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基于CAN總線的機(jī)械手控制系統(tǒng)

摘要： 本文重點(diǎn)闡述了該機(jī)械手控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，并從多個(gè)方面對(duì)控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)方法作了進(jìn)一步分析。

關(guān)鍵詞： 接口IC 控制系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)通信數(shù)據(jù)幀

Abstract：

Key words :

1 引言

　　機(jī)械手可在空間抓放物體，動(dòng)作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動(dòng)化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于柔性自動(dòng)線。我們開發(fā)的用于熱處理淬火加工的物料搬運(yùn)機(jī)械手，是一種按預(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行工件分揀、搬運(yùn)和淬火加工的自動(dòng)化裝置，可部分代替人工在高溫和危險(xiǎn)的作業(yè)區(qū)進(jìn)行單調(diào)持久的作業(yè)，并可根據(jù)工件的變化以及淬火工藝的要求隨時(shí)更改相關(guān)控制參數(shù)。由于目前許多商品化的工業(yè)機(jī)器人（或機(jī)械手）大都采用封閉結(jié)構(gòu)的專用控制系統(tǒng)，一般采用專用計(jì)算機(jī)（如PUMA工業(yè)機(jī)器人使用PDP-11）作為上層主控計(jì)算機(jī)，使用專用機(jī)器人語言（如VAL）作為離線編程工具，采用專用微處理器，并將控制算法固化在EPROM中[1]，這種專用系統(tǒng)很難進(jìn)行擴(kuò)展、修改或再集成外部硬件（如傳感器）和軟件。因此，我們自行開發(fā)了氣、電混合驅(qū)動(dòng)的三自由度圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手以及相應(yīng)的物料分揀裝置，并根據(jù)其控制要求設(shè)計(jì)了基于CAN總線的分式布開放結(jié)構(gòu)機(jī)械手控制系統(tǒng)。

　　本文重點(diǎn)闡述了該機(jī)械手控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，并從多個(gè)方面對(duì)控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)方法作了進(jìn)一步分析。

2 機(jī)械手基本結(jié)構(gòu)

　　物料搬運(yùn)機(jī)械手由機(jī)械手和物料分揀兩部分裝置組成。如圖1所示，機(jī)械手主要由機(jī)座（采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)）、水平手臂（采用直線坐標(biāo)氣缸HMP-20-200）、垂直手臂（采用滑塊氣缸SLT-16-50）、氣爪（采用平行氣爪HGP-10-A）等部分組成。物料分揀裝置則由三個(gè)普通氣缸構(gòu)成，用以將不同長度的工件送至不同的軌道中，供機(jī)械手分別抓取和搬運(yùn)。

圖1 物料搬運(yùn)機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡圖

3 基于CAN總線的機(jī)械手控制系統(tǒng)組成

　　在機(jī)械手控制系統(tǒng)的開發(fā)中，我們始終立足于開放結(jié)構(gòu)機(jī)械手控制器的設(shè)計(jì)思想，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

　?。?）硬件基于標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間、設(shè)備與各種傳感器之間以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制室之間的數(shù)據(jù)通信。

　　現(xiàn)場(chǎng)總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。CAN（Controller Area Network）總線是現(xiàn)場(chǎng)總線的一個(gè)分支，是應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，是開放式、數(shù)字式的底層控制網(wǎng)絡(luò)。因其具有很高的可靠性和性能價(jià)格比，已經(jīng)成為國際標(biāo)準(zhǔn)，受到工業(yè)界的廣泛重視，并已被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。機(jī)械手控制系統(tǒng)建立在CAN總線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，能夠更好地滿足其開放性和可靠性的要求。

　　如圖2所示，控制系統(tǒng)中上位機(jī)采用PC機(jī)，在上位機(jī)的PCI總線插槽中安裝了瑞隆德公司的CANPCA單口CAN總線適配卡。下位機(jī)則采用若干CAN總線智能節(jié)點(diǎn)，分別與氣閥、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、傳感器、開關(guān)等相連。上、下位機(jī)間的數(shù)據(jù)通信都是通過各自的CAN總線控制器SJA1000芯片和CAN總線收發(fā)器82C250芯片來實(shí)現(xiàn)的。其中，SJA1000具有完成CAN總線通信協(xié)議所要求的全部特性，它與獨(dú)立CAN總線控制器82C200完全兼容，并有支持CAN2.0B協(xié)議、擴(kuò)展接收緩沖器、增強(qiáng)錯(cuò)誤處理能力和增強(qiáng)驗(yàn)收濾波等新增功能。四個(gè)下位機(jī)智能節(jié)點(diǎn)各自獨(dú)立完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和運(yùn)行控制任務(wù)，并通過SJA1000實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)間的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。而上位機(jī)則通過PCI橋和接口控制電路來訪問CAN控制器，從而實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)間的數(shù)據(jù)通信。

圖2 物料搬運(yùn)機(jī)械手CAN總線控制系統(tǒng)示意圖

　?。?）使用基于非專用計(jì)算機(jī)平臺(tái)的開發(fā)系統(tǒng)（本控制系統(tǒng)中采用PC機(jī)）。

　?。?）使用標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)的控制語言。

　　機(jī)械手控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件采用Visual C++6.0作為開發(fā)工具，運(yùn)行于Windows98平臺(tái)上。VC是一種面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，它提供了可視化編程環(huán)境，特別是提供了MFC類庫，封裝了Windows API接口函數(shù)，并建立了應(yīng)用程序框架，使程序開發(fā)人員可以將主要精力集中于所要解決的具體問題上。

　　另外，在機(jī)械手的水平手臂氣缸伺服控制中，采用德國Festo公司的伺服定位控制器SPC200以及與之配套的內(nèi)置位移傳感器MLO-POT-0225、伺服定位控制連接器SPC-AIF-POT和比例方向流量閥MPYE-5-1/8-LF-010-B等裝置。機(jī)械手的回轉(zhuǎn)控制則采用北京凱恩帝數(shù)控公司的BD-3Y三相混和式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

4 機(jī)械手控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

　　4.1 監(jiān)控軟件基本結(jié)構(gòu)

　　機(jī)械手監(jiān)控軟件采用VC++6.0作為開發(fā)工具，應(yīng)用其提供的MFC類庫和APPWizard功能生成SDI單文檔界面應(yīng)用程序。VC++6.0提供了現(xiàn)成的窗口、工具條等制作手段，大大簡化了界面的開發(fā)過程，并且使得開發(fā)出的界面具有組態(tài)軟件風(fēng)格，使用起來方便、靈活。如圖3所示，監(jiān)控軟件主要由系統(tǒng)界面、CAN總線通信、機(jī)械手監(jiān)控以及運(yùn)行狀態(tài)顯示等模塊組成。下面就其中的數(shù)據(jù)通信、運(yùn)行監(jiān)控及動(dòng)態(tài)顯示部分作進(jìn)一步分析。

圖3 機(jī)械手監(jiān)控軟件功能框圖

　　4.2 CAN總線數(shù)據(jù)通信

　　CAN總線是一種有效支持分布式控制及實(shí)時(shí)控制的多主串行總線，它具有短報(bào)文幀收發(fā)靈活、非破壞性基于優(yōu)先權(quán)的總線仲裁技術(shù)等多種優(yōu)越性能。在機(jī)械手控制系統(tǒng)中，CAN總線數(shù)據(jù)通信是通過與CANPCA適配卡一起提供Pcicandrv.LIB（CAN總線函數(shù)庫）中的相關(guān)函數(shù)調(diào)用實(shí)現(xiàn)的[5]。為了及時(shí)準(zhǔn)確地了解CAN總線狀態(tài)，并盡可能減少故障和縮小故障范圍，在控制軟件中專門設(shè)計(jì)了測(cè)試程序，負(fù)責(zé)CAN總線接口及通信部分的調(diào)試、運(yùn)行任務(wù)。只有在測(cè)試正常的前提下，才能進(jìn)一步運(yùn)用CAN總線對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制。CAN總線數(shù)據(jù)有標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀之分，它們都是由信息和數(shù)據(jù)兩部分組成的，只是地址標(biāo)識(shí)符的位數(shù)不同。下面是CAN總線初始化及CAN標(biāo)準(zhǔn)幀數(shù)據(jù)收發(fā)的部分代碼。

　　//CAN總線初始化

　　void CWuLiao::InitCAN（）

　?。?/p>

　　int retval;

　　retval =CAN_Open（）; //打開PCI適配卡函數(shù)

　　if（retval!=1） AfxMessageBox（"打開PCI卡失敗!"）;

　　ptrConfig = &Config;

　　ptrStruct = &Struct; //定義CAN數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)指針

　　ptrConfig->timer0=0x3f;

　　ptrConfig->timer1=0xff; //設(shè)置波特率為5K

　　ptrConfig->workMode=0; //使用11位的CAN節(jié)點(diǎn)地址

　　ptrStruct->card=0; //PCI適配卡卡號(hào)

　　ptrConfig->accCode=0; //CAN接收碼

　　ptrConfig->accMask=0xff; //CAN屏蔽碼

　　ptrConfig->control=1; //開放中斷

　　ptrConfig->filterMode=0; //CAN控制器采用單濾波方式

　　retval =CAN_Init（ptrStruct,ptrConfig）; //調(diào)CAN初始化函數(shù)

　　if（retval!=1） AfxMessageBox（"初始化失敗!"）;

　?。?/p>

　　//CAN數(shù)據(jù)發(fā)送

　　void CWuLiao::OutputCAN（unsigned int CanID,unsigned char H8B,unsigned char L8B）

　?。?/p>

　　int retval;

　　ptrPacket = &Packet;

　　ptrStruct = &Struct;

　　ptrStruct->card=0;

　　ptrPacket->length=4;//發(fā)送數(shù)據(jù)長度4個(gè)字節(jié)

　　ptrPacket->rtr=0;//表示發(fā)送的是數(shù)據(jù)幀，而非遠(yuǎn)程幀

　　ptrPacket->CAN_ID=CanID;//定義CAN節(jié)點(diǎn)地址

　　ptrPacket->data[0]=0x44;

　　ptrPacket->data[1]=0x4f;//CAN數(shù)據(jù)發(fā)送命令字

　　ptrPacket->data[2]=H8B;

　　ptrPacket->data[3]=L8B;//要發(fā)送的高、低字節(jié)

　retval=CAN_Trans（ptrStruct,ptrPacket）;//調(diào)發(fā)送數(shù)據(jù)幀函數(shù)

　　｝

　　//CAN數(shù)據(jù)接收

　　void CWuLiao::InputCAN（unsigned int ID）

　?。?/p>

　　ptrPacket = &Packet;

　　ptrStruct = &Struct;

　　int Rece_Length,retval,n;

　　ptrStruct->card=0;

　　ptrPacket->length=2;

　　ptrPacket->rtr=0;

　　ptrPacket->CAN_ID=ID;

　　ptrPacket->data[0]=0x44;

　　ptrPacket->data[1]=0x49; //CAN數(shù)據(jù)接收命令字

　　retval=CAN_Trans（ptrStruct,ptrPacket）; //調(diào)發(fā)送數(shù)據(jù)幀函數(shù),發(fā)出接收命令

　　if（retval==1）

　　｛

　　retval=CAN_Rece（ptrStruct,ptrPacket）; //調(diào)接收數(shù)據(jù)幀函數(shù)

　　if（retval==1） //接收成功，則返回值為1

　　｛

　　Rece_Length=ptrPacket->length; //取接收到的數(shù)據(jù)長度

　　for（n=0;n

　?。?/p>

　　Rece_Data[n]=ptrPacket->data[n]; //接收到的數(shù)據(jù)從ptrPacket的成員變量Data中讀取,Race.Data[8]已設(shè)置為全局變量

　　｝

　?。?/p>

　　｝

　　4.3 多線程技術(shù)在機(jī)械手實(shí)時(shí)監(jiān)控中的應(yīng)用

　　機(jī)械手控制程序是在Windows98下開發(fā)的，除了具有豐富的用戶圖形操作界面，該控制程序還需完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和控制任務(wù)。然而Windows98并不是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它是基于消息驅(qū)動(dòng)機(jī)制的搶先式多任務(wù)系統(tǒng)，沒有提供足夠的實(shí)時(shí)處理功能。因此，在程序開發(fā)中，我們采用多線程技術(shù)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)功能。線程是多任務(wù)的基本單元，是操作系統(tǒng)用來調(diào)度執(zhí)行的最小單位。一個(gè)進(jìn)程可以由多個(gè)線程組成，系統(tǒng)調(diào)度程序?qū)PU時(shí)間片劃分給各個(gè)線程，各個(gè)線程在各自的時(shí)間片內(nèi)使用CPU，從而實(shí)現(xiàn)了微觀上輪流執(zhí)行、宏觀上并發(fā)運(yùn)行的多任務(wù)效果。

　　為了避免機(jī)械手控制軟件前臺(tái)顯示界面因CAN總線數(shù)據(jù)采集和機(jī)械手控制指令的程序循環(huán)而導(dǎo)致響應(yīng)過慢或任務(wù)阻塞（Blocking）現(xiàn)象，增強(qiáng)應(yīng)用程序的快速響應(yīng)特性，我們將主要的數(shù)據(jù)采集和控制任務(wù)：“機(jī)械手搬運(yùn)”及“物料分揀”定義成獨(dú)立的可以按并行方式執(zhí)行的工作線程，讓這個(gè)工作線程在后臺(tái)通過對(duì)CAN總線節(jié)點(diǎn)的讀寫完成數(shù)據(jù)輸入和控制參數(shù)輸出的任務(wù)。前臺(tái)顯示界面則通過PostMessage（）函數(shù)與后臺(tái)數(shù)據(jù)采集及控制程序進(jìn)行通信，以共享數(shù)據(jù)單元的方式得到實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并加以顯示。在“機(jī)械手系統(tǒng)運(yùn)行”界面中設(shè)置了一個(gè)按鈕用于數(shù)據(jù)采集和控制線程的啟動(dòng)。以下給出部分“送料缸”運(yùn)行控制代碼：

　　//設(shè)置全局變量

　　int Rece_Data[8]; //CAN輸入數(shù)據(jù)數(shù)組

　　//以下是主線程

　　……

　　#define WM_THREADCAN WMUSER+10 //用戶消息定義

　　……

　　ON_MESSAGE（WM_THREADCAN,OnThreadCAN） //用宏將消息和處理函數(shù)聯(lián)系起來

　　……

　　LRESULT CWuLiao::OnThreadCAN（WPARAM wParam,LPARAM lParam）

　?。?/p>

　　CWuLiao::InputCAN（0x10）; //讀2#CAN節(jié)點(diǎn)輸入狀態(tài)

　　if （Rece_Data[2]==0x7e） CWuLiao::OutputCAN（0x10,0x00,0x55）; //滿足條件,則輸出控制送料缸運(yùn)動(dòng)

　　……

　　return 0;

　　｝

　　void CWuLiao::OnWuLiaoThread（）

　?。?/p>

　　InitCAN（）; //CAN總線初始化

　　pThread=AfxBeginThread（CAN_IN,GetSafeHwnd（）,THREAD_PRIORITY_NORMAL）; //創(chuàng)建工作線程

　　｝

　　//以下是CAN數(shù)據(jù)采集和控制子線程

　　UINT CAN_IN（LPVOID pParam）

　?。?/p>

　　HWND hWnd;

　　hWnd=（HWND）param;

　?。?/p>

　　PostMessage（hWnd,WM_THREADCAN,0,0）;

　　Sleep（10）;

　?。?/p>

　　while （Rece_Data[2]!=0xef）; //停止按鈕按下則中止工作線程

　　return 0;

　?。?/p>

　　上述代碼中，由主線程建立并初始化子線程，而子線程負(fù)責(zé)讀取CAN節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并通過分析、計(jì)算給出相應(yīng)的控制信號(hào)，完成控制任務(wù)。子線程一旦被創(chuàng)建，它將獨(dú)立于創(chuàng)建它的主線程運(yùn)行。由于一個(gè)進(jìn)程中的所有線程都共享該進(jìn)程的虛擬地址空間，從而可以通過將主線程和子線程間需共享的數(shù)據(jù)聲明為全局變量的方法來訪問該進(jìn)程的所有全局變量。在機(jī)械手監(jiān)控程序中引入多線程機(jī)制，充分利用了Windows系統(tǒng)的多任務(wù)特點(diǎn)，可以有效地克服CAN總線數(shù)據(jù)采集和控制過程中的停滯和反應(yīng)不及時(shí)現(xiàn)象，并能大大提高程序的運(yùn)行效率和可靠性。

　　4.4 機(jī)械手運(yùn)行過程的動(dòng)態(tài)顯示

　　工業(yè)監(jiān)控軟件中，現(xiàn)場(chǎng)采集來的數(shù)據(jù)都需要以某種方式表示在屏幕上。在機(jī)械手系統(tǒng)中，主要的控制對(duì)象是氣缸和步進(jìn)電機(jī)，為了能直觀地反映出它們的運(yùn)行狀態(tài)，必須將CAN總線采集到的各傳感器狀態(tài)以及運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)行情況以動(dòng)畫的形式表現(xiàn)出來。為此，我們采用了ActiveX控件開發(fā)及應(yīng)用技術(shù)。ActiveX控件是微軟公司提供的功能強(qiáng)大的程序設(shè)計(jì)和開發(fā)技術(shù)，它是提高程序開放性和可重用性的重要手段。在機(jī)械手控制程序中，通過MFC ActiveX Control Wizard建立了一個(gè)名為jixieshou的ActiveX控制的應(yīng)用程序框架，并在其中生成了可動(dòng)態(tài)顯示的機(jī)械手裝置圖形控件。通過對(duì)該控件中諸如氣缸寬度、高度等屬性的設(shè)置來改變控件的形狀;通過氣缸活塞每移動(dòng)一步的延時(shí)和每移動(dòng)一步的距離來改變氣缸的運(yùn)動(dòng)速度;通過調(diào)用該控件的接口函數(shù)來顯示氣缸、步進(jìn)電機(jī)、傳感器等的運(yùn)動(dòng)和狀態(tài)。而上述行為的發(fā)生是由CAN總線數(shù)據(jù)采集和控制子線程向主線程傳遞相應(yīng)全局變量的值引發(fā)的，由此將圖形顯示與實(shí)物動(dòng)作緊密聯(lián)系。

5 結(jié)束語

　　利用CAN總線技術(shù)，并采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法以及多線程技術(shù)、ActiveX技術(shù)等，可以使監(jiān)控軟件具有較強(qiáng)的通用性、可擴(kuò)展性和可靠性，同時(shí)進(jìn)一步提高了控制系統(tǒng)的開放性和實(shí)時(shí)性。通過在物料搬運(yùn)機(jī)械手控制中的應(yīng)用表明：該控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠，能夠完全滿足設(shè)計(jì)要求。

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