CAN總線技術(shù)在工業(yè)碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

目前在用的工業(yè)碼垛機(jī)器人種類繁多，但根據(jù)其多軸控制系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)一般可分為三種類型：1）基于PLC的多軸控制系統(tǒng)；2）基于PC的多軸控制系統(tǒng)；3）基于總線的多軸控制系統(tǒng)。其中，總線控制系統(tǒng)具有數(shù)字信號傳輸、系統(tǒng)完全開放等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛的應(yīng)用。筆者通過研究發(fā)現(xiàn)，基于現(xiàn)場總線，尤其是CAN總線的工業(yè)碼垛機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用中具有便于組網(wǎng)、性價(jià)比高、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，在大工業(yè)生產(chǎn)中具有廣闊的發(fā)展前景。

工業(yè)碼垛機(jī)器人
筆者所在科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)的新型工業(yè)碼垛機(jī)器人（機(jī)構(gòu)簡圖如圖1所示），其主體機(jī)械結(jié)構(gòu)是基于平衡吊原理的七桿機(jī)構(gòu)，具有承載力大、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)省能耗等特點(diǎn)。機(jī)器人的動力由四臺交流伺服電機(jī)提供，分別負(fù)責(zé)機(jī)器人沿水平方向、沿垂直方向的直線運(yùn)動，繞基座垂直軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和繞抓手轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。四臺電機(jī)既可單控，也可群控，大大簡化了路徑規(guī)劃算法。

圖1 新型工業(yè)碼垛機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡圖

現(xiàn)場總線和CANopen
在工業(yè)控制領(lǐng)域，采用現(xiàn)場總線的最大優(yōu)點(diǎn)是可以節(jié)約連接導(dǎo)線、維護(hù)和安裝費(fèi)用。同時(shí)，現(xiàn)場總線能夠傳送多個(gè)過程變量，而傳統(tǒng)的4～20mA控制回路一般只能攜帶一個(gè)過程變量。采用現(xiàn)場總線后，在傳輸變量過程的同時(shí)，儀表的標(biāo)識符和簡單的診斷信息也可一并傳送。采用現(xiàn)場總線的設(shè)備還具有更好的兼容性和擴(kuò)展性。幾種常見的現(xiàn)場總線性能如表1所示。

由上表可以看出，CAN總線在數(shù)據(jù)傳輸方面功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越，另外CAN總線傳輸速率較快，適用于大批量運(yùn)動控制信息的實(shí)時(shí)交換處理。此外，CAN作為一種標(biāo)準(zhǔn)化的嵌入式網(wǎng)絡(luò)，具有高度靈活的配置能力，從而在工業(yè)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

CANopen協(xié)議是CAN-in-Automation（CiA）定義的標(biāo)準(zhǔn)之一，在發(fā)布后不久就獲得了廣泛承認(rèn)。在工業(yè)技術(shù)十分先進(jìn)的歐洲，CANopen協(xié)議被認(rèn)為是在基于CAN的工業(yè)系統(tǒng)中占據(jù)領(lǐng)導(dǎo)地位的標(biāo)準(zhǔn)。依靠CANopen協(xié)議的支持，可以對不同廠商的設(shè)備通過總線進(jìn)行配置。CANopen協(xié)議使開發(fā)人員從CAN相關(guān)事務(wù)的繁瑣處理中解放出來，例如，位定時(shí)以及執(zhí)行相關(guān)的功能。它提供了針對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、組態(tài)數(shù)據(jù)以及網(wǎng)絡(luò)管理數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化通信對象，方便用于面向運(yùn)動的機(jī)器控制網(wǎng)絡(luò)。

硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
本工業(yè)碼垛機(jī)器人的控制系統(tǒng)采用集散控制結(jié)構(gòu)（見圖2），選擇高精度、大功率交流伺服電機(jī)作為主要執(zhí)行器件。所選伺服電機(jī)電氣性能好、響應(yīng)速度快、變速時(shí)間短，具有較高的位置控制精度，為提升機(jī)器人的性能水平奠定了基礎(chǔ)。需要指出的是，所選電機(jī)的伺服驅(qū)動器均具有CAN總線控制模式驅(qū)動功能且具有CANopen協(xié)議所需的完備對象字典，方便了筆者所在科研團(tuán)隊(duì)組建機(jī)器人運(yùn)動控制網(wǎng)絡(luò)。

圖2 工業(yè)碼垛機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)圖