
7.如权利要求1到6中任一项所述的工业机器人，具有第二开关(72，73)，并且该工业 机器人(1)被设置为，在紧急制动期间闭合该第二开关(72，73)，从而使所述电动机(7-12)直接短接。
8.如权利要求7所述的工业机器人，具有第二制动电阻(71)，其中，该工业机器人(1) 被设置为，在所述紧急制动期间闭合该第二开关(72，73)，从而使所述电动机(7-12)通过 该第二制动电阻(71)直接短接，从而使所述两个用于紧急制动的电流通路中的一个通过 该第二制动电阻(71)运行。
9.如权利要求7或8所述的工业机器人，其中，所述第二开关具有第二半导体开关和/ 或由第二继电器(73)控制的第二机械开关(72)。
全文摘要
本发明涉及一种具有机器人臂的工业机器人。所述机器人臂具有多个轴(A1-A6)和至少一个电驱动装置，该电驱动装置具有电动机(7-12)和控制电动机(7-12)的功率电子电路(16)，并设置用于使相关的轴(A1-A6)运动。工业机器人(1)被设置为，在紧急制动时同时利用两个彼此独立的电流通路使电动机(7-12)短接。
文档编号B25J19/06GK101896320SQ200880120400
公开日2010年11月24日 申请日期2008年10月29日 优先权日2007年12月11日
发明者松克·马克思, 理查德·施瓦茨, 约瑟夫·霍夫曼 申请人:库卡罗伯特有限公司