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06-17
目前使用的工业码垛机器人类型较多，但根据其多轴控制系统的技术特点，一般可分为三种类型：1）基于PLC的多轴控制系统； 2）基于PC的多轴控制系统； 3）基于总线的多轴控制系统。
其中，总线控制系统具有数字信号传输、系统完全开放的优点，得到了广泛的应用。
笔者通过研究发现，基于现场总线尤其是CAN总线的工业码垛机器人在实际应用中具有组网方便、性价比高、可扩展性强的特点，在大工业生产中具有广阔的发展前景。
工业码垛机器人 笔者科研团队研发的新型工业码垛机器人（机构图如图1）。
其主要机械结构是基于平衡起重机原理的七杆机构，具有较大的承载能力。
、稳定性好、结构紧凑、节能等特点。
机器人的动力由四台交流伺服电机提供，分别负责机器人水平和垂直方向的直线运动、绕底座垂直轴的旋转运动、绕抓手轴的旋转运动。
四个电机可以单独或分组控制，这大大简化了路径规划算法。
图1新型工业码垛机器人机构示意图 现场总线与CANopen 在工业控制领域，使用现场总线的最大优点是可以节省连接电线、维护和安装成本。
同时，现场总线可以传输多个过程变量，而传统的4-20mA控制回路一般只能承载一个过程变量。
通过现场总线，仪器标识符和简单的诊断信息也可以与变量过程一起传输。
采用现场总线的设备还具有更好的兼容性和可扩展性。
几种常见的现场总线性能如表1所示。
从上表可以看出，CAN总线在数据传输方面具有强大的功能和优越的性能。
另外，CAN总线传输速率快，适合大量运动控制信息的实时交换处理。
此外，CAN作为标准化的嵌入式网络，具有高度灵活的配置能力，在工业领域得到了广泛的应用。
CANopen 协议是 CAN-in-Automation (CiA) 定义的标准之一，发布后不久就获得了广泛认可。
在工业技术非常先进的欧洲，CANopen协议被认为是基于CAN的工业系统的领先标准。
依托CANopen协议的支持，可以通过总线对不同厂家的设备进行配置。
CANopen协议将开发人员从繁琐的CAN相关事务处理中解放出来，例如位定时和执行相关功能。
它为实时数据、配置数据和网络管理数据提供标准化的通信对象，使其易于在面向运动的机器控制网络中使用。
硬件设计与实现 该工业码垛机器人控制系统采用分布式控制结构（见图2），选用高精度、大功率交流伺服电机作为主要执行装置。
所选伺服电机电气性能好、响应速度快、变速时间短、位置控制精度高，为提高机器人的性能水平奠定了基础。
需要指出的是，所选电机的伺服驱动器均具备CAN总线控制方式驱动功能，并具有CANopen协议所需的完整对象字典，这有利于笔者科研团队建立机器人运动控制网络。
图2 工业码垛机器人运动控制系统框图 在图2所示的工业码垛机器人控制系统中，上位机为PC-工控机，通过PCI-CAN适配卡连接PCI总线。
，按照CANopen协议标准与交流伺服电机控制器进行通讯。
下位电机伺服驱动器接受上位机发出的指令语言，按照指令要求控制电机转动，电机驱动执行机构完成动作。
同时，电机伺服驱动器通过交流电机上的光电编码器检测同步感应电机的运动状态，并结合驱动器中预设的PI调整参数，实现对电机运动状态的实时控制。
驱动器通过CAN总线和PCI-CAN适配卡与工控机连接，主要基于以下考虑。
1 实现一根双绞线串联所有设备，节省安装和维护成本。
2 实时性强，可共享信息，提高多控制器系统的监测、诊断和控制性能。
3 通过离线任务调度、作业下载、错误监控，实现工作人员远程操作。
提高工业码垛机器人现场应用中操作员的安全。
4 CAN现场总线比较成熟，有多种类型的关联驱动程序和控制卡可供选择，方便产品升级和维护。
系统软件设计与实现 对于工业码垛机器人运动控制系统来说，上位机的控制程序非常重要。
其主要部分可分为三大模块，即1）PC机与人机对话模块；2）CANopen协议通讯模块； 3）运动控制模块。
人机对话模块可以为用户提供友好的控制界面，让用户通过触摸屏来控制机器人，包括堆垛点和抓取点的合理定位，正确选择堆垛方式和货物的数量和品种，运动控制模块可以计算出电机在选定的堆叠模式下所需的运动控制数据，然后通过CANopen协议通信模块管理机器人四个关节节点的数据传输和反馈接收。
机器人CANopen协议通讯模块的主要功能是接收运动控制模块计算出的运动控制数据，将其编译成驱动器可以接收并符合CANopen协议的命令控制字并发送；接收驱动器返回的数据和命令，并将其传送给相应的运动控制模块，如果没有收到伺服驱动器的反馈信息，则继续向驱动器发送信息。
当超时时，将转入错误处理模块进行错误显示和报警。
图3 CANopen协议通信程序流程图 在实际应用过程中，控制系统CANopen初始化及应用流程如下。
1 电机驱动器初始化设置。
将电机驱动器的控制模式设置为总线控制模式，电机驱动器的节点ID、系统通讯波特率可以在电机驱动器的HMI界面中设置，也可以使用自带的本地调试软件PowerSuit与电机驱动器进行本地设置。
2 PCI-CAN 适配卡初始化设置。
初始化工控机侧面的PCI-CAN适配卡。
主要设置包括CAN总线节点数、波特率、CANopen协议命令发送和接收方式、过滤方式等。
工业码垛机器人运动控制程序主要完成码垛方式的分解，计算出相应驱动电机的运行参数并通过CANopen协议通讯模块发送，完成工业码垛机器人的操作动作。
具体的解决方法根据货物的形状、堆放位置和堆放方式而有所不同，这里不再赘述。
错误处理模块的主要功能是接收驱动器返回的错误类型代码，根据电机驱动器厂家定义的对象字典判断错误类型，并执行相应的错误处理函数或报警。
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