基于CAN总线的机械手控制系统.docx

《基于CAN总线的机械手控制系统.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于CAN总线的机械手控制系统.docx（14页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、基于CAN总线的机械手控制系统ronggang导语：基于现场总线的开放构造机械手控制系统是目前机械手控制的开展方向。文章通过对物料搬运机械手装置及其控制系统的介绍，提出了基于CAN总线的机械手控制系统方案摘要：基于现场总线的开放构造机械手控制系统是目前机械手控制的开展方向。文章通过对物料搬运机械手装置及其控制系统的介绍，提出了基于CAN总线的机械手控制系统方案，分析了控制系统的构造组成，并对在Windows98平台上用VC+6.0开发CAN总线控制系统软件进展了较为具体的阐述。关键词：CAN总线机械手开放构造控制VC+6.0机械手可在空间抓放物体，动作灵敏多样，适用于可变换消费品种的中、小批量

2、自动化消费，广泛应用于柔性自动线。我们开发的用于热处理淬火加工的物料搬运机械手，是一种按预先设定的程序进展工件分拣、搬运和淬火加工的自动化装置，可局部代替人工在高温顺危险的作业区进展单调持久的作业，并可根据工件的变化以及淬火工艺的要求随时更改相关控制参数。由于目前很多商品化的工业机器人或者机械手大都采用封闭构造的专用控制系统，一般采用专用计算机如PUMA工业机器人使用PDP-11作为上层主控计算机，使用专用机器人语言如VAL作为离线编程工具，采用专用微处理器，并将控制算法固化在EPROM中1，这种专用系统很难进展扩展、修改或者再集成外部硬件如传感器和软件。因此，我们自行开发了气、电混合驱动的三

3、自由度圆柱坐标型机械手以及相应的物料分拣装置，并根据其控制要求设计了基于CAN总线的分式布开放构造机械手控制系统。本文重点阐述了该机械手控制系统的构造组成，并从多个方面对控制系统软件的设计方法作了进一步分析。2机械手根本构造物料搬运机械手由机械手和物料分拣两局部装置组成。如图1所示，机械手主要由机座采用步进电机驱动旋转、程度手臂采用直线坐标气缸HMP-20-200、垂直手臂采用滑块气缸SLT-16-50、气爪采用平行气爪HGP-10-A等局部组成。物料分拣装置那么由三个普通气缸构成，用以将不同长度的工件送至不同的轨道中，供机械手分别抓取和搬运。align=center图1物料搬运机械手构造简图

4、/align3基于CAN总线的机械手控制系统组成在机械手控制系统的开发中，我们始终立足于开放构造机械手控制器的设计思想2，主要表达在以下几方面：1硬件基于标准总线构造，能实现现场设备之间、设备与各种传感器之间以及现场设备与控制室之间的数据通讯。现场总线是当今自动化领域技术开展的热门之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。CANControllerAreaNetwork总线是现场总线的一个分支，是应用于消费现场控制设备之间实现双向串行多节点数字通讯的系统，是开放式、数字式的底层控制网络。因其具有很高的可靠性和性能价格比，已经成为国际标准，受到工业界的广泛重视，并已被公以为几种最有前途的现场总线之一

5、3。机械手控制系统建立在CAN总线网络根底上，可以更好地知足其开放性和可靠性的要求。如图2所示，控制系统中上位机采用PC机，在上位机的PCI总线插槽中安装了瑞隆德公司的CANPCA单口CAN总线适配卡。下位机那么采用假设干CAN总线智能节点，分别与气阀、步进电机驱动器、传感器、开关等相连。上、下位机间的数据通讯都是通过各自的CAN总线控制器SJA1000芯片和CAN总线收发器82C250芯片来实现的。其中，SJA1000具有完成CAN总线通讯协议所要求的全部特性，它与独立CAN总线控制器82C200完全兼容，并有支持CAN2.0B协议、扩展接收缓冲器、增强错误处理才能和增强验收滤波等新增功能。

6、四个下位机智能节点各自独立完成现场数据收集和运行控制任务，并通过SJA1000实现与上位机间的数据接收和发送。而上位机那么通过PCI桥和接口控制电路来访问CAN控制器，进而实现与下位机间的数据通讯。align=center图2物料搬运机械手CAN总线控制系统示意图/align2使用基于非专用计算机平台的开发系统本控制系统中采用PC机。3使用标准的操纵系统和标准的控制语言。机械手控制系统监控软件采用VisualC+6.0作为开发工具，运行于Windows98平台上。VC是一种面向对象的编程语言，它提供了可视化编程环境，十分是提供了MFC类库，封装了WindowsAPI接口函数，并建立了应用程序框

7、架，使程序开发人员可以将主要精力集中于所要解决的详细问题上。另外，在机械手的程度手臂气缸伺服控制中，采用德国Festo公司的伺服定位控制器SPC200以及与之配套的内置位移传感器MLO-POT-0225、伺服定位控制连接器SPC-AIF-POT和比例方向流量阀MPYE-5-1/8-LF-010-B等装置。机械手的回转控制那么采用北京凯恩帝数控公司的BD-3Y三相混和式步进电机驱动器。4机械手控制系统监控软件设计4.1监控软件根本构造机械手监控软件采用VC+6.0作为开发工具，应用其提供的MFC类库和APPWizard功能生成SDI单文档界面应用程序4。VC+6.0提供了现成的窗口、工具条等制作

8、手段，大大简化了界面的开发经过，并且使得开发出的界面具有组态软件风格，使用起来方便、灵敏。如图3所示，监控软件主要由系统界面、CAN总线通讯、机械手监控以及运行状态显示等模块组成。下面就其中的数据通讯、运行监控及动态显示局部作进一步分析。align=center图3机械手监控软件功能框图/align4.2CAN总线数据通讯CAN总线是一种有效支持分布式控制及实时控制的多主串行总线，它具有短报文帧收发灵敏、非破坏性基于优先权的总线仲裁技术等多种优越性能。在机械手控制系统中，CAN总线数据通讯是通过与CANPCA适配卡一起提供Pcicandrv.LIBCAN总线函数库中的相关函数调用实现的5。为了

9、及时准确地理解CAN总线状态，并尽可能减少故障和缩小故障范围，在控制软件中专门设计了测试程序，负责CAN总线接口及通讯局部的调试、运行任务。只有在测试正常的前提下，才能进一步运用CAN总线对机械手进展控制。CAN总线数据有标准帧和扩展帧之分，它们都是由信息和数据两局部组成的，只是地址标识符的位数不同。下面是CAN总线初始化及CAN标准帧数据收发的局部代码。/CAN总线初始化voidCWuLiao:InitCANintretval;retval=CAN_Open;/翻开PCI适配卡函数ifretval!=1AfxMessageBox翻开PCI卡失败!;ptrConfig=ptrStruct=/定

10、义CAN数据帧构造指针ptrConfig-timer0=0x3f;ptrConfig-timer1=0xff;/设置波特率为5KptrConfig-workMode=0;/使用11位的CAN节点地址ptrStruct-card=0;/PCI适配卡卡号ptrConfig-accCode=0;/CAN接收码ptrConfig-accMask=0xff;/CAN屏蔽码ptrConfig-control=1;/开放中断ptrConfig-filterMode=0;/CAN控制器采用单滤波方式retval=CAN_InitptrStruct,ptrConfig;/调CAN初始化函数ifretval!=1

11、AfxMessageBox初始化失败!;/CAN数据发送voidCWuLiao:OutputCANunsignedintCanID,unsignedcharH8B,unsignedcharL8Bintretval;ptrPacket=ptrStruct=ptrStruct-card=0;ptrPacket-length=4;/发送数据长度4个字节ptrPacket-rtr=0;/表示发送的是数据帧，而非远程帧ptrPacket-CAN_ID=CanID;/定义CAN节点地址ptrPacket-data0=0x44;ptrPacket-data1=0x4f;/CAN数据发送命令字ptrPacke

12、t-data2=H8B;ptrPacket-data3=L8B;/要发送的高、低字节retval=CAN_TransptrStruct,ptrPacket;/调发送数据帧函数/CAN数据接收voidCWuLiao:InputCANunsignedintIDptrPacket=ptrStruct=intRece_Length,retval,n;ptrStruct-card=0;ptrPacket-length=2;ptrPacket-rtr=0;ptrPacket-CAN_ID=ID;ptrPacket-data0=0x44;ptrPacket-data1=0x49;/CAN数据接收命令字ret

13、val=CAN_TransptrStruct,ptrPacket;/调发送数据帧函数,发出接收命令ifretval=1retval=CAN_ReceptrStruct,ptrPacket;/调接收数据帧函数ifretval=1/接收获功，那么返回值为1Rece_Length=ptrPacket-length;/取接收到的数据长度forn=0;nRece_Datan=ptrPacket-datan;/接收到的数据从ptrPacket的成员变量Data中读取,Race.Data8已设置为全局变量4.3多线程技术在机械手实时监控中的应用机械手控制程序是在Windows98下开发的，除了具有丰富的用户

14、图形操纵界面，该控制程序还需完成实时数据收集和控制任务。然而Windows98并不是实时操纵系统，它是基于消息驱动机制的抢先式多任务系统，没有提供足够的实时处理功能。因此，在程序开发中，我们采用多线程技术来实现系统的实时功能。线程是多任务的根本单元，是操纵系统用来调度执行的最小单位3。一个进程可以由多个线程组成，系统调度程序将CPU时间片划分给各个线程，各个线程在各自的时间片内使用CPU，进而实现了微观上轮流执行、宏观上并发运行的多任务效果。为了防止机械手控制软件前台显示界面因CAN总线数据收集和机械手控制指令的程序循环而导致响应过慢或者任务阻塞Blocking现象，增强应用程序的快速响应特性

15、，我们将主要的数据收集和控制任务：“机械手搬运及“物料分拣定义成独立的可以按并行方式执行的工作线程，让这个工作线程在后台通过对CAN总线节点的读写完成数据输入和控制参数输出的任务。前台显示界面那么通过PostMessage函数与后台数据收集及控制程序进展通讯，以分享数据单元的方式得到实时收集数据并加以显示。在“机械手系统运行界面中设置了一个按钮用于数据收集和控制线程的启动。以下给出局部“送料缸运行控制代码：/设置全局变量intRece_Data8;/CAN输入数据数组/以下是主线程#defineWM_THREADCANWMUSER+10/用户消息定义ON_MESSAGEWM_THREADCAN

16、,OnThreadCAN/用宏将消息和处理函数联络起来LRESULTCWuLiao:OnThreadCANWPARAMwParam,LPARAMlParamCWuLiao:InputCAN0x10;/读2#CAN节点输入状态ifRece_Data2=0x7eCWuLiao:OutputCAN0x10,0x00,0x55;/知足条件,那么输出控制送料缸运动return0;voidCWuLiao:OnWuLiaoThreadInitCAN;/CAN总线初始化pThread=AfxBeginThreadCAN_IN,GetSafeHwnd,THREAD_PRIORITY_NORMAL;/创立工作线程

17、/以下是CAN数据收集和控制子线程UINTCAN_INLPVOIDpParamHWNDhWnd;hWnd=HWNDparam;PostMessagehWnd,WM_THREADCAN,0,0;Sleep10;whileRece_Data2!=0xef;/停顿按钮按下那么中止工作线程return0;上述代码中，由主线程建立并初始化子线程，而子线程负责读取CAN节点的状态数据，并通过分析、计算给出相应的控制信号，完成控制任务。子线程一旦被创立，它将独立于创立它的主线程运行。由于一个进程中的所有线程都分享该进程的虚拟地址空间，进而可以通过将主线程和子线程间需分享的数据声明为全局变量的方法来访问该进程

18、的所有全局变量。在机械手监控程序中引入多线程机制，充分利用了Windows系统的多任务特点，可以有效地克制CAN总线数据收集和控制经过中的停滞和反响不及时现象，并能大大进步程序的运行效率和可靠性。4.4机械手运行经过的动态显示工业监控软件中，现场收集来的数据都需要以某种方式表示在屏幕上。在机械手系统中，主要的控制对象是气缸和步进电机，为了能直观地反映出它们的运行状态，必须将CAN总线收集到的各传感器状态以及运动部件的运行情况以动画的形式表现出来。为此，我们采用了ActiveX控件开发及应用技术。ActiveX控件是微软公司提供的功能强大的程序设计和开发技术，它是进步程序开放性和可重用性的重要手

19、段。在机械手控制程序中，通过MFCActiveXControlWizard建立了一个名为jixieshou的ActiveX控制的应用程序框架，并在其中生成了可动态显示的机械手装置图形控件。通过对该控件中诸如气缸宽度、高度等属性的设置来改变控件的外形;通过气缸活塞每挪动一步的延时和每挪动一步的间隔来改变气缸的运动速度;通过调用该控件的接口函数来显示气缸、步进电机、传感器等的运动和状态。而上述行为的发生是由CAN总线数据收集和控制子线程向主线程传递相应全局变量的值引发的，由此将图形显示与实物动作严密联络。5完毕语利用CAN总线技术，并采用面向对象的程序设计方法以及多线程技术、ActiveX技术等，

20、可以使监控软件具有较强的通用性、可扩展性和可靠性，同时进一步进步了控制系统的开放性和实时性。通过在物料搬运机械手控制中的应用说明：该控制系统运行可靠，可以完全知足设计要求。参考文献：1周学才，李卫平，李强.开放式机器人通用控制系统，机器人.1998，201.2WilliamE.Ford.WhatisanOpenArchitectureRobotController?1994IEEEInternationalSymposiumonIntelligentControl,16-18August,1994.Columbus,Ohio,USA.3阳宪惠.现场总线技术及其应用.清华大学出版社，1999.6.4胡哲源.把握VisualC+MFC程序设计与剖析.清华大学出版社，2001.7.5瑞隆德公司.PCI非智能卡使用讲明书.2002.