目前在用的工業(yè)碼垛機(jī)器人種類(lèi)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(lèi)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(xiàn)的多軸控制系統(tǒng)。其中，總線(xiàn)控制系統(tǒng)具有數(shù)字信號(hào)傳輸、系統(tǒng)完全開(kāi)放等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛的應(yīng)用。筆者通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，基于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，尤其是CAN總線(xiàn)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?xún)r(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(kāi)發(fā)的新型工業(yè)碼垛機(jī)器人（機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)力由四臺(tái)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(xiàn)運(yùn)動(dòng)，繞基座垂直軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和繞抓手轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。四臺(tái)電機(jī)既可單控，也可群控，大大簡(jiǎn)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(jiǎn)圖

現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)和CANopen
在工業(yè)控制領(lǐng)域，采用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的最大優(yōu)點(diǎn)是可以節(jié)約連接導(dǎo)線(xiàn)、維護(hù)和安裝費(fèi)用。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)能夠傳送多個(gè)過(guò)程變量，而傳統(tǒng)的4～20mA控制回路一般只能攜帶一個(gè)過(guò)程變量。采用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)后，在傳輸變量過(guò)程的同時(shí)，儀表的標(biāo)識(shí)符和簡(jiǎn)單的診斷信息也可一并傳送。采用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的設(shè)備還具有更好的兼容性和擴(kuò)展性。幾種常見(jiàn)的現(xiàn)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(shù)據(jù)傳輸方面功能強(qiáng)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(yùn)動(dòng)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(duì)不同廠商的設(shè)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(zhí)行相關(guān)的功能。它提供了針對(duì)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(duì)象，方便用于面向運(yùn)動(dòng)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(jiàn)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(dòng)器均具有CAN總線(xiàn)控制模式驅(qū)動(dòng)功能且具有CANopen協(xié)議所需的完備對(duì)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(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)。

圖2 工業(yè)碼垛機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)圖               

在圖2所示的工業(yè)碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)中，上位主控機(jī)選用PC-104工控機(jī)，通過(guò)PCI總線(xiàn)連接PCI-CAN適配卡，按CANopen協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)與交流伺服電機(jī)控制器進(jìn)行通信。下位電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器接受上位機(jī)發(fā)出的指令語(yǔ)言，按指令要求控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，由電機(jī)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成動(dòng)作。同時(shí)，電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器通過(guò)交流電機(jī)上的光電編碼器檢測(cè)同步感應(yīng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，結(jié)合預(yù)先設(shè)定在驅(qū)動(dòng)器中的PI調(diào)節(jié)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)控制。

采用驅(qū)動(dòng)器與工控機(jī)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(xiàn)一根雙絞線(xiàn)串接全部設(shè)備，節(jié)省安裝維護(hù)費(fèi)用。
2 實(shí)時(shí)性強(qiáng)，信息可共享，提高多控制器系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、診斷和控制性能。
3 通過(guò)離線(xiàn)的任務(wù)調(diào)度、作業(yè)下載以及錯(cuò)誤監(jiān)控等方式，可實(shí)現(xiàn)工作人員遠(yuǎn)程操作。在工業(yè)碼垛機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中增加操作人員的安全系數(shù)。
4 CAN現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)發(fā)展較為成熟，可供選擇的關(guān)聯(lián)驅(qū)動(dòng)器以及控制卡品種眾多，方便產(chǎn)品升級(jí)與維護(hù)。

統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
對(duì)于工業(yè)碼垛機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，上位主控機(jī)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(duì)話(huà)模塊；2）CANopen協(xié)議通信模塊；3）運(yùn)動(dòng)控制模塊。通過(guò)人機(jī)對(duì)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(duì)機(jī)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(shù)量品種的正確選擇等。運(yùn)動(dòng)控制模塊可計(jì)算出所選碼放方式下電機(jī)所需要的運(yùn)動(dòng)控制數(shù)據(jù)，再通過(guò)CANopen協(xié)議通信模塊對(duì)機(jī)器人的4個(gè)關(guān)節(jié)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與反饋接收管理。

機(jī)器人CANopen協(xié)議通信模塊主要功能為接收經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)控制模塊計(jì)算出的運(yùn)動(dòng)控制數(shù)據(jù)，將其編譯為驅(qū)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(qū)動(dòng)器返回的數(shù)據(jù)和命令并傳送給相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制模塊，若沒(méi)有接收到伺服驅(qū)動(dòng)器的反饋信息，則繼續(xù)發(fā)送信息給驅(qū)動(dòng)器，超時(shí)則轉(zhuǎn)入錯(cuò)誤處理模塊進(jìn)行錯(cuò)誤顯示并報(bào)警。

圖3 CANopen協(xié)議通信程序流程圖

實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，控制系統(tǒng)CANopen初始化及應(yīng)用流程如下。
1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器初始化設(shè)置。設(shè)置電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制方式為總線(xiàn)控制方式，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的節(jié)點(diǎn)ID，系統(tǒng)通信波特率可在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的HMI界面中進(jìn)行設(shè)置，也可采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器自帶的本地調(diào)試軟件PowerSuit進(jìn)行本地設(shè)置。

2 PCI-CAN適配卡初始化設(shè)置。在工控機(jī)一側(cè)對(duì)PCI-CAN適配卡進(jìn)行初始化設(shè)置，主要設(shè)置內(nèi)容有CAN總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，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(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制程序主要完成對(duì)碼垛方式的分解，解算相應(yīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)并通過(guò)CANopen協(xié)議通信模塊發(fā)送以完成工業(yè)碼垛機(jī)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(qū)別，在此不一一贅述。

錯(cuò)誤處理模塊的主要功能是接收驅(qū)動(dòng)器返回的錯(cuò)誤類(lèi)型代碼，根據(jù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器廠家定義的對(duì)象字典判斷所屬錯(cuò)誤類(lèi)型并執(zhí)行對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤處理函數(shù)或報(bào)警。