孫立新，陳 幫

（河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300131）

0 引言

大型儲罐長期使用后會出現(xiàn)罐壁腐蝕、表面脫落的現(xiàn)象，當(dāng)表漆脫落嚴(yán)重時需將罐體表面原漆去除，并重新噴漆。傳統(tǒng)大型罐體噴漆需搭建腳手架進(jìn)行人工噴漆，搭建腳手架時，防止出現(xiàn)事故，所有相關(guān)設(shè)備需停止運(yùn)行；并且搭建腳手架耗費(fèi)很長時間，這將嚴(yán)重影響企業(yè)生產(chǎn)[1]。人工噴漆危險系數(shù)高，工作量大，對身體危害嚴(yán)重。

若研究設(shè)計一種噴漆爬壁機(jī)器人，它將取代人工噴漆，緩解工人工作強(qiáng)度；無需搭建腳手架，極大的提高企業(yè)生產(chǎn)效率。本文通過CANopen協(xié)議研究噴漆機(jī)器人的控制系統(tǒng)。

1 噴漆機(jī)器人工作原理

本文介紹的噴漆機(jī)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(jìn)行噴漆操作，噴槍在圖中未顯示。推桿伸縮可實(shí)現(xiàn)噴槍支架的升降，滑臺電機(jī)實(shí)現(xiàn)噴槍支架在滑臺上來回移動，達(dá)到調(diào)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(jù)左右輪轉(zhuǎn)向情況不同，實(shí)現(xiàn)車體的前進(jìn)、后退、順時針轉(zhuǎn)、逆時針轉(zhuǎn)。圖中盒子里面裝的是三個交流伺服驅(qū)動器，用以控制三個伺服電機(jī)。兩個激光傳感器朝向地面發(fā)射，根據(jù)其測量數(shù)值的差異實(shí)現(xiàn)車體的糾偏。

圖1 噴漆機(jī)器人

2 控制系統(tǒng)架構(gòu)

噴漆機(jī)器人控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

可編程控制器（PLC）通過CAN線與左輪驅(qū)動器、滑臺驅(qū)動器和右輪驅(qū)動器相互通信；驅(qū)動器根據(jù)伺服電機(jī)上編碼器的反饋信息控制電機(jī)；激光傳感器輸出模擬量信號經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)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(xié)議與PLC通訊。操作觸摸屏就可以控制噴漆機(jī)器人動作。

系統(tǒng)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(qū)動器形成CAN網(wǎng)絡(luò)，驅(qū)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(wǎng)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(zhuǎn)換模塊相連，另一個通信口既可以是RS485接口，也可以當(dāng)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(qū)動器為Copley公司的交流伺服驅(qū)動器，型號Xenus R10。觸摸屏為威綸通MT8071iE，有一個以太網(wǎng)口與PLC通訊。

圖3 CAN接線圖

3 設(shè)備通訊

3.1 PLC與信號轉(zhuǎn)換模塊間通訊

PLC與信號轉(zhuǎn)換模塊通過RS485進(jìn)行通訊，施耐德PLC編程軟件為Somachine。如圖4所示，將PLC設(shè)為主站，傳輸模式為Modbus RTU，設(shè)置波特率為115200。信號轉(zhuǎn)換模塊設(shè)置為從站，其他參數(shù)要和PLC設(shè)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(fā)送一組基于Modbus協(xié)議的數(shù)據(jù)，這組數(shù)據(jù)有8個字節(jié)為01 03 00 00 00 02 C4 0B，01表示模塊的地址，03代表讀數(shù)據(jù)，00 00為要讀數(shù)據(jù)的首地址，00 02表示要讀兩路模擬量的數(shù)據(jù)，C4 0B是兩個校驗(yàn)位；模塊返回去的一組數(shù)為01 03 04 byte1 byte2 byte3 byte4 CRC1 CRC2。

圖4 Modbus通訊配置

3.2 PLC與驅(qū)動器間通訊

1）CANopen原理

CANopen是一種架構(gòu)在控制局域網(wǎng)（CAN）上的高層通訊協(xié)定，是工業(yè)控制常用的一種現(xiàn)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(yīng)節(jié)點(diǎn)的所有參數(shù)，使用電子數(shù)據(jù)表（EDS文件）來記錄這些參數(shù)，每個對象采用一個16位的索引值來尋址。CANopen采用服務(wù)數(shù)據(jù)對象（SDO）和過程數(shù)據(jù)對象（PDO）兩種途徑來訪問對象字典。

通訊對象（COB）是CAN網(wǎng)絡(luò)上的一個傳輸單元，數(shù)據(jù)在COB內(nèi)部沿著整個網(wǎng)絡(luò)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(yōu)越性越高；7位是節(jié)點(diǎn)地址，一個CANopen網(wǎng)絡(luò)上最多允許127臺設(shè)備。協(xié)議棧中定義4類通訊對象：SDO、PDO、網(wǎng)絡(luò)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(shè)備間的通訊模型分為主/從、客戶機(jī)/服務(wù)器、生產(chǎn)者/消費(fèi)者三種模型。

SDO主要用來對從站進(jìn)行參數(shù)配置，其通信模型為客戶機(jī)/服務(wù)器模型；PDO常用來傳輸對實(shí)時性要求比較高的場合，其通信模型為生產(chǎn)者/消費(fèi)者模型，PDO的傳輸優(yōu)先級高于SDO[3～5]。

2）CANopen運(yùn)用

首先將Copley驅(qū)動器的EDS文件添加到PLC編程軟件中，設(shè)置CAN總線波特率為250K，添加三個驅(qū)動器，站號分別為1，2，3，如圖5所示，對應(yīng)驅(qū)動器硬件的參數(shù)設(shè)置需同PLC設(shè)置一致。如此，PLC與驅(qū)動器即可通訊。Heartbeat生產(chǎn)時間設(shè)為200毫秒。

圖5 CANopen通訊配置

配置P D O 參數(shù)，如圖6 所示，每個節(jié)點(diǎn)允許8路PDO，4路接收PDO（RPDO），4路發(fā)送PDO（TPDO）。每路PDO最多64位，RPDO用來更新設(shè)備，TPDO用來從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)，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(jī)軸的狀態(tài)，當(dāng)控制字的bit0、bit1、bit3都為TRUE時，電機(jī)處于使能狀態(tài)；否則不處于使能狀態(tài)。只有當(dāng)電機(jī)軸處于使能狀態(tài)時，才能進(jìn)行工作，其有三種運(yùn)行模式，分別為位置模式、速度模式和回零模式。

通過狀態(tài)字（status word）知道電機(jī)軸當(dāng)前狀態(tài)，在TPDO中添加參數(shù)可以讀取電機(jī)實(shí)時的脈沖數(shù)、速度和電流。

配置完P(guān)DO參數(shù)，在I/O映射表中可以實(shí)時監(jiān)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(shù)的地址，通過“讀SDO”、“寫SDO”，對參數(shù)進(jìn)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(shí)現(xiàn)噴漆機(jī)器人各種運(yùn)動。

圖9 噴漆機(jī)器人程序

4 車體位置校正

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

圖10為噴漆機(jī)器人位置校正原理圖，實(shí)線表示車體實(shí)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(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，校正后的車體傾斜角可以控制在0.3°以內(nèi)。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(jī)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(jié)語

圖10 車體校正原理圖

通過噴漆機(jī)器人在罐壁上大量實(shí)驗(yàn)，可知采用CANopen協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，系統(tǒng)響應(yīng)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(shè)備。噴漆厚度均勻，漆厚度符合要求。由于機(jī)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(yán)重后果。該機(jī)器人已在某公司應(yīng)用，取代人工噴漆，不需搭腳手架，提高企業(yè)生產(chǎn)效率，有廣泛的應(yīng)用前景。