CAN總線技術在工業碼垛機器人控制系統中的應用研究

目前在用的工業碼垛機器人種類繁多，但根據其多軸控制系統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；2）基于PC的多軸控制系統；3）基于總線的多軸控制系統。其中，總線控制系統具有數字信號傳輸、系統完全開放等優點，得到廣泛的應用。筆者通過研究發現，基于現場總線，尤其是CAN總線的工業碼垛機器人在實際應用中具有便于組網、性價比高、擴展性強等特點，在大工業生產中具有廣闊的發展前景。

工業碼垛機器人
筆者所在科研團隊開發的新型工業碼垛機器人（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、穩定性好、結構緊湊、節省能耗等特點。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運動和繞抓手轉軸的旋轉運動。四臺電機既可單控，也可群控，大大簡化了路徑規劃算法。

圖1 新型工業碼垛機器人機構簡圖

現場總線和CANopen
在工業控制領域，采用現場總線的最大優點是可以節約連接導線、維護和安裝費用。同時，現場總線能夠傳送多個過程變量，而傳統的4～20mA控制回路一般只能攜帶一個過程變量。采用現場總線后，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。幾種常見的現場總線性能如表1所示。

由上表可以看出，CAN總線在數據傳輸方面功能強大、性能優越，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絡，具有高度靈活的配置能力，從而在工業領域獲得廣泛應用。

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

硬件設計與實現
本工業碼垛機器人的控制系統采用集散控制結構（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，所選電機的伺服驅動器均具有CAN總線控制模式驅動功能且具有CANopen協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絡。

圖2 工業碼垛機器人運動控制系統圖