基于CANopen協議的噴漆機器人控制系統研究

孫立新，陳 幫

（河北工業大學 機械工程學院，天津 300131）

0 引言

大型儲罐長期使用后會出現罐壁腐蝕、表面脫落的現象，當表漆脫落嚴重時需將罐體表面原漆去除，并重新噴漆。傳統大型罐體噴漆需搭建腳手架進行人工噴漆，搭建腳手架時，防止出現事故，所有相關設備需停止運行；并且搭建腳手架耗費很長時間，這將嚴重影響企業生產[1]。人工噴漆危險系數高，工作量大，對身體危害嚴重。

若研究設計一種噴漆爬壁機器人，它將取代人工噴漆，緩解工人工作強度；無需搭建腳手架，極大的提高企業生產效率。本文通過CANopen協議研究噴漆機器人的控制系統。

1 噴漆機器人工作原理

本文介紹的噴漆機器人如圖1所示。

在車體下面裝有磁鐵，通過磁吸附在罐體壁面。噴槍放在噴槍支架上，用來進行噴漆操作，噴槍在圖中未顯示。推桿伸縮可實現噴槍支架的升降，滑臺電機實現噴槍支架在滑臺上來回移動，達到調整噴槍位置的目的。左右輪為主動輪，其速度大小相同，后輪為萬向輪。根據左右輪轉向情況不同，實現車體的前進、后退、順時針轉、逆時針轉。圖中盒子里面裝的是三個交流伺服驅動器，用以控制三個伺服電機。兩個激光傳感器朝向地面發射，根據其測量數值的差異實現車體的糾偏。

圖1 噴漆機器人

2 控制系統架構

噴漆機器人控制系統架構如圖2所示。

圖2 控制系統結構圖

可編程控制器（PLC）通過CAN線與左輪驅動器、滑臺驅動器和右輪驅動器相互通信；驅動器根據伺服電機上編碼器的反饋信息控制電機；激光傳感器輸出模擬量信號經過信號轉換模塊轉換成RS485信號，通過PLC自帶的RS485接口，將信號傳遞給PLC；觸摸屏采用Modbus TCP協議與PLC通訊。操作觸摸屏就可以控制噴漆機器人動作。

系統采用的可編程控制器為施耐德PLC，型號TM241CECT/U，既能漏型輸出，也可以源型輸出，有一個CANopen主端口，與三個驅動器形成CAN網絡，驅動器間接線原理如圖3所示，只需接CAN_H和CAN_L兩根雙絞線；一個以太網口，用來和觸摸屏通訊；兩個串行通信口，一個為RS485接口，與信號轉換模塊相連，另一個通信口既可以是RS485接口，也可以當作RS232接口；一個USB編程端口，與電腦連接，通過編程軟件對PLC程序的編寫與修改。三個驅動器為Copley公司的交流伺服驅動器，型號Xenus R10。觸摸屏為威綸通MT8071iE，有一個以太網口與PLC通訊。

圖3 CAN接線圖

3 設備通訊

3.1 PLC與信號轉換模塊間通訊

PLC與信號轉換模塊通過RS485進行通訊，施耐德PLC編程軟件為Somachine。如圖4所示，將PLC設為主站，傳輸模式為Modbus RTU，設置波特率為115200。信號轉換模塊設置為從站，其他參數要和PLC設置相同，不然相互通訊不了，它有8路模擬量輸入，兩個激光傳感器占前兩路[2]。PLC需給模塊發送一組基于Modbus協議的數據，這組數據有8個字節為01 03 00 00 00 02 C4 0B，01表示模塊的地址，03代表讀數據，00 00為要讀數據的首地址，00 02表示要讀兩路模擬量的數據，C4 0B是兩個校驗位；模塊返回去的一組數為01 03 04 byte1 byte2 byte3 byte4 CRC1 CRC2。

圖4 Modbus通訊配置

3.2 PLC與驅動器間通訊

1）CANopen原理

CANopen是一種架構在控制局域網（CAN）上的高層通訊協定，是工業控制常用的一種現場總線。對象字典（OD）為其中最為核心的概念，OD是一個有序的對象組，描述了對應節點的所有參數，使用電子數據表（EDS文件）來記錄這些參數，每個對象采用一個16位的索引值來尋址。CANopen采用服務數據對象（SDO）和過程數據對象（PDO）兩種途徑來訪問對象字典。

通訊對象（COB）是CAN網絡上的一個傳輸單元，數據在COB內部沿著整個網絡傳輸。通訊對象ID（COB-ID）有11位，其中4位表示功能碼，功能碼越小，消息的優越性越高；7位是節點地址，一個CANopen網絡上最多允許127臺設備。協議棧中定義4類通訊對象：SDO、PDO、網絡管理報文（NMT）、特殊功能對象（包括同步報文SYNC、緊急報文EMCY等）。設備間的通訊模型分為主/從、客戶機/服務器、生產者/消費者三種模型。

SDO主要用來對從站進行參數配置，其通信模型為客戶機/服務器模型；PDO常用來傳輸對實時性要求比較高的場合，其通信模型為生產者/消費者模型，PDO的傳輸優先級高于SDO[3～5]。

2）CANopen運用

首先將Copley驅動器的EDS文件添加到PLC編程軟件中，設置CAN總線波特率為250K，添加三個驅動器，站號分別為1，2，3，如圖5所示，對應驅動器硬件的參數設置需同PLC設置一致。如此，PLC與驅動器即可通訊。Heartbeat生產時間設為200毫秒。

圖5 CANopen通訊配置

配置P D O 參數，如圖6 所示，每個節點允許8路PDO，4路接收PDO（RPDO），4路發送PDO（TPDO）。每路PDO最多64位，RPDO用來更新設備，TPDO用來從設備發送數據到網絡，PDO傳輸類型有同步和異步兩種方式。

圖6 PDO配置

更改控制字（control word）的值可以改變電機軸的狀態，當控制字的bit0、bit1、bit3都為TRUE時，電機處于使能狀態；否則不處于使能狀態。只有當電機軸處于使能狀態時，才能進行工作，其有三種運行模式，分別為位置模式、速度模式和回零模式。

通過狀態字（status word）知道電機軸當前狀態，在TPDO中添加參數可以讀取電機實時的脈沖數、速度和電流。

配置完PDO參數，在I/O映射表中可以實時監控，如圖7所示。

圖7 CANopen I/O映射表

SDO也可以訪問對象字典，在索引中輸入要訪問參數的地址，通過“讀SDO”、“寫SDO”，對參數進行讀寫操作，如圖8所示。

圖8 SDO配置

最后編寫程序，圖9所示，實現噴漆機器人各種運動。

圖9 噴漆機器人程序

4 車體位置校正

左右輪伺服電機編碼器為2500線，4倍頻，電機轉一圈需要10000個脈沖，減速器減速比為100：1，電機轉100圈，車輪轉一圈，車輪直徑為315毫米，所以車輪移動1毫米電機需要走a個脈沖。

圖10為噴漆機器人位置校正原理圖，實線表示車體實際位置，虛線表示車體校正后車體的位置。校正過程中，令右輪不動，左輪向后移動x毫米，這樣就能起到校正的效果。經多次實驗，校正后的車體傾斜角可以控制在0.3°以內。左右輪間距L1=455mm，兩個激光傳感器安裝距離為L2=650mm，兩激光傳感器差值為Δy毫米，車體傾斜角度為θ角，由于θ角度較小，所以：

左輪電機需要順時針走b個脈沖。

Δy可以通過兩激光傳感器測量出。

5 結語

圖10 車體校正原理圖

通過噴漆機器人在罐壁上大量實驗，可知采用CANopen協議，數據傳輸穩定，系統響應時間短，并且接線簡單，一對雙絞線（CAN_H和CAN_L）上就可以接多個控制設備。噴漆厚度均勻，漆厚度符合要求。由于機器人是輪式，不適合在直徑小的罐體上工作，否則車體會脫離罐體表面，造成嚴重后果。該機器人已在某公司應用，取代人工噴漆，不需搭腳手架，提高企業生產效率，有廣泛的應用前景。