基于CAN總線控制系統(tǒng)的抓物機械手設(shè)計

1 前言

機械手是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置，被廣泛的運用于自動化生產(chǎn)線中。CAN總線是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，以其數(shù)據(jù)通信具有的突出可靠性、實時性和靈活性的特點，成為機械工業(yè)領(lǐng)域首選的現(xiàn)場總線之一。將工業(yè)自動化生產(chǎn)線上的眾多機械手通過CAN總線進行組網(wǎng)控制，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)配與運行，更好地發(fā)揮機械手功能。

2 總體控制流程

控制系統(tǒng)要實現(xiàn)的是利用工業(yè)CAN總線作為多機械手的控制網(wǎng)絡(luò)，各機械手為控制網(wǎng)絡(luò)的一個節(jié)點，將多個機械手搭建在CAN總線上，通過對總線的監(jiān)測與控制，完成所需的相應功能。系統(tǒng)的總體控制流程，如圖1所示。每個節(jié)點的機械手均通過CAN總線接口連接在CAN bus上，各個節(jié)點從CAN總線接收需要的數(shù)據(jù)包，從而通過控制器對機械手動作，同時，各個節(jié)點也將機械手動作的實時信息通過CAN接口傳送到CAN bus上，進而形成完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

圖1 總體控制流程

3 機械系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計的機械手是一種二自由度的抓物機械手臂。抓物機械手臂的抓物過程，可以用兩個電機分別帶動兩個活動臂的運動來完成。一個用于控制豎直方向的手臂位移量，另一個用于控制夾住目標物體的執(zhí)行機構(gòu)。當控制物體高度的信號發(fā)出后，傳感部件將物體的位置(高度)信號傳遞給控制器，然后控制器發(fā)出高度控制信號控制步進電機，步進電機帶動中軸旋轉(zhuǎn)，從而使得與之扣合的橫臂運動，行走機械部分開始運動。當行走機械部分停止后,從外部發(fā)來一個手臂啟動信號，控制器發(fā)出抓物信號，經(jīng)由集成驅(qū)動電路單元放大整合后發(fā)給伺服電機，使得機械手抓閉合，執(zhí)行抓物。抓物過程結(jié)束后，手臂控制系統(tǒng)發(fā)送一個動作完成成功信號叫饋給控制電路。

其中，A組電線接步進電機的控制端，當步進電機接收單片饑發(fā)出的脈沖時，帶動機械手中軸轉(zhuǎn)動。中軸 有螺紋，和橫臂以螺紋連接，這使得中軸的轉(zhuǎn)動通過螺紋帶動橫臂隨之上升或下降。B組電線接伺服電機的控制端，伺服電機接收單片機發(fā)出的脈沖時，帶動機械手爪按人們的意愿閉合或張開，從而抓取或放下物件。C組接反饋控制電路，抓物過程結(jié)束后，手臂控制系統(tǒng)發(fā)送一個動作完成成功信號回饋給控制電路。

圖2 抓物機械手臂設(shè)計圖

4. CAN總線控制系統(tǒng)設(shè)計

4．1 CAN總線接口的構(gòu)成CAN總線接口設(shè)計最通用、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，這里介紹目前市場上使用最為普遍、流行的獨立CAN控制器SJA1000，以及高速CAN收發(fā)器PCA82C250。CAN總線接口的結(jié)構(gòu)。

圖3 CAN總線接口結(jié)構(gòu)

SJA1 000閣是一一種獨立的CAN控制器，主要用于移動目標和一般工業(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在復位狀態(tài)下的默認模式為BasicCAN模式。CAN控制器在兩種模式中又都有兩種狀態(tài)模式，分別稱為操作模式和復位模式。處在這兩種不同狀態(tài)的模式中，對寄存器的訪問操作功能是不同的。PCA82C250f6是CAN控制器與物理總線之間的接口，器件可以提供對總線的差動發(fā)送和接收功能。PCA82C250驅(qū)動電路內(nèi)部具有限流電路，可防止發(fā)送輸出級對電源、地或負載短路。雖然短路出現(xiàn)I討功耗增加，但不至于使輸出級損壞。若結(jié)溫超過大約160度，則兩個發(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采用雙線差分驅(qū)動，有助于抑制汽車等惡劣電氣環(huán)境下的瞬變干擾。