王 磊，唐立軍

(1. 長沙理工大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410114; 2. 近地空間電磁環(huán)境監(jiān)測與建模湖南省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410114)

Delta機(jī)器人控制器電路優(yōu)化設(shè)計*

王 磊1，2，唐立軍1,2

(1. 長沙理工大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410114; 2. 近地空間電磁環(huán)境監(jiān)測與建模湖南省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410114)

針對Delta機(jī)器人安全性、可靠性和可維護(hù)性方面的問題，提出了一種設(shè)計高性能Delta機(jī)器人的方法，該方法針對Delta機(jī)器人的試用情況，對控制器硬件電路工作性能、靜電放電、雷擊浪涌、射頻輻射特性等方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和測試分析，進(jìn)一步對Delta機(jī)器人控制器的電源電路、通信電路、信號輸入電路、外殼屏蔽和靜電釋放等關(guān)鍵電路進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。通過優(yōu)化前后的測試結(jié)果表明，優(yōu)化改進(jìn)后的控制器硬件電路的多項(xiàng)測試指標(biāo)比之前有較大提升，從而進(jìn)一步提高了Delta機(jī)器人的安全性、可靠性和可維護(hù)性。這種方法對于設(shè)計制作其他機(jī)器人也有較好的借鑒意義。

Delta機(jī)器人；控制器電路；Delta機(jī)器人優(yōu)化設(shè)計

0 引言

1959年恩格爾伯格研制出世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人后，生產(chǎn)線上自動化水平得到了較大提高[1-3]。尤其是并聯(lián)機(jī)器人因高效率、高可靠性等特點(diǎn)，得到廣泛使用，最具代表性的是CLAVEL R博士于1985年發(fā)明的Delta機(jī)器人，它一般具有3個空間自由度(三維空間XYZ平動)和1個轉(zhuǎn)動自由度(繞Z軸旋轉(zhuǎn))，結(jié)構(gòu)簡單、慣性小，速度快、加速度大[4-5]，常用于抓放操作[6]，具有較快運(yùn)動節(jié)拍、較大工作空間以及較高的重復(fù)精度等[7-8]。

控制器作為工業(yè)機(jī)器人的四大核心零部件之一，其硬件電路的任何一部分失效或發(fā)生故障，都會對機(jī)器人的整體性能產(chǎn)生影響。

為更好地防范故障和排除隱患，根據(jù)Delta機(jī)器人的性能指標(biāo)要求，從安全性、可靠性和可維護(hù)性出發(fā)，重點(diǎn)探討控制器電路的優(yōu)化方案，并針對實(shí)驗(yàn)室Delta機(jī)器人在生產(chǎn)線現(xiàn)場出現(xiàn)的實(shí)際問題，依據(jù)靜電放電、雷擊浪涌、射頻輻射等實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對實(shí)驗(yàn)室Delta機(jī)器人控制器電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和實(shí)現(xiàn)，探索高性能 Delta機(jī)器人設(shè)計方法。

1 實(shí)驗(yàn)室Delta機(jī)器人控制器電路的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)方案

Delta機(jī)器人控制器的整體硬件電路框圖如圖1所示，電源電路負(fù)責(zé)供電，MCU最小系統(tǒng)處于中樞地位，負(fù)責(zé)管理和控制存儲電路、報警電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、通信電路、功率輸出電路、信號輸出電路、信號輸入電路。通過控制伺服驅(qū)動、電磁閥等執(zhí)行部件，并接收信號反饋，實(shí)現(xiàn)Delta機(jī)器人的正常工作。

圖1 Delta機(jī)器人控制器硬件電路整體框圖

圖2 電源電路原理圖

1.1 電源電路

如圖2所示，標(biāo)準(zhǔn)+24 VDC作為電源輸入，經(jīng)過流和過壓保護(hù)電路、24 V轉(zhuǎn)5 V的DC/DC開關(guān)電源電路變換為+5 VDC，再經(jīng)過LDO將5 V轉(zhuǎn)為3.3 V。該電路實(shí)現(xiàn)了正常供電和異常保護(hù)的功能。

1.2 通信電路

TTL通信接口電路從MCU的RXD和TXD直接引出，用于編程下載、調(diào)試參數(shù)。RS485通信接口電路用于控制器之間信息交互。該電路采用MAX485芯片及外圍電阻、電容組成，為防止靜電、雷擊浪涌，設(shè)計有對于AB兩路信號的TVS保護(hù)管。該電路實(shí)現(xiàn)了控制器的正常通信、異常保護(hù)等功能。

1.3 信號輸入電路

如圖3所示，采用光電耦合器PS2801-4與外界輸入到控制器的信號進(jìn)行隔絕，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)板內(nèi)電路免受外界大電流、強(qiáng)電壓信號的沖擊。

2 應(yīng)用與測試分析

2.1 工作性能測試

2.1.1重復(fù)上下電測試

由于外部電源不穩(wěn)定， Delta機(jī)器人在快速重復(fù)上電和下電過程中，容易出現(xiàn)不開啟、程序錯亂等安全性故障。而且在下電時，無法提前監(jiān)測電壓以保存當(dāng)前運(yùn)行中的數(shù)據(jù)。

2.1.2重復(fù)接插測試

在實(shí)際工作應(yīng)用中，容易出現(xiàn)過MCU的串口被燒壞、MAX485芯片被燒壞等安全性故障。于是需要重新更換MCU和MAX485芯片以完成整體硬件電路的維修工作。

另外，當(dāng)光電耦合器PS2801-4由于外部強(qiáng)信號沖擊而損壞的時候，不僅容易干擾其余三路信號，而且維修時需要整體進(jìn)行更換。

2.2 靜電放電抗擾度測試

靜電放電測試中，測試點(diǎn)包含了I/O口、指示燈、電源輸入端等裸露在空氣中可能受到靜電干擾的點(diǎn)，在每個點(diǎn)上，以正負(fù)極性各10次、放點(diǎn)間隔為5 s的放電試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)電壓由2.5 kV依次增加至6.4 kV，在試驗(yàn)中觀察被試設(shè)備的工作狀態(tài)。

2.3 雷擊浪涌測試

針對控制器硬件周圍存在的雷擊浪涌干擾，設(shè)計了對于控制器硬件的雷擊浪涌實(shí)驗(yàn)，目的是測試控制器硬件對于雷擊浪涌騷擾的承受能力。

圖3 信號輸入電路

2.4 射頻輻射測試

為了測量控制器硬件的輻射騷擾發(fā)射量，進(jìn)行了微波暗室輻射騷擾量測量，在測試的過程中，控制部分直接暴露在測試環(huán)境中，在此種情況下會發(fā)生輻射超標(biāo)問題。

2.5 近場測試

通過測試發(fā)現(xiàn)，MCU處在144 MHz頻率點(diǎn)出現(xiàn)尖峰，其輻射量達(dá)到了30 dBm以上，可以確定此處為144 MHz處輻射超標(biāo)的輻射源頭。另外頻率小于50 MHz處的輻射量有整體升高的現(xiàn)象，可以確定此處為與DC-DC開關(guān)電源的頻率相關(guān)的輻射點(diǎn)。通過近場測試發(fā)現(xiàn)的144 MHz頻率點(diǎn)和小于50 MHz頻率范圍輻射量升高的現(xiàn)象，可以尋找到輻射源。

3 電路優(yōu)化設(shè)計

對控制器電路在工作性能、靜電放電、雷擊浪涌、射頻輻射、近場方面的測量結(jié)果進(jìn)行分析，選擇了較為關(guān)鍵的電源電路、通信電路、信號輸入電路、外殼屏蔽和靜電釋放等方面進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，設(shè)計了一種更加優(yōu)化的Delta機(jī)器人控制器電路。

3.1 電源電路優(yōu)化

優(yōu)化前的電源電路，雖然設(shè)計有過流保護(hù)電路和過壓保護(hù)電路，然而，在實(shí)際工作應(yīng)用中仍會出現(xiàn)Delta機(jī)器人在快速重復(fù)上電和下電過程中機(jī)器不開啟、程序錯亂等安全性故障，以及下電時無法提前監(jiān)測電壓以保存當(dāng)前運(yùn)行中的數(shù)據(jù)的可靠性和功能上的故障。分析發(fā)現(xiàn)，在機(jī)器人控制器與交流伺服電機(jī)驅(qū)動器的上下電期間，由于內(nèi)部均有MCU微控制單元，兩者工作均受上電后的數(shù)字時序影響，兩者重啟時間和重啟機(jī)制也基本不一致，導(dǎo)致了上述故障。

交流伺服電機(jī)驅(qū)動器為工業(yè)成品，一般無法更改，優(yōu)化后的電源電路中，在過流過壓保護(hù)電路和24 V轉(zhuǎn)5 V的DC/DC開關(guān)電源電路之間增加一路欠壓檢測電路，如圖4所示。當(dāng)檢測到電壓低于某電壓時，欠壓信號發(fā)生翻轉(zhuǎn)，供控制器內(nèi)部MCU微控制單元利用軟件進(jìn)行判斷，做出相應(yīng)動作，消除頻繁上下電帶來的一系列問題。

圖4 優(yōu)化后的電源電路原理圖

3.2 通信電路優(yōu)化

雖然在優(yōu)化前設(shè)計有防止浪涌沖擊的TVS保護(hù)電路，然而在實(shí)際應(yīng)用中仍出現(xiàn)過多次MCU串口被燒壞、MAX485芯片被燒壞等安全性故障。即便串口燒壞不影響MCU的其他性能，但也不得不重新更換MCU才能完成維修工作。由于MCU、MAX485芯片成本較高，且引腳較密，拆卸困難，這樣就給維修工作增添了很高的成本。優(yōu)化后的電路，串聯(lián)了一個小阻值的貼片電阻，實(shí)現(xiàn)了對MCU、MAX485芯片的保護(hù)。

3.3 信號輸入電路優(yōu)化

優(yōu)化前的信號輸入電路中，4路集成在一起的光電耦合器比4個單獨(dú)的光電耦合器及其外圍電阻、電容等元件物料成本降低10%以上，有利于降低控制器的初始物料成本。而且由于4路集成導(dǎo)致的電路布局布線的面積比4個單獨(dú)的光電耦合器及其外圍元件組成的電路面積要節(jié)省30%以上。但在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光電耦合器PS2801-4由于外部強(qiáng)信號沖擊而損壞的時候，不僅容易干擾其余3路信號，而且維修時需要整體進(jìn)行更換，由損壞導(dǎo)致的維護(hù)成本將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過初始物料成本，且不利于產(chǎn)品的安全性和可靠性，節(jié)省電路面積更沒有必要。如圖5所示，將信號輸入電路中的PS2801-4換成4路PS2701-1。優(yōu)化后的電路實(shí)現(xiàn)了后期維護(hù)成本的降低，解決了信號間串?dāng)_問題。

圖5 優(yōu)化后的信號輸入電路

3.4 外殼屏蔽和靜電釋放電路優(yōu)化

優(yōu)化前幾乎沒有外殼與屏蔽措施。更換成金屬外殼后將顯著提高其屏蔽效能[9-12](Shielding Effectiveness,SE)，對其電場和磁場起到雙重屏蔽效果和性能。另外，優(yōu)化前的PCB固定孔處，與外殼連接的螺絲孔附近的布局布線處理只是簡單地與PCB邊緣和內(nèi)部參考GND絕緣，沒有考慮靜電釋放環(huán)節(jié)。雖然能隔絕控制器電路的靜電騷擾，但不利于PCB板內(nèi)部參考GND的積累電荷向大地有效釋放。于是，增加貼片式焊盤，該焊盤有兩個約0.7 mm 間距的尖端，能將板內(nèi)積累電荷通過PCB固定孔傳導(dǎo)到金屬螺絲，然后通過金屬外殼將靜電及時釋放給大地。優(yōu)化后的電路提高了控制器的抗靜電擾度、降低了射頻輻射干擾。

4 對比分析

4.1 工作性能測試

4.1.1快速重復(fù)上下電性能

優(yōu)化之前，當(dāng) Delta機(jī)器人在快速重復(fù)上下電過程中，容易出現(xiàn)不開啟、程序錯亂等安全性故障，而且在下電時，無法提前監(jiān)測電壓以保存重要數(shù)據(jù)。優(yōu)化之后，由于增加一路欠壓檢測電路，不僅實(shí)現(xiàn)了保存重要數(shù)據(jù)的功能，而且基本消除了異常性故障，測試結(jié)果如表1所示。

表1 優(yōu)化前后重復(fù)上下電異常情況對比

4.1.2重復(fù)接插性能

優(yōu)化之前，出現(xiàn)過MCU的串口被燒壞、MAX485芯片被燒壞等安全性故障，于是需要重新更換MCU和MAX485芯片以完成整體硬件電路的維修工作。優(yōu)化之后，基本沒有再出現(xiàn)過MCU的串口被燒壞、MAX485芯片被燒壞的現(xiàn)象，測試結(jié)果如表2所示。

表2 優(yōu)化前后IC燒壞情況對比

優(yōu)化之前，當(dāng)光電耦合器PS2801-4的1路信號受沖擊損壞時，不僅干擾其余3路信號，而且維修時需整體更換。優(yōu)化之后，1路損壞后在維修時也只是更換1路器件，由此增加的物料成本減少70%以上，測試結(jié)果如表3所示。

表3 優(yōu)化前后所增維修物料成本對比

4.2 靜電放電抗擾度測試

優(yōu)化之前，當(dāng)靜電電壓超過5.5 kV時，雖未出現(xiàn)死機(jī)和損壞，但機(jī)器人開始出現(xiàn)抖動現(xiàn)象。優(yōu)化之后，當(dāng)靜電電壓超過5.8 kV時，工作正常，在6.4 kV時才出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，測試結(jié)果如表4所示。

表4 靜電放電優(yōu)化前后對比

4.3 雷擊浪涌測試

優(yōu)化前后的雷擊浪涌測試情況如表5所示，當(dāng)進(jìn)行共模試驗(yàn)時，4.2 kV時還能夠穩(wěn)定工作，電壓再增加設(shè)備才出現(xiàn)了抖動現(xiàn)象，對比之前在4.2 kV時就出現(xiàn)抖動的現(xiàn)象，在性能指標(biāo)上有明顯提高。

表5 雷擊浪涌優(yōu)化前后對比

4.4 射頻輻射測試

優(yōu)化之前，與EN55022的測試標(biāo)準(zhǔn)線對比，有多項(xiàng)射頻輻射指標(biāo)超出標(biāo)準(zhǔn)線。在頻率為30 MHz左右時，輻射量出現(xiàn)了一個小高峰。在144 MHz處出現(xiàn)了非常明顯的幾個輻射超標(biāo)的頻率點(diǎn)，且峰值較為集中。經(jīng)過外殼和屏蔽等優(yōu)化之后，在各個頻段處，輻射量都有一個整體的下降，控制器的輻射發(fā)生量有了明顯的減少，沒有輻射超標(biāo)的頻點(diǎn)，并且個頻段的輻射發(fā)射量與標(biāo)準(zhǔn)值之間有充足的裕量。

5 結(jié)論

結(jié)合Delta機(jī)器人設(shè)計和試用中出現(xiàn)的問題，對其控制器硬件電路進(jìn)行工作性能、靜電放電、雷擊浪涌、射頻輻射特性等方面的測試和分析，根據(jù)測試分析結(jié)果對控制器硬件電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，這種方法有利于提高Delta機(jī)器人的安全性、可靠性和可維護(hù)性。通過對優(yōu)化前后的Delta機(jī)器人進(jìn)行測試對比分析，結(jié)果表明，經(jīng)過這種方法設(shè)計實(shí)現(xiàn)的Delta機(jī)器人有明顯的優(yōu)勢。

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西門子擴(kuò)展數(shù)字化科里奧利質(zhì)量流量測量產(chǎn)品系列，助力過程優(yōu)化

西門子Sitrans FCT030和FCT010數(shù)字轉(zhuǎn)換器現(xiàn)已能夠與口徑范圍為DI 1.5～DN 15的Sitrans F C MASS 2100和Sitrans FC300系列科里奧利質(zhì)量流量傳感器配對使用，從而將數(shù)字化科里奧利流量計平臺的眾多過程優(yōu)化優(yōu)勢擴(kuò)展到小流量應(yīng)用領(lǐng)域，如液體和氣體的配料、定量給料和灌裝等。得益于該產(chǎn)品線的重大改進(jìn)，化工和汽車行業(yè)的客戶都將受益于市場領(lǐng)先的0.1%質(zhì)量流量精度、0.5 kg/m3密度精度和100 Hz信號處理，而啤酒灌裝等應(yīng)用也得以確保最佳精度。

科里奧利流量計系列進(jìn)一步擴(kuò)大的產(chǎn)品范圍使之涵蓋了石油天然氣、船舶和化工行業(yè)中常用的大口徑應(yīng)用。Sitrans FCS400系列傳感器從原來支持DN 15-DN 80口徑，擴(kuò)展到DN 100和DN 150，使其應(yīng)用范圍從OEM和衛(wèi)生行業(yè)控制回路擴(kuò)展到陸上/海上貿(mào)易交接、船舶加油和大規(guī)?；y量等。FCS400是市面上極緊湊的一款科里奧利質(zhì)量流量傳感器，它外形牢固，不受過程干擾影響，同時擁有大量適用于通用標(biāo)準(zhǔn)、衛(wèi)生和NAMUR標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的定制過程接口。

西門子還對轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品線做出了大量改進(jìn)，以便實(shí)現(xiàn)更佳的安裝靈活性和操作簡便性。FCT030推出了墻裝式外殼支持遠(yuǎn)傳型配置，并可選配Modbus或PROFIBUS DP/PA數(shù)字通信，這是在過程中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速交換的最佳協(xié)議。原本就擁有直觀式菜單結(jié)構(gòu)和多種設(shè)置向?qū)У娜珗D形人機(jī)界面(HMI)也得到了重新設(shè)計，菜單布局更加易于操作。創(chuàng)新的SensorFlash?microSD卡功能也更加豐富，提供了先進(jìn)的數(shù)據(jù)儲存和審計跟蹤功能，每次記錄可儲存100條過程參數(shù)、診斷參數(shù)或設(shè)備設(shè)置變更信息。操作人員借此可以分析各個過程的性能并解決任何潛在的問題，從而優(yōu)化工廠效率，以生產(chǎn)出更優(yōu)質(zhì)的終端產(chǎn)品。

(西門子公司供稿)

Circuit optimization design of Delta robot controller

Wang Lei1,2, Tang Lijun1,2

(1. School of Physics and Electronic Sciences, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China;2. Hunan Province Higher Education Key Laboratory of Modeling and Monitoring on the Near-Earth Eletromagnetic Environments, Changsha 410114, China)

For solving the problem on Delta robot’s safety, reliability and maintainability, a method to design a high performance Delta robot is proposed that is applied to the delta robot’s trial situation. The property of the controller is studied and analyzed, including performance of the hardware circuit, static discharge, lightning surge and RF radiation characteristics. It is optimized and improved for the key circuits such as power circuit, communication circuit, signal input circuit, shell shielding and electrostatic releasing of Delta robot controller. The test results show that the performance of the improved controller hardware circuit is greatly improved contrast to the past, and it is improved also about the Delta robot safety, reliability and maintainability. The method is useful for designing and creating any robots.

Delta robot; controller circuit; Delta robot optimization design

TP242.6

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.20.001

王磊，唐立軍.Delta機(jī)器人控制器電路優(yōu)化設(shè)計[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(20)：1-5,9.

2017-03-30)

國家科技支撐計劃(2014BAH28F04)；湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目(15K009)；湖南省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(CX2016B419)

王磊(1983-)，男，碩士，工程師，主要研究方向：信號檢測與處理。

唐立軍(1963-)，男，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：信號檢測與處理。