CAN总线技术在工业码垛机器人控制系统中的应用研究

目前在用的工业码垛机器人种类繁多，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、系统完全开放等优点，得到广泛的应用。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便于组网、性价比高、扩展性强等特点，在大工业生产中具有广阔的发展前景。

工业码垛机器人
笔者所在科研团队开发的新型工业码垛机器人（机构简图如图1所示），其主体机械结构是基于平衡吊原理的七杆机构，具有承载力大、稳定性好、结构紧凑、节省能耗等特点。机器人的动力由四台交流伺服电机提供，分别负责机器人沿水平方向、沿垂直方向的直线运动，绕基座垂直轴的旋转运动和绕抓手转轴的旋转运动。四台电机既可单控，也可群控，大大简化了路径规划算法。

图1 新型工业码垛机器人机构简图

现场总线和CANopen
在工业控制领域，采用现场总线的最大优点是可以节约连接导线、维护和安装费用。同时，现场总线能够传送多个过程变量，而传统的4～20mA控制回路一般只能携带一个过程变量。采用现场总线后，在传输变量过程的同时，仪表的标识符和简单的诊断信息也可一并传送。采用现场总线的设备还具有更好的兼容性和扩展性。几种常见的现场总线性能如表1所示。

由上表可以看出，CAN总线在数据传输方面功能强大、性能优越，另外CAN总线传输速率较快，适用于大批量运动控制信息的实时交换处理。此外，CAN作为一种标准化的嵌入式网络，具有高度灵活的配置能力，从而在工业领域获得广泛应用。

CANopen协议是CAN-in-Automation（CiA）定义的标准之一，在发布后不久就获得了广泛承认。在工业技术十分先进的欧洲，CANopen协议被认为是在基于CAN的工业系统中占据领导地位的标准。依靠CANopen协议的支持，可以对不同厂商的设备通过总线进行配置。CANopen协议使开发人员从CAN相关事务的繁琐处理中解放出来，例如，位定时以及执行相关的功能。它提供了针对实时数据、组态数据以及网络管理数据的标准化通信对象，方便用于面向运动的机器控制网络。

硬件设计与实现
本工业码垛机器人的控制系统采用集散控制结构（见图2），选择高精度、大功率交流伺服电机作为主要执行器件。所选伺服电机电气性能好、响应速度快、变速时间短，具有较高的位置控制精度，为提升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有CAN总线控制模式驱动功能且具有CANopen协议所需的完备对象字典，方便了笔者所在科研团队组建机器人运动控制网络。

图2 工业码垛机器人运动控制系统图