摘? 要: 根據(jù)工業(yè)機器人的應用現(xiàn)狀，利用現(xiàn)有的控制技術(shù)，結(jié)合控制局域網(wǎng)(CAN)技術(shù)和通信技術(shù)，通過對現(xiàn)有的機器人控制器進行硬件改進和軟件開發(fā)，并相應開發(fā)出上位機監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了多臺機器人的網(wǎng)絡互聯(lián)，最終實現(xiàn)基于CAN網(wǎng)絡的機器人生產(chǎn)線集成系統(tǒng)。
關鍵詞: 機器人控制器? 現(xiàn)場總線? CAN總線? 通信協(xié)議
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制造車間底層設備自動化，近幾年仍是我國開展新技術(shù)研究和新技術(shù)應用工程及產(chǎn)品開發(fā)的主要領域，其市場需求不斷增大且越發(fā)活躍，競爭也日益激烈。伴隨著工業(yè)機器人的產(chǎn)業(yè)化，目前機器人系統(tǒng)的應用大多要求采用機器人生產(chǎn)線方式，這就要求多臺機器人能通過網(wǎng)絡進行互聯(lián)。隨之而來的，在實際生產(chǎn)過程中， 這種聯(lián)網(wǎng)的多機器人系統(tǒng)的調(diào)度、維護工作也變得尤為重要。
在計算機數(shù)據(jù)傳輸領域中，長期以來使用RS-232和CCITT V.24通信標準，盡管它們被廣泛地使用，但卻是一種低數(shù)據(jù)速率和點對點的數(shù)據(jù)傳輸標準，無能力支持更高層次的計算機之間的功能操作。因此需要在底層設計出一種造價低廉而又能適應工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的通信系統(tǒng)，現(xiàn)場總線就是在這種背景下產(chǎn)生的。與一般總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性，是適用于生產(chǎn)制造過程和驅(qū)動系統(tǒng)的總線協(xié)議。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
制造車間底層電器裝置聯(lián)網(wǎng)是近幾年內(nèi)技術(shù)發(fā)展的重點。其電器裝置包括有:運動控制器(調(diào)速、定位、隨動等)、基于微處理器的傳感器、專用設備控制器(如點焊機、弧焊機)等底層設備、在這些裝置所構(gòu)成的網(wǎng)絡上另有車間級管理機、監(jiān)控機或生產(chǎn)單元控制器等非底層裝置。
結(jié)合實際情況和要求，將機器人控制器視為運動控制器(理解為底層設備)，具體工作將基于圖1所示的模型。
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本系統(tǒng)監(jiān)控機采用Advantech公司的PCL-841雙端口CAN接口卡。它將占用4KB的地址空間，而且基地址可由用戶從C800H～EF00H任意選擇。中斷也可從3～15(8、13、14)任意選擇。控制器中采用集成PC-104的CAN接口卡。
2 系統(tǒng)實現(xiàn)
2.1 監(jiān)控機軟件部分
監(jiān)控機系統(tǒng)軟件層次如圖2所示。
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2.1.1數(shù)據(jù)庫部分
由于上位機系統(tǒng)需要管理的數(shù)據(jù)量很大，而且數(shù)據(jù)必須長久地被保留;一旦系統(tǒng)發(fā)生軟硬件故障，數(shù)據(jù)還要可恢復;而且若干個用戶應當能夠按照一定的、有序的方式存取數(shù)據(jù)，避免同步存取可能造成的錯誤，因此上位機軟件要采用一般應用程序與數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的編程技術(shù)。
DAO(數(shù)據(jù)庫訪問對象)提供了一種通過程序代碼創(chuàng)建和操作數(shù)據(jù)庫的機制。而MFC DAO是微軟推出的用于在Visual C++中訪問Microsoft Jet數(shù)據(jù)庫文件的強有力的數(shù)據(jù)庫開發(fā)工具，它通過對DAO對象的封裝，向程序員提供了豐富的數(shù)據(jù)庫訪問和數(shù)據(jù)庫操作手段。
本系統(tǒng)中，將創(chuàng)建諸如生產(chǎn)線上機器人的工作總表、弧焊參數(shù)表、點焊參數(shù)表等若干個管理數(shù)據(jù)庫表。通過這些表格，監(jiān)控人員將能夠通過離線的計算機完成對生產(chǎn)線上各臺機器人運行狀況的的記錄、統(tǒng)計、管理、運行報表打印等功能，以實現(xiàn)宏觀的管理。
而對于諸如系統(tǒng)I/O量、碼盤值等實時信息則存放于一般內(nèi)存中，這樣就避免了煩瑣的數(shù)據(jù)庫操作，提高了實時性。
2.1.2 通訊協(xié)議部分
為了實現(xiàn)管理計算機與機器人控制器的實時通訊，兩者必須建立適合CAN總線特點的、合理的通訊協(xié)議，最終采用的是“命令+參數(shù)”的協(xié)議形式和“多主競爭的總線仲裁”方式。比如以第一字節(jié)01代表接收數(shù)據(jù)，第二字節(jié)01代表接收文件;第一字節(jié)02代表發(fā)送數(shù)據(jù)等，具體的操作協(xié)議在此不再詳述。
“多主競爭的總線仲裁”的通信方式是CAN總線的一大優(yōu)點。也就是說，CAN網(wǎng)絡中的任意節(jié)點均可作為主節(jié)點與其他節(jié)點交換數(shù)據(jù)。而且CAN協(xié)議規(guī)定，標識符可定義為屏蔽的或非屏蔽的，這樣就使監(jiān)控機或控制器的CAN卡可以接收多個標識符(例如來自生產(chǎn)線上不同的機器人控制器)的數(shù)據(jù)。利用此特點，在監(jiān)控機和控制器的軟件設計中，使用了標識符的低三位來識別接收數(shù)據(jù)的類型。比如低三位(D2，D1，D0)為000，則表示此包數(shù)據(jù)是命令，001表示此包數(shù)據(jù)是應答……而通過CAN協(xié)議的非破壞網(wǎng)絡仲裁，000為最高優(yōu)先級將首先被處理為發(fā)送節(jié)點，接下來是001，依此類推。
2.1.3 把CAN卡功能封裝為ActiveX控件
ActiveX控件作為標準的控件技術(shù)可供JavaScritp、VBScript、Java、VB、VC等應用程序所使用，對軟件的集成開發(fā)具有重要的意義。
由此原因，并根據(jù)工業(yè)機器人控制器系統(tǒng)的特點，將CAN卡所提供的API函數(shù)及由其函數(shù)進一步實現(xiàn)的用于機器人系統(tǒng)的功能和屬性封裝為控件，使應用軟件更加結(jié)構(gòu)化，而且更適合工業(yè)機器人產(chǎn)品的應用和需要。
2.2 控制器實時操作系統(tǒng)部分
控制器系統(tǒng)軟件采用的是實時多任務操作系統(tǒng)。而根據(jù)多任務操作系統(tǒng)的任務劃分方法和本系統(tǒng)自身的特點，最終決定與上位監(jiān)控計算機的CAN網(wǎng)絡通訊采用一個獨立的且優(yōu)先級較高的任務來完成，即如圖3中所示的通訊任務，此任務完成利用串口的通訊和CAN網(wǎng)絡的通訊。
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這樣，生產(chǎn)線上的每臺機器人控制器就可以作為車間底層設備加入到網(wǎng)絡中，從而構(gòu)成具有監(jiān)控功能的分布式機器人生產(chǎn)線系統(tǒng)。
2.3 具體功能和運行方式
這項工作的完成將為機器人控制器產(chǎn)品增加聯(lián)網(wǎng)功能，并將投入到實際的應用工程中。完成了下述一些功能:
(1)實現(xiàn)生產(chǎn)線上各臺機器人運行狀況的記錄、統(tǒng)計、管理，運行報表的打印等功能。比如在一天的弧焊作業(yè)中，被監(jiān)測機器人參與工作的數(shù)目、每臺機器人出現(xiàn)故障的次數(shù)、停機的次數(shù)、每次焊接的參數(shù)等；
(2)實現(xiàn)機器人控制器的實時狀態(tài)監(jiān)視(包括各碼盤值、I/O量、系統(tǒng)狀態(tài)等)、調(diào)試(包括離線編程和示教)、報警(如焊鉗的粘連)、維護(如系統(tǒng)從異常狀態(tài)的恢復)等功能；
(3)作業(yè)任務的分配和調(diào)度，以及作業(yè)任務的上傳與下載；
(4)軟件PLC的實現(xiàn)。為了簡化硬件的開銷，將初步在控制器中利用軟件PLC，也就是說將PLC功能作為控制器操作系統(tǒng)的一個獨立的任務來實現(xiàn)，而具體的PLC程序則由上位PC機離線編程實現(xiàn)，并通過CAN總線下裝到控制器中。
把CAN總線技術(shù)充分應用于現(xiàn)有的控制器當中，將可開發(fā)出高性能的多機器人生產(chǎn)線系統(tǒng)。圖4舉例說明某控制器將文件上傳給監(jiān)控機軟件的工作流程圖。
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(1)實現(xiàn)單根電纜串接全部設備，節(jié)省安裝維護開銷;
(2)提高實時性，信息可共享;提高多控制器系統(tǒng)的監(jiān)測、診斷和控制性能;
(3)通過離線的任務調(diào)度，作業(yè)的下載以及錯誤監(jiān)控等技術(shù)，把一部分人從機器人工作的現(xiàn)場徹底脫離出來。
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參考文獻
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