1 引言
機械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于柔性自動線。我們開發(fā)的用于熱處理淬火加工的物料搬運機械手，是一種按預先設(shè)定的程序進行工件分揀、搬運和淬火加工的自動化裝置，可部分代替人工在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進行單調(diào)持久的作業(yè)，并可根據(jù)工件的變化以及淬火工藝的要求隨時更改相關(guān)控制參數(shù)。由于目前許多商品化的工業(yè)機器人（或機械手）大都采用封閉結(jié)構(gòu)的專用控制系統(tǒng)，一般采用專用計算機（如PUMA工業(yè)機器人使用PDP-11）作為上層主控計算機，使用專用機器人語言（如VAL）作為離線編程工具，采用專用微處理器，并將控制算法固化在EPROM中[1]，這種專用系統(tǒng)很難進行擴展、修改或再集成外部硬件（如傳感器）和軟件。因此，我們自行開發(fā)了氣、電混合驅(qū)動的三自由度圓柱坐標型機械手以及相應(yīng)的物料分揀裝置，并根據(jù)其控制要求設(shè)計了基于CAN總線的分式布開放結(jié)構(gòu)機械手控制系統(tǒng)。
本文重點闡述了該機械手控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，并從多個方面對控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計方法作了進一步分析。
2 機械手基本結(jié)構(gòu)
物料搬運機械手由機械手和物料分揀兩部分裝置組成。如圖1所示，機械手主要由機座（采用步進電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)）、水平手臂（采用直線坐標氣缸HMP-20-200）、垂直手臂（采用滑塊氣缸SLT-16-50）、氣爪（采用平行氣爪HGP-10-A）等部分組成。物料分揀裝置則由三個普通氣缸構(gòu)成，用以將不同長度的工件送至不同的軌道中，供機械手分別抓取和搬運。
圖1 物料搬運機械手結(jié)構(gòu)簡圖
3 基于CAN總線的機械手控制系統(tǒng)組成
在機械手控制系統(tǒng)的開發(fā)中，我們始終立足于開放結(jié)構(gòu)機械手控制器的設(shè)計思想，主要體現(xiàn)在以下幾方面：
?。?） 硬件基于標準總線結(jié)構(gòu)，能實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備之間、設(shè)備與各種傳感器之間以及現(xiàn)場設(shè)備與控制室之間的數(shù)據(jù)通信。
現(xiàn)場總線是當今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)。CAN（Controller Area Network）總線是現(xiàn)場總線的一個分支，是應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng)，是開放式、數(shù)字式的底層控制網(wǎng)絡(luò)。因其具有很高的可靠性和性能價格比，已經(jīng)成為國際標準，受到工業(yè)界的廣泛重視，并已被公認為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。機械手控制系統(tǒng)建立在CAN總線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，能夠更好地滿足其開放性和可靠性的要求。
如圖2所示，控制系統(tǒng)中上位機采用PC機，在上位機的PCI總線插槽中安裝了瑞隆德公司的CANPCA單口CAN總線適配卡。下位機則采用若干CAN總線智能節(jié)點，分別與氣閥、步進電機驅(qū)動器、傳感器、開關(guān)等相連。上、下位機間的數(shù)據(jù)通信都是通過各自的CAN總線控制器SJA1000芯片和CAN總線收發(fā)器82C250芯片來實現(xiàn)的。其中，SJA1000具有完成CAN總線通信協(xié)議所要求的全部特性，它與獨立CAN總線控制器82C200完全兼容，并有支持CAN2.0B協(xié)議、擴展接收緩沖器、增強錯誤處理能力和增強驗收濾波等新增功能。四個下位機智能節(jié)點各自獨立完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和運行控制任務(wù)，并通過SJA1000實現(xiàn)與上位機間的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。而上位機則通過PCI橋和接口控制電路來訪問CAN控制器，從而實現(xiàn)與下位機間的數(shù)據(jù)通信。
圖2 物料搬運機械手CAN總線控制系統(tǒng)示意圖
（2）使用基于非專用計算機平臺的開發(fā)系統(tǒng)（本控制系統(tǒng)中采用PC機）。
?。?）使用標準的操作系統(tǒng)和標準的控制語言。
機械手控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件采用Visual C++6.0作為開發(fā)工具，運行于Windows98平臺上。VC是一種面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，它提供了可視化編程環(huán)境，特別是提供了MFC類庫，封裝了Windows API接口函數(shù)，并建立了應(yīng)用程序框架，使程序開發(fā)人員可以將主要精力集中于所要解決的具體問題上。
另外，在機械手的水平手臂氣缸伺服控制中，采用德國Festo公司的伺服定位控制器SPC200以及與之配套的內(nèi)置位移傳感器MLO-POT-0225、伺服定位控制連接器SPC-AIF-POT和比例方向流量閥MPYE-5-1/8-LF-010-B等裝置。機械手的回轉(zhuǎn)控制則采用北京凱恩帝數(shù)控公司的BD-3Y三相混和式步進電機驅(qū)動器。
4 機械手控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計
4.1 監(jiān)控軟件基本結(jié)構(gòu)
機械手監(jiān)控軟件采用VC++6.0作為開發(fā)工具，應(yīng)用其提供的MFC類庫和APPWizard功能生成SDI單文檔界面應(yīng)用程序。VC++6.0提供了現(xiàn)成的窗口、工具條等制作手段，大大簡化了界面的開發(fā)過程，并且使得開發(fā)出的界面具有組態(tài)軟件風格，使用起來方便、靈活。如圖3所示，監(jiān)控軟件主要由系統(tǒng)界面、CAN總線通信、機械手監(jiān)控以及運行狀態(tài)顯示等模塊組成。下面就其中的數(shù)據(jù)通信、運行監(jiān)控及動態(tài)顯示部分作進一步分析。
圖3 機械手監(jiān)控軟件功能框圖
4.2 CAN總線數(shù)據(jù)通信
CAN總線是一種有效支持分布式控制及實時控制的多主串行總線，它具有短報文幀收發(fā)靈活、非破壞性基于優(yōu)先權(quán)的總線仲裁技術(shù)等多種優(yōu)越性能。在機械手控制系統(tǒng)中，CAN總線數(shù)據(jù)通信是通過與CANPCA適配卡一起提供Pcicandrv.LIB（CAN總線函數(shù)庫）中的相關(guān)函數(shù)調(diào)用實現(xiàn)的[5]。為了及時準確地了解CAN總線狀態(tài)，并盡可能減少故障和縮小故障范圍，在控制軟件中專門設(shè)計了測試程序，負責CAN總線接口及通信部分的調(diào)試、運行任務(wù)。只有在測試正常的前提下，才能進一步運用CAN總線對機械手進行控制。CAN總線數(shù)據(jù)有標準幀和擴展幀之分，它們都是由信息和數(shù)據(jù)兩部分組成的，只是地址標識符的位數(shù)不同。下面是CAN總線初始化及CAN標準幀數(shù)據(jù)收發(fā)的部分代碼。
//CAN總線初始化
void CWuLiao::InitCAN（）
?。?/p>
int retval;
retval =CAN_Open（）; //打開PCI適配卡函數(shù)
if（retval!=1） AfxMessageBox（"打開PCI卡失敗!"）;
ptrConfig = &Config;
ptrStruct = &Struct; //定義CAN數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)指針
ptrConfig->timer0=0x3f;
ptrConfig->timer1=0xff; //設(shè)置波特率為5K
ptrConfig->workMode=0; //使用11位的CAN節(jié)點地址
ptrStruct->card=0; //PCI適配卡卡號
ptrConfig->accCode=0; //CAN接收碼
ptrConfig->accMask=0xff; //CAN屏蔽碼
ptrConfig->control=1; //開放中斷
ptrConfig->filterMode=0; //CAN控制器采用單濾波方式
retval =CAN_Init（ptrStruct,ptrConfig）; //調(diào)CAN初始化函數(shù)
if（retval!=1） AfxMessageBox（"初始化失敗!"）;
?。?/p>
//CAN數(shù)據(jù)發(fā)送
void CWuLiao::OutputCAN（unsigned int CanID,unsigned ch ar H8B,unsigned ch ar L8B）
｛
int retval;
ptrPacket = &Packet;
ptrStruct = &Struct;
ptrStruct->card=0;<
