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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 在圖2所示的工業(yè)碼垛機器人控制系統中，上位主控機選用PC-104工控機，通過(guò)PCI總線(xiàn)連接PCI-CAN適配卡，按CANopen協(xié)議標準與交流伺服電機控制器進(jìn)行通信。下位電機伺服驅動(dòng)器接受上位機發(fā)出的指令語(yǔ)言，按指令要求控制電機轉動(dòng)，由電機帶動(dòng)執行機構完成動(dòng)作。同時(shí)，電機伺服驅動(dòng)器通過(guò)交流電機上的光電編碼器檢測同步感應電機運動(dòng)狀態(tài)，結合預先設定在驅動(dòng)器中的PI調節參數，實(shí)現對電機運動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)控制。 采用驅動(dòng)器與工控機經(jīng)由CAN總線(xiàn)和PCI-CAN適配卡連接，主要是基于以下考慮。 1 實(shí)現一根雙絞線(xiàn)串接全部設備，節省安裝維護費用。 2 實(shí)時(shí)性強，信息可共享，提高多控制器系統的監測、診斷和控制性能。 3 通過(guò)離線(xiàn)的任務(wù)調度、作業(yè)下載以及錯誤監控等方式，可實(shí)現工作人員遠程操作。在工業(yè)碼垛機器人現場(chǎng)應用中增加操作人員的安全系數。 4 CAN現場(chǎng)總線(xiàn)發(fā)展較為成熟，可供選擇的關(guān)聯(lián)驅動(dòng)器以及控制卡品種眾多，方便產(chǎn)品升級與維護。 統軟件設計與實(shí)現 對于工業(yè)碼垛機器人運動(dòng)控制系統來(lái)說(shuō)，上位主控機的控制程序十分重要，其主要部分可分為三大模塊，即1）PC與人對話(huà)模塊；2）CANopen協(xié)議通信模塊；3）運動(dòng)控制模塊。通過(guò)人機對話(huà)模塊可以給用戶(hù)提供友好的控制界面，使用戶(hù)通過(guò)觸摸屏實(shí)施對機器人的控制，包括碼放點(diǎn)、抓取點(diǎn)的合理定位，碼放方式和貨物數量品種的正確選擇等。運動(dòng)控制模塊可計算出所選碼放方式下電機所需要的運動(dòng)控制數據，再通過(guò)CANopen協(xié)議通信模塊對機器人的4個(gè)關(guān)節節點(diǎn)進(jìn)行數據傳輸與反饋接收管理。 機器人CANopen協(xié)議通信模塊主要功能為接收經(jīng)過(guò)運動(dòng)控制模塊計算出的運動(dòng)控制數據，將其編譯為驅動(dòng)器可以接收的符合CANopen協(xié)議的命令控制字并發(fā)送；接收驅動(dòng)器返回的數據和命令并傳送給相應的運動(dòng)控制模塊，若沒(méi)有接收到伺服驅動(dòng)器的反饋信息，則繼續發(fā)送信息給驅動(dòng)器，超時(shí)則轉入錯誤處理模塊進(jìn)行錯誤顯示并報警。 圖3 CANopen協(xié)議通信程序流程圖 實(shí)際應用過(guò)程中，控制系統CANopen初始化及應用流程如下。 1 電機驅動(dòng)器初始化設置。設置電機驅動(dòng)器的控制方式為總線(xiàn)控制方式，電機驅動(dòng)器的節點(diǎn)ID，系統通信波特率可在電機驅動(dòng)器的HMI界面中進(jìn)行設置，也可采用電機驅動(dòng)器自帶的本地調試軟件PowerSuit進(jìn)行本地設置。 2 PCI-CAN適配卡初始化設置。在工控機一側對PCI-CAN適配卡進(jìn)行初始化設置，主要設置內容有CAN總線(xiàn)節點(diǎn)個(gè)數，波特率，CANopen協(xié)議命令的收發(fā)方式以及濾波方式等。 工業(yè)碼垛機器人的運動(dòng)控制程序主要完成對碼垛方式的分解，解算相應驅動(dòng)電機的運行參數并通過(guò)CANopen協(xié)議通信模塊發(fā)送以完成工業(yè)碼垛機器人的作業(yè)動(dòng)作。具體解算方式因貨物形狀、碼放位置和碼放方式有所區別，在此不一一贅述。 錯誤處理模塊的主要功能是接收驅動(dòng)器返回的錯誤類(lèi)型代碼，根據電機驅動(dòng)器廠(chǎng)家定義的對象字典判斷所屬錯誤類(lèi)型并執行對應的錯誤處理函數或報警。 |
