CAN總線(xiàn)技術(shù)在工業(yè)碼垛機器人控制系統中的應用研究

目前在用的工業(yè)碼垛機器人種類(lèi)繁多，但根據其多軸控制系統的技術(shù)特點(diǎn)一般可分為三種類(lèi)型：1）基于PLC的多軸控制系統；2）基于PC的多軸控制系統；3）基于總線(xiàn)的多軸控制系統。其中，總線(xiàn)控制系統具有數字信號傳輸、系統完全開(kāi)放等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛的應用。筆者通過(guò)研究發(fā)現，基于現場(chǎng)總線(xiàn)，尤其是CAN總線(xiàn)的工業(yè)碼垛機器人在實(shí)際應用中具有便于組網(wǎng)、性?xún)r(jià)比高、擴展性強等特點(diǎn)，在大工業(yè)生產(chǎn)中具有廣闊的發(fā)展前景。

工業(yè)碼垛機器人
筆者所在科研團隊開(kāi)發(fā)的新型工業(yè)碼垛機器人（機構簡(jiǎn)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、穩定性好、結構緊湊、節省能耗等特點(diǎn)。機器人的動(dòng)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(xiàn)運動(dòng)，繞基座垂直軸的旋轉運動(dòng)和繞抓手轉軸的旋轉運動(dòng)。四臺電機既可單控，也可群控，大大簡(jiǎn)化了路徑規劃算法。

圖1 新型工業(yè)碼垛機器人機構簡(jiǎn)圖

現場(chǎng)總線(xiàn)和CANopen
在工業(yè)控制領(lǐng)域，采用現場(chǎng)總線(xiàn)的最大優(yōu)點(diǎn)是可以節約連接導線(xiàn)、維護和安裝費用。同時(shí)，現場(chǎng)總線(xiàn)能夠傳送多個(gè)過(guò)程變量，而傳統的4～20mA控制回路一般只能攜帶一個(gè)過(guò)程變量。采用現場(chǎng)總線(xiàn)后，在傳輸變量過(guò)程的同時(shí)，儀表的標識符和簡(jiǎn)單的診斷信息也可一并傳送。采用現場(chǎng)總線(xiàn)的設備還具有更好的兼容性和擴展性。幾種常見(jiàn)的現場(chǎng)總線(xiàn)性能如表1所示。

由上表可以看出，CAN總線(xiàn)在數據傳輸方面功能強大、性能優(yōu)越，另外CAN總線(xiàn)傳輸速率較快，適用于大批量運動(dòng)控制信息的實(shí)時(shí)交換處理。此外，CAN作為一種標準化的嵌入式網(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(shù)十分先進(jìn)的歐洲，CANopen協(xié)議被認為是在基于CAN的工業(yè)系統中占據領(lǐng)導地位的標準。依靠CANopen協(xié)議的支持，可以對不同廠(chǎng)商的設備通過(guò)總線(xiàn)進(jìn)行配置。CANopen協(xié)議使開(kāi)發(fā)人員從CAN相關(guān)事務(wù)的繁瑣處理中解放出來(lái)，例如，位定時(shí)以及執行相關(guān)的功能。它提供了針對實(shí)時(shí)數據、組態(tài)數據以及網(wǎng)絡(luò )管理數據的標準化通信對象，方便用于面向運動(dòng)的機器控制網(wǎng)絡(luò )。

硬件設計與實(shí)現
本工業(yè)碼垛機器人的控制系統采用集散控制結構（見(jiàn)圖2），選擇高精度、大功率交流伺服電機作為主要執行器件。所選伺服電機電氣性能好、響應速度快、變速時(shí)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，所選電機的伺服驅動(dòng)器均具有CAN總線(xiàn)控制模式驅動(dòng)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(dòng)控制網(wǎng)絡(luò )。

圖2 工業(yè)碼垛機器人運動(dòng)控制系統圖