CN103984290A

CN103984290A - 一种基于CANopen的CNC机械臂控制系统及其方法

Info

Publication number: CN103984290A
Application number: CN201410134444.4A
Authority: CN
Inventors: 董辉; 吴祥; 罗立锋; 赖宏焕; 仲晓帆; 高阳; 马祖杰
Original assignee: HANGZHOU JINREN AUTOMATIC CONTROL EQUIPMENT Co Ltd
Current assignee: HANGZHOU JINREN AUTOMATIC CONTROL EQUIPMENT Co Ltd
Priority date: 2014-04-04
Filing date: 2014-04-04
Publication date: 2014-08-13

Abstract

一种基于CANopen的CNC机械臂控制系统，包括机械臂运动控制硬件平台核心芯片、CAN总线收发器、搭载有CANopen协议的机械臂运动控制主电路板和机械臂的每个轴伺服电机，所述核心芯片采用基于Cortex-M3架构的微处理器，机械臂运动控制硬件平台核心芯片依次与CAN总线收发器连接、机械臂运动控制主电路板连接，机械臂运动控制主电路板通过CAN总线与机械臂的每个轴伺服电机连接；搭载有CANopen协议的机械臂运动控制主电路板作为CANopen主站，机械臂的每个轴伺服电机作为一个CANopen从站。以及提供了一种基于CANopen的CNC机械臂控制方法。本发明安全可靠性高、可拓展性强、成本低。

Description

一种基于CANopen的CNC机械臂控制系统及其方法

技术领域

本发明属于基于现场总线的运动控制领域，一种CANopen协议应用于多轴运动控制系统及其方法。

背景技术

在国内传统的数控机床加工生产制造业，机床加工的原料的放置和成品的获取都是靠人为操作完成，这种人力操作导致生产效率低，且容易发生安全事故，数控机床生产的自动化是发展的必然趋势。目前，有部分规模较大的企业和团队在这方面已经做出了一定的成果，实现了生产加工的全自动化，但是大部分的实现方案都是采用控制器直接发送脉冲的方式对机械臂进行控制。这种方案直接明了，但是扩展性低，当需要扩展机械轴或者料仓等其他模块时，又需要增加额外的脉冲发送模块；在轴数较多或者运动控制要求较复杂的场合下，直接脉冲控制方案往往难以实现或者过于繁杂；且在生产车间一些干扰较多的恶劣环境下，直接脉冲控制方案不稳定，易丢失脉冲导致控制出错。

发明内容

为了克服在数控机床加工生产自动化过程中采用直接脉冲运动控制方案拓展性差，成本较高，可靠性低等问题，本发明提供一种安全可靠性高、可拓展性强、成本低的基于CANopen的CNC机械臂控制系统及其方法。

针对上述问题，本发明解决其技术问题所采用的解决方案是：

一种基于CANopen的CNC机械臂控制系统，包括机械臂运动控制硬件平台核心芯片、CAN总线收发器、搭载有CANopen协议的机械臂运动控制主电路板和机械臂的每个轴伺服电机，其中，机械臂运动控制硬件平台核心芯片采用基于Cortex-M3架构的微处理器，所述机械臂运动控制硬件平台核心芯片与所述CAN总线收发器连接，所述CAN总线收发器与机械臂运动控制主电路板连接，所述机械臂运动控制主电路板通过CAN总线与机械臂的每个轴伺服电机连接；

所述搭载有CANopen协议的机械臂运动控制主电路板作为CANopen主站，所述机械臂的每个轴伺服电机作为一个CANopen从站，所述CANopen主站和CANopen从站形成运动控制网络。

进一步，所述机械臂运动控制硬件平台核心芯片包括围电路和扩展电路，所述扩展电路包括I/O口和通信接口。

所述CANopen主站和CANopen从站之间采用非同步非周期PDO通信模式。

所述CNC机械臂控制系统还包括附加CANopen从站，所述附加CANopen从站为除了机械臂轴之外的装置，所述除了机械臂轴之外的装置包括料仓和远程IO扩展点。

一种基于CANopen的CNC机械臂控制方法，机械臂运动控制硬件平台核心芯片与CAN总线收发器连接，CAN总线收发器与搭载有CANopen协议的机械臂运动控制主电路板连接，所述机械臂运动控制主电路板通过CAN总线与机械臂的每个轴伺服电机连接；所述搭载有CANopen协议的机械臂运动控制主电路板作为CANopen主站，所述机械臂的每个轴伺服电机作为一个CANopen从站，所述CANopen主站和CANopen从站形成运动控制网络；

所述控制方法包括以下步骤：

（1）CANopen主站初始化，CAN总线收发器初始化；

（2）主站通过NMT功能对从站开始进行管理，从站启动正常之后发送Boot up报文，进入预操作状态，主站接收到报文通过SDO(Service Data Object,服务数据对象)功能配置从站为回原点模式(Homing Mode)，并将关键控制变量进行PDO(Process Data Object,过程数据对象)映射；

（3）完成从站初始化后，从站进入操作模式，CANopen总线协议通信配置完成；

（4）在系统运动控制过程中，首先各机械臂轴采用方式21(Method21)回原点，主站发送SDO报文将从站切换到位置模式，进行机械臂和料仓等轴的位置模式控制。

进一步，通过PDO协议每次发送8字节的关键控制变量给各从站，进行实时控制。

更进一步，使用CANopen的安全机制进行错误检测；确保系统运行正常。

本发明的技术构思为：针对现有技术的问题，采用CANopen总线协议构建电机运动控制系统网络进行管理控制可以使问题得到有效解决。CANopen协议是基于CAN(Controller Area Network)总线的应用高层协议，具有实时性强、可靠性高、抗干扰能力强、可拓展性好等优点，且CANopen协议是公开免费协议，透明度高，会大大降低运动控制系统的成本。

本发明的优点表现在：(1)开发搭载有CAN总线收发器的嵌入式运动控制硬件平台，并扩展常规外设和IO，硬件平台可适用于大多数机械臂运动控制场合。(2)利用CANopen总线协议将运动控制系统网络化，使控制系统更加安全可靠、易于管理。(3)将机械臂各轴的运动控制关键量都映射到RPDO，提高运动控制的实时性。(4)可在现有系统上通过CANopen协议总线方便的拓展机械臂轴和其他节点，例如料仓伺服从站和远程IO点等，不需要增加额外的控制器，使系统构架简洁，成本大大减少。

附图说明：

图1基于CANopen协议的运动控制系统网络构架图。

图2基于CANopen总线的数控机床机械臂控制系统示意图。

图3基于CANopen的机械臂控制流程图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步描述。

实施例1

参照图1和图2，一种基于CANopen的CNC机械臂控制系统，包括机械臂运动控制硬件平台核心芯片、CAN总线收发器、搭载有CANopen协议的机械臂运动控制主电路板和机械臂的每个轴伺服电机，其中，机械臂运动控制硬件平台核心芯片采用基于Cortex-M3架构的微处理器，所述机械臂运动控制硬件平台核心芯片与所述CAN总线收发器连接，所述CAN总线收发器与机械臂运动控制主电路板连接，所述机械臂运动控制主电路板通过CAN总线与机械臂的每个轴伺服电机连接；

本实施例中，如图1所示。采用基于Cortex-M3架构的STM32F103ZET6微处理器作为机械臂运动控制硬件平台核心芯片，采用SN65HVD230D芯片作为CAN总线收发器，硬件平台扩展有串口，手持器接口，一定数量的I/O接口；I/O接口都使用光耦EL817隔离，使电路板内部保持纯净的GND；同时，输出端口使用ULN2803达林顿管驱动器增加输出驱动能力。在控制器上搭载CANopen总线协议作为网络构建主站，将数控机床自动取卸料机械臂的X轴、Y轴、Z轴伺服器作为CANopen机械臂从站，同时可以将可能需要增加的设备，比如放置原料和成品的料仓、远程I/O监测点等作为从站；控制器主站通过CANopen协议与从站进行通信，通过NMT(NetworkManagement Objects)功能对从站进行统一管理，控制从站状态，实现保护机制；通过SDO协议在从站处于预操作(Pre-Operational)状态下对其进行运动模式配置和PDO功能映射；将各从站的关键控制量，

如位置、速度、加速度进行PDO映射，再通过PDO协议实现主站对从站的实时控制。针对本机从站，PDO映射表如下表1：

表1

此设计方案适用到数控机床系统时，具体运动控制网络系统如图2所示。针对适用于单个机床的机械臂控制系统，可能只需要X轴(Node1)、Z1轴(Node2)、料仓(Node4)这3个从站节点。通过CANopen主站将所有从站通过网络连接在一起，能很好的控制机械臂的动作；如果在实际生产中，料仓控制采用单独的控制器来完成，不仅成本上有所增加，且在和机械臂的动作配合上需要做繁杂的校正或者通过串口通信来实现同步；同时，料仓的各种状态也需要发送给主控器，这使得控制系统复杂化。此设计方案中，采用CANopen总线协议，将料仓当做一个控制从站直接加入控制系统，通过控制器主站直接控制料仓，使得机械臂和料仓动作协调一致，且控制简洁明了。此设计方案同时适用于大型的CNC机械臂控制系统，这类型机械臂可以同时给两个机床服务，如图2所示。这时候就需要增加Z2轴(Node3)、换向台(Node5)、远程I/O(Node6)等其他设备，在此设计方案中，只需要将各设备通过网线连接到CANopen主站控制器，作为控制从站连接到控制系统网络中。

实施例2

参照图3，一种基于CANopen的CNC机械臂控制方法，机械臂运动控制硬件平台核心芯片与CAN总线收发器连接，CAN总线收发器与搭载有CANopen协议的机械臂运动控制主电路板连接，所述机械臂运动控制主电路板通过CAN总线与机械臂的每个轴伺服电机连接；所述搭载有CANopen协议的机械臂运动控制主电路板作为CANopen主站，所述机械臂的每个轴伺服电机作为一个CANopen从站，所述CANopen主站和CANopen从站形成运动控制网络；

所述控制方法包括以下步骤：

（1）CANopen主站初始化，CAN总线收发器初始化；

（2）主站通过NMT功能对从站开始进行管理，从站启动正常之后发送Boot up报文，进入预操作状态，主站接收到报文通过SDO功能配置从站为回原点模式(Homing Mode)，并将关键控制变量进行PDO映射；

参照图3，CANopen主站运动控制器在开机之后先初始化内部时钟、I/O、CAN等各功能模块，完成主站CANopen的初始配置。在运动控制网络系统中主站通过网络管理(Network Management，NMT)功能对从站的状态机(State Machine)进行控制，NMT状态机决定了交流对象的功能单元行为。同时，主站提供生命保护(Life Guard)功能，通过这个功能NMT从站表明一个远程错误发生或者被解决。主站完成基本配置之后检测是否收到从站发送的启动(Boot Up)报文，接收到启动报文之后主站通过SDO方式发送进入预操作(EnterPre-Operational)状态命令，控制从站进入预操作(Pre-Operational)状态，接着通过SDO功能开始对从站进行基本配置，例如配置电子齿轮比、初始速度加速度以及过程数据对象PDO的映射。完成从站的相关配置之后，主站发送启动远程节点(Start Remote Node)命令，从站进入操作(Operational)状态，从而完成了运动控制网络系统的CANopen协议总线的配置。完成配置后机械臂控制伺服器从站首先进入CANopen协议下的回原点模式(Homing Mode)，采用方式21，即第一次高速反向回原点，检测到原点信号之后再低速正向回原点，当原点信号丢失时则停止，停止位置即为原点位置。然后伺服器从站进入到CANopen下的配置位置模式(Profile Position Mode，PP_Mode)，在位置模式下CANopen主站根据实际生产需求通过PDO功能对机械臂从站、料仓以及远程I/O等节点进行实时控制，完成生产。

Claims

1.一种基于CANopen的CNC机械臂控制系统，其特征在于：包括机械臂运动控制硬件平台核心芯片、CAN总线收发器、搭载有CANopen协议的机械臂运动控制主电路板和机械臂的每个轴伺服电机，其中，机械臂运动控制硬件平台核心芯片采用基于Cortex-M3架构的微处理器，所述机械臂运动控制硬件平台核心芯片与所述CAN总线收发器连接，所述CAN总线收发器与机械臂运动控制主电路板连接，所述机械臂运动控制主电路板通过CAN总线与机械臂的每个轴伺服电机连接；

2.如权利要求1所述的基于CANopen的CNC机械臂控制系统，其特征在于：所述机械臂运动控制硬件平台核心芯片包括围电路和扩展电路，所述扩展电路包括I/O口和通信接口。

3.如权利要求1或2所述的基于CANopen的CNC机械臂控制系统，其特征在于：所述CANopen主站和CANopen从站之间采用非同步非周期PDO通信模式。

4.如权利要求1或2所述的基于CANopen的CNC机械臂控制系统，其特征在于：所述CNC机械臂控制系统还包括附加CANopen从站，所述附加CANopen从站为除了机械臂轴之外的装置，所述除了机械臂轴之外的装置包括料仓和远程IO扩展点。

5.一种基于CANopen的CNC机械臂控制方法，其特征在于：机械臂运动控制硬件平台核心芯片与CAN总线收发器连接，CAN总线收发器与搭载有CANopen协议的机械臂运动控制主电路板连接，所述机械臂运动控制主电路板通过CAN总线与机械臂的每个轴伺服电机连接；所述搭载有CANopen协议的机械臂运动控制主电路板作为CANopen主站，所述机械臂的每个轴伺服电机作为一个CANopen从站，所述CANopen主站和CANopen从站形成运动控制网络；

所述控制方法包括以下步骤：

（1）CANopen主站初始化，CAN总线收发器初始化；

6.如权利要求5所述的一种基于CANopen的CNC机械臂控制方法，其特征在于：通过PDO协议每次发送8字节的关键控制变量给各从站，进行实时控制。

7.如权利要求5或6所述的一种基于CANopen的CNC机械臂控制方法，其特征在于：使用CANopen的安全机制进行错误检测；确保系统运行正常。