CN107621799A - 基于晶体管的多关节机器人专用安全信号控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于晶体管的多关节机器人专用安全信号控制电路；解决的技术问题：针对现有多轴机器人的“启动‑报警‑抱闸”采用全继电器控制方案存在的缺点技术问题。采用的技术方案：一种基于晶体管的多关节机器人专用安全信号控制电路，包括多路伺服报警采集电路，与多路伺服报警采集电路的输出相连的伺服报警运算电路，与伺服报警运算电路的输出相连的伺服报警驱动电路，与伺服报警驱动电路的输出相连的报警与启动/停止信号运算电路，与报警与启动/停止信号运算电路输出相连的报警输出与启动自锁电路。优点，本电路，通过晶体管实现多轴机器人的伺服报警信号、急停报警信号、机器人启动/停止信号等安全信号的采集与处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于晶体管的多关节机器人专用安全信号控制电路。
背景技术
基于现在机器人控制柜小型化、集成化的趋势，针对机器人现在更多的是多轴控制方案，代替原有的单轴伺服方案。多轴方案的优势就是集成度高、体积小、性能较单轴伺服方案无损失。针对多轴的控制方案就需要一个统一协调所有伺服报警、电机报警、机器人控制信息等机器人安全信号的电路。
现在已有的针对多轴机器人的“启动-报警-抱闸”控制方案是通过全继电器方式实现，以通用的六轴机器人举例，存在六路的伺服报警、六个电机的抱闸、机器人的急停报警、机器人启动与停止功能，通过各个继电器完成上述功能。
全继电器方式的缺点是：1、所用继电器过多，针对上述功能则需要十几颗继电器，导致电路体积过大，影响控制柜尺寸；2、继电器的响应速度慢,需要毫秒级的时间；3、继电器的价格高于晶体管；4、继电器的使用寿命和开关次数有直接关联,使用寿命不够长；5、继电器的工作会伴发射出较强的电磁干扰。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对背景技术中提及的针对现有多轴机器人的“启动-报警-抱闸”采用全继电器控制方案存在的缺点技术问题。
本发明的设计思想是，针对继电器方案的上述缺点，本专利设计了一种基于晶体管与逻辑芯片的多轴机器人专用安全信号控制电路，安全信号包含机器人启停、各类报警、抱闸等。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于晶体管的多关节机器人专用安全信号控制电路，包括用于采集多关节机器人的多路伺服报警信号的多路伺服报警采集电路，与多路伺服报警采集电路的输出相连的用于对多路伺服报警采集电路输出信号进行或非运算的伺服报警运算电路，与伺服报警运算电路的输出相连的用于提供报警驱动信号的伺服报警驱动电路，与伺服报警驱动电路的输出相连的报警与启动/停止信号运算电路，与报警与启动/停止信号运算电路输出相连的报警输出与启动自锁电路，报警输出与启动自锁电路输出报警信号；
基于晶体管的多关节机器人专用安全信号控制电路，还包括通过24V电源供电的两个外部急停按钮SE1，两个外部急停按钮SE1的信号S5和S6分别接入两个用于采集外部急停按钮SE1的两路急停报警采集电路，两路急停报警采集电路的输出均接入报警与启动/停止信号运算电路；
通过24V电源供电并串联的常开启动按钮SB1和常闭停止按钮SB2，在常开启动按钮SB1和常闭停止按钮SB2之间并联接入报警输出与启动自锁电路内的继电器K1的常开按钮K1A，常开按钮K1A的输出信号S9；常开启动按钮SB1和常闭停止按钮SB2的启动/停止信号S1接入启动/停止信号采集电路，启动/停止信号采集电路的输出接入报警与启动/停止信号运算电路。
对本发明技术方案的进一步改进，基于晶体管的多关节机器人专用安全信号控制电路还包括用于采集多关节机器人的多路电机抱闸信号的多路抱闸电路；多路抱闸电路包括与多关节机器人的电机抱闸信号一一对应的抱闸电路；多个抱闸电路均相同；设多关节机器人的电机抱闸信号为电机1抱闸信号BR1、电机2抱闸信号BR2、……电机N抱闸信号BRN，N为大于等于1的正整数；
抱闸电路包括限流电阻R31、保护电阻R32、电容C9、光耦U3、分压电阻R33、分压电阻R34、+3.9V稳压管、抗干扰电阻R35和N沟道MOS管，限流电阻R31一端接+24V，限流电阻R31另一端和电机抱闸信号BR1同时接入光耦U3的两个输入，在光耦U3的输入端并联过滤电容C9和保护电阻R32且保护电阻R32与过滤电容C9并联设置；光耦U3的两个输出中一个输出连接直流+24V电压，另一个输出串接分压电阻R33一端，分压电阻R33另一端连接分压电阻R34的一端、+3.9V稳压管的正极和抗干扰电阻R35的一端，抗干扰电阻R35的另一端连接N沟道MOS管的栅极；分压电阻R34的另一端、+3.9V稳压管的负极和N沟道MOS管的源极均接地，N沟道MOS管的漏极连接多关节机器人的电机1的抱闸线圈两端。
对本发明技术方案的进一步改进，多路伺服报警采集电路包括与多关节机器人的伺服报警信号一一对应的伺服报警采集电路，多个伺服报警采集电路均相同；设多关节机器人的伺服报警信号为伺服1报警信号、伺服2报警信号、伺服3报警信号、……伺服N报警信号；N为大于等于1的正整数；
伺服报警采集电路包括热敏电阻PTC1、限流电阻R1、发光二极管LED1、保护电阻R2、抗干扰电容C1和TVS二极管，
热敏电阻PTC1的一端作为伺服报警采集电路的输入端，伺服1报警信号接入输入端，同时热敏电阻PTC1的一端连接TVS二极管的一端，TVS二极管的另一端接地；热敏电阻PTC1的另一端接抗干扰电容C1一端、发光二极管LED1的负极和保护电阻R2的一端同时作为伺服报警采集电路的输出端，输出伺服报警采集电路的输出信号AR1；抗干扰电容C1另一端接发光二极管LED1的正极和保护电阻R2的另一端，在发光二极管LED1的负极接限流电阻R1一端，限流电阻R1另一端外接直流+15V电压。
对本发明技术方案的进一步改进，伺服报警运算电路包括对多路伺服报警采集电路的输出信号(AR1～ARN)先进行或非运算，再将或非运算输出进行与运算；具体运算公式为：
AR＝(～(AR1+AR2))&&(～(AR3+AR4))&&……&&(～(ARN-1+ARN)) (公式1)
其中、AR代表多轴伺服报警总输出；AR1、AR2～ARN为伺服报警采集电路输出信号；
根据上述公式可知，当多路伺服均处于正常工作状态时，即AR1～ARN均为低电平，则AR＝1；当有伺服报警时，即AR1～ARN有一路或多路为高电平，则AR＝0。
对本发明技术方案的进一步改进，伺服报警驱动电路包括电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R25、电阻R26、电阻R27、二极管D1、二极管D2、NPN型三极管Q1、PNP型三极管Q2、+5V稳压管、发光二极管LED5、电容C3和电容C7，
电阻R11的一端连接直流+15V电压，电阻R11的另一端作为伺服报警驱动电路输入端接伺服报警运算电路的输出信号AR，同时电阻R11的另一端连接二极管D1的正极，二极管D1的负极连接电阻R12的一端，电阻R12的另一端连接电阻R13的一端、电容C3的一端和NPN型三极管Q1的基极，电阻R13的另一端、电容C3的另一端和NPN型三极管Q1的发射极均接地，NPN型三极管Q1的集电极连接电阻R14的一端和电阻R15的一端，电阻R14的另一端连接直流+24V电压，R15的另一端连接PNP型三极管Q2的基极，三极管Q2的发射极连接直流+24V电压，三极管Q2的集电极连接二极管D2的正极，二极管D2的负极连接电容C7的一端和+5V稳压管的负极，+5V稳压管的正极连接电阻R25的一端和发光二极管LED5的正极，发光二极管LED5的负极连接电阻R26的一端，电阻R26的另一端作为伺服报警驱动电路输出端，输出伺服报警驱动电路的输出信号S-AR-24V，同时电阻R26的另一端连接电阻R27的一端，电容C7的另一端、电阻R25的另一端和电阻R27的另一端均接地。
对本发明技术方案的进一步改进，采集外部急停按钮SE1的信号S5的急停报警采集电路包括电容C4、+5V稳压管、电阻R16、电阻R17、电阻R18和发光二极管LED2，+5V稳压管的负极作为本急停报警采集电路的输入端，同时+5V稳压管的负极连接电容C4的一端，+5V稳压管的正极连接电阻R16的一端和发光二极管LED2的正极，发光二极管LED2的负极连接电阻R17的一端，电阻R17的另一端作为本急停报警采集电路的输出端，输出信号S-S5，同时电阻R17的另一端连接电阻R18的一端，电容C4的另一端、电阻R16的另一端和电阻R18的另一端均接地；
采集外部急停按钮SE1的信号S6的急停报警采集电路包括电容C5、+5V稳压管、电阻R19、电阻R20、电阻R21和发光二极管LED3，+5V稳压管的负极作为本急停报警采集电路的输入端，同时+5V稳压管的负极连接电容C5的一端，+5V稳压管的正极连接电阻R19的一端和发光二极管LED3的正极，发光二极管LED3的负极连接电阻R20的一端，电阻R20的另一端作为本急停报警采集电路的输出端，输出信号S-S6，同时电阻R20的另一端连接电阻R21的一端，电容C5的另一端、电阻R19的另一端和电阻R21的另一端均接地；
采集常开启动按钮SB1和常闭停止按钮SB2的启动/停止信号S1的启动/停止信号采集电路包括电容C6、+5V稳压管、电阻R22、电阻R23、电阻R24和发光二极管LED4，+5V稳压管的负极作为本急停报警采集电路的输入端，同时+5V稳压管的负极连接电容C6的一端，+5V稳压管的正极连接电阻R22的一端和发光二极管LED4的正极，发光二极管LED4的负极连接电阻R23的一端，电阻R23的另一端作为本急停报警采集电路的输出端，输出信号S-S1，同时电阻R23的另一端连接电阻R24的一端，电容C6的另一端、电阻R22的另一端和电阻R24的另一端均接地。
对本发明技术方案的进一步改进，报警与启动/停止信号运算电路包括对两路急停报警采集电路的输出信号S-S5、S-S6，启动/停止信号采集电路的输出信号S-S1以及伺服报警驱动电路的输出信号S-AR-24V进行与运算；具体的运算公式为：
SS＝(S-S6&&S-S5)&&(S-S1&&S-AR-24V) (公式2)
其中，SS代表报警与启动/停止信号运算电路的输出；
根据公式2可知，当不存在伺服报警、急停报警，停止按钮没有被按下时，报警、启动/停止信号运算电路的输出信号SS为高电平状态，而当存在伺服报警、急停报警或停止按钮被按下，则报警、启动/停止信号运算电路的输出信号SS为低电平状态；
由此可知，机器人正常运行时则SS＝1，机器人报警或停止时SS＝0。
对本发明技术方案的进一步改进，报警输出与启动自锁电路包括二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、电阻R29、电阻R30、电容C8、电容C12、NPN型三极管Q4和继电器K1，二极管D5的正极作为本报警输出与启动自锁电路的输入端，报警与启动/停止信号运算电路的输出信号SS由输入端接入，二极管D5的负极连接二极管D6的正极，二极管D6的负极连接二极管D7的正极，二极管D7的负极连接电阻R29的一端，电阻R29的另一端连接电阻R30的一端、电容C8的一端和NPN型三极管Q4的基极，电阻R30的另一端、电容C8的另一端和NPN型三极管Q4的发射极均接地，NPN型三极管Q4的集电极连接电容C12的一端和继电器K1的一端，电容C12的另一端接地，继电器K1的另一端连接直流+24V电压，在继电器K1的两端反向并联二极管D8；继电器K1的一路输出为报警输出信号S11。
本控制电路的工作原理是：
多轴机器人安全信号控制方案的工作原理是控制电路同时检测各轴伺服报警信号、急停报警信号、启动/停止信号，若伺服与急停均无报警，则当启动按钮(自恢复按钮、常开)按下后，会通过电路输出运行信号，从而控制机器人动作，同时电路板内部的自锁回路会将电源锁定在电路内，从而保证即使启动按钮复位后电路板也能正常工作。机器人运行过程中，若出现报警信号或是停止按钮(自恢复按钮、常闭)被按下，则电路会输出报警信号，机器人停止动作，同时自锁回路断开。接收外部电机抱闸信号，控制各个电机抱闸。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：
1、本发明的基于晶体管的多关节机器人专用安全信号控制电路，较全继电器方案的电路，本电路体积缩小了1/3。
2、本发明的基于晶体管的多关节机器人专用安全信号控制电路，较全继电器方案的电路，本专利电路的响应时间更快。
3、本发明的基于晶体管的多关节机器人专用安全信号控制电路，较全继电器方案的电路，本专利电路降低了成本。
4、本发明的基于晶体管的多关节机器人专用安全信号控制电路，具有对外电磁干扰小、使用寿命长，上下电噪声低的优点。
附图说明
图1是基于晶体管的多关节机器人专用安全信号控制电路的工作框图。
图2是抱闸电路的电路图。
图3是伺服报警采集电路的电路图。
图4是六路伺服报警信号为例的伺服报警运算电路的电路图。
图5是十六路伺服报警信号为例的伺服报警运算电路的电路图。
图6是伺服报警驱动电路的电路图。
图7是采集外部急停按钮SE1的信号S5的急停报警采集电路的电路图。
图8是采集外部急停按钮SE1的信号S6的急停报警采集电路的电路图。
图9是采集常开启动按钮SB1和常闭停止按钮SB2的启动/停止信号S1的启动/停止信号采集电路的电路图。
图10是报警与启动/停止信号运算电路的电路图。
图11是报警输出与启动自锁电路的电路图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
为使本发明的内容更加明显易懂，以下结合附图1-11和具体实施方式做进一步的描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例：
如图1所示，基于晶体管的多关节机器人专用安全信号控制电路，包括用于采集多关节机器人的多路伺服报警信号的多路伺服报警采集电路，与多路伺服报警采集电路的输出相连的用于对多路伺服报警采集电路输出信号进行或非运算的伺服报警运算电路，与伺服报警运算电路的输出相连的用于提供报警驱动信号的伺服报警驱动电路，与伺服报警驱动电路的输出相连的报警与启动/停止信号运算电路，与报警与启动/停止信号运算电路输出相连的报警输出与启动自锁电路，报警输出与启动自锁电路输出报警信号；
基于晶体管的多关节机器人专用安全信号控制电路，还包括通过24V电源供电的两个外部急停按钮SE1，两个外部急停按钮SE1的信号S5和S6分别接入两个用于采集外部急停按钮SE1的两路急停报警采集电路，两路急停报警采集电路的输出均接入报警与启动/停止信号运算电路；
通过24V电源供电并串联的常开启动按钮SB1和常闭停止按钮SB2，在常开启动按钮SB1和常闭停止按钮SB2之间并联接入报警输出与启动自锁电路内的继电器K1的常开按钮K1A，常开按钮K1A的输出信号S9；常开启动按钮SB1和常闭停止按钮SB2的启动/停止信号S1接入启动/停止信号采集电路，启动/停止信号采集电路的输出接入报警与启动/停止信号运算电路。
基于晶体管的多关节机器人专用安全信号控制电路还包括用于采集多关节机器人的多路电机抱闸信号的多路抱闸电路，防止多关节机器人出现抱闸故障。
多路抱闸电路包括与多关节机器人的电机抱闸信号一一对应的抱闸电路；多个抱闸电路均相同；设多关节机器人的电机抱闸信号为电机1抱闸信号BR1、电机2抱闸信号BR2、……电机N抱闸信号BRN，N为大于等于1的正整数；
本实施例以采集电机1抱闸信号BR1为例进行详细说明，其余的电机抱闸信号的采集均与电机1抱闸信号BR1相同，不作详细说明。
如图2所示，抱闸电路包括限流电阻R31、保护电阻R32、电容C9、光耦U3、分压电阻R33、分压电阻R34、+3.9V稳压管、抗干扰电阻R35和N沟道MOS管，限流电阻R31一端接+24V，限流电阻R31另一端和电机抱闸信号BR1同时接入光耦U3的两个输入，在光耦U3的输入端并联过滤电容C9和保护电阻R32且保护电阻R32与过滤电容C9并联设置；光耦U3的两个输出中一个输出连接直流+24V电压，另一个输出串接分压电阻R33一端，分压电阻R33另一端连接分压电阻R34的一端、+3.9V稳压管的正极和抗干扰电阻R35的一端，抗干扰电阻R35的另一端连接N沟道MOS管的栅极；分压电阻R34的另一端、+3.9V稳压管的负极和N沟道MOS管的源极均接地，N沟道MOS管的漏极连接多关节机器人的电机1的抱闸线圈两端。
本抱闸电路内的限流电阻R31为光耦U3输入端的限流电阻、保护电阻R32的作用是保证光耦U3输入端良好的关断，R33与R34为分压电阻将+24V-S分压到N沟道MOS管芯片的的栅极导通所需电压、+3.9V稳压管为保护作用，保证N沟道MOS管栅极电压不超过额定值、R35的作用是减少高频噪声干扰，提高电路抗干扰能力。
各个抱闸电路分别控制着不同电机的抱闸线圈，如BR1为电机1的抱闸控制端，外部接的是光耦输出端的集电极，外部光耦的发射极接地。1BP与1BN接的是电机1的抱闸线圈两端，当外部光耦导通时，+24V与BR1间形成导通回路，U3光耦导通，功率N沟道MOS管的栅极电平为+3.9V，则电机1的抱闸线圈通电，电机1正常工作。当外部光耦关断时，+24V与BR1间无导通回路，U3光耦关断，高功率N沟道MOS管的栅极电平为0V，电机1的抱闸线圈不通电，电机1抱闸动作。多路抱闸电路亦如此。
多路伺服报警采集电路包括与多关节机器人的伺服报警信号一一对应的伺服报警采集电路，多个伺服报警采集电路均相同；设多关节机器人的伺服报警信号为伺服1报警信号、伺服2报警信号、伺服3报警信号、……伺服N报警信号；N为大于等于1的正整数。
本实施例以采集伺服1报警信号为例进行详细说明，其余的伺服报警信号的采集均与伺服1报警信号相同，不作详细说明。
如图3所示，伺服报警采集电路包括热敏电阻PTC1、限流电阻R1、发光二极管LED1、保护电阻R2、抗干扰电容C1和TVS二极管，
热敏电阻PTC1的一端作为伺服报警采集电路的输入端，伺服1报警信号接入输入端，同时热敏电阻PTC1的一端连接TVS二极管的一端，TVS二极管的另一端接地；热敏电阻PTC1的另一端接抗干扰电容C1一端、发光二极管LED1的负极和保护电阻R2的一端同时作为伺服报警采集电路的输出端，输出伺服报警采集电路的输出信号AR1；抗干扰电容C1另一端接发光二极管LED1的正极和保护电阻R2的另一端，在发光二极管LED1的负极接限流电阻R1一端，限流电阻R1另一端外接直流+15V电压。
本实施例的多路伺服报警采集电路
伺服报警采集电路的“伺服1报警输入”端接的是外部电路光耦输出端的集电极，而外部电路光耦输出端的发射极接的是信号地。
当伺服正常工作时，则外部电路光耦处于导通状态，此时伺服报警采集电路的工作状态是电源正极通过串联的限流电阻R1、发光LED1与外部电路光耦形成串联导通回路，发光LED1被点亮，则此时的AR1节点为低电平状态。当伺服报警时，则外部电路光耦处于截止状态，由于没有导通回路，所以AR1节点为高电平状态。
多路伺服报警采集电路均一致，AR1代表伺服1的报警采集信号，AR2代表伺服2的报警采集信号，以此类推，ARN代表伺服N的报警采集信号。
伺服报警运算电路包括对多路伺服报警采集电路的输出信号(AR1～ARN)先进行或非运算，再将或非运算输出进行与运算；具体运算公式为：
AR＝(～(AR1+AR2))&&(～(AR3+AR4))&&……&&(～(ARN-1+ARN)) (公式1)
其中、AR代表多轴伺服报警总输出；AR1、AR2～ARN为伺服报警采集电路输出信号；
根据上述公式可知，当多路伺服均处于正常工作状态时，即AR1～ARN均为低电平，则AR＝1；当有伺服报警时，即AR1～ARN有一路或多路为高电平，则AR＝0。
如图4所示，本实施例以六路伺服报警信号为例，即伺服报警信号为伺服1报警信号、伺服2报警信号、伺服3报警信号、伺服4报警信号、伺服5报警信号、伺服6报警信号；六路伺服报警信号分别经过伺服报警采集电路得到六路伺服报警的输出信号分别为AR1、AR2、AR3、AR4、AR5和AR6。
伺服报警运算电路包括CD4001芯片和CD4081芯片，CD4001芯片的GND引脚接地，CD4001芯片的VCC引脚连接直流+15V电压，同时CD4081芯片的VCC引脚连接电容C2一端，电容C2另一端接地；CD4081芯片的GND引脚接地，CD4081芯片的VCC引脚连接直流+15V电压，同时CD4081芯片的VCC引脚连接电容C10一端，电容C10另一端接地；
CD4001芯片的1A引脚连接电阻R3一端，电阻R3另一端连接输出信号AR1；CD4001芯片的1B引脚连接电阻R4一端，电阻R4另一端连接输出信号AR2，CD4001芯片的1Y引脚连接电阻R5一端，电阻R5另一端连接CD4081芯片的4A引脚；
CD4001芯片的2A引脚连接电阻R7一端，电阻R7另一端连接输出信号AR3；CD4001芯片的2B引脚连接电阻R8一端，电阻R8另一端连接输出信号AR4，CD4001芯片的2Y引脚连接电阻R6一端，电阻R6另一端连接CD4081芯片的4B引脚；
CD4001芯片的3A引脚连接电阻R11一端，电阻R11另一端连接输出信号AR5；CD4001芯片的3B引脚连接电阻R10一端，电阻R10另一端连接输出信号AR6，CD4001芯片的3Y引脚连接电阻R9一端，电阻R9另一端连接CD4081芯片的3A引脚；
CD4081芯片的4Y引脚连接CD4081芯片的3B引脚，CD4081芯片的3Y引脚输出AR信号。
本伺服报警运算电路内的电容C2和C10的作用是CD4001芯片的电源去耦，电阻R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11的作用是减少高频噪声干扰，提高电路抗干扰能力。
如图5所示，以十六路伺服报警信号为例，即伺服报警信号为伺服1报警信号、伺服2报警信号、伺服3报警信号、伺服4报警信号、伺服5报警信号、伺服6报警信号、……伺服16报警信号；十六路伺服报警信号分别经过伺服报警采集电路得到六路伺服报警的输出信号分别为AR1、AR2、AR3、AR4、AR5、AR6、……AR16。
伺服报警运算电路包括两个CD4001芯片和两个CD4081芯片，两个CD4001芯片完全相同，为第一CD4001芯片和第二CD4001芯片；两个CD4081芯片完全相同为第一CD4081芯片和第二CD4081芯片。
两个CD4001芯片内的GND引脚均接地，第一CD4001芯片的VCC引脚连接直流+15V电压，同时CD4081芯片的VCC引脚连接电容C2一端，电容C2另一端接地；第二CD4001芯片的VCC引脚连接直流+15V电压，同时CD4081芯片的VCC引脚连接电容C13一端，电容C13另一端接地。
两个CD4081芯片的GND引脚均接地，第一CD4081芯片的VCC引脚连接直流+15V电压，同时CD4081芯片的VCC引脚连接电容C10一端，电容C10另一端接地；第二CD4081芯片的VCC引脚连接直流+15V电压，同时CD4081芯片的VCC引脚连接电容C14一端，电容C14另一端接地。
第一CD4001芯片的1A引脚连接电阻R3一端，电阻R3另一端连接输出信号AR1；第一CD4001芯片的1B引脚连接电阻R4一端，电阻R4另一端连接输出信号AR2，第一CD4001芯片的1Y引脚连接电阻R5一端，电阻R5另一端连接第一CD4081芯片的4A引脚；
第一CD4001芯片的2A引脚连接电阻R7一端，电阻R7另一端连接输出信号AR3；第一CD4001芯片的2B引脚连接电阻R8一端，电阻R8另一端连接输出信号AR4，第一CD4001芯片的2Y引脚连接电阻R6一端，电阻R6另一端连接第一CD4081芯片的4B引脚；
第一CD4001芯片的3A引脚连接电阻R11一端，电阻R11另一端连接输出信号AR5；第一CD4001芯片的3B引脚连接电阻R10一端，电阻R10另一端连接输出信号AR6，第一CD4001芯片的3Y引脚连接电阻R9一端，电阻R9另一端连接第一CD4081芯片的3B引脚；
第一CD4001芯片的4A引脚连接电阻R38一端，电阻R38另一端连接输出信号AR7；第一CD4001芯片的4B引脚连接电阻R37一端，电阻R37另一端连接输出信号AR8，第一CD4001芯片的4Y引脚连接电阻R36一端，电阻R36另一端连接第一CD4081芯片的3A引脚；
第二CD4001芯片的1A引脚连接电阻R39一端，电阻R39另一端连接输出信号AR9；第二CD4001芯片的1B引脚连接电阻R40一端，电阻R40另一端连接输出信号AR10，第二CD4001芯片的1Y引脚连接电阻R41一端，电阻R41另一端连接第一CD4081芯片的2B引脚；
第二CD4001芯片的2A引脚连接电阻R43一端，电阻R43另一端连接输出信号AR11；第二CD4001芯片的2B引脚连接电阻R44一端，电阻R44另一端连接输出信号AR12，第二CD4001芯片的2Y引脚连接电阻R42一端，电阻R42另一端连接第一CD4081芯片的2A引脚；
第二CD4001芯片的3A引脚连接电阻R45一端，电阻R45另一端连接输出信号AR13；第二CD4001芯片的3B引脚连接电阻R46一端，电阻R46另一端连接输出信号AR14，第二CD4001芯片的3Y引脚连接电阻R47一端，电阻R47另一端连接第一CD4081芯片的1B引脚；
第二CD4001芯片的4A引脚连接电阻R50一端，电阻R50另一端连接输出信号AR16；第二CD4001芯片的4B引脚连接电阻R49一端，电阻R19另一端连接输出信号AR15，第二CD4001芯片的4Y引脚连接电阻R48一端，电阻R48另一端连接第一CD4081芯片的1A引脚；
第一CD4081芯片的1Y引脚输出信号AR4-4且连接第二CD4081芯片的2A引脚，第一CD4081芯片的2Y引脚输出信号AR4-3且连接第二CD4081芯片的2B引脚；第二CD4081芯片的2Y引脚连接第二CD4081芯片的3A引脚；
第一CD4081芯片的3Y引脚输出信号AR4-2且连接第二CD4081芯片的1B引脚，第一CD4081芯片的4Y引脚输出信号AR4-1且连接第二CD4081芯片的2A引脚；第二CD4081芯片的1Y引脚连接第二CD4081芯片的3B引脚；第二CD4081芯片的3Y引脚输出AR信号。
如图5所示，为伺服报警运算电路的十六路运算扩展电路；当伺服报警运算电路。
如图6所示，本实施例的伺服报警驱动电路，包括电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R25、电阻R26、电阻R27、二极管D1、二极管D2、NPN型三极管Q1、PNP型三极管Q2、+5V稳压管、发光二极管LED5、电容C3和电容C7，
电阻R11的一端连接直流+15V电压，电阻R11的另一端作为伺服报警驱动电路输入端接伺服报警运算电路的输出信号AR，同时电阻R11的另一端连接二极管D1的正极，二极管D1的负极连接电阻R12的一端，电阻R12的另一端连接电阻R13的一端、电容C3的一端和NPN型三极管Q1的基极，电阻R13的另一端、电容C3的另一端和NPN型三极管Q1的发射极均接地，NPN型三极管Q1的集电极连接电阻R14的一端和电阻R15的一端，电阻R14的另一端连接直流+24V电压，R15的另一端连接PNP型三极管Q2的基极，PNP型三极管Q2的发射极连接直流+24V电压，三极管Q2的集电极连接二极管D2的正极，二极管D2的负极连接电容C7的一端和+5V稳压管的负极，+5V稳压管的正极连接电阻R25的一端和发光二极管LED5的正极，发光二极管LED5的负极连接电阻R26的一端，电阻R26的另一端作为伺服报警驱动电路输出端，输出伺服报警驱动电路的输出信号S-AR-24V，同时电阻R26的另一端连接电阻R27的一端，电容C7的另一端、电阻R25的另一端和电阻R27的另一端均接地。
本实施例的伺服报警驱动电路
多路伺服报警总输出AR被送入伺服报警驱动电路的输入端，当AR＝1时(多路伺服均无报警)，则根据电路可知Q1的基极处于导通状态，从而Q2导通，AR-24V节点与24V电源相连。反之AR＝1(有一路或多路伺服报警)，则Q1、Q2处于截止状态，AR-24V节点与24V电源断开。
本伺服报警驱动电路内，电阻R11的作用是上拉电阻、二极管D1作用是提高AR输入端的导通电压从而提高抗干扰能力、电阻R12为NPN型三极管Q1基极的限流电阻、电阻R13为接地电阻作用是保证NPN型三极管Q1良好关断、电容C3为去耦保护电容、电阻R14起到钳位作用保证PNP型三极管Q2良好关断、电阻R15为PNP型三极管Q2基极的限流电阻、D2为防反向二极管，对Q2起到保护作用。
如图7所示，采集外部急停按钮SE1的信号S5的急停报警采集电路包括电容C4、+5V稳压管、电阻R16、电阻R17、电阻R18和发光二极管LED2，+5V稳压管的负极作为本急停报警采集电路的输入端，同时+5V稳压管的负极连接电容C4的一端，+5V稳压管的正极连接电阻R16的一端和发光二极管LED2的正极，发光二极管LED2的负极连接电阻R17的一端，电阻R17的另一端作为本急停报警采集电路的输出端，输出信号S-S5，同时电阻R17的另一端连接电阻R18的一端，电容C4的另一端、电阻R16的另一端和电阻R18的另一端均接地。
本实施例，当急停报警，即外部急停按钮SE1被断开，则S5处于悬空状态，因为电阻R17的作用，电路节点S-S5为低电平状态。当急停不报警，即SE1处于导通状态，则S5通过急停按钮与+24V电源相连，通过R17与R18将+24V分压到逻辑芯片所需要的高电平输入范围，则S-S5处于高电平状态。+5V稳压管作用是提高输入抗干扰能力，R16为功率电阻，为保证串联的稳压管稳定工作，从而提供电流泄放通路。
如图8所示，采集外部急停按钮SE1的信号S6的急停报警采集电路包括电容C5、+5V稳压管、电阻R19、电阻R20、电阻R21和发光二极管LED3，+5V稳压管的负极作为本急停报警采集电路的输入端，同时+5V稳压管的负极连接电容C5的一端，+5V稳压管的正极连接电阻R19的一端和发光二极管LED3的正极，发光二极管LED3的负极连接电阻R20的一端，电阻R20的另一端作为本急停报警采集电路的输出端，输出信号S-S6，同时电阻R20的另一端连接电阻R21的一端，电容C5的另一端、电阻R19的另一端和电阻R21的另一端均接地。
信号S6为另一路急停输入，此信号与信号S5相同，不再作进一步的详细说明。
如图9所示，采集常开启动按钮SB1和常闭停止按钮SB2的启动/停止信号S1的启动/停止信号采集电路包括电容C6、+5V稳压管、电阻R22、电阻R23、电阻R24和发光二极管LED4，+5V稳压管的负极作为本急停报警采集电路的输入端，同时+5V稳压管的负极连接电容C6的一端，+5V稳压管的正极连接电阻R22的一端和发光二极管LED4的正极，发光二极管LED4的负极连接电阻R23的一端，电阻R23的另一端作为本急停报警采集电路的输出端，输出信号S-S1，同时电阻R23的另一端连接电阻R24的一端，电容C6的另一端、电阻R22的另一端和电阻R24的另一端均接地。
信号S1为机器人启动/停止信号输入，AR-24V为上面已经提到为伺服报警驱动输出。
本实施例中的采集外部急停按钮SE1的信号S5的急停报警采集电路、采集外部急停按钮SE1的信号S6的急停报警采集电路和采集常开启动按钮SB1和常闭停止按钮SB2的启动/停止信号S1的启动/停止信号采集电路均相同。
在采集外部急停按钮SE1的信号S5的急停报警采集电路中的R17与R18电阻起到分压作用，从而使节点S-S5的电压匹配CD4081芯片的输入信号范围(R20与R21、R23与R24功能亦如此)、C4、C5、C6为去耦保护电容，+5V稳压管作用是提高S5、S6、S1节点的输入电压，从而提高抗干扰能力、电阻R16、R19、R22电阻为泄放电阻，保证+5V稳压管稳定工作。
报警与启动/停止信号运算电路包括对两路急停报警采集电路的输出信号S-S5、S-S6，启动/停止信号采集电路的输出信号S-S1以及伺服报警驱动电路的输出信号S-AR-24V进行与运算；具体的运算公式为：
SS＝(S-S6&&S-S5)&&(S-S1&&S-AR-24V) (公式2)
其中，SS代表报警与启动/停止信号运算电路的输出；
根据公式2可知，当不存在伺服报警、急停报警，停止按钮没有被按下时，报警、启动/停止信号运算电路的输出信号SS为高电平状态，而当存在伺服报警、急停报警或停止按钮被按下，则报警、启动/停止信号运算电路的输出信号SS为低电平状态；
由此可知，机器人正常运行时则SS＝1，机器人报警或停止时SS＝0。
如图10所示，本实施例中的报警与启动/停止信号运算电路包括CD4081芯片，CD4081芯片GND引脚接地，CD4081芯片的VCC引脚连接直流+15V电压，同时CD4081芯片的VCC引脚连接电容C11一端，电容C11另一端接地；CD4081芯片的1A引脚连接急停报警采集电路的输出信号S-S5，CD4081芯片的1B引脚连接急停报警采集电路的输出信号S-S6，CD4081芯片的1Y引脚连接二极管D3的负极；CD4081芯片的2A引脚连接启动/停止信号采集电路的输出信号S-S1，CD4081芯片的2B引脚连接输出伺服报警驱动电路的输出信号S-AR-24V，CD4081芯片的2Y引脚二极管D4的负极；
二极管D3的正极与二极管D4的正极作为报警与启动/停止信号运算电路的输出端，输出信号SS，同时二极管D3的正极与二极管D4的正极均连接电阻R31的一端，电阻R31的另一端连接直流+15V电压。
如图11所示，报警输出与启动自锁电路包括二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、电阻R29、电阻R30、电容C8、电容C12、NPN型三极管Q4和继电器K1，二极管D5的正极作为本报警输出与启动自锁电路的输入端，报警与启动/停止信号运算电路的输出信号SS由输入端接入，二极管D5的负极连接二极管D6的正极，二极管D6的负极连接二极管D7的正极，二极管D7的负极连接电阻R29的一端，电阻R29的另一端连接电阻R30的一端、电容C8的一端和NPN型三极管Q4的基极，电阻R30的另一端、电容C8的另一端和NPN型三极管Q4的发射极均接地，NPN型三极管Q4的集电极连接电容C12的一端和继电器K1的一端，电容C12的另一端接地，继电器K1的另一端连接直流+24V电压，在继电器K1的两端反向并联二极管D8；继电器K1的一路输出为报警输出信号S11。
本实施例的报警输出与启动自锁电路，当启动按钮动作，且不存在伺服报警与急停报警时，则SS为高电平状态，此时Q4为导通状态，从而K1继电器的线圈处于通电状态，K1继电器的两路输出端接通，则S11、S9分别于+24V信号相连，S11输出正常工作信号，S9完成自锁功能。而当停止按钮动作或发生伺服、急停报警时，则S11、S9分别与+24V断开，向外输出报警信号且自锁断开。
本基于晶体管的多关节机器人专用安全信号控制电路，是通过晶体管实现多轴机器人的伺服报警信号、急停报警信号、机器人启动/停止信号等安全信号的采集与处理。同时，通过功率N沟道MOS管晶体管实现机器人电机抱闸的驱动电路。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
Claims (8)
1.一种基于晶体管的多关节机器人专用安全信号控制电路，其特征在于，包括用于采集多关节机器人的多路伺服报警信号的多路伺服报警采集电路，与多路伺服报警采集电路的输出相连的用于对多路伺服报警采集电路输出信号进行或非运算的伺服报警运算电路，与伺服报警运算电路的输出相连的用于提供报警驱动信号的伺服报警驱动电路，与伺服报警驱动电路的输出相连的报警与启动/停止信号运算电路，与报警与启动/停止信号运算电路输出相连的报警输出与启动自锁电路，报警输出与启动自锁电路输出报警信号；
基于晶体管的多关节机器人专用安全信号控制电路，还包括通过24V电源供电的两个外部急停按钮SE1，两个外部急停按钮SE1的信号S5和S6分别接入两个用于采集外部急停按钮SE1的两路急停报警采集电路，两路急停报警采集电路的输出均接入报警与启动/停止信号运算电路；
通过24V电源供电并串联的常开启动按钮SB1和常闭停止按钮SB2，在常开启动按钮SB1和常闭停止按钮SB2之间并联接入报警输出与启动自锁电路内的继电器K1的常开按钮K1A，常开按钮K1A的输出信号S9；常开启动按钮SB1和常闭停止按钮SB2的启动/停止信号S1接入启动/停止信号采集电路，启动/停止信号采集电路的输出接入报警与启动/停止信号运算电路。
2.如权利要求1所述的基于晶体管的多关节机器人专用安全信号控制电路，其特征在于，基于晶体管的多关节机器人专用安全信号控制电路还包括用于采集多关节机器人的多路电机抱闸信号的多路抱闸电路；多路抱闸电路包括与多关节机器人的电机抱闸信号一一对应的抱闸电路；多个抱闸电路均相同；设多关节机器人的电机抱闸信号为电机1抱闸信号BR1、电机2抱闸信号BR2、……电机N抱闸信号BRN，N为大于等于1的正整数；
抱闸电路包括限流电阻R31、保护电阻R32、电容C9、光耦U3、分压电阻R33、分压电阻R34、+3.9V稳压管、抗干扰电阻R35和N沟道MOS管，限流电阻R31一端接+24V，限流电阻R31另一端和电机抱闸信号BR1同时接入光耦U3的两个输入，在光耦U3的输入端并联过滤电容C9和保护电阻R32且保护电阻R32与过滤电容C9并联设置；光耦U3的两个输出中一个输出连接直流+24V电压，另一个输出串接分压电阻R33一端，分压电阻R33另一端连接分压电阻R34的一端、+3.9V稳压管的正极和抗干扰电阻R35的一端，抗干扰电阻R35的另一端连接N沟道MOS管的栅极；分压电阻R34的另一端、+3.9V稳压管的负极和N沟道MOS管的源极均接地，N沟道MOS管的漏极连接多关节机器人的电机1的抱闸线圈两端。
3.如权利要求1所述的基于晶体管的多关节机器人专用安全信号控制电路，其特征在于，多路伺服报警采集电路包括与多关节机器人的伺服报警信号一一对应的伺服报警采集电路，多个伺服报警采集电路均相同；设多关节机器人的伺服报警信号为伺服1报警信号、伺服2报警信号、伺服3报警信号、……伺服N报警信号；N为大于等于1的正整数；
伺服报警采集电路包括热敏电阻PTC1、限流电阻R1、发光二极管LED1、保护电阻R2、抗干扰电容C1和TVS二极管，
热敏电阻PTC1的一端作为伺服报警采集电路的输入端，伺服1报警信号接入输入端，同时热敏电阻PTC1的一端连接TVS二极管的一端，TVS二极管的另一端接地；热敏电阻PTC1的另一端接抗干扰电容C1一端、发光二极管LED1的负极和保护电阻R2的一端同时作为伺服报警采集电路的输出端，输出伺服报警采集电路的输出信号AR1；抗干扰电容C1另一端接发光二极管LED1的正极和保护电阻R2的另一端，在发光二极管LED1的负极接限流电阻R1一端，限流电阻R1另一端外接直流+15V电压。
4.如权利要求1所述的基于晶体管的多关节机器人专用安全信号控制电路，其特征在于，伺服报警运算电路包括对多路伺服报警采集电路的输出信号(AR1～ARN)先进行或非运算，再将或非运算输出进行与运算；具体运算公式为：
AR＝(～(AR1+AR2))&&(～(AR3+AR4))&&……&&(～(ARN-1+ARN)) (公式1)
其中、AR代表多轴伺服报警总输出；AR1、AR2～ARN为伺服报警采集电路输出信号；
根据上述公式可知，当多路伺服均处于正常工作状态时，即AR1～ARN均为低电平，则AR＝1；当有伺服报警时，即AR1～ARN有一路或多路为高电平，则AR＝0。
5.如权利要求1所述的基于晶体管的多关节机器人专用安全信号控制电路，其特征在于，伺服报警驱动电路包括电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R25、电阻R26、电阻R27、二极管D1、二极管D2、NPN型三极管Q1、PNP型三极管Q2、+5V稳压管、发光二极管LED5、电容C3和电容C7，
电阻R11的一端连接直流+15V电压，电阻R11的另一端作为伺服报警驱动电路输入端接伺服报警运算电路的输出信号AR，同时电阻R11的另一端连接二极管D1的正极，二极管D1的负极连接电阻R12的一端，电阻R12的另一端连接电阻R13的一端、电容C3的一端和NPN型三极管Q1的基极，电阻R13的另一端、电容C3的另一端和NPN型三极管Q1的发射极均接地，NPN型三极管Q1的集电极连接电阻R14的一端和电阻R15的一端，电阻R14的另一端连接直流+24V电压，R15的另一端连接PNP型三极管Q2的基极，三极管Q2的发射极连接直流+24V电压，三极管Q2的集电极连接二极管D2的正极，二极管D2的负极连接电容C7的一端和+5V稳压管的负极，+5V稳压管的正极连接电阻R25的一端和发光二极管LED5的正极，发光二极管LED5的负极连接电阻R26的一端，电阻R26的另一端作为伺服报警驱动电路输出端，输出伺服报警驱动电路的输出信号S-AR-24V，同时电阻R26的另一端连接电阻R27的一端，电容C7的另一端、电阻R25的另一端和电阻R27的另一端均接地。
6.如权利要求1所述的基于晶体管的多关节机器人专用安全信号控制电路，其特征在于，采集外部急停按钮SE1的信号S5的急停报警采集电路包括电容C4、+5V稳压管、电阻R16、电阻R17、电阻R18和发光二极管LED2，+5V稳压管的负极作为本急停报警采集电路的输入端，同时+5V稳压管的负极连接电容C4的一端，+5V稳压管的正极连接电阻R16的一端和发光二极管LED2的正极，发光二极管LED2的负极连接电阻R17的一端，电阻R17的另一端作为本急停报警采集电路的输出端，输出信号S-S5，同时电阻R17的另一端连接电阻R18的一端，电容C4的另一端、电阻R16的另一端和电阻R18的另一端均接地；
采集外部急停按钮SE1的信号S6的急停报警采集电路包括电容C5、+5V稳压管、电阻R19、电阻R20、电阻R21和发光二极管LED3，+5V稳压管的负极作为本急停报警采集电路的输入端，同时+5V稳压管的负极连接电容C5的一端，+5V稳压管的正极连接电阻R19的一端和发光二极管LED3的正极，发光二极管LED3的负极连接电阻R20的一端，电阻R20的另一端作为本急停报警采集电路的输出端，输出信号S-S6，同时电阻R20的另一端连接电阻R21的一端，电容C5的另一端、电阻R19的另一端和电阻R21的另一端均接地；
采集常开启动按钮SB1和常闭停止按钮SB2的启动/停止信号S1的启动/停止信号采集电路包括电容C6、+5V稳压管、电阻R22、电阻R23、电阻R24和发光二极管LED4，+5V稳压管的负极作为本急停报警采集电路的输入端，同时+5V稳压管的负极连接电容C6的一端，+5V稳压管的正极连接电阻R22的一端和发光二极管LED4的正极，发光二极管LED4的负极连接电阻R23的一端，电阻R23的另一端作为本急停报警采集电路的输出端，输出信号S-S1，同时电阻R23的另一端连接电阻R24的一端，电容C6的另一端、电阻R22的另一端和电阻R24的另一端均接地。
7.如权利要求1所述的基于晶体管的多关节机器人专用安全信号控制电路，其特征在于，报警与启动/停止信号运算电路包括对两路急停报警采集电路的输出信号S-S5、S-S6，启动/停止信号采集电路的输出信号S-S1以及伺服报警驱动电路的输出信号S-AR-24V进行与运算；具体的运算公式为：
SS＝(S-S6&&S-S5)&&(S-S1&&S-AR-24V) (公式2)
其中，SS代表报警与启动/停止信号运算电路的输出；
根据公式2可知，当不存在伺服报警、急停报警，停止按钮没有被按下时，报警、启动/停止信号运算电路的输出信号SS为高电平状态，而当存在伺服报警、急停报警或停止按钮被按下，则报警、启动/停止信号运算电路的输出信号SS为低电平状态；
由此可知，机器人正常运行时则SS＝1，机器人报警或停止时SS＝0。
8.如权利要求1所述的基于晶体管的多关节机器人专用安全信号控制电路，其特征在于，报警输出与启动自锁电路包括二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、电阻R29、电阻R30、电容C8、电容C12、NPN型三极管Q4和继电器K1，二极管D5的正极作为本报警输出与启动自锁电路的输入端，报警与启动/停止信号运算电路的输出信号SS由输入端接入，二极管D5的负极连接二极管D6的正极，二极管D6的负极连接二极管D7的正极，二极管D7的负极连接电阻R29的一端，电阻R29的另一端连接电阻R30的一端、电容C8的一端和NPN型三极管Q4的基极，电阻R30的另一端、电容C8的另一端和NPN型三极管Q4的发射极均接地，NPN型三极管Q4的集电极连接电容C12的一端和继电器K1的一端，电容C12的另一端接地，继电器K1的另一端连接直流+24V电压，在继电器K1的两端反向并联二极管D8；继电器K1的一路输出为报警输出信号S11。
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