工業(yè)機(jī)器人的伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)解析

德系的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中，對于機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng)，定義了3種模式，比如的KUKA工業(yè)機(jī)器人分別定義了 Stop 0 ，Stop 1，Stop 2 。

這種定義模式是與機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的。

圖一

對于此，讀者應(yīng)該先了解工業(yè)機(jī)器人上伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)，以及伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(放大器)的供電模式。

ABB Robot 電機(jī)鏈接機(jī)構(gòu)

ABB機(jī)器人本體(機(jī)械臂)需要六個(gè)自由度，所提供的動(dòng)力來自于6個(gè)三相交流伺服電機(jī)(Servo Motor)，每個(gè)交流電機(jī)除了三組線圈繞組導(dǎo)線外，還有其他部件的引出線：一組接PTC，一組接剎車(Brake)，還有編碼器(Resolver)有三組導(dǎo)線。6個(gè)電機(jī)的剎車電路并聯(lián)成一路，PTC溫度檢測6個(gè)是串聯(lián)成一路。6個(gè)編碼器的電路與SMB相連。六個(gè)電機(jī)動(dòng)力繞組由驅(qū)動(dòng)單元(Drive Unit)供電。

機(jī)器人不工作時(shí)，六個(gè)電機(jī)的剎車電路不通電，電機(jī)依靠剎車片摩擦固定，經(jīng)過減速器后，整個(gè)機(jī)械機(jī)構(gòu)死鎖。工作時(shí)，電機(jī)通電，剎車電路通電，剎車片松開，電機(jī)依靠磁場固定。某個(gè)電機(jī)溫度異常時(shí)，PTC總阻值變大，控制器報(bào)警停止工作。

圖二

機(jī)器人的摩擦制動(dòng)主要靠伺服電機(jī)里面的剎車 (Brake) 機(jī)構(gòu)。一旦剎車釋放，伺服電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)就會受到阻力。（如圖一，黑色部分代表剎車，藍(lán)色部分為電機(jī)轉(zhuǎn)子，工作時(shí)兩者分離，摩擦制動(dòng)時(shí)兩者貼合摩擦。）

而對于伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的供電模式，工業(yè)機(jī)器人電氣系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)是串聯(lián)兩個(gè)接觸器，而這兩個(gè)接觸器的吸合放開控制，由機(jī)器人的安全電路模塊來控制。

再看如何使運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng)，

方法1、 通過驅(qū)動(dòng)器，使電機(jī)減速；

方法2、直接切斷驅(qū)動(dòng)器供電，釋放電機(jī)剎車，靠剎車片摩擦來制動(dòng)。

（是不是有點(diǎn)類似汽車駕駛的制動(dòng)，一種可以用發(fā)動(dòng)機(jī)來制動(dòng)，一種可以打開離合，用腳剎來制動(dòng)。）

所以兩種制動(dòng)方法結(jié)合起來，就組成了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)停止模式。

Stop 0直接切斷驅(qū)動(dòng)器供電，同時(shí)釋放剎車。

Stop 1 先驅(qū)動(dòng)器控制減速制動(dòng)，然后再切斷驅(qū)動(dòng)器供電，同時(shí)釋放剎車。(KUKA是1秒后切斷電源 *注2)

Stop 2 只通過驅(qū)動(dòng)器減速制動(dòng)，不切斷驅(qū)動(dòng)器供電，不釋放剎車。

考慮一下，對于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的影響？

答案顯而易見的，Stop 0 的停止模式，運(yùn)動(dòng)是不受控的，所以機(jī)器人停止時(shí)，TCP 可能偏移了路徑；而Stop 1 和 Stop 2 的模式，運(yùn)動(dòng)是受驅(qū)動(dòng)器減速控制的，機(jī)器人停止時(shí)，TCP 會停在路徑上。

為什么要介紹這個(gè)呢？因?yàn)樵诠I(yè)設(shè)備使用過程中，安全是個(gè)很重要的話題，了解了工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)停止模式，那么我們就可以更好的規(guī)劃現(xiàn)場布局和編制工業(yè)機(jī)器人程序。

再回到機(jī)器人系統(tǒng)上，如果我們給機(jī)器人發(fā)出了停止信號，機(jī)器人并不是能立即瞬間停止運(yùn)動(dòng)。設(shè)想一下汽車駕駛員所做的一個(gè)剎車過程，我們考慮最極端的情形，當(dāng)一輛高速行駛的汽車突然發(fā)現(xiàn)前面車輛突然停車，而且自身也沒其他道路可走，駕駛員所能做的就是努力踩下剎車并祈禱趕快停止(這里我們不考慮賽車手做180度轉(zhuǎn)彎的情況 XD )，不然就與前車追尾了。從眼睛觀察到前車異常并傳送給大腦然后大腦下達(dá)大腳踩下剎車這一過程，屬于人這個(gè)控制系統(tǒng)自身的反應(yīng)時(shí)間，在這段時(shí)間里，汽車仍然在全速前進(jìn)。踩下剎車后，剎車片就參與制動(dòng)直至運(yùn)動(dòng)停止，這一段汽車前進(jìn)的距離就是剎車距離。

對于機(jī)器人系統(tǒng)，要停下來，同樣要考慮這兩個(gè)過程。

一是從控制系統(tǒng)接收到停止信號并處理到切斷電源或即將執(zhí)行電機(jī)制動(dòng)這段過程，總線、處理器等模塊會造成時(shí)間延遲，機(jī)器人仍然會運(yùn)動(dòng)并通過一段距離。

二是電機(jī)剎車(Brake)釋放后，電機(jī)剎車片摩擦制動(dòng)，機(jī)器人要走過一段剎車距離。或者依靠電機(jī)本身減速制動(dòng)同樣需要走過一段距離。

在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，這個(gè)停止距離是必須要考慮的因素。汽車行駛要保持安全距離謹(jǐn)防追尾事故，機(jī)器人現(xiàn)場系統(tǒng)同樣也是如此。

編輯：黃飛