基于CAN總線(xiàn)的機械手控制系統

1引言

　　機械手可在空間抓放物體，動(dòng)作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動(dòng)化生產(chǎn)，廣泛應用于柔性自動(dòng)線(xiàn)。我們開(kāi)發(fā)的用于熱處理淬火加工的物料搬運機械手，是一種按預先設定的程序進(jìn)行工件分揀、搬運和淬火加工的自動(dòng)化裝置，可部分代替人工在高溫和危險的作業(yè)區進(jìn)行單調持久的作業(yè)，并可根據工件的變化以及淬火工藝的要求隨時(shí)更改相關(guān)控制參數。由于目前許多商品化的工業(yè)機器人（或機械手）大都采用封閉結構的專(zhuān)用控制系統，一般采用專(zhuān)用計算機（如PUMA工業(yè)機器人使用PDP-11）作為上層主控計算機，使用專(zhuān)用機器人語(yǔ)言（如VAL）作為離線(xiàn)編程工具，采用專(zhuān)用微處理器，并將控制算法固化在EPROM中[1]，這種專(zhuān)用系統很難進(jìn)行擴展、修改或再集成外部硬件（如傳感器）和軟件。因此，我們自行開(kāi)發(fā)了氣、電混合驅動(dòng)的三自由度圓柱坐標型機械手以及相應的物料分揀裝置，并根據其控制要求設計了基于CAN總線(xiàn)的分式布開(kāi)放結構機械手控制系統。

　　本文重點(diǎn)闡述了該機械手控制系統的結構組成，并從多個(gè)方面對控制系統軟件的設計方法作了進(jìn)一步分析。

2機械手基本結構

　　物料搬運機械手由機械手和物料分揀兩部分裝置組成。如圖1所示，機械手主要由機座（采用步進(jìn)電機驅動(dòng)旋轉）、水平手臂（采用直線(xiàn)坐標氣缸HMP-20-200）、垂直手臂（采用滑塊氣缸SLT-16-50）、氣爪（采用平行氣爪HGP-10-A）等部分組成。物料分揀裝置則由三個(gè)普通氣缸構成，用以將不同長(cháng)度的工件送至不同的軌道中，供機械手分別抓取和搬運。

圖1物料搬運機械手結構簡(jiǎn)圖

3基于CAN總線(xiàn)的機械手控制系統組成

　　在機械手控制系統的開(kāi)發(fā)中，我們始終立足于開(kāi)放結構機械手控制器的設計思想，主要體現在以下幾方面：

　?。?）硬件基于標準總線(xiàn)結構，能實(shí)現現場(chǎng)設備之間、設備與各種傳感器之間以及現場(chǎng)設備與控制室之間的數據通信。

　　現場(chǎng)總線(xiàn)是當今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)。CAN（ControllerAreaNetwork）總線(xiàn)是現場(chǎng)總線(xiàn)的一個(gè)分支，是應用于生產(chǎn)現場(chǎng)控制設備之間實(shí)現雙向串行多節點(diǎn)數字通信的系統，是開(kāi)放式、數字式的底層控制網(wǎng)絡(luò )。因其具有很高的可靠性和性能價(jià)格比，已經(jīng)成為國際標準，受到工業(yè)界的廣泛重視，并已被公認為幾種最有前途的現場(chǎng)總線(xiàn)之一。機械手控制系統建立在CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )基礎上，能夠更好地滿(mǎn)足其開(kāi)放性和可靠性的要求。

　　如圖2所示，控制系統中上位機采用PC機，在上位機的PCI總線(xiàn)插槽中安裝了瑞隆德公司的CANPCA單口CAN總線(xiàn)適配卡。下位機則采用若干CAN總線(xiàn)智能節點(diǎn)，分別與氣閥、步進(jìn)電機驅動(dòng)器、傳感器、開(kāi)關(guān)等相連。上、下位機間的數據通信都是通過(guò)各自的CAN總線(xiàn)控制器SJA1000芯片和CAN總線(xiàn)收發(fā)器82C250芯片來(lái)實(shí)現的。其中，SJA1000具有完成CAN總線(xiàn)通信協(xié)議所要求的全部特性，它與獨立CAN總線(xiàn)控制器82C200完全兼容，并有支持CAN2.0B協(xié)議、擴展接收緩沖器、增強錯誤處理能力和增強驗收濾波等新增功能。四個(gè)下位機智能節點(diǎn)各自獨立完成現場(chǎng)數據采集和運行控制任務(wù)，并通過(guò)SJA1000實(shí)現與上位機間的數據接收和發(fā)送。而上位機則通過(guò)PCI橋和接口控制電路來(lái)訪(fǎng)問(wèn)CAN控制器，從而實(shí)現與下位機間的數據通信。

圖2物料搬運機械手CAN總線(xiàn)控制系統示意圖

　?。?）使用基于非專(zhuān)用計算機平臺的開(kāi)發(fā)系統（本控制系統中采用PC機）。

　?。?）使用標準的操作系統和標準的控制語(yǔ)言。

　　機械手控制系統監控軟件采用VisualC++6.0作為開(kāi)發(fā)工具，運行于Windows98平臺上。VC是一種面向對象的編程語(yǔ)言，它提供了可視化編程環(huán)境，特別是提供了MFC類(lèi)庫，封裝了WindowsAPI接口函數，并建立了應用程序框架，使程序開(kāi)發(fā)人員可以將主要精力集中于所要解決的具體問(wèn)題上。

　　另外，在機械手的水平手臂氣缸伺服控制中，采用德國Festo公司的伺服定位控制器SPC200以及與之配套的內置位移傳感器MLO-POT-0225、伺服定位控制連接器SPC-AIF-POT和比例方向流量閥MPYE-5-1/8-LF-010-B等裝置。機械手的回轉控制則采用北京凱恩帝數控公司的BD-3Y三相混和式步進(jìn)電機驅動(dòng)器。

4機械手控制系統監控軟件設計

　　4.1監控軟件基本結構

　　機械手監控軟件采用VC++6.0作為開(kāi)發(fā)工具，應用其提供的MFC類(lèi)庫和APPWizard功能生成SDI單文檔界面應用程序。VC++6.0提供了現成的窗口、工具條等制作手段，大大簡(jiǎn)化了界面的開(kāi)發(fā)過(guò)程，并且使得開(kāi)發(fā)出的界面具有組態(tài)軟件風(fēng)格，使用起來(lái)方便、靈活。如圖3所示，監控軟件主要由系統界面、CAN總線(xiàn)通信、機械手監控以及運行狀態(tài)顯示等模塊組成。下面就其中的數據通信、運行監控及動(dòng)態(tài)顯示部分作進(jìn)一步分析。

圖3機械手監控軟件功能框圖

　　4.2CAN總線(xiàn)數據通信

　　CAN總線(xiàn)是一種有效支持分布式控制及實(shí)時(shí)控制的多主串行總線(xiàn)，它具有短報文幀收發(fā)靈活、非破壞性基于優(yōu)先權的總線(xiàn)仲裁技術(shù)等多種優(yōu)越性能。在機械手控制系統中，CAN總線(xiàn)數據通信是通過(guò)與CANPCA適配卡一起提供Pcicandrv.LIB（CAN總線(xiàn)函數庫）中的相關(guān)函數調用實(shí)現的[5]。為了及時(shí)準確地了解CAN總線(xiàn)狀態(tài)，并盡可能減少故障和縮小故障范圍，在控制軟件中專(zhuān)門(mén)設計了測試程序，負責CAN總線(xiàn)接口及通信部分的調試、運行任務(wù)。只有在測試正常的前提下，才能進(jìn)一步運用CAN總線(xiàn)對機械手進(jìn)行控制。CAN總線(xiàn)數據有標準幀和擴展幀之分，它們都是由信息和數據兩部分組成的，只是地址標識符的位數不同。下面是CAN總線(xiàn)初始化及CAN標準幀數據收發(fā)的部分代碼。

　　//CAN總線(xiàn)初始化

　　voidCWuLiao::InitCAN（）

　?。?/p>

　　intretval;

　　retval=CAN_Open（）;//打開(kāi)PCI適配卡函數

　　if（retval!=1）AfxMessageBox（打開(kāi)PCI卡失敗!）;

　　ptrConfig=Config;

　　ptrStruct=Struct;//定義CAN數據幀結構指針

　　ptrConfig->timer0=0x3f;

　　ptrConfig->timer1=0xff;//設置波特率為5K

　　ptrConfig->workMode=0;//使用11位的CAN節點(diǎn)地址

　　ptrStruct->card=0;//PCI適配卡卡號

　　ptrConfig->accCode=0;//CAN接收碼

　　ptrConfig->accMask=0xff;//CAN屏蔽碼

　　ptrConfig->control=1;//開(kāi)放中斷

　　ptrConfig->filterMode=0;//CAN控制器采用單濾波方式

　　retval=CAN_Init（ptrStruct,ptrConfig）;//調CAN初始化函數

　　if（retval!=1）AfxMessageBox（初始化失敗!）;

　?。?/p>

　　//CAN數據發(fā)送

　　voidCWuLiao::OutputCAN（unsignedintCanID,unsignedcharH8B,unsignedcharL8B）

　?。?/p>

　　intretval;

　　ptrPacket=Packet;

　　ptrStruct=Struct;

　　ptrStruct->card=0;

　　ptrPacket->length=4;//發(fā)送數據長(cháng)度4個(gè)字節

　　ptrPacket->rtr=0;//表示發(fā)送的是數據幀，而非遠程幀

　　ptrPacket->CAN_ID=CanID;//定義CAN節點(diǎn)地址

　　ptrPacket->data[0]=0x44;

　　ptrPacket->data[1]=0x4f;//CAN數據發(fā)送命令字

　　ptrPacket->data[2]=H8B;

　　ptrPacket->data[3]=L8B;//要發(fā)送的高、低字節