基于CAN總線控制系統的抓物機械手設計

1 前言

機械手是在機械化、自動化生產過程中發展起來的一種新型裝置，被廣泛的運用于自動化生產線中。CAN總線是國際上應用最廣泛的現場總線之一，以其數據通信具有的突出可靠性、實時性和靈活性的特點，成為機械工業領域首選的現場總線之一。將工業自動化生產線上的眾多機械手通過CAN總線進行組網控制，可以實現系統的統一調配與運行，更好地發揮機械手功能。

2 總體控制流程

控制系統要實現的是利用工業CAN總線作為多機械手的控制網絡，各機械手為控制網絡的一個節點，將多個機械手搭建在CAN總線上，通過對總線的監測與控制，完成所需的相應功能。系統的總體控制流程，如圖1所示。每個節點的機械手均通過CAN總線接口連接在CAN bus上，各個節點從CAN總線接收需要的數據包，從而通過控制器對機械手動作，同時，各個節點也將機械手動作的實時信息通過CAN接口傳送到CAN bus上，進而形成完整的閉環控制系統。

圖1 總體控制流程

3 機械系統設計

設計的機械手是一種二自由度的抓物機械手臂。抓物機械手臂的抓物過程，可以用兩個電機分別帶動兩個活動臂的運動來完成。一個用于控制豎直方向的手臂位移量，另一個用于控制夾住目標物體的執行機構。當控制物體高度的信號發出后，傳感部件將物體的位置(高度)信號傳遞給控制器，然后控制器發出高度控制信號控制步進電機，步進電機帶動中軸旋轉，從而使得與之扣合的橫臂運動，行走機械部分開始運動。當行走機械部分停止后,從外部發來一個手臂啟動信號，控制器發出抓物信號，經由集成驅動電路單元放大整合后發給伺服電機，使得機械手抓閉合，執行抓物。抓物過程結束后，手臂控制系統發送一個動作完成成功信號叫饋給控制電路。

其中，A組電線接步進電機的控制端，當步進電機接收單片饑發出的脈沖時，帶動機械手中軸轉動。中軸 有螺紋，和橫臂以螺紋連接，這使得中軸的轉動通過螺紋帶動橫臂隨之上升或下降。B組電線接伺服電機的控制端，伺服電機接收單片機發出的脈沖時，帶動機械手爪按人們的意愿閉合或張開，從而抓取或放下物件。C組接反饋控制電路，抓物過程結束后，手臂控制系統發送一個動作完成成功信號回饋給控制電路。

圖2 抓物機械手臂設計圖

4. CAN總線控制系統設計

4．1 CAN總線接口的構成CAN總線接口設計最通用、最廣泛的方法是采用“微控制器+CAN控制器+CAN收發器”的組合，這里介紹目前市場上使用最為普遍、流行的獨立CAN控制器SJA1000，以及高速CAN收發器PCA82C250。CAN總線接口的結構。

圖3 CAN總線接口結構

SJA1 000閣是一一種獨立的CAN控制器，主要用于移動目標和一般工業環境中的區域網絡控制。SJA1000的控制寄存器、命令寄俘器、狀態寄存器、發送緩沖器等，均為8位，設置各寄存器中的參數可實現不同的操作功能。SJA 1000有兩種工作模式，即BasicCAN模式和PeliCAN模式。在這兩種模式中，SJA1000寄存器從數量、地址分配到功能等方面都有所區別。SJA1000在復位狀態下的默認模式為BasicCAN模式。CAN控制器在兩種模式中又都有兩種狀態模式，分別稱為操作模式和復位模式。處在這兩種不同狀態的模式中，對寄存器的訪問操作功能是不同的。PCA82C250f6是CAN控制器與物理總線之間的接口，器件可以提供對總線的差動發送和接收功能。PCA82C250驅動電路內部具有限流電路，可防止發送輸出級對電源、地或負載短路。雖然短路出現I討功耗增加，但不至于使輸出級損壞。若結溫超過大約160度，則兩個發送器輸出端極限電流將減小 由于發送器是功耗的主要部分，因而限制了芯片的溫升，器件的所有其他部分將繼續工作。PCA82C250采用雙線差分驅動，有助于抑制汽車等惡劣電氣環境下的瞬變干擾。