基于CAN總線(xiàn)控制系統(tǒng)的抓物機(jī)械手設(shè)計(jì)

1 前言

機(jī)械手是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置，被廣泛的運(yùn)用于自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)中。CAN總線(xiàn)是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)之一，以其數(shù)據(jù)通信具有的突出可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性的特點(diǎn)，成為機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域首選的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)之一。將工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)上的眾多機(jī)械手通過(guò)CAN總線(xiàn)進(jìn)行組網(wǎng)控制，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)配與運(yùn)行，更好地發(fā)揮機(jī)械手功能。

2 總體控制流程

控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的是利用工業(yè)CAN總線(xiàn)作為多機(jī)械手的控制網(wǎng)絡(luò)，各機(jī)械手為控制網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，將多個(gè)機(jī)械手搭建在CAN總線(xiàn)上，通過(guò)對(duì)總線(xiàn)的監(jiān)測(cè)與控制，完成所需的相應(yīng)功能。系統(tǒng)的總體控制流程，如圖1所示。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的機(jī)械手均通過(guò)CAN總線(xiàn)接口連接在CAN bus上，各個(gè)節(jié)點(diǎn)從CAN總線(xiàn)接收需要的數(shù)據(jù)包，從而通過(guò)控制器對(duì)機(jī)械手動(dòng)作，同時(shí)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)也將機(jī)械手動(dòng)作的實(shí)時(shí)信息通過(guò)CAN接口傳送到CAN bus上，進(jìn)而形成完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

圖1 總體控制流程

3 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的機(jī)械手是一種二自由度的抓物機(jī)械手臂。抓物機(jī)械手臂的抓物過(guò)程，可以用兩個(gè)電機(jī)分別帶動(dòng)兩個(gè)活動(dòng)臂的運(yùn)動(dòng)來(lái)完成。一個(gè)用于控制豎直方向的手臂位移量，另一個(gè)用于控制夾住目標(biāo)物體的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)控制物體高度的信號(hào)發(fā)出后，傳感部件將物體的位置(高度)信號(hào)傳遞給控制器，然后控制器發(fā)出高度控制信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)中軸旋轉(zhuǎn)，從而使得與之扣合的橫臂運(yùn)動(dòng)，行走機(jī)械部分開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。當(dāng)行走機(jī)械部分停止后,從外部發(fā)來(lái)一個(gè)手臂啟動(dòng)信號(hào)，控制器發(fā)出抓物信號(hào)，經(jīng)由集成驅(qū)動(dòng)電路單元放大整合后發(fā)給伺服電機(jī)，使得機(jī)械手抓閉合，執(zhí)行抓物。抓物過(guò)程結(jié)束后，手臂控制系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)動(dòng)作完成成功信號(hào)叫饋給控制電路。

其中，A組電線(xiàn)接步進(jìn)電機(jī)的控制端，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)接收單片饑發(fā)出的脈沖時(shí)，帶動(dòng)機(jī)械手中軸轉(zhuǎn)動(dòng)。中軸 有螺紋，和橫臂以螺紋連接，這使得中軸的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)螺紋帶動(dòng)橫臂隨之上升或下降。B組電線(xiàn)接伺服電機(jī)的控制端，伺服電機(jī)接收單片機(jī)發(fā)出的脈沖時(shí)，帶動(dòng)機(jī)械手爪按人們的意愿閉合或張開(kāi)，從而抓取或放下物件。C組接反饋控制電路，抓物過(guò)程結(jié)束后，手臂控制系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)動(dòng)作完成成功信號(hào)回饋給控制電路。

圖2 抓物機(jī)械手臂設(shè)計(jì)圖

4. CAN總線(xiàn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4．1 CAN總線(xiàn)接口的構(gòu)成CAN總線(xiàn)接口設(shè)計(jì)最通用、最廣泛的方法是采用“微控制器+CAN控制器+CAN收發(fā)器”的組合，這里介紹目前市場(chǎng)上使用最為普遍、流行的獨(dú)立CAN控制器SJA1000，以及高速CAN收發(fā)器PCA82C250。CAN總線(xiàn)接口的結(jié)構(gòu)。

圖3 CAN總線(xiàn)接口結(jié)構(gòu)

SJA1 000閣是一一種獨(dú)立的CAN控制器，主要用于移動(dòng)目標(biāo)和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制。SJA1000的控制寄存器、命令寄俘器、狀態(tài)寄存器、發(fā)送緩沖器等，均為8位，設(shè)置各寄存器中的參數(shù)可實(shí)現(xiàn)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(shù)量、地址分配到功能等方面都有所區(qū)別。SJA1000在復(fù)位狀態(tài)下的默認(rèn)模式為BasicCAN模式。CAN控制器在兩種模式中又都有兩種狀態(tài)模式，分別稱(chēng)為操作模式和復(fù)位模式。處在這兩種不同狀態(tài)的模式中，對(duì)寄存器的訪(fǎng)問(wèn)操作功能是不同的。PCA82C250f6是CAN控制器與物理總線(xiàn)之間的接口，器件可以提供對(duì)總線(xiàn)的差動(dòng)發(fā)送和接收功能。PCA82C250驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)部具有限流電路，可防止發(fā)送輸出級(jí)對(duì)電源、地或負(fù)載短路。雖然短路出現(xiàn)I討功耗增加，但不至于使輸出級(jí)損壞。若結(jié)溫超過(guò)大約160度，則兩個(gè)發(fā)送器輸出端極限電流將減小 由于發(fā)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(xù)工作。PCA82C250采用雙線(xiàn)差分驅(qū)動(dòng)，有助于抑制汽車(chē)等惡劣電氣環(huán)境下的瞬變干擾。