一種基于CANopen的CNC機械臂控制系統(tǒng)及其方法
【專利摘要】一種基于CANopen的CNC機械臂控制系統(tǒng)，包括機械臂運動控制硬件平臺核心芯片、CAN總線收發(fā)器、搭載有CANopen協(xié)議的機械臂運動控制主電路板和機械臂的每個軸伺服電機，所述核心芯片采用基于Cortex-M3架構的微處理器，機械臂運動控制硬件平臺核心芯片依次與CAN總線收發(fā)器連接、機械臂運動控制主電路板連接，機械臂運動控制主電路板通過CAN總線與機械臂的每個軸伺服電機連接；搭載有CANopen協(xié)議的機械臂運動控制主電路板作為CANopen主站，機械臂的每個軸伺服電機作為一個CANopen從站。以及提供了一種基于CANopen的CNC機械臂控制方法。本發(fā)明安全可靠性高、可拓展性強、成本低。
【專利說明】—種基于CANopen的CNC機械臂控制系統(tǒng)及其方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于基于現場總線的運動控制領域,一種CANopen協(xié)議應用于多軸運動控制系統(tǒng)及其方法。
【背景技術】
[0002]在國內傳統(tǒng)的數控機床加工生產制造業(yè)，機床加工的原料的放置和成品的獲取都是靠人為操作完成，這種人力操作導致生產效率低，且容易發(fā)生安全事故，數控機床生產的自動化是發(fā)展的必然趨勢。目前，有部分規(guī)模較大的企業(yè)和團隊在這方面已經做出了一定的成果，實現了生產加工的全自動化，但是大部分的實現方案都是采用控制器直接發(fā)送脈沖的方式對機械臂進行控制。這種方案直接明了，但是擴展性低，當需要擴展機械軸或者料倉等其他模塊時，又需要增加額外的脈沖發(fā)送模塊；在軸數較多或者運動控制要求較復雜的場合下，直接脈沖控制方案往往難以實現或者過于繁雜；且在生產車間一些干擾較多的惡劣環(huán)境下，直接脈沖控制方案不穩(wěn)定，易丟失脈沖導致控制出錯。

【發(fā)明內容】

[0003]為了克服在數控機床加工生產自動化過程中采用直接脈沖運動控制方案拓展性差，成本較高，可靠性低等問題，本發(fā)明提供一種安全可靠性高、可拓展性強、成本低的基于CANopen的CNC機械臂控制系統(tǒng)及其方法。
[0004]針對上述問題，本發(fā)明解決其技術問題所采用的解決方案是:
[0005]一種基于CANopen的CNC機械臂控制系統(tǒng)，包括機械臂運動控制硬件平臺核心芯片、CAN總線收發(fā)器、搭載有CANopen協(xié)議的機械臂運動控制主電路板和機械臂的每個軸伺服電機，其中，機械臂運動控制硬件平臺核心芯片采用基于Cortex-M3架構的微處理器，所述機械臂運動控制硬件平臺核心芯片與所述CAN總線收發(fā)器連接，所述CAN總線收發(fā)器與機械臂運動控制主電路板連接，所述機械臂運動控制主電路板通過CAN總線與機械臂的每個軸伺服電機連接；
[0006]所述搭載有CANopen協(xié)議的機械臂運動控制主電路板作為CANopen主站，所述機械臂的每個軸伺服電機作為一個CANopen從站,所述CANopen主站和CANopen從站形成運動控制網絡。
[0007]進一步，所述機械臂運動控制硬件平臺核心芯片包括圍電路和擴展電路，所述擴展電路包括I/O 口和通信接口。
[0008]所述CANopen主站和CANopen從站之間采用非同步非周期PDO通信模式。
[0009]所述CNC機械臂控制系統(tǒng)還包括附加CANopen從站，所述附加CANopen從站為除了機械臂軸之外的裝置，所述除了機械臂軸之外的裝置包括料倉和遠程IO擴展點。
[0010]一種基于CANopen的CNC機械臂控制方法，機械臂運動控制硬件平臺核心芯片與CAN總線收發(fā)器連接，CAN總線收發(fā)器與搭載有CANopen協(xié)議的機械臂運動控制主電路板連接，所述機械臂運動控制主電路板通過CAN總線與機械臂的每個軸伺服電機連接；所述搭載有CANopen協(xié)議的機械臂運動控制主電路板作為CANopen主站，所述機械臂的每個軸伺服電機作為一個CANopen從站,所述CANopen主站和CANopen從站形成運動控制網絡；
[0011]所述控制方法包括以下步驟:
[0012](I) CANopen主站初始化，CAN總線收發(fā)器初始化；
[0013](2)主站通過NMT功能對從站開始進行管理，從站啟動正常之后發(fā)送Boot up報文，進入預操作狀態(tài)，主站接收到報文通過SDO(Service Data Object,服務數據對象)功能配置從站為回原點模式(Homing Mode)，并將關鍵控制變量進行TOO (Process DataObject,過程數據對象)映射；
[0014](3)完成從站初始化后，從站進入操作模式，CANopen總線協(xié)議通信配置完成；
[0015](4)在系統(tǒng)運動控制過程中，首先各機械臂軸采用方式21 (Method21)回原點，主站發(fā)送SDO報文將從站切換到位置模式，進行機械臂和料倉等軸的位置模式控制。
[0016]進一步，通過PDO協(xié)議每次發(fā)送8字節(jié)的關鍵控制變量給各從站，進行實時控制。
[0017]更進一步，使用CANopen的安全機制進行錯誤檢測；確保系統(tǒng)運行正常。
[0018]本發(fā)明的技術構思為:針對現有技術的問題，采用CANopen總線協(xié)議構建電機運動控制系統(tǒng)網絡進行管理控制可以使問題得到有效解決。CANopen協(xié)議是基于CAN(ControIIer Area Network)總線的應用高層協(xié)議,具有實時性強、可靠性高、抗干擾能力強、可拓展性好等優(yōu)點，且CANopen協(xié)議是公開免費協(xié)議，透明度高，會大大降低運動控制系統(tǒng)的成本。
[0019]本發(fā)明的優(yōu)點表現在:(I)開發(fā)搭載有CAN總線收發(fā)器的嵌入式運動控制硬件平臺，并擴展常規(guī)外設和10，硬件平臺可適用于大多數機械臂運動控制場合。(2)利用CANopen總線協(xié)議將運動控制系統(tǒng)網絡化，使控制系統(tǒng)更加安全可靠、易于管理。(3)將機械臂各軸的運動控制關鍵量都映射到RPD0，提高運動控制的實時性。(4)可在現有系統(tǒng)上通過CANopen協(xié)議總線方便的拓展機械臂軸和其他節(jié)點，例如料倉伺服從站和遠程IO點等，不需要增加額外的控制器，使系統(tǒng)構架簡潔，成本大大減少。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0020]圖1基于CANopen協(xié)議的運動控制系統(tǒng)網絡構架圖。
[0021]圖2基于CANopen總線的數控機床機械臂控制系統(tǒng)示意圖。
[0022]圖3基于CANopen的機械臂控制流程圖。
【具體實施方式】:
[0023]下面結合附圖對本發(fā)明作進一步描述。
[0024]實施例1
[0025]參照圖1和圖2，一種基于CANopen的CNC機械臂控制系統(tǒng)，包括機械臂運動控制硬件平臺核心芯片、CAN總線收發(fā)器、搭載有CANopen協(xié)議的機械臂運動控制主電路板和機械臂的每個軸伺服電機，其中，機械臂運動控制硬件平臺核心芯片采用基于CorteX-M3架構的微處理器，所述機械臂運動控制硬件平臺核心芯片與所述CAN總線收發(fā)器連接，所述CAN總線收發(fā)器與機械臂運動控制主電路板連接，所述機械臂運動控制主電路板通過CAN總線與機械臂的每個軸伺服電機連接；[0026]所述搭載有CANopen協(xié)議的機械臂運動控制主電路板作為CANopen主站,所述機械臂的每個軸伺服電機作為一個CANopen從站,所述CANopen主站和CANopen從站形成運動控制網絡。
[0027]進一步，所述機械臂運動控制硬件平臺核心芯片包括圍電路和擴展電路，所述擴展電路包括I/O 口和通信接口。
[0028]所述CANopen主站和CANopen從站之間采用非同步非周期PDO通信模式。
[0029]所述CNC機械臂控制系統(tǒng)還包括附加CANopen從站，所述附加CANopen從站為除了機械臂軸之外的裝置，所述除了機械臂軸之外的裝置包括料倉和遠程IO擴展點。
[0030]本實施例中，如圖1所示。采用基于Cortex_M3架構的STM32F103ZET6微處理器作為機械臂運動控制硬件平臺核心芯片，采用SN65HVD230D芯片作為CAN總線收發(fā)器，硬件平臺擴展有串口，手持器接口，一定數量的I/O接口；I/O接口都使用光耦EL817隔離，使電路板內部保持純凈的GND ;同時，輸出端口使用ULN2803達林頓管驅動器增加輸出驅動能力。在控制器上搭載CANopen總線協(xié)議作為網絡構建主站，將數控機床自動取卸料機械臂的X軸、Y軸、Z軸伺服器作為CANopen機械臂從站，同時可以將可能需要增加的設備，比如放置原料和成品的料倉、遠程I/O監(jiān)測點等作為從站；控制器主站通過CANopen協(xié)議與從站進行通信，通過NMT (Network Management Objects)功能對從站進行統(tǒng)一管理，控制從站狀態(tài)，實現保護機制；通過SDO協(xié)議在從站處于預操作(Pre-Operational)狀態(tài)下對其進行運動模式配置和PDO功能映射；將各從站的關鍵控制量，
[0031 ] 如位置、速度、加速度進行PDO映射，再通過PDO協(xié)議實現主站對從站的實時控制。針對本機從站，PDO映射表如下表1:
【權利要求】
1.一種基于CANopen的CNC機械臂控制系統(tǒng)，其特征在于:包括機械臂運動控制硬件平臺核心芯片、CAN總線收發(fā)器、搭載有CANopen協(xié)議的機械臂運動控制主電路板和機械臂的每個軸伺服電機，其中，機械臂運動控制硬件平臺核心芯片采用基于CorteX-M3架構的微處理器，所述機械臂運動控制硬件平臺核心芯片與所述CAN總線收發(fā)器連接，所述CAN總線收發(fā)器與機械臂運動控制主電路板連接，所述機械臂運動控制主電路板通過CAN總線與機械臂的每個軸伺服電機連接； 所述搭載有CANopen協(xié)議的機械臂運動控制主電路板作為CANopen主站，所述機械臂的每個軸伺服電機作為一個CANopen從站,所述CANopen主站和CANopen從站形成運動控制網絡。
2.如權利要求1所述的基于CANopen的CNC機械臂控制系統(tǒng)，其特征在于:所述機械臂運動控制硬件平臺核心芯片包括圍電路和擴展電路，所述擴展電路包括I/O 口和通信接□。
3.如權利要求1或2所述的基于CANopen的CNC機械臂控制系統(tǒng)，其特征在于:所述CANopen主站和CANopen從站之間采用非同步非周期PDO通信模式。
4.如權利要求1或2所述的基于CANopen的CNC機械臂控制系統(tǒng)，其特征在于:所述CNC機械臂控制系統(tǒng)還包括附加CANopen從站，所述附加CANopen從站為除了機械臂軸之外的裝置，所述除了機械臂軸之外的裝置包括料倉和遠程IO擴展點。
5.—種基于CANopen的CNC機械臂控制方法,其特征在于:機械臂運動控制硬件平臺核心芯片與CAN總線收發(fā)器連接，CAN總線收發(fā)器與搭載有CANopen協(xié)議的機械臂運動控制主電路板連接，所述機械臂運動控制主電路板通過CAN總線與機械臂的每個軸伺服電機連接；所述搭載有CANopen協(xié)議的機械臂運動控制主電路板作為CANopen主站,所述機械臂的每個軸伺服電機作為一個CANopen從站,所述CANopen主站和CANopen從站形成運動控制網絡； 所述控制方法包括以下步驟: (1)CANopen主站初始化，CAN總線收發(fā)器初始化； (2)主站通過NMT功能對從站開始進行管理，從站啟動正常之后發(fā)送Bootup報文，進入預操作狀態(tài)，主站接收到報文通過SDO功能配置從站為回原點模式(Homing Mode)，并將關鍵控制變量進行PDO映射； (3)完成從站初始化后，從站進入操作模式，CANopen總線協(xié)議通信配置完成； (4)在系統(tǒng)運動控制過程中，首先各機械臂軸采用方式21(Method21)回原點，主站發(fā)送SDO報文將從站切換到位置模式，進行機械臂和料倉等軸的位置模式控制。
6.如權利要求5所述的一種基于CANopen的CNC機械臂控制方法,其特征在于:通過PDO協(xié)議每次發(fā)送8字節(jié)的關鍵控制變量給各從站，進行實時控制。
7.如權利要求5或6所述的一種基于CANopen的CNC機械臂控制方法，其特征在于:使用CANopen的安全機制進行錯誤檢測；確保系統(tǒng)運行正常。
【文檔編號】G05B19/414GK103984290SQ201410134444
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年4月4日 優(yōu)先權日:2014年4月4日
【發(fā)明者】董輝, 吳祥, 羅立鋒, 賴宏煥, 仲曉帆, 高陽, 馬祖杰 申請人:杭州金人自動控制設備有限公司