CAN總線技術在工業(yè)碼垛機器人控制系統(tǒng)中的應用研究

目前在用的工業(yè)碼垛機器人種類繁多，但根據(jù)其多軸控制系統(tǒng)的技術特點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，得到廣泛的應用。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)碼垛機器人在實際應用中具有便于組網(wǎng)、性價比高、擴展性強等特點，在大工業(yè)生產(chǎn)中具有廣闊的發(fā)展前景。

工業(yè)碼垛機器人
筆者所在科研團隊開發(fā)的新型工業(yè)碼垛機器人（機構簡圖如圖1所示），其主體機械結構是基于平衡吊原理的七桿機構，具有承載力大、穩(wěn)定性好、結構緊湊、節(jié)省能耗等特點。機器人的動力由四臺交流伺服電機提供，分別負責機器人沿水平方向、沿垂直方向的直線運動，繞基座垂直軸的旋轉(zhuǎn)運動和繞抓手轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)運動。四臺電機既可單控，也可群控，大大簡化了路徑規(guī)劃算法。

圖1 新型工業(yè)碼垛機器人機構簡圖

現(xiàn)場總線和CANopen
在工業(yè)控制領域，采用現(xiàn)場總線的最大優(yōu)點是可以節(jié)約連接導線、維護和安裝費用。同時，現(xiàn)場總線能夠傳送多個過程變量，而傳統(tǒng)的4～20mA控制回路一般只能攜帶一個過程變量。采用現(xiàn)場總線后，在傳輸變量過程的同時，儀表的標識符和簡單的診斷信息也可一并傳送。采用現(xiàn)場總線的設備還具有更好的兼容性和擴展性。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)傳輸方面功能強大、性能優(yōu)越，另外CAN總線傳輸速率較快，適用于大批量運動控制信息的實時交換處理。此外，CAN作為一種標準化的嵌入式網(wǎng)絡，具有高度靈活的配置能力，從而在工業(yè)領域獲得廣泛應用。

CANopen協(xié)議是CAN-in-Automation（CiA）定義的標準之一，在發(fā)布后不久就獲得了廣泛承認。在工業(yè)技術十分先進的歐洲，CANopen協(xié)議被認為是在基于CAN的工業(yè)系統(tǒng)中占據(jù)領導地位的標準。依靠CANopen協(xié)議的支持，可以對不同廠商的設備通過總線進行配置。CANopen協(xié)議使開發(fā)人員從CAN相關事務的繁瑣處理中解放出來，例如，位定時以及執(zhí)行相關的功能。它提供了針對實時數(shù)據(jù)、組態(tài)數(shù)據(jù)以及網(wǎng)絡管理數(shù)據(jù)的標準化通信對象，方便用于面向運動的機器控制網(wǎng)絡。

硬件設計與實現(xiàn)
本工業(yè)碼垛機器人的控制系統(tǒng)采用集散控制結構（見圖2），選擇高精度、大功率交流伺服電機作為主要執(zhí)行器件。所選伺服電機電氣性能好、響應速度快、變速時間短，具有較高的位置控制精度，為提升機器人的性能水平奠定了基礎。需要指出的是，所選電機的伺服驅(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隊組建機器人運動控制網(wǎng)絡。

圖2 工業(yè)碼垛機器人運動控制系統(tǒng)圖